Bài học

Đường sức từ của nam châm và dòng điện — quy tắc nắm tay phải

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em mô tả được hình dạng đường sức từ xung quanh một thanh nam châm thẳng và xung quanh một dây dẫn thẳng có dòng điện, và áp dụng đúng quy tắc nắm tay phải để xác định chiều đường sức từ (hoặc ngược lại, xác định chiều dòng điện khi biết chiều đường sức từ).

Kiến thức nền cần nhớ

Bài trước em đã dùng kim nam châm thử để phát hiện từ trường tại từng điểm riêng lẻ. Bài này nối các điểm đó lại thành một hình ảnh liên tục, dễ hình dung hơn nhiều so với việc dò từng điểm một.

Khởi động

Rắc mạt sắt lên một tờ giấy đặt trên một thanh nam châm rồi gõ nhẹ, mạt sắt tự sắp xếp thành những đường cong rõ rệt nối từ cực này sang cực kia — không hề lộn xộn. Những đường cong đó là gì, và chúng có chiều xác định hay không?

Kiến thức trọng tâm

Đường sức từ là những đường được vẽ ra để biểu diễn từ trường một cách trực quan: tại mỗi điểm trên một đường sức từ, hướng của đường (tiếp tuyến với đường tại điểm đó) trùng với hướng mà một kim nam châm thử đặt tại điểm đó sẽ chỉ. Nói cách khác, đường sức từ chính là "đường đi" mà ta có được nếu nối liên tiếp hướng chỉ của kim nam châm thử tại rất nhiều điểm dọc theo nó.

Xung quanh một thanh nam châm thẳng, đường sức từ là những đường cong đi ra từ cực Bắc, vòng qua không gian bên ngoài thanh nam châm, rồi đi vào cực Nam. Nơi các đường sức từ mau (dày, sít nhau) — thường là tại hai đầu cực — từ trường mạnh; nơi đường sức từ thưa, từ trường yếu.

Xung quanh một dây dẫn thẳng có dòng điện chạy qua, đường sức từ có dạng những đường tròn đồng tâm, nằm trong mặt phẳng vuông góc với dây dẫn, tâm là điểm dây dẫn xuyên qua mặt phẳng đó. Chiều của các đường tròn này được xác định bằng quy tắc nắm tay phải: nắm bàn tay phải sao cho ngón cái choãi ra chỉ theo chiều dòng điện trong dây dẫn, khi đó chiều khum lại của bốn ngón tay còn lại chỉ chiều của đường sức từ bao quanh dây dẫn.

Quy tắc này áp dụng được theo cả hai chiều: nếu biết chiều dòng điện, ta xác định được chiều đường sức từ; ngược lại, nếu đã biết chiều đường sức từ (ví dụ qua chiều lệch của kim nam châm thử đặt cạnh dây dẫn), ta cũng suy ngược ra được chiều dòng điện trong dây dẫn.

**Đường sức từ** là những đường được vẽ ra để biểu diễn từ trường một cách trực quan: tại mỗi điểm trên một đường sức từ, hướng của đường (tiếp tuyến với đường tại điểm đó) trùng với hướng mà một kim nam châm thử đặt tại điểm đó sẽ chỉ. Nói cách khác, đường sức từ chính là "đường đi" mà ta có được nếu nối liên tiếp hướng chỉ của kim nam châm thử tại rất nhiều điểm dọc theo nó. **Xung quanh một thanh nam châm thẳng**, đường sức từ là những đường cong đi ra từ cực Bắc, vòng qua không gian bên ngoài thanh nam châm, rồi đi vào cực Nam. Nơi các đường sức từ mau (dày, sít nhau) — thường là tại hai đầu cực — từ trường mạnh; nơi đường sức từ thưa, từ trường yếu. **Xung quanh một dây dẫn thẳng có dòng điện chạy qua**, đường sức từ có dạng những đường tròn đồng tâm, nằm trong mặt phẳng vuông góc với dây dẫn, tâm là điểm dây dẫn xuyên qua mặt phẳng đó. Chiều của các đường tròn này được xác định bằng **quy tắc nắm tay phải**: nắm bàn tay phải sao cho ngón cái choãi ra chỉ theo chiều dòng điện trong dây dẫn, khi đó chiều khum lại của bốn ngón tay còn lại chỉ chiều của đường sức từ bao quanh dây dẫn. Quy tắc này áp dụng được theo cả hai chiều: nếu biết chiều dòng điện, ta xác định được chiều đường sức từ; ngược lại, nếu đã biết chiều đường sức từ (ví dụ qua chiều lệch của kim nam châm thử đặt cạnh dây dẫn), ta cũng suy ngược ra được chiều dòng điện trong dây dẫn.

Ví dụ

Xác định chiều đường sức từ bằng quy tắc nắm tay phải

1
Một dây dẫn thẳng đứng, dòng điện chạy theo chiều từ dưới lên trên. Hãy xác định chiều của đường sức từ tại một điểm nằm ngang, phía trước mặt người quan sát (nhìn dây dẫn từ phía đối diện).
2
Ta có dòng điện chạy từ dưới lên trên. Nắm bàn tay phải sao cho ngón cái choãi ra chỉ hướng từ dưới lên trên, đúng theo chiều dòng điện.
3
Khi đó, chiều khum của bốn ngón tay còn lại — nhìn từ phía người quan sát đứng đối diện dây dẫn — cho biết đường sức từ tại điểm phía trước mặt người quan sát có chiều đi từ phải sang trái (theo góc nhìn của người quan sát).
4
Vậy tại điểm đang xét, đường sức từ có chiều từ phải sang trái theo hướng nhìn của người quan sát — nếu đặt một kim nam châm thử tại đó, cực Bắc của kim sẽ chỉ theo đúng chiều này.

Ví dụ

Xác định ngược chiều dòng điện từ chiều đường sức từ

1
Đặt một kim nam châm thử ngay phía trên một dây dẫn thẳng nằm ngang, thấy cực Bắc của kim lệch và chỉ ra phía sau tờ giấy (hướng đi vào trong mặt phẳng giấy). Hỏi dòng điện trong dây dẫn chạy theo chiều nào (từ trái sang phải hay từ phải sang trái)?
2
Kim nam châm thử chỉ theo chiều mà từ trường có tại điểm đó, nên đường sức từ tại điểm phía trên dây dẫn có chiều đi vào trong mặt phẳng giấy — trùng với chiều cực Bắc của kim đang chỉ.
3
Cần tìm chiều dòng điện sao cho khi nắm bàn tay phải với ngón cái chỉ theo chiều đó, bốn ngón tay khum lại đúng hướng đi vào trong mặt phẳng giấy tại điểm phía trên dây dẫn. Thử nắm tay theo chiều dòng điện từ trái sang phải: tại điểm phía trên dây dẫn, bốn ngón tay khum đúng hướng đi vào trong mặt phẳng giấy — khớp với dữ kiện đề bài.
4
Vậy dòng điện trong dây dẫn chạy theo chiều từ trái sang phải.

Sai lầm thường gặp

Sai lầm phổ biến nhất là dùng nhầm tay trái thay vì tay phải, hoặc để ngón trỏ (thay vì ngón cái) chỉ chiều dòng điện. Hãy luôn nhớ đúng tên quy tắc: nắm tay PHẢI, ngón CÁI chỉ chiều dòng điện, bốn ngón còn lại khum theo chiều đường sức từ.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Đường sức từ biểu diễn từ trường một cách trực quan: quanh nam châm, đi ra cực Bắc và vào cực Nam; quanh dây dẫn thẳng có dòng điện, là các đường tròn đồng tâm mà chiều xác định bằng quy tắc nắm tay phải (ngón cái chỉ chiều dòng điện, bốn ngón khum chỉ chiều đường sức từ).

Đến đây em đã nắm chắc nam châm, từ trường và đường sức từ do dòng điện tạo ra. Chương tiếp theo hỏi một câu ngược lại thú vị hơn nhiều: từ trường có thể tạo ra dòng điện hay không?