Giải Vật lí 12 Bài 9 (Chân trời sáng tạo): Khái niệm từ trường

Mở đầu trang 59 Vật Lí 12: Các nghiên cứu cho thấy, chim manh manh (Hình 9.1) có khả năng cảm nhận được từ trường dựa vào một số loại protein có trong mắt chim (Nguồn: Science News). Đặc điểm này giúp chim dựa vào từ trường của Trái Đất để xác định được phương hướng trong quá trình di cư. Vậy từ trường là gì và làm thế nào để mô tả từ trường?

Lời giải:

- Từ trường là một môi trường vật lý đặc biệt được tạo ra bởi các điện tích chuyển động hoặc bởi mômen lưỡng cực từ của vật chất có từ tính. Nó có thể tác dụng lực lên các vật liệu từ tính và các điện tích chuyển động.

- Cách mô tả từ trường:

+ Hướng: Từ trường có hướng nhất định tại mỗi điểm trong không gian. Hướng của từ trường được xác định bằng la bàn hoặc bằng các phương pháp khác.

+ Độ lớn: Độ lớn của từ trường được đo bằng đơn vị Tesla (T) hoặc Gauss (G). 1 Tesla bằng 10 Gauss.

+ Đường sức từ: Đường sức từ là những đường cong tưởng tượng mô tả hướng và độ lớn của từ trường tại mỗi điểm. Các đường sức từ luôn xuất phát từ cực Bắc và hướng về cực Nam của nam châm. Mật độ đường sức từ càng lớn thì từ trường càng mạnh.

Câu hỏi 1 trang 59 Vật Lí 12: Dựa vào kiến thức đã học ở môn Khoa học tự nhiên lớp 7, từ các dụng cụ như thanh nam châm, dây dẫn có dòng điện, kim nam châm có thể quay quanh trục hoặc la bàn, hãy thiết kế phương án và thực hiện thí nghiệm để nhận biết vùng không gian tồn tại từ trường. Ngoài các dụng cụ trên, ta có thể nhận biết từ trường bằng dụng cụ nào khác?

Lời giải:

Dụng cụ:

+ Thanh nam châm

+ Dây dẫn điện (có thể sử dụng dây đồng trần)

+ Nguồn điện (pin hoặc adaptor)

+ Kim nam châm có thể quay quanh trục hoặc la bàn

+ Bảng bìa cứng

+ Bút dạ

Câu hỏi 2 trang 60 Vật Lí 12: Từ các dụng cụ đơn giản như nam châm thắng, nam châm chữ U, mạt sắt, hộp nhựa trong chứa dầu và mạt sắt, giấy A4,...

Hãy thiết kế phương án và thực hiện thí nghiệm để quan sát hình ảnh từ phổ của các nam châm này.

Lời giải:

- Quan sát từ phổ của nam châm thẳng:

+ Bước 1: Đặt nam châm thẳng lên mặt bàn.

+ Bước 2: Rắc đều mạt sắt lên mặt bàn xung quanh nam châm.

+ Bước 3: Quan sát sự sắp xếp của mạt sắt. Mạt sắt sẽ tập trung ở hai đầu của nam châm, tạo thành đường sức từ

- Quan sát từ phổ của nam châm chữ U:

+ Bước 1: Đặt nam châm chữ U lên mặt bàn.

+ Bước 2: Rắc đều mạt sắt lên mặt bàn xung quanh nam châm.

+ Bước 3: Quan sát sự sắp xếp của mạt sắt. Mạt sắt sẽ tập trung ở hai cực của nam châm chữ U, tạo thành đường sức từ

- Quan sát từ phổ của nam châm trong hộp nhựa chứa dầu:

+ Bước 1: Đặt nam châm vào hộp nhựa chứa dầu.

+ Bước 2: Rắc đều mạt sắt lên mặt dầu.

+ Bước 3: Quan sát sự sắp xếp của mạt sắt. Mạt sắt sẽ tập trung ở hai cực của nam châm, tạo thành đường sức từ (tùy thuộc vào vị trí đặt nam châm).

Câu hỏi 3 trang 60 Vật Lí 12: Khi nào thì ta có thể xem dây dẫn thẳng có dòng điện chạy qua có chiều dài vô hạn?

Lời giải:

- Về mặt lý thuyết, ta không thể xem dây dẫn thẳng có dòng điện chạy qua có chiều dài vô hạn. Lý do là vì:

+ Tính hữu hạn của vật chất: Trong thực tế, mọi vật liệu đều có giới hạn về kích thước. Dây dẫn cũng không ngoại lệ, chúng có chiều dài hữu hạn, dù có thể rất dài.

+ Ảnh hưởng của điện trở: Dây dẫn có điện trở, dẫn đến việc mất năng lượng điện khi dòng điện chạy qua. Điện trở càng lớn, năng lượng mất đi càng nhiều. Khi chiều dài dây dẫn tăng lên, điện trở cũng tăng theo, dẫn đến việc hiệu ứng của dòng điện giảm dần.

+ Ảnh hưởng của từ trường: Dòng điện chạy qua dây dẫn tạo ra từ trường. Từ trường này cũng có ảnh hưởng đến chính bản thân dòng điện, làm cho nó bị lệch hướng. Khi chiều dài dây dẫn tăng lên, từ trường cũng tăng theo, dẫn đến việc ảnh hưởng của từ trường lên dòng điện cũng tăng lên

- Tuy nhiên, trong một số trường hợp cụ thể, ta có thể xem xét dây dẫn có chiều dài vô hạn như một xấp xỉ hợp lý. Ví dụ, khi dây dẫn có chiều dài rất lớn so với kích thước của hệ thống đang xét, hoặc khi ảnh hưởng của điện trở và từ trường có thể bỏ qua, ta có thể xem dây dẫn như vô hạn để đơn giản hóa bài toán.

Luyện tập trang 61 Vật Lí 12: Ta đã biết, điện trường là dạng vật chất bao quanh điện tích. Vậy, theo em xung quanh điện tích có thể tồn tại từ trường hay không? Nếu có thì khi nào từ trường xuất hiện xung quanh điện tích?

Lời giải:

+ Từ trường có thể tồn tại xung quanh điện tích.

+ Từ trường xuất hiện khi có sự chuyển động của điện tích.

Câu hỏi 4 trang 61 Vật Lí 12: Hãy mô tả hình ảnh đường sức từ (hướng và độ mau (dày)/ thưa) trong các trường hợp ở Hình 9.5.

Lời giải:

a) Nam châm thẳng:

- Hướng: Đường sức từ xuất phát từ cực Bắc và hướng về cực Nam của nam châm.

- Độ mau (dày)/ thưa: Đường sức từ mau (dày) hơn ở hai cực của nam châm và thưa hơn ở phần giữa.

b) Nam châm chữ U:

- Hướng: Đường sức từ xuất phát từ hai cực của nam châm chữ U và hướng về phần giữa của nó.

- Độ mau (dày)/ thưa: Đường sức từ mau (dày) hơn ở hai cực của nam châm chữ U và thưa hơn ở phần giữa.

c) Ống dây có dòng điện chạy qua:

- Hướng: Đường sức từ bao quanh ống dây theo các vòng tròn đồng tâm.

- Độ mau (dày)/ thưa: Đường sức từ mau (dày) hơn ở bên trong ống dây và thưa hơn ở bên ngoài.

Luyện tập trang 61 Vật Lí 12: Dùng kim nam châm và các hình ảnh từ phổ thu được từ câu Thảo luận 2, hãy thiết kế phương án thí nghiệm để nhận biết được chiều của đường sức từ đi ra từ cực Bắc và đi vào cực Nam của kim nam châm.

Lời giải:

Đặt kim nam châm trong vùng từ trường, dựa vào hướng của kim nam châm ta có thể suy ra hướng của từ trường.

Câu hỏi 5 trang 62 Vật Lí 12: Để xuất cách xác định chiều đường sức từ trong Hình 9.6.

Lời giải:

Sử dụng kim nam châm hoặc sử dụng quy tắc nắm bàn tay phải để xác định chiều của đường sức từ.

Luyện tập trang 62 Vật Lí 12: Vẽ phác đường sức từ của các dòng điện thẳng vuông góc với mặt phẳng giấy đặt trên bàn và có chiều từ trên xuống dưới.

Lời giải:

Câu hỏi 6 trang 63 Vật Lí 12: Hãy vẽ phác hình dạng đường sức từ của dòng điện tròn trong Hình 9.8.

Lời giải:

Câu hỏi 7 trang 63 Vật Lí 12: Hãy vẽ phác hình dạng đường sức từ trong vùng không gian xung quanh ống dây khi có dòng điện chạy qua.

Lời giải:

Câu hỏi 8 trang 64 Vật Lí 12: Ống dây được tạo thành từ việc quấn nhiều vòng dây giống nhau. Dựa vào quy tắc nắm tay phải để xác định chiều đường sức từ của dòng điện tròn, hãy đề xuất cách xác định chiều đường sức từ của dòng điện bên trong ống dây.

Lời giải:

Khum bàn tay phải sao cho các ngón tay theo chiều dòng điện qua ống dây, khi đó ngón tay cái choãi ra chỉ chiều của đường sức từ bên trong ống dây.

Vận dụng trang 64 Vật Lí 12: Xét một ống dây có dòng điện chạy qua và một nam châm thử định hướng như Hình 9.12. Biết A, B là các cực của nguồn điện không đổi. Hãy xác định chiều đường sức từ của từ trường trong ống dây. Từ đó xác định tên các cực của nguồn điện

Lời giải:

Bài 1 trang 65 Vật Lí 12: Đường sức từ được tạo bởi nam châm thẳng có đặc điểm nào sau đây?

A. Là đường thẳng song song với trục nam châm, hướng từ cực Bắc đến cực Nam.

B. Là đường khép kín, đi ra từ cực Bắc và đi vào cực Nam của nam châm.

C. Là đường tròn nằm trong mặt phẳng vuông góc với trục của thanh nam châm.

D. Là đường tròn nằm trong mặt phẳng chứa trục của thanh nam châm.

Lời giải:

Đường sức từ được tạo bởi nam châm thẳng có đặc điểm Là đường khép kín, đi ra từ cực Bắc và đi vào cực Nam của nam châm

Đáp án B

Bài 2 trang 65 Vật Lí 12: Xét một ống dây được nối với hai cực A, B của một nguồn điện. Khi đó, đường sức từ qua ống dây có dạng như Hình 9P.1. Hãy xác định tên các cực của nguồn điện

Lời giải:

+ Cực A của nguồn điện: cực âm.

+ Cực B của nguồn điện: cực dương.

Bài 3 trang 65 Vật Lí 12: Xung quanh Trái Đất có tồn tại từ trường, do đó Trái Đất được coi như một nam châm khổng lồ.

Dựa vào điều này, hãy giải thích tại sao kim la bàn luôn chỉ theo hướng Bắc - Nam địa lí.

Lời giải:

Do kim nam châm luôn hướng theo từ trường Trái Đất, mà từ trường Trái Đất gần trùng với cực địa lí nên ta thấy kim la bàn luôn chỉ theo hướng Bắc – Nam địa lí.

Bài 4 trang 65 Vật Lí 12: Dựa vào hình ảnh các đường sức từ của nam châm chữ U như Hình 9P.2, em hãy xác định các cực của nam châm này

Lời giải: