Chương 3: Điện từ

Bài 3: Điện từ

Giới thiệu

Chúng ta đã quen thuộc với những hiện tượng như nam châm hút sắt, hay dòng điện chạy qua bóng đèn làm nó sáng. Nhưng có một mối liên hệ kỳ diệu giữa hai hiện tượng tưởng chừng riêng biệt này: dòng điện có thể sinh ra từ trường, và từ trường cũng có thể sinh ra dòng điện. Mối quan hệ này được gọi là điện từ. Trong bài học này, chúng ta sẽ khám phá những khái niệm nền tảng về điện từ, giúp em hiểu được nguyên lý hoạt động của nhiều thiết bị quen thuộc như chuông điện, máy phát điện hay động cơ điện.

Lý thuyết trọng tâm

1. Từ trường của dòng điện

Dòng điện chạy qua dây dẫn không chỉ tạo ra tác dụng nhiệt hay tác dụng hóa học, mà còn tạo ra một vùng không gian gọi là từ trường bao quanh dây dẫn. Nói cách khác, dòng điện là nguồn gốc của từ trường. Để nhận biết sự tồn tại của từ trường này, chúng ta có thể dùng kim nam châm thử.

• Thí nghiệm: Đặt một kim nam châm nhỏ (có thể quay tự do) gần một dây dẫn thẳng đang có dòng điện chạy qua. Ta thấy kim nam châm bị lệch khỏi hướng Bắc - Nam địa lý ban đầu.
• Kết luận: Kim nam châm bị lệch chứng tỏ lực từ đã tác dụng lên nó. Vậy, dòng điện sinh ra từ trường và từ trường này tác dụng lực từ lên kim nam châm.

2. Tác dụng từ của nam châm vĩnh cửu

Ngược lại, một nam châm vĩnh cửu (ví dụ: nam châm thẳng) cũng có một từ trường xung quanh nó. Từ trường này có thể tác dụng lực từ lên các vật có từ tính (sắt, niken, coban,...) hoặc lên các dòng điện khác đặt trong vùng không gian đó.

• Đường sức từ: Để mô tả từ trường một cách trực quan, người ta dùng khái niệm đường sức từ - những đường cong có hướng (từ cực Bắc sang cực Nam bên ngoài nam châm) sao cho tiếp tuyến tại mỗi điểm trùng với hướng của từ trường tại điểm đó.
• Nam châm vĩnh cửu: Là những vật liệu (thường là hợp kim đặc biệt) có khả năng giữ từ tính lâu dài, không cần dòng điện cung cấp.

3. Lực từ tác dụng lên dây dẫn có dòng điện

Một phát hiện quan trọng khác: một dây dẫn có dòng điện nằm trong từ trường của nam châm sẽ chịu tác dụng của một lực từ. Lực này có phương vuông góc với cả dây dẫn và đường sức từ.

• Quy tắc bàn tay trái: Để xác định chiều của lực từ, ta dùng quy tắc bàn tay trái: Đặt bàn tay trái sao cho các đường sức từ hướng vào lòng bàn tay, chiều từ cổ tay đến ngón tay giữa chỉ chiều dòng điện (đi từ cực dương sang cực âm), thì ngón tay cái choãi ra 90° chỉ chiều của lực từ.
• Biểu thức độ lớn: Độ lớn của lực từ (F) phụ thuộc vào:
  • Cường độ dòng điện (I) chạy qua dây dẫn (đơn vị: ampe).
  • Chiều dài (l) của đoạn dây dẫn trong từ trường (đơn vị: mét).
  • Cảm ứng từ (B) của từ trường (đơn vị: tesla).
  • Góc giữa dây dẫn và hướng của từ trường.

Ví dụ minh họa

Ví dụ 1: Xác định lực từ tác dụng lên dây dẫn

Một đoạn dây dẫn thẳng dài 10 cm, có dòng điện 5 A chạy qua, được đặt vuông góc với đường sức từ của một nam châm. Cảm ứng từ tại vị trí đặt dây dẫn là 0,2 T.

Lời giải:

• Chiều của lực từ: Sử dụng quy tắc bàn tay trái. Giả sử đường sức từ hướng từ trái sang phải (vào lòng bàn tay trái), dòng điện hướng từ trong ra ngoài (từ cổ tay đến ngón tay). Ngón tay cái sẽ chỉ hướng lên trên. Vậy lực từ có phương thẳng đứng, chiều hướng lên.
• Độ lớn của lực từ: Vì dây dẫn vuông góc với từ trường (góc 90°), nên độ lớn lực từ được tính bởi công thức:
  F = B.I.l
  Trong đó:
  B = 0,2 T
  I = 5 A
  l = 10 cm = 0,1 m
  Vậy: F = 0,2 × 5 × 0,1 = 0,1 N

Đáp số: Lực từ có độ lớn 0,1 N.

Ví dụ 2: Tương tác giữa hai nam châm

Đặt một nam châm chữ U (cực Bắc ở bên trái, cực Nam ở bên phải) và một kim nam châm nhỏ gần cực Bắc của nam châm chữ U. Hỏi kim nam châm sẽ quay như thế nào?

Lời giải:

• Kim nam châm có hai cực: cực Bắc và cực Nam.
• Từ trường xung quanh nam châm chữ U có hướng từ cực Bắc (trái) sang cực Nam (phải).
• Khi đặt kim nam châm trong từ trường này, cực Bắc của kim nam châm sẽ bị hút về phía cực Nam của nam châm chữ U (vì trái dấu hút nhau). Ngược lại, cực Nam của kim nam châm sẽ bị đẩy ra xa cực Bắc của nam châm chữ U.
• Kết quả: Kim nam châm sẽ quay sao cho cực Bắc của nó hướng về phía cực Nam của nam châm chữ U, tức là quay sang phải (theo chiều kim đồng hồ).

Nhận xét: Đây là hiện tượng tương tác từ cơ bản giữa các nam châm.

Ghi nhớ

• Dòng điện sinh ra từ trường xung quanh nó. Từ trường này có thể tác dụng lực từ lên kim nam châm hoặc lên dây dẫn khác.
• Lực từ tác dụng lên dây dẫn có dòng điện đặt trong từ trường. Phương của lực từ vuông góc với dây dẫn và đường sức từ, chiều xác định theo quy tắc bàn tay trái.
• Các cực từ cùng tên thì đẩy nhau, trái tên thì hút nhau.
• Độ lớn lực từ: F = B.I.l.sinα với α là góc giữa dây dẫn và hướng của từ trường. Khi dây dẫn vuông góc với từ trường thì F = B.I.l.

Bài tập gợi ý

Em hãy thử sức với các bài tập sau để củng cố kiến thức nhé!

1. Bài tập nhận biết: Hãy nêu ba cách để nhận biết một vùng không gian có từ trường hay không.
2. Bài tập vận dụng: Một dây dẫn thẳng dài 20 cm đặt song song với đường sức từ của một nam châm có cảm ứng từ B = 0,5 T. Dòng điện chạy qua dây là 2 A. Tính độ lớn lực từ tác dụng lên dây dẫn. Giải thích kết quả.
3. Bài tập mở rộng: Vẽ hình minh họa quy tắc bàn tay trái cho trường hợp dòng điện chạy từ trái sang phải, đường sức từ hướng từ trên xuống dưới, và xác định chiều lực từ.

Hướng dẫn: Ở bài tập 2, vì dây dẫn song song với từ trường nên góc α = 0°, lực từ F = 0 N. Ở bài tập 3, lực từ sẽ hướng ra phía ngoài mặt phẳng trang giấy (theo quy tắc bàn tay trái).