Bài 14. Từ trường

1. Kiến thức trọng tâm

1.1. Từ trường

• Từ trường là một dạng vật chất tồn tại xung quanh nam châm, dòng điện và điện tích chuyển động.

• Từ trường tác dụng lực từ lên nam châm, dòng điện hoặc điện tích chuyển động đặt trong nó.

• Từ trường là môi trường truyền tương tác từ.

1.2. Từ phổ

• Từ phổ là hình ảnh các đường mạt sắt sắp xếp trong từ trường.

• Từ phổ cho biết hình dạng và sự phân bố của từ trường.

• Nơi mạt sắt xếp dày đặc hơn thì từ trường mạnh hơn.

• Nơi mạt sắt xếp thưa hơn thì từ trường yếu hơn.

1.3. Đường sức từ

• Đường sức từ là những đường vẽ biểu diễn từ trường.

• Tiếp tuyến với đường sức từ tại mỗi điểm cho phương của vectơ cảm ứng từ tại điểm đó.

• Chiều đường sức từ là chiều của vectơ cảm ứng từ.

Đặc điểm của đường sức từ:

• Qua mỗi điểm trong từ trường chỉ có một đường sức từ.

• Các đường sức từ không cắt nhau.

• Các đường sức từ là những đường cong khép kín.

• Nơi đường sức từ mau thì từ trường mạnh.

• Nơi đường sức từ thưa thì từ trường yếu.

1.4. Cảm ứng từ

• Đại lượng đặc trưng cho từ trường tại một điểm là vectơ cảm ứng từ $\overrightarrow{B}$.

• Tại mỗi điểm trong từ trường, phương và chiều của vectơ cảm ứng từ trùng với phương và chiều của đường sức từ tại điểm đó.

• Đơn vị của cảm ứng từ là tesla (T).

• Cảm ứng từ càng lớn thì từ trường càng mạnh.

1.5. Từ trường của nam châm

• Bên ngoài nam châm, đường sức từ đi ra từ cực Bắc (N) và đi vào cực Nam (S).

• Bên trong nam châm, đường sức từ đi từ cực Nam (S) đến cực Bắc (N).

• Các đường sức từ của nam châm là những đường cong khép kín.

1.6. Từ trường của dây dẫn thẳng có dòng điện

• Xung quanh dây dẫn thẳng có dòng điện xuất hiện từ trường.

• Các đường sức từ là những đường tròn đồng tâm nằm trong mặt phẳng vuông góc với dây dẫn.

• Chiều đường sức từ được xác định bằng quy tắc nắm tay phải.

1.7. Từ trường của ống dây có dòng điện

• Từ trường của ống dây có dòng điện giống từ trường của nam châm thẳng.

• Một đầu ống dây là cực Bắc (N), đầu còn lại là cực Nam (S).

• Các đường sức từ bên trong ống dây gần như song song với nhau.

• Chiều từ trường được xác định bằng quy tắc nắm tay phải.

1.8. Quy tắc nắm tay phải

a) Dòng điện trong dây dẫn thẳng dài

• Đặt ngón cái của bàn tay phải chỉ theo chiều dòng điện.

• Các ngón còn lại khum tự nhiên chỉ chiều các đường sức từ bao quanh dây dẫn.

b) Dòng điện trong vòng dây tròn

• Khum các ngón tay phải theo chiều dòng điện chạy trong vòng dây.

• Ngón cái choãi ra chỉ chiều của vectơ cảm ứng từ tại tâm vòng dây và bên trong vòng dây.

c) Dòng điện trong ống dây (solenoid)

• Khum các ngón tay phải theo chiều dòng điện chạy qua các vòng dây.

• Ngón cái choãi ra chỉ chiều của vectơ cảm ứng từ bên trong ống dây, đồng thời chỉ về phía cực Bắc của ống dây.

Áp dụng: Dây dẫn thẳng dài, vòng dây tròn, ống dây.

1.9. Xác định cực của ống dây

Khi nhìn trực diện vào một đầu ống dây:

• Dòng điện chạy ngược chiều kim đồng hồ ⇒ đầu đó là cực Bắc (N).

• Dòng điện chạy cùng chiều kim đồng hồ ⇒ đầu đó là cực Nam (S).

2. Giúp hiểu sâu

💡 Từ trường là môi trường truyền tương tác từ giữa các nam châm, dòng điện và điện tích chuyển động.

💡 Đường sức từ không phải là những đường có thật mà chỉ là cách biểu diễn từ trường.

💡 Dòng điện thực chất là dòng chuyển dời có hướng của các điện tích, vì vậy dòng điện tạo ra từ trường.

💡 Từ trường của ống dây có dòng điện và từ trường của nam châm thẳng có dạng tương tự nhau.

3. Lưu ý cho học sinh

• Không nhầm chiều đường sức từ với chiều dòng điện.

• Vectơ cảm ứng từ tại một điểm luôn tiếp tuyến với đường sức từ đi qua điểm đó.

• Không được xác định chiều từ trường bằng cách suy đoán, phải áp dụng quy tắc nắm tay phải.

• Khi nhìn trực diện vào một đầu ống dây:

Ngược chiều kim đồng hồ ⇒ cực Bắc.

Cùng chiều kim đồng hồ ⇒ cực Nam.

• Mật độ đường sức từ càng dày thì từ trường càng mạnh.

• Không nhầm chiều đường sức từ bên ngoài nam châm $\left(N\to S\right)$ với chiều đường sức từ bên trong nam châm $\left(S\to N\right)$.

• Từ phổ chỉ cho biết hình dạng và sự phân bố của từ trường; chiều từ trường phải xác định bằng đường sức từ hoặc kim nam châm thử.

4. Mở rộng và nâng cao – Dành cho học sinh giỏi và thi đánh giá năng lực

4.1. Nguyên lí chồng chất từ trường

Cảm ứng từ tổng hợp tại một điểm là tổng vectơ các cảm ứng từ thành phần:

$$\overrightarrow{B}=\Sigma {\overrightarrow{B}}_{\left\{i\right\}}$$

4.2. Từ trường của các dòng điện có hình dạng đặc biệt

Dây dẫn thẳng dài:

$$\text{B =}\frac{{\mu }_{0}I}{\mathrm{2\pi r}}$$

Tại tâm vòng dây tròn $N$ vòng:

$$\text{B =}\frac{{\mu }_0\mathrm{NI}}{\mathrm{2R}}$$

Trong lòng ống dây dài:

$$\text{B =}{\mu }_0\mathrm{nI}$$

4.3. Mômen từ và tương tác với từ trường

Khung dây có mômen từ $\overrightarrow{\mu }\text{= NI}\overrightarrow{S}$. Trong từ trường đều, mômen lực có độ lớn:

$$\text{M = μB sinα = NISB sinα}$$

4.4. Câu hỏi tư duy nâng cao

1. Hai dòng điện thẳng song song cùng chiều hút hay đẩy nhau?

2. Vì sao từ trường trong ống dây dài gần đều?

3. Khi nào mômen lực tác dụng lên khung dây cực đại?

Gợi ý ngắn: (1) hút nhau; (2) các từ trường thành phần cộng hưởng trong lòng ống; (3) khi pháp tuyến khung vuông góc với từ trường.