Lý thuyết Từ trường - Vật lí 12 Cánh diều

Lý thuyết Vật lí 12 Bài 1: Từ trường

I. Khái niệm từ trường

1. Tính chất từ của nam châm

Trên một nam châm, có những miền hút vụn sắt mạnh nhất: đó là các cực từ của nam châm. Mỗi nam châm bao giờ cũng có hai loại cực từ phân biệt. Một loại được đặt tên là cực từ bắc, kí hiệu N (viết tắt của North, theo tiếng Anh), loại kia là cực từ nam, kí hiệu S (viết tắt của South).

Trong sách này, ta quy ước ở các hình vẽ: cực từ bắc (N) của nam châm có màu đỏ, cực từ nam (S) có màu xanh. Nam châm có thể hút hoặc đẩy nam châm khác. Hai cực của hai nam châm được đưa lại gần nhau sẽ đẩy nhau khi chúng cùng loại và sẽ hút nhau khi chúng khác loại. Lực hút hoặc đẩy này dược gọi là lực từ. Lực hút hoặc đẩy giữa nam châm và dòng diện, giữa dòng diện và dòng diện cũng được gọi là lực từ.

2. Định nghĩa từ trường

Từ trường là trường lực gây ra bởi dòng điện hoặc nam châm, là dạng vật chất tồn tại xung quanh dòng điện hoặc nam châm mà biểu hiện cụ thể là sự xuất hiện của lực từ tác dụng lên một dòng điện hay một nam châm khác đặt trong đó.

Định nghĩa này cho thấy, đặc trưng của từ trường là gây ra lực từ tác dụng lên nam châm hay dòng điện đặt trong nó.

Để phát hiện sự tồn tại của từ trường trong một khoảng không gian nào đó, người ta sử dụng kim nam châm nhỏ đặt tại những vị trí bất kì trong khoảng không gian ấy.

II. Đường sức từ

Từ trường không nhìn thấy nhưng có thể biểu diễn bằng đường sức từ.

1. Thí nghiệm

Trong từ trường của thanh nam châm, mạt sắt được sắp xếp theo các đường cong nối từ cực này sang cực kia của nam châm, dày nhất ở các cực từ của nam châm. Càng ra xa nam châm, những đường này càng thưa dần.

Hình ảnh các đường mạt sắt xung quanh nam châm như Hình 1.5 được gọi là từ phổ.

2. Định nghĩa

Đường sức từ là những đường vẽ trong không gian có từ trường, sao cho tiếp tuyển với nó tại mỗi điểm có phương trùng với phương của kim nam châm nhỏ nằm cân bằng tại điểm đó.

3. Ví dụ

Đường sức từ của dòng điện thẳng

Dòng điện chạy trong dây dẫn thẳng rất dài được gọi là dòng điện thẳng.

Kết quả thí nghiệm cho biết đường sức từ của dòng điện thẳng rất dài với cường độ I:

+ Có dạng những đường tròn nằm trong những mặt phẳng vuông góc với dòng điện có tâm là giao điểm giữa dòng điện và mặt phẳng đó (Hình 1.9).

+ Có chiều được xác định bằng quy tắc nắm tay phải (Hình 1.10).

Quy tắc nắm tay phải: Để bàn tay phải sao cho ngón cái nằm dọc dây dẫn và chỉ theo chiều dòng điện, khi đó các ngón tay kia khum lại chỉ chiều của đường sức từ.

Đường sức từ của dòng điện tròn

Dòng điện chạy trong dây dẫn hình tròn được gọi là dòng điện tròn.

Hình 1.12 biểu diễn từ phổ và hình dạng các đường sức từ của dòng điện tròn.

Người ta quy ước mặt nam của dòng điện tròn là mặt khi nhìn vào mặt đó, ta thấy dòng điện chạy theo chiều kim đồng hồ, còn mặt bắc thì ngược lại. Dùng quy ước này, ta có: Các đường sức từ của dòng điện tròn có chiều đi vào mặt nam và đi ra mặt bắc của dòng điện tròn ấy. Có thể xác định chiều dòng điện tròn tại mặt nam của nó bằng cách viết chữ S rồi đánh dấu mũi tên vào hai đầu chữ S; còn ở mặt bắc thì viết chữ N rồi đánh dấu mũi tên vào hai đầu chữ N (Hình 1.13).

Khum bàn tay phải theo vòng dây của dòng điện tròn sao cho chiều từ cổ tay đến các ngón tay trùng với chiều dòng điện; khi đó, ngón cái choãi ra chỉ chiều đường sức từ.

Đường sức từ của từ trường đều

Từ trường đều là từ trường mà các đường sức từ của nó là những đường thẳng song song và cách đều nhau.

Từ trường giữa hai cực của một nam châm hình chữ U (vùng tô màu) có thể coi là từ trường đều (Hình 1.15).

Trắc nghiệm: Từ trường

PHẦN I. Câu trắc nghiệm nhiều phương án lựa chọn. Thí sinh trả lời từ câu 1 đến câu 7. Mỗi câu hỏi thí sinh chỉ lựa chọn một phương án.

Câu 1: Phát biểu nào sau đây là không đúng? Người ta nhận ra từ trường tồn tại xung quanh dây dẫn mang dòng điện vì

A. có lực tác dụng lên một dòng điện khác đặt song song cạnh nó.

B. có lực tác dụng lên một kim nam châm đặt song song cạnh nó.

C. có lực tác dụng lên một hạt mang điện chuyển động dọc theo nó.

D. có lực tác dụng lên một hạt mang điện đứng yên đặt bên cạnh nó.

Câu 2: Tính chất cơ bản của từ trường là

A. gây ra lực từ tác dụng lên nam châm hoặc lên dòng điện đặt trong nó.

B. gây ra lực hấp dẫn lên các vật đặt trong nó.

C. gây ra lực đàn hồi tác dụng lên các dòng điện và nam châm đặt trong nó.

D. gây ra sự biến đổi về tính chất điện của môi trường xung quanh.

Câu 3: Từ phổ là

A. hình ảnh của các đường mạt sắt trong từ trường.

B. hình ảnh tương tác của hai nam châm với nhau.

C. hình ảnh tương tác giữa dòng điện và nam châm.

D. hình ảnh tương tác của hai dòng điện chạy trong hai dây dẫn thẳng song song.

Câu 4: Tìm phát biểu sai.

A. Chiều của các đường sức từ là chiều của từ trường.

B. Qua mỗi điểm trong từ trường chỉ vẽ được một đường sức từ.

C. Các đường sức từ là các đường cong khép kín hoặc vô hạn ở hai đầu.

D. Các đường sức từ của cùng một từ trường có thể cắt nhau.

Câu 5: Phát biểu nào sau đây là không đúng? Từ trường đều là từ trường có

A. các đường sức từ song song và cách đều nhau.

B. cảm ứng từ tại mọi nơi đều bằng nhau.

C. lực từ tác dụng lên các dòng điện như nhau.

D. cảm ứng từ như nhau tại mọi điểm và có các đường sức song song, cách đều nhau.

Câu 6: Vật liệu nào sau đây không thể dùng làm nam châm?

A. Sắt và hợp chất của sắt.

B. Nickel và hợp chất của nickel.

C. Cobalt và hợp chất của cobalt.

D. Nhôm và hợp chất của nhôm.

Câu 7: Các đường sức từ là các đường cong vẽ trong không gian có từ trường sao cho

A. pháp tuyến tại mọi điểm trùng với hướng của từ trường tại điểm đó.

B. tiếp tuyến tại mọi điểm trùng với hướng của từ trường tại điểm đó.

C. pháp tuyến tại mỗi điểm tạo với hướng của từ trường một góc không đổi.

D. tiếp tuyến tại mọi điểm tạo với hướng của từ trường một góc không đổi.

PHẦN II. Câu trắc nghiệm đúng sai. Trong mỗi ý a), b), c), d) ở mỗi câu, thí sinh chọn đúng hoặc sai

Câu hỏi: Trong các phát biểu dưới đây, phát biểu nào là đúng, phát biểu nào là sai?

a) Đường sức từ là đường được vẽ trong từ trường sao cho tiếp tuyến tại một điểm bất kì trên đường trùng với phương của vecto cảm ứng từ tại điểm đó.

b) Bên ngoài một thanh nam châm, các đường sức từ đi từ cực nam đến cực bắc.

c) Nơi nào từ trường mạnh hơn thì các đường sức từ ở đó dày hơn, nơi nào từ trường yếu hơn thì các đường sức từ ở đó thưa hơn.

PHẦN III. Câu trả lời ngắn

Câu hỏi: Quy tắc bàn tay phải đối với dòng điện thẳng: Giơ ngón cái của bàn tay phải hướng …, khum bốn ngón tay kia xung quanh dây dẫn thì chiều từ … đó là chiều của đường sức từ. Điền từ có thiếu vào chỗ trống.