Phân tích chương Từ trường

Cụ thể, chương này trình bày những vấn đề lực từ tác dụng lên một đoạn dòng điện thẳng, từ trường tác dụng lên một hạt mang diện chuyển động, qui tắc xác định chiều của lực từ, từ trường

MỞ ĐẦU 3

NỘI DUNG 4

A – TỔNG QUAN 4

I Cấu trúc phần Điện học 4

II Nhiệm vụ và cấu trúc chương Từ trường 4

1 Nhiệm vụ 4

2 Cấu trúc 4

B – PHÂN TÍCH NỘI DUNG KIẾN THỨC VÀ KĨ NĂNG 6

1 TỪ TRƯỜNG 6

Kiến thức: 6

- Nêu được từ trường tồn tại ở đâu, có tính chất gì 6

- Nêu được các đặc điểm của đường sức từ của thanh nam châm thẳng, của nam châm chữ U, của dòng điện thẳng dài, của ống dây có dòng điện chạy qua 6

1.1 Tương tác từ 6

1.2 Từ trường 7

1.3 Đường sức từ 9

1.3.1 Định nghĩa đường sức từ 9

1.3.2 Tính chất của đường sức từ 9

1.4 Khái niệm từ phổ 10

1.5 Rèn luyện kỹ năng 10

2 CẢM ỨNG TỪ 11

Kiến thức: 11

2.1 Định luật Bi-ô - Sa-va - La-pla-xơ 11

2.2 Từ trường của điện tích chuyển động Tính tương đối của điện trường và từ trường .12

.14

2.3.1 Cảm ứng từ của dòng điện trong dây dẫn thẳng 14

2.3.2 Cảm ứng từ của dòng điện trong dây dẫn tròn 16

2.3.3 Cảm ứng từ của dòng điện trong ống dây dẫn thẳng 17

2.4 Từ trường đều 18

2.5 Nguyên lý chồng chất từ 19

2.6 Rèn luyện kỹ năng 20

3 LỰC TỪ 20

Kiến thức: 20

3.1 Lực từ 20

3.2 Lực tương tác giữa hai dòng điện thẳng song song 22

3.2.1 Đặc điểm 22

3.2.2 Định nghĩa đơn vị Ampe 22

3.3 Lực Lo-ren-xơ 23

3.4 Rèn luyện kỹ năng 25

3.4.1 Bài toán xác định các lực tác dụng lên đoạn dây điện thẳng đặt trong từ trường và đặc điểm chuyển động của nó 25

3.4.2 Bài toán điện tích chuyển động trong từ trường đều 26

4 MOMEN NGẪU LỰC TỪ 30

4.1 Trường hợp mặt phẳng khung dây vuông góc với đường cảm ứng từ 30

4.2 Trường hợp mặt phẳng khung dây song song với đường cảm ứng từ 31

4.3 Mômen lực từ tác dụng lên khung dây mang dòng điện 32

4.4 Rèn luyện kỹ năng 32

5 SỰ TỪ HÓA CÁC CHẤT 32

5.1 Phân loại vật liệu từ 33

5.1.1 Chất thuận từ 33

5.1.2 Chất nghịch từ 33

5.1.3 Chất sắt từ 33

5.2 Hiện tượng từ trễ 34

5.3 Chất siêu dẫn và khái niệm hiệu ứng nghịch từ lí tưởng 36

6 TỪ TRƯỜNG TRÁI ĐẤT 36

6.1 Khái niệm các cực từ của Trái Đất 36

6.3 Khái niệm độ từ khuynh 37

6.4 Khái niệm hiện tượng bão từ 38

7 ỨNG DỤNG 39

7.1 Điện kế khung quay 39

7.1.1 Cấu tạo chỉ của điện kế khung quay .39

7.1.2 Nguyên tắc hoạt động điện kế khung quay 39

7.2 Động cơ điện một chiều 40

7.2.1 Cấu tạo 40

7.2.2 Nguyên tắc hoạt động 40

7.3 Loa điện 41

7.4 Đèn hình CRT 41

7.5 Máy gia tốc Xiclotron 42

7.5.1 Cấu tạo 42

7.5.2 Nguyên tắc hoạt động 42

C KẾT LUẬN 44

MỞ ĐẦU

Trong những năm gần đây, chương trình và sách giáo khoa phổ thông đã được biên soạn lại và đưa vào sử dụng đại trà nhằm nâng cao chất lượng dạy học ở cấp phổ thông Sách giáo khoa đưa vào nhiều kiến thức mới Vì vậy, việc nghiên cứu chương trình Vật lí phổ thông là rất cần thiết

Từ trường là một phần trong Điện từ học, nghiên cứu từ trường về phương diện tác dụng lực Cụ thể, chương này trình bày những vấn đề lực từ tác dụng lên một đoạn dòng điện thẳng, từ trường tác dụng lên một hạt mang diện chuyển động, qui tắc xác định chiều của lực từ, từ trường của dòng điện thẳng, dòng điện tròn

Nhằm hiểu sâu hơn nội dung kiến thức của phần từ trường và nắm vững cách hình thành các đơn vị kiến thức đó trong sách giáo khoa hiện nay dự trên chuẩn kiến thức chuẩn kỉ năng, đồng thời làm tư liệu cho việc giảng dạy sau này, trong tiểu luận này tôi

đi sâu nghiên cứu các vấn đề sau:

 Nghiên cứu các khái niệm, định luật, nguyên lý, ứng dụng từ trường trong kỷ thuật.

 Trình bày các kiến thức đó theo hiểu biết của mình.

Để hoàn thành tiểu luận này, tôi chọn phương pháp nghiên cứu là: Đọc các tài liệu vật lí phổ thông, vật lí đại cương, vật lí kĩ thuật, cơ sở vật lý, sách giáo khoa vật

lí trung học phổ thông lớp 11, các tài liệu có nội dung liên quan đến phần “Từ trường”, tìm kiếm thông tin trên mạng internet Lựa chọn các thông tin theo yêu cầu của tiểu luận và trình bày các thông tin đó theo các vấn đề đặt ra ở trên

NỘI DUNG

A – TỔNG QUAN

I Cấu trúc phần Điện học

Điện từ học là một phần của vật lý nghiên cứu các hiện tượng và quá trình vật

lý liên quan đến sự tồn tại, chuyển động và tương tác của các hạt (hoặc các vật) mang điện

Phần Từ trường cùng với các phần Cảm ứng điện từ, Dòng điện trong các môi trường, Điện tích và điện trường, Dòng điện không đổi được trình bày trong chương trình Vật lý 11

II Nhiệm vụ và cấu trúc chương Từ trường

1 Nhiệm vụ

Từ trường là một phần trong Điện từ học, nghiên cứu từ trường về phương diện tác dụng lực Cụ thể, chương này trình bày những vấn đề lực từ tác dụng lên một đoạn dòng điện thẳng, từ trường tác dụng lên một hạt mang diện chuyển động, qui tắc xác định chiều của lực từ, từ trường của dòng điện thẳng, dòng điện tròn

2 Cấu trúc

B – PHÂN TÍCH NỘI DUNG KIẾN THỨC VÀ KĨ NĂNG

1 TỪ TRƯỜNG

Kiến thức:

- Nêu được từ trường tồn tại ở đâu, có tính chất gì

- Nêu được các đặc điểm của đường sức từ của thanh nam châm thẳng, của nam châm chữ U, của dòng điện thẳng dài, của ống dây có dòng điện chạy qua

1.1 Tương tác từ

Các hiện tượng liên quan tới tương tác từ đã được loài người sớm phát hiện Người ta nhận thấy các một số mẫu quặng có khả năng hút được các vật nhỏ bằng sắt Không những vậy, các mẫu quặng này còn hút và đẩy lẩn nhau Ban đầu chúng được gọi là "đá nam châm'', đó thực chất là các nam châm tự nhiên mà ngày nay chúng ta đã biết Sự tương tác giữa các nam châm được gọi là tương tác từ

Năm 1600, nhà bác học Gin-bơt (William Gillbert, 1540 – 1603) đã trình bày những cơ sở ban đầu của điện học và từ học đầu tiên Gin-bơt đã chế tạo một nam châm mà ông gọi là “terralla” và nghiên cứu tác dụng của một kim nam châm với “terralla” Ông thấy rằng có sự tác dụng từ giữa

chúng Gin-bớt cũng nghiên cứu các hiện tượng điện một cách có hệ thống Khi khảo sát các hiện tượng điện và từ, ông đã đi đến kết luận rằng chúng hết sức khác nhau và không có gì liên quan với nhau Như vậy, Gin-bơt đã thấy tương tác điện và tương tác từ là hai loại tương tác khác nhau, song ông chưa thấy mối quan hệ giữa các hiện tượng điện và từ

1820, nhà vật lý người Đan Mạch Ơ-xtét (Han Christian Oersted, 1777-1851) phát hiện dòng điện và nam châm có tương tác với nhau Ông thấy rằng nếu đặt một dây dẫn ở cạnh một kim nam châm rồi cho dòng diện chạy qua dây dẫn thì kim nam châm sẽ quay lệch đi Khi đổi chiều dòng điện chạy qua, kim nam châm lệch theo chiều ngược lại.

Như vậy, thực nghiệm cho thấy có sự tương tác giữa dòng điện với nam châm, giữa hai dòng điện với nhau, giữa các nam châm, các tương tác

đó gọi chung là tương tác từ.

Một điều hết sức lưu ý là mặc dù giữa các hiện tượng điện và từ có mối liên hệ với nhau nhưng tương tác từ có bản chất khác với tương tác điện Tương tác điện xuất hiện khi có các điện tích và phụ thuộc vào vị trí,

độ lớn của các điện tích đó Tương tác từ chỉ xuất hiện khi có các dòng điện

và phụ thuộc vào các dòng điện đó.

Chính xác hơn, tương tác từ xuất hiện khi các điện tích chuyển động

và phụ thuộc vào tính chất của chuyển động đó Giữa các dòng điện có tương tác từ vì dòng điện là các dòng điện tích chuyển động Giữa nam châm với dòng điện có tương tác từ vì trong nam châm cũng có những dòng điện mà Am- pe gọi là dòng điện nguyên tố Ngày nay, dòng điện phân tử được hiểu là dòng điện do vận động nội tại của các hạt mang điện trong nguyên tử và hạt nhân gây ra Bản chất và quy luật của vận động nội tại này chỉ có thể được làm rõ trong khuôn khổ cơ học lượng tử

Cũng cần nói thêm rằng, mặc dù tương tác điện và tương tác từ là hai loại tương tác nhưng sau này Mắc-xoen (James Clerk Maxell, 1831 - 1879) đã thống nhất được hai loại tương tác này và gọi chung là tương tác điện từ Lực tương tác từ là một phần của lực tương tác điện từ giữa các hạt tích điện chuyển động.

1.2 Từ trường

Khi xét tương tác từ, người ta quan tâm tại sao hai dây dẫn mang dòng

điện không chạm với nhau mà lại có thể tương tác với nhau? Không gian quanh một dòng điện có gì biến đổi không?

Theo quan điểm tương tác xa, dòng điện I1 sẵn có những khả năng tác dụng lên dòng I2 ở xa nó, không cần truyền tương tác Khi dòng điện I2 xuất hiện, dù ở xa thì dòng điện I1 ngay lập tức tác dụng lên dòng I2 Không gian xung quanh không có sự biến đổi và không tham gia vào quá trình tương tác.

Quan điểm tương tác gần được Pha-ra đây nêu lên và sau đó được Moắc-xoen hoàn thiện Theo đó, sở dĩ hai dòng điện tương tác với nhau vì xung quanh dòng điện tồn tại một dạng vật chất đặc biệt đó chính là từ trường Dòng điện I2 nằm trong từ trường tạo bởi dòng điện I1 nên chiệu tác dụng lực gây bởi dòng điện này Ngược lại dòng điện I2 tác dụng lên dòng điện I1 cũng thông qua từ trường của nó Hai dòng điện I1 và I2 tương tác với nhau thông qua từ trường Từ trường luôn gắn liền với dòng điện cũng như điện trường luôn gắn liền với điện tích.

Vật lý học hiện đại đã xác nhận sự đúng đắn của cách trả lời thứ hai Vậy, từ trường là môi trường xung quanh hạt mang điện chuyển động Tính chất cơ bản của từ trường là có tác dụng từ lên hạt mang điện khác chuyển động trong nó.

Từ trường không phải chỉ là một khái niệm trừu tượng dùng để mô

tả tương tác từ mà là một thực thể vật lý tồn tại khách quan giống như điện trường Điện tích đứng yên là nguồn gốc của điện trường tĩnh Các điện tích chuyển động vừa là nguồn gốc của điện trường vừa là nguồn gốc của từ trường.

Nghiên cứu từ phổ của từ trường các dòng điện, người ta nhận thấy các đường cảm ứng từ là những đường cong khép khép kín Mà một từ

trường có các đường sức khép kín gọi là một trường xoáy Do đó, từ trường

là một trường xoáy hay có tính chất xoáy và đây là điểm khác nhau cơ bản giữa điện trường và từ trường Như ta đã biết, các đường sức điện trường tĩnh đi ra từ các hạt mang điện dương và đi vào các hạt mang điện âm, chúng là các đường cong hở Vì vậy, điện trường tĩnh không phải là một trường xoáy Trái lại các đường cảm ứng từ là những đường cong kín, chúng không có điểm xuất phát cũng không có điểm tận cùng Từ đó, người

ta đã cho rằng trong tự nhiên không tồn tại các "từ tích" Bởi vì nếu như có các hạt mang từ tích là nguồn gốc sinh ra từ trường (giống như các hạt

mang điện tích đứng yên là nguồn gốc sinh ra điện trường tĩnh ) thì các đường cảm ứng từ cũng sẽ phải xuất phát từ các loại hạt mang từ tích dương (quy ước là "từ tích dương" chẳng hạn) và tận cùng trên các hạt mang từ tích âm và như vậy phải là những đường cong hở Và như vậy sẽ tồn tại những nam châm đơn cực từ, song cho đến nay chưa phát hiện và chế tạo được các nam châm đơn cực từ và giả thuyết về "từ tích" đã bị bác bỏ.

1.3. Đường sức từ

1.3.1 Định nghĩa đường sức từ

Tương tự như đường sức điện, để mô tả từ trường một cách trực quan, người ta dùng khái niệm đường sức từ Đó là một mô hình biểu diễn từ trường bằng hình học.

Đường sức từ là đường cong có hướng được vẽ trong từ trường sao cho hướng của tiếp tuyến tại bất kỳ điểm nào trên đường cũng trùng với hướng của vectơ cảm ứng từ tại điểm đó

Thực nghiệm cho thấy các nam châm thử

định hướng theo các đường sức Sự sắp xếp

nhiều nam châm thử trong từ trường (chẳng hạn

từ trường một nam châm thẳng) cho ta hình dung

về đường sức từ của từ trường đó Chiều đường

sức từ là chiều đi từ cực Nam sang cực Bắc của

nam châm thử nằm cân bằng trong từ trường.

- Các đường sức từ không cắt nhau;

- Nơi nào cảm ứng từ lớn hơn thì các đường sức từ ở đó vẽ mau hơn (dày hơn), nơi nào cảm ứng từ nhỏ hơn thì các đường sức từ ở đó vẽ thưa hơn.

Tính chất từ thứ nhất có thể suy ra từ định nghĩa của đường sức từ Bất kì điểm nào trong từ trường cũng có cảm ứng từ, vì vậy đều có thể vẽ được đường cong nhận nó làm tiếp tuyến

Tính chất thứ hai của đường sức từ là sự thể hiện tính chất xoáy của từ trường

Tính chất thứ ba nhằm đảm bảo tính duy nhất của cảm ứng từ tại mỗi điểm Thật vậy, giả sử tại một điểm có hai đường sức cắt nhau thì ở điểm đó phải có hai tiếp tuyến, do đó có hai vec tơ cảm ứng từ tại điểm đó điều này mâu thuẫn với cảm ứng từ là duy nhất, đặc trưng cho từ trường tại điểm đó

Tính chất thứ nhất và thứ ba có vẻ như mâu thuẫn nhau theo lập luận rằng: nếu bất cứ điểm nào cũng có thể vẽ đường sức từ đi qua thì mật độ các đường sức từ phải như nhau và đều vô hạn, không thể so sánh mau hơn hay thưa hơn Tuy nhiên cần hiểu rằng đường sức từ chỉ là mô hình, mau hay thưa chỉ là so sánh tương đối, việc vẽ mau hay thưa là quy ước, do đó không

hề có mâu thuẫn giữa tính chất thứ nhất và thứ tư.

1.4 Khái niệm từ phổ

Đường sức từ xác định như trên là dùng phương pháp toán học thuần túy Trong thực tế, để xác định đường sức từ người ta dùng phương pháp thực nghiệm

Dùng mạt sắt rắc đều lên một tấm mica đặt trên nam châm, gõ nhẹ tấm mica

ta thấy các mạt sắt sắp xếp một cách có trật tự tạo thành các đường cong Hình ảnh các "đường mạt sắt" thu được trong từ trường nam châm gọi là từ phổ của nam châm Vậy, sự sắp xếp của mạt sắt cho ta hình ảnh của đường sức từ trong không gian Hình ảnh đó gọi là từ phổ

Dưới đây là hình ảnh của đường sức từ của nam châm thẳng và nam châm hình móng ngựa (còn gọi là nam châm chữ U)

1.5 Rèn luyện kỹ năng

Kỹ năng:

- Vẽ được các đường sức từ biểu diễn từ trường của thanh nam châm thẳng, của dòng điện thẳng dài, của ống dây có dòng điện chạy qua và của từ trường đều

2.1 Định luật Bi-ô - Sa-va - La-pla-xơ

Từ trường có đặc trưng là tác dụng lực từ lên hạt mang điện chuyển động trong nó Đại lượng vật lý đặc trưng cho từ trường về mặt tác dụng lực là cảm ứng từ

Cảm ứng từ là một đại lượng vec tơ, có vai trò tương tự như vec tơ cường độ điện trường trong điện trường Từ công thức định luật Am-pe về tương tác giữa hai phần tử dòng điện:

không chứa phần tử I1∆uuuurl1 , do đó chỉ phụ thuộc vào phần tử dòng điện I1∆uuuurl1 tạo ra

từ trường và vào vị trí của điểm M tại đó ta đặt phần tử dòng điện

Vec tơ

được định nghĩa là vectơ cảm ứng từ do phần tử dòng điện I l∆uurtạo ra tại M Biểu thức (2.4.1) là công thức định luật Bi-ô - Sa-va - La-pla-xơ Nội dung định luật phát biểu như sau:

Cảm ứng từ ∆uuurB do một phần tử dòng điện tạo ra tại điểm M cách phần tử dòng điện một khoảng r là một vectơ có:

- Gốc tại điểm M;

- Phương vuông góc với mặt phẳng chứa phần tử dòng điện và điểm M;

- Chiều sao cho ba vectơ , r r và ∆uuurB theo thứ tự này hợp thành một tam diện thuận;

- Độ lớn ∆Bđược xác định bởi công thức :

Sau khi định nghĩa cảm ứng từ, ta có thể viết lại lực tác dụng của phần tử dòng điện lên phần tử dòng điện I1∆uuuurl1như sau:

2.2 Từ trường của điện tích chuyển động Tính tương đối của điện trường

và từ trường

Cảm ứng từ do dòng điện gây ra đã được khảo sát ở các mục trước Dòng điện là dòng chuyển dời có hướng của các điện tích, từ trường của dòng điện thực chất là sự chồng chất từ trường do các điện tích chuyển động gây ra

Xét từ trường do một phần tử dòng điện I l∆uur gây ra, theo định luật Bi-ô -

Sa-va - La-pla-xơ, cảm ứng từ tại điểm M cách I l∆uur vec tơ r r:

với μ0

k = 4πMặt khác I l = S.Δl.i = S.Δl.n e.v ∆ uur r 0 r, trong đó r i là vec tơ mật độ dòng điện, v r là vận tốc chuyển động định hướng của các điện tích, S.Δl.n0 là số hạt

mang điện tự do có trong phần tử Δl

Vì phần tử Δl rất bé so với r nên cảm ứng từ do các điện tích tự do này gây

ra tại M là như nhau Từ đó, cảm ứng từ do một hạt mang điện gây ra tại M là:

Ở công thức (2.4.6), hướng của B rcòn

phụ thuộc vào dấu của điện tích e của hạt Kết

quả này thu được từ việc khảo sát cảm ứng từ

của đoạn dây dẫn đứng yên có dòng điện chạy

qua, do đó, vận tốc v r ở đây là vận tốc tương

đối của hạt mang điện chuyển động với người

quan sát [4] Vì vậy, có thể thấy từ trường là

một khái niệm mang tính tương đối, phụ

thuộc vào hệ quy chiếu Giữa khái niệm điện

trường và từ trường cũng có tính tương đối

Xung quanh một điện tích xác định có thể là

điện trường đối với hệ quy chiếu này nhưng

có thể là từ trường đối với hệ quy chiếu khác

Tương tự như vậy đối với khái niệm tương tác điện và tương tác từ, chúng cũng có tính tương đối Tương tác giữa các điện tích trong hệ quy chiếu các điện tích đứng yên là tương tác điện nhưng trong hệ quy chiếu mà các điện tích chuyển động lại là tương tác từ Như vậy, nguồn gốc của tính tương đối giữa điện trường và từ trường

là do việc chọn các hệ quy chiếu gây nên

Công thức (2.4.6) chỉ áp dụng đối với hạt mang điện chuyển động nhỏ so với vận tốc ánh sáng Trong trường hợp tổng quát, thuyết tương đối đã chứng minh được tính tương đối của điện trường và từ trường Cụ thể, trong hệ quy chiếu K0 là

hệ quy chiếu gắn với điện tích q, ta quan sát được điện trường E uur0 tại r ur0 là

0

2

E = E , 1

3

I l.r B= k.

2.3.1 Cảm ứng từ của dòng điện trong dây dẫn thẳng

Xét một dây dẫn thẳng dài, có dòng điện cường độ I đi qua Giả thiết dây dẫn

có tiết diện nhỏ và chiều dài vô hạn Xác định cảm ứng từ gây bởi dây dẫn tại điểm

∆ , phương vuông góc với mặt

phẳng ( ) ∆ uur r s,r , có chiều xác định theo quy tắc vặn nút chai (hoặc tắc nắm tay phải)

Mỗi phần tử dòng điện I s ∆ uur có tọa độ r r bất kỳ luôn gây ra cảm ứng từ tại P cùng phương, chiều với nhau Do đó phép cộng vec tơ được thay bằng phép cộng đại số:

trong đó, chỉ số i dùng để phân biệt các vị trí khác nhau trên dây dẫn

Việc tính tổng này thực tế được thay bằng phép tính tích phân Trong phép tính tích phân, phần tử chiều dài dây dẫn Δs được thay bằng vi phân chiều dài ds Giá trị biểu thức (2.6.3) được tính bằng tích phân sau

Kết quả ở (2.6.4) thu được khi giả thiết dây dài vô hạn nên cận tích phân lấy

từ 0 đến π Trong trường hợp dây dài hữu hạn thì:

- Phương vuông góc với mặt phẳng chứa dây dẫn và điểm P,

- Chiều tuân theo quy tắc nắm tay phải

Trên thực tế, không có dòng điện thẳng dài vô hạn mà dòng điện bao giờ cũng khép kín và hữu hạn Khái niệm dòng điện thẳng dài trên thực tế được vận dụng để tính cảm ứng từ tại một điểm cách dây một khoảng rất nhỏ so với chiều dài đoạn dây dẫn được khảo sát Bằng thí nghiệm về từ phổ và sự định hướng của các nam châm thử ta có thể xác định được hình dạng và chiều của các đường sức từ của

từ trường do dòng điện thẳng dài gây ra Hình vẽ dưới đây cho thấy điều đó

2.3.2 Cảm ứng từ của dòng điện trong dây dẫn tròn

Xét dòng điện có cường độ I, chạy trong dây dẫn mảnh hình tròn bán kính R (gọi tắt là khung dây tròn) Ta xác định cảm ứng từ gây tại một điểm M trên trục của khung dây tròn, cách tâm của vòng tròn một khoảng h

tửI l∆uur Cảm ứng từ do mỗi phần tử gây ra tại M có độ lớn 0

chiều biểu diễn như hình vẽ

Ta có nhận xét cứ hai phần tử I l∆uur đối xứng nhau qua tâm khung dây có độ lớn bằng nhau Cảm ứng từ tổng hợp của từng cặp phần tử đối xứng có phương nằm trên trục đối xứng của khung Vì vậy, cảm ứng từ tổng hợp của cả khung dây tròn gây ra tại M cũng có phương như trên Từ đó

∆

r

θθ

M

Công thức (2.6.9) xác định cảm ứng từ tại tâm khung dây tròn.

Chiều của cảm ứng từ qua mặt phẳng khung dây xác định theo quy tắc cái đinh ốc 2: đặt đinh ốc vuông góc với mặt phẳng khung dây, xoay cái đinh ốc theo chiều dòng điện thì chiều tiến của đinh ốc chỉ chiều cảm ứng từ qua khung dây

Để khảo sát hình dạng và sự phân bố của các đường sức từ, ta dùng thí nghiệm tạo từ phổ và sự định hướng của nam châm thử Dưới đây là hình ảnh các

đường sức từ và từ phổ của khung dây tròn Các đường sức từ móc vòng qua khung dây, đường sức từ qua tâm khung dây có dạng đường thẳng, đường sát khung dây gần tròn

2.3.3 Cảm ứng từ của dòng điện trong ống dây dẫn thẳng

Tiến hành tương tự như mục (2.6.1) và (2.6.2), chia ống dây thành từng đoạn nhỏ, chiều dài Δl, mỗi đoạn nhỏ có ΔN khung dây tròn Cảm ứng từ do mỗi đoạn ống dây gây ra tại điểm M nằm trên trục ống dây, cách phần tử Δl một khoảng l là

2 -7

Sử dụng kết quả (2.6.10) sau đó lấy tổng trên toàn ống dây sẽ thu được độ lớn cảm ứng từ tại điểm M trên trục ống dây thẳng

trong đó n là số vòng dây trên một đơn vị dài (mật độ dài)

Công thức (2.6.11) thể hiện cảm ứng từ phụ thuộc vào vị trí điểm M trong ống dây Nếu ống dây có kích thước bé so với chiều dài (gọi là ống dây dài), cảm ứng từ tại trục ống dây là

0

B =μ n.I = 4 n.I π (2.6.12)Chiều của cảm ứng từ trong ống dây xác định theo quy tắc cái đinh ốc 2: đặt đinh ốc dọc theo ống dây, xoay cái đinh ốc theo chiều dòng điện thì chiều tiến của đinh ốc chỉ chiều cảm ứng từ trong ống dây

Công thức (2.6.12) cho thấy từ trường trong ống dây dài là đều Dùng thí nghiệm từ phổ xác nhận được sự đúng đắn của nhận xét này

Nếu ống ống dây không đủ dài hoặc mật độ dài n bé thì từ trường trong ống dây gần đều Hình vẽ dưới đây mô tả hình dạng và sự phân bố các đường sức từ xung quanh ống dây tròn

2.4 Từ trường đều

Thật vậy, theo định nghĩa đường sức từ, nếu các đường sức từ không phải là các đường thẳng song song thì cảm ứng từur B không thể cùng phương Nếu các đường sức từ không cách đều nhau thì độ lớn cảm ứng từ theo quy ước sẽ khác nhau Trong thực tế, các đường sức song song và cách đều nhau; đồng nghĩa, vectơ cảm

ứng điên từ tại mọi điểm đó như nhau Vì vậy, khi đưa ra khái niệm điện trường đều dựa trên hai cơ sở hoặc đường sức từ hoặc vectơ cảm ứng điện từ

Từ trường có cảm ứng từ tại mọi điểm đều bằng nhau gọi là từ trường đều Từ trường đều có các đường sức là các đường thẳng song song và cách đều nhau Có thể tạo ra từ trường đều giữa các nam châm Nếu các cực khác tên càng nằm gần nhau và mặt phẳng của các đầu mút của nam châm càng lớn thì từ trường càng đều

Từ phổ của một nam châm hình chữ U cho thấy các “đường mạt sắt” ở giữa hai cực của nam châm là các đường gần như song song với nhau và cách nhau khá đều Từ

đó, có thể coi từ trường trong khoảng giữa hai cực nam châm hình chữ U là từ trường đều

Nguyên lí chồng chất trường là một nguyên lí phổ biến khi nghiên cứu các trường lực Thực chất nguyên lí này là một hình thức khác của một nguyên lí đã được thừa nhận rộng rãi trong cơ học Niu-tơn đó là nguyên lí độc lập của các lực tác dụng

2.6 Rèn luyện kỹ năng

Kỹ năng:

- Xác định được độ lớn, phương, chiều của vectơ cảm ứng từ tại một điểm trong từ trường gây bởi dòng điện thẳng dài, tại tâm của dòng điện tròn và tại một điểm trong lòng ống dây có dòng điện chạy qua

+ Bài toán xác định vectơ cảm ứng từ tổng hợp tại một điểm trong từ trường

Phương pháp:

- Áp dụng nguyên lý chồng chất từ trường

1 2

1

n

n i i

Đây là công thức Am-pe về lực tác dụng của từ trường lên dòng điện.Lực

có phương vuông góc với B r và , có chiều liên hệ với B r và theo quy tắc vặn nút chai : Quay cán vặn nút chai từ đếnB r, vặn nút chai tiến theo chiều của lực

Ngoài ra quy tắc bàn tay trái cũng được dùng để xác định chiều : Đặt bàn tay trái sao cho đường cảm ứng từ xuyên qua lòng bàn tay, chiều dòng điện đi từ cổ tay đến các ngón tay, thì chiều của ngón tay cái mở ra 900 là chiều của lực từ tác dụng lên phần tử dòng điện

Lực này có độ lớn : ΔF = I.B.Δl.sin α trong đó α là góc hợp bởi vectơ Δlvà

Trường hợp nếu đoạn dòng điện thẳng, chiều dài l, không đổi về hướng và

độ lớn, đặt trong từ trường đều B r thì công thức tính lực từ tác dụng lên đoạn dòng điện I là :

trong đó, α là góc hợp bởi B r và chiều dòng điện

B r

Đây là công thức Am-pe về lực từ tác dụng lên đoạn dòng điện thẳng đặt trong từ trường đều.

3.2 Lực tương tác giữa hai dòng điện thẳng song song

3.2.1 Đặc điểm

Giả sử có hai dòng điện thẳng song song cách nhau một đoạn r và dò

ng điện cócường độ I1, I2 thì lực tác dụng giữa chúng

F =2.10−7I I r1 2

Hai dòng điện này hút nhau nếu chúng cùng chiều và đẩy nhau nếu chúng ngược chiều

3.2.2 Định nghĩa đơn vị Ampe

Lực tương tác giữa hai dòng điện thẳng dài vô hạn được dùng để định nghĩa đơn vị cơ bản về điện trong hệ SI, đó là đơn vị của cường độ dòng điện ampe

Nếu trong công thức (2.7.4) lấy I1 = I2=I, d=1m, F=2.10-7N, l=1m, thì I=1A

Vậy, ampe là cường độ dòng điện của một dòng điện không đổi, khi chạy qua hai dây dẫn thẳng, song song, dài vô hạn, có tiết diện nhỏ không đáng kể, đặt trong chân không cách nhau 1 m, thì gây trên mỗi mét của mỗi dây dẫn một lực là 2.10-7N