Bài học

Từ trường và cách nhận biết bằng kim nam châm

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em nêu được khái niệm từ trường, mô tả được cách dùng kim nam châm thử để phát hiện từ trường tại một điểm và nhận biết được nơi từ trường mạnh hơn nơi khác, đồng thời chỉ ra được rằng cả nam châm lẫn dây dẫn có dòng điện chạy qua đều tạo ra từ trường xung quanh.

Kiến thức nền cần nhớ

Bài trước em đã biết hai nam châm đặt gần nhau tương tác với nhau dù không chạm vào nhau — đó chính là biểu hiện của lực từ tác dụng từ xa. Bài này mở rộng ý đó thành một khái niệm tổng quát hơn: vùng không gian nơi lực từ có thể xuất hiện.

Khởi động

Đưa một chiếc la bàn lại gần một đoạn dây điện đang có dòng điện chạy qua, kim la bàn bị lệch hẳn khỏi hướng Bắc — Nam quen thuộc. Nhưng đoạn dây điện đó không phải là nam châm, cũng không hút được sắt. Vì sao kim la bàn vẫn "cảm nhận" được nó?

Kiến thức trọng tâm

Không gian xung quanh một nam châm — và xung quanh một dây dẫn có dòng điện chạy qua — tồn tại từ trường: đó là vùng không gian mà nếu đặt một kim nam châm nhỏ (gọi là nam châm thử) vào đó, kim sẽ chịu tác dụng của lực từ và bị lệch khỏi hướng Bắc — Nam ban đầu, hoặc định hướng theo một hướng xác định khác.

Cách đơn giản nhất để phát hiện và "lần theo" từ trường là dùng chính kim nam châm thử: đặt kim lần lượt tại nhiều điểm khác nhau xung quanh nam châm (hoặc dây dẫn), quan sát hướng kim chỉ tại mỗi điểm. Tại mỗi điểm trong từ trường, kim nam châm thử luôn định hướng theo một hướng xác định — đó chính là hướng của từ trường tại điểm đó. Nơi nào kim lệch với góc lớn, phản ứng mạnh và nhanh trở lại vị trí cân bằng khi bị đẩy nhẹ ra khỏi hướng đó, chứng tỏ từ trường ở đó mạnh; càng ra xa nam châm, kim lệch càng ít, chứng tỏ từ trường yếu dần.

Điều quan trọng: từ trường không chỉ tồn tại quanh nam châm. Dòng điện chạy trong dây dẫn cũng sinh ra từ trường xung quanh nó, dù dây dẫn bằng đồng hay nhôm hoàn toàn không có tính từ như sắt. Đây chính là câu trả lời cho tình huống khởi động: kim la bàn lệch khi đưa lại gần dây điện có dòng điện chạy qua, không phải vì dây dẫn là nam châm, mà vì bản thân dòng điện đã tạo ra một từ trường bao quanh nó. Nếu ngắt dòng điện, từ trường đó biến mất ngay, kim la bàn trở lại chỉ hướng Bắc — Nam bình thường.

Không gian xung quanh một nam châm — và xung quanh một dây dẫn có dòng điện chạy qua — tồn tại **từ trường**: đó là vùng không gian mà nếu đặt một kim nam châm nhỏ (gọi là nam châm thử) vào đó, kim sẽ chịu tác dụng của lực từ và bị lệch khỏi hướng Bắc — Nam ban đầu, hoặc định hướng theo một hướng xác định khác. Cách đơn giản nhất để phát hiện và "lần theo" từ trường là dùng chính kim nam châm thử: đặt kim lần lượt tại nhiều điểm khác nhau xung quanh nam châm (hoặc dây dẫn), quan sát hướng kim chỉ tại mỗi điểm. Tại mỗi điểm trong từ trường, kim nam châm thử luôn định hướng theo một hướng xác định — đó chính là hướng của từ trường tại điểm đó. Nơi nào kim lệch với góc lớn, phản ứng mạnh và nhanh trở lại vị trí cân bằng khi bị đẩy nhẹ ra khỏi hướng đó, chứng tỏ từ trường ở đó mạnh; càng ra xa nam châm, kim lệch càng ít, chứng tỏ từ trường yếu dần. Điều quan trọng: từ trường không chỉ tồn tại quanh nam châm. **Dòng điện chạy trong dây dẫn cũng sinh ra từ trường** xung quanh nó, dù dây dẫn bằng đồng hay nhôm hoàn toàn không có tính từ như sắt. Đây chính là câu trả lời cho tình huống khởi động: kim la bàn lệch khi đưa lại gần dây điện có dòng điện chạy qua, không phải vì dây dẫn là nam châm, mà vì bản thân dòng điện đã tạo ra một từ trường bao quanh nó. Nếu ngắt dòng điện, từ trường đó biến mất ngay, kim la bàn trở lại chỉ hướng Bắc — Nam bình thường.

Ví dụ

Xác định vùng có từ trường bằng kim nam châm thử

1
Đặt lần lượt một kim nam châm thử tại ba vị trí: sát cực Bắc của một thanh nam châm, cách cực Bắc 10cm, và cách xa thanh nam châm 2m. Mô tả và so sánh hiện tượng quan sát được ở ba vị trí.
2
Kim nam châm thử bị lệch rất mạnh khỏi hướng Bắc — Nam ban đầu và nhanh chóng ổn định theo hướng của từ trường tại đó — chứng tỏ từ trường ở gần cực nam châm rất mạnh.
3
Kim vẫn lệch nhưng với góc nhỏ hơn rõ rệt so với vị trí sát cực — chứng tỏ từ trường đã yếu đi khi khoảng cách tăng lên.
4
Kim gần như không lệch, vẫn giữ nguyên hướng Bắc — Nam địa lí như khi chưa có nam châm ở gần — chứng tỏ ở khoảng cách này, từ trường của thanh nam châm đã yếu đến mức không đáng kể.
5
Vậy từ trường của thanh nam châm mạnh nhất ở gần cực và yếu dần khi ra xa, phù hợp hoàn toàn với quy luật đã biết về lực từ giữa các nam châm.

Ví dụ

Giải thích hiện tượng kim la bàn lệch gần dây điện

1
Một học sinh đặt kim la bàn cạnh một đoạn dây đồng nối với pin qua công tắc. Khi công tắc mở (mạch hở), kim la bàn chỉ hướng Bắc — Nam bình thường. Khi đóng công tắc, kim la bàn lập tức lệch sang hướng khác. Hãy giải thích hiện tượng này bằng khái niệm từ trường, biết rằng dây đồng hoàn toàn không có tính từ.
2
Khi công tắc mở, không có dòng điện chạy qua dây đồng, nên xung quanh dây không có từ trường nào được tạo ra ngoài từ trường Trái Đất — kim la bàn chỉ chịu tác dụng của từ trường Trái Đất nên vẫn chỉ hướng Bắc — Nam.
3
Khi đóng công tắc, dòng điện bắt đầu chạy qua dây đồng. Theo tính chất đã học, dòng điện chạy trong dây dẫn luôn tạo ra từ trường xung quanh nó — dù dây dẫn làm bằng vật liệu không có tính từ như đồng.
4
Vậy kim la bàn lệch không phải vì dây đồng trở thành nam châm, mà vì từ trường do chính dòng điện trong dây tạo ra đã tác dụng lực từ lên kim, làm kim lệch khỏi hướng ban đầu.

Sai lầm thường gặp

Nhiều học sinh nghĩ chỉ có nam châm mới tạo ra từ trường, nên khi gặp bài tập về dây dẫn có dòng điện lại quên mất rằng bản thân dòng điện cũng sinh ra từ trường xung quanh nó — dù dây dẫn làm bằng vật liệu không có tính từ như đồng, nhôm.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Từ trường là vùng không gian mà kim nam châm thử đặt vào sẽ chịu lực từ, lệch theo một hướng xác định. Cả nam châm và dòng điện chạy trong dây dẫn đều tạo ra từ trường. Từ trường mạnh gần nguồn và yếu dần khi ra xa.

Muốn hình dung từ trường một cách trực quan hơn thay vì đo từng điểm một bằng kim nam châm thử, người ta vẽ đường sức từ. Bài tiếp theo học cách vẽ và xác định chiều của đường sức từ, đặc biệt là quy tắc xác định chiều đường sức từ quanh một dây dẫn thẳng có dòng điện.