Đây là bản xem thử. Phiên bản đầy đủ trong ứng dụng có bài tập, AI chấm ngay và theo dõi tiến độ học.
Bài học
Từ trường của dòng điện tròn và quy tắc chung về đường sức
Mục tiêu bài học
Sau bài này, em xác định được chiều đường sức từ tại tâm một vòng dây tròn mang dòng điện bằng quy tắc nắm tay phải, và so sánh được từ trường của ba nguồn đã học: nam châm thẳng, dòng điện thẳng, dòng điện tròn.
Kiến thức nền cần nhớ
Bài trước đã dùng quy tắc nắm tay phải cho một dây dẫn thẳng: ngón cái chỉ chiều dòng điện, các ngón còn lại khum theo chiều đường sức từ. Bài này áp dụng đúng logic ấy cho dây dẫn được uốn thành một vòng tròn — nguồn từ trường trung gian giữa dây thẳng và ống dây nhiều vòng sẽ học ở chương sau.
Khởi động
Một dây dẫn thẳng dài tạo ra đường sức từ là những vòng tròn bao quanh nó. Nếu bây giờ ta uốn chính dây dẫn ấy thành một vòng tròn, từ trường tại tâm vòng dây sẽ mạnh hơn hay yếu hơn so với ở gần một đoạn dây thẳng, và đường sức tại tâm có phương như thế nào so với mặt phẳng vòng dây?
Kiến thức trọng tâm
Khi một dòng điện chạy trong một vòng dây tròn, các đường sức từ do từng đoạn nhỏ của vòng dây gây ra cộng hưởng với nhau: tại tâm vòng dây, đường sức từ có phương vuông góc với mặt phẳng chứa vòng dây. Càng ra xa tâm, đường sức uốn cong dần và khép kín vòng ra bên ngoài — hình dạng tổng thể của các đường sức giống hệt đường sức của một nam châm thẳng nhỏ đặt tại tâm vòng dây, với một mặt của vòng dây đóng vai trò cực Bắc, mặt còn lại là cực Nam.
Chiều của đường sức tại tâm được xác định bằng quy tắc nắm tay phải, áp dụng cho trường hợp dòng tròn: khum bàn tay phải theo chiều dòng điện chạy trong vòng dây (tức là các ngón tay uốn theo đúng chiều dòng điện đi vòng quanh), khi đó ngón tay cái duỗi thẳng chỉ chiều của đường sức từ tại tâm vòng dây (đây cũng là chiều xuyên qua tâm, ra khỏi mặt được coi là cực Bắc).
So sánh ba nguồn từ trường đã học trong chương: nam châm thẳng có đường sức đi ra ở cực Bắc, vào ở cực Nam, khép kín bên trong nam châm; dòng điện thẳng có đường sức là các vòng tròn đồng tâm bao quanh dây, không có "cực" cố định vì đường tròn khép kín ngay quanh dây; dòng điện tròn có đường sức tại tâm vuông góc với mặt phẳng vòng dây, và hình dạng tổng thể của các đường sức bên ngoài vòng dây giống hệt nam châm thẳng. Điểm chung của cả ba: đường sức luôn khép kín, không cắt nhau, và mật độ đường sức thể hiện độ mạnh yếu của từ trường.
Một tính chất quan trọng, tuy chưa cần tính toán ở bài này nhưng sẽ dùng ngay ở chương sau: khi nhiều nguồn từ trường (nhiều vòng dây, hay nhiều đoạn dây) cùng tồn tại tại một điểm, từ trường tổng hợp tại điểm đó bằng tổng vectơ của từ trường do từng nguồn gây ra riêng lẻ — gọi là **nguyên lí chồng chất từ trường**. Đây chính là lí do khi xếp nhiều vòng dây tròn liên tiếp sát nhau thành một ống dây, từ trường bên trong ống được TĂNG CƯỜNG lên nhiều lần so với một vòng dây đơn lẻ: từ trường của mỗi vòng cộng dồn vào cùng một chiều bên trong lòng ống.
Khum ngón tay theo chiều dòng điện trong vòng dây, ngón cái chỉ chiều $\vec{B}$ tại tâm.
Ví dụ
Xác định chiều từ trường tại tâm một vòng dây tròn
1
Một vòng dây tròn được đặt nằm ngang. Nhìn từ trên xuống, dòng điện chạy trong vòng dây theo chiều kim đồng hồ. Xác định chiều của đường sức từ tại tâm vòng dây (hướng lên trên hay hướng xuống dưới).
2
Ta khum bốn ngón tay phải theo chiều kim đồng hồ khi nhìn từ trên xuống — đúng chiều dòng điện đã cho. Với cách khum này, ngón tay cái duỗi thẳng chỉ xuống phía dưới.
3
Vậy đường sức từ tại tâm vòng dây hướng xuống dưới. Mặt dưới của vòng dây, nơi đường sức đi ra, đóng vai trò cực Bắc của "nam châm điện" tương đương này.
Ví dụ
So sánh cực của hai vòng dây quấn ngược chiều nhau
1
Hai vòng dây tròn giống hệt nhau được đặt song song, sát cạnh nhau, cùng mắc vào một nguồn điện nhưng theo hai chiều ngược nhau: vòng 1 có dòng điện chạy theo chiều kim đồng hồ (nhìn từ một phía cố định), vòng 2 có dòng điện chạy ngược chiều kim đồng hồ khi nhìn từ cùng phía đó. Hai mặt đối diện nhau của hai vòng dây (mặt quay vào nhau) là cùng cực hay khác cực?
2
Áp dụng quy tắc nắm tay phải cho vòng 1 (dòng điện theo chiều kim đồng hồ khi nhìn từ phía đã chọn): ngón cái chỉ ra xa phía người quan sát, nên mặt hướng về phía người quan sát là cực Nam, mặt kia là cực Bắc. Với vòng 2 (dòng điện ngược chiều kim đồng hồ khi nhìn từ cùng phía): ngón cái chỉ về phía người quan sát, nên mặt hướng về phía người quan sát là cực Bắc.
3
Hai vòng dây đặt sát nhau, mặt của vòng 1 quay vào vòng 2 là cực Bắc (mặt còn lại của vòng 1, đối diện người quan sát), còn mặt của vòng 2 quay vào vòng 1 cũng chính là mặt hướng về phía người quan sát — cực Bắc.
4
Vậy hai mặt đối diện nhau của hai vòng dây đều là cực Bắc — cùng cực. Hai vòng dây quấn ngược chiều nhau khi đặt sát nhau sẽ đẩy nhau, giống hai nam châm cùng cực đặt gần nhau.
5
Nhận xét logic: hai vòng dây có dòng điện chạy theo hai chiều NGƯỢC NHAU khi cùng nhìn từ một phía cố định phải cho ra hai cực khác nhau ở CÙNG một mặt quan sát — mặt hướng về người quan sát ở vòng 1 là cực Nam, còn ở vòng 2 là cực Bắc. Vì hai vòng dây quay mặt đối nghịch nhau vào giữa, mặt-Nam-của-vòng-1 hướng ra ngoài (xa vòng 2), nên mặt quay vào trong của vòng 1 phải là cực còn lại — cực Bắc, khớp với kết luận trên.
Ví dụ
Xác định cực của một cuộn dây phẳng nhiều vòng
1
Một cuộn dây chuông điện được quấn phẳng thành nhiều vòng tròn xếp chồng khít lên nhau (không phải ống dây dài, mà là một cuộn dẹt). Nhìn từ mặt trước cuộn dây, dòng điện trong tất cả các vòng đều chạy ngược chiều kim đồng hồ. Xác định mặt nào của cuộn dây là cực Bắc.
2
Vì mọi vòng dây đều được quấn cùng chiều (ngược chiều kim đồng hồ khi nhìn từ mặt trước), mỗi vòng đóng góp một từ trường tại tâm cùng chiều nhau — theo nguyên lí chồng chất, từ trường tổng hợp cũng theo đúng chiều đó, chỉ mạnh hơn nhiều lần so với một vòng đơn lẻ. Khum tay phải theo chiều ngược kim đồng hồ (nhìn từ mặt trước), ngón cái chỉ ra phía người quan sát (ra khỏi mặt trước).
3
Vậy mặt trước của cuộn dây (mặt người quan sát đang nhìn vào) là cực Bắc — đường sức đi ra ở đó, mạnh gấp nhiều lần một vòng dây đơn lẻ nhờ chồng chất từ nhiều vòng cùng chiều, đúng như nguyên lí vừa nêu ở trên.
Sai lầm thường gặp
Với dòng điện tròn, "chiều kim đồng hồ hay ngược chiều kim đồng hồ" chỉ có nghĩa khi đã chọn rõ một phía để nhìn — nhìn từ phía đối diện, chiều quan sát được sẽ đảo ngược. Luôn xác định rõ mình đang nhìn từ phía nào trước khi áp dụng quy tắc nắm tay phải, nếu không sẽ kết luận sai chiều đường sức và sai cực của vòng dây.
Luyện tập có hướng dẫn
Luyện tập độc lập
Kiểm tra nhanh
Ghi nhớ
Từ trường của dòng điện tròn tại tâm vuông góc với mặt phẳng vòng dây, chiều xác định bằng quy tắc nắm tay phải (khum theo dòng điện, ngón cái chỉ chiều đường sức). Đường sức bên ngoài vòng dây có hình dạng giống một nam châm thẳng nhỏ. Đường sức từ, dù nguồn nào, luôn khép kín và không cắt nhau.
Đến đây em đã mô tả được từ trường bằng đường sức cho cả ba nguồn cơ bản, nhưng đường sức mới chỉ cho biết phương và chiều. Bài tiếp theo định lượng hoá từ trường bằng một đại lượng đo được — cảm ứng từ $B$ — để tính được cả độ mạnh yếu của từ trường tại một điểm, chuẩn bị cho việc tính lực từ ở chương sau.
Khi một dòng điện chạy trong một vòng dây tròn, các đường sức từ do từng đoạn nhỏ của vòng dây gây ra cộng hưởng với nhau: tại tâm vòng dây, đường sức từ có phương vuông góc với mặt phẳng chứa vòng dây. Càng ra xa tâm, đường sức uốn cong dần và khép kín vòng ra bên ngoài — hình dạng tổng thể của các đường sức giống hệt đường sức của một nam châm thẳng nhỏ đặt tại tâm vòng dây, với một mặt của vòng dây đóng vai trò cực Bắc, mặt còn lại là cực Nam.
Chiều của đường sức tại tâm được xác định bằng quy tắc nắm tay phải, áp dụng cho trường hợp dòng tròn: khum bàn tay phải theo chiều dòng điện chạy trong vòng dây (tức là các ngón tay uốn theo đúng chiều dòng điện đi vòng quanh), khi đó ngón tay cái duỗi thẳng chỉ chiều của đường sức từ tại tâm vòng dây (đây cũng là chiều xuyên qua tâm, ra khỏi mặt được coi là cực Bắc).
So sánh ba nguồn từ trường đã học trong chương: nam châm thẳng có đường sức đi ra ở cực Bắc, vào ở cực Nam, khép kín bên trong nam châm; dòng điện thẳng có đường sức là các vòng tròn đồng tâm bao quanh dây, không có "cực" cố định vì đường tròn khép kín ngay quanh dây; dòng điện tròn có đường sức tại tâm vuông góc với mặt phẳng vòng dây, và hình dạng tổng thể của các đường sức bên ngoài vòng dây giống hệt nam châm thẳng. Điểm chung của cả ba: đường sức luôn khép kín, không cắt nhau, và mật độ đường sức thể hiện độ mạnh yếu của từ trường.
Một tính chất quan trọng, tuy chưa cần tính toán ở bài này nhưng sẽ dùng ngay ở chương sau: khi nhiều nguồn từ trường (nhiều vòng dây, hay nhiều đoạn dây) cùng tồn tại tại một điểm, từ trường tổng hợp tại điểm đó bằng tổng vectơ của từ trường do từng nguồn gây ra riêng lẻ — gọi là nguyên lí chồng chất từ trường. Đây chính là lí do khi xếp nhiều vòng dây tròn liên tiếp sát nhau thành một ống dây, từ trường bên trong ống được TĂNG CƯỜNG lên nhiều lần so với một vòng dây đơn lẻ: từ trường của mỗi vòng cộng dồn vào cùng một chiều bên trong lòng ống.
Khum ngón tay theo chiều dòng điện trong vòng dây, ngón cái chỉ chiều B tại tâm.
Hai vòng dây tròn giống hệt nhau được đặt song song, sát cạnh nhau, cùng mắc vào một nguồn điện nhưng theo hai chiều ngược nhau: vòng 1 có dòng điện chạy theo chiều kim đồng hồ (nhìn từ một phía cố định), vòng 2 có dòng điện chạy ngược chiều kim đồng hồ khi nhìn từ cùng phía đó. Hai mặt đối diện nhau của hai vòng dây (mặt quay vào nhau) là cùng cực hay khác cực?
Áp dụng quy tắc nắm tay phải cho vòng 1 (dòng điện theo chiều kim đồng hồ khi nhìn từ phía đã chọn): ngón cái chỉ ra xa phía người quan sát, nên mặt hướng về phía người quan sát là cực Nam, mặt kia là cực Bắc. Với vòng 2 (dòng điện ngược chiều kim đồng hồ khi nhìn từ cùng phía): ngón cái chỉ về phía người quan sát, nên mặt hướng về phía người quan sát là cực Bắc.
Nhận xét logic: hai vòng dây có dòng điện chạy theo hai chiều NGƯỢC NHAU khi cùng nhìn từ một phía cố định phải cho ra hai cực khác nhau ở CÙNG một mặt quan sát — mặt hướng về người quan sát ở vòng 1 là cực Nam, còn ở vòng 2 là cực Bắc. Vì hai vòng dây quay mặt đối nghịch nhau vào giữa, mặt-Nam-của-vòng-1 hướng ra ngoài (xa vòng 2), nên mặt quay vào trong của vòng 1 phải là cực còn lại — cực Bắc, khớp với kết luận trên.
Vì mọi vòng dây đều được quấn cùng chiều (ngược chiều kim đồng hồ khi nhìn từ mặt trước), mỗi vòng đóng góp một từ trường tại tâm cùng chiều nhau — theo nguyên lí chồng chất, từ trường tổng hợp cũng theo đúng chiều đó, chỉ mạnh hơn nhiều lần so với một vòng đơn lẻ. Khum tay phải theo chiều ngược kim đồng hồ (nhìn từ mặt trước), ngón cái chỉ ra phía người quan sát (ra khỏi mặt trước).
Đến đây em đã mô tả được từ trường bằng đường sức cho cả ba nguồn cơ bản, nhưng đường sức mới chỉ cho biết phương và chiều. Bài tiếp theo định lượng hoá từ trường bằng một đại lượng đo được — cảm ứng từ B — để tính được cả độ mạnh yếu của từ trường tại một điểm, chuẩn bị cho việc tính lực từ ở chương sau.