Giải chi tiết Vật lí 12 Cánh diều bài 1 Từ trường

MỞ ĐẦU 

Ta đã biết vùng không gian xung quanh nam châm (hoặc dây dẫn mang dòng điện) có từ trường. Từ trường do nam châm điện tạo ra có nhiều ứng dụng. Ở tàu đệm từ (Hình 1.1), từ trường do các nam châm điện ở đường ray và thân tàu làm cho tàu chuyển động với tốc độ cao mà không tiếp xúc với đường ray như tàu hoả hoặc tàu điện thông thường.

Bằng các giác quan, ta không thể nhận biết được từ trường. Làm thế nào để hình dung ra từ trường? 

Bài làm chi tiết: 

Bạn có thể sử dụng các phương tiện hình ảnh trực quan hoặc các phương pháp khác để giải thích hiện tượng từ trường để hình dung ra từ trường. Dưới đây là một số cách bạn có thể sử dụng:

+ Sử dụng dây dẫn mang dòng điện: Bạn có thể thấy từ trường bằng cách sử dụng một dây dẫn mang dòng điện và đặt các cảm biến từ (ví dụ như la bàn) xung quanh dây dẫn đó. Khi dòng điện chạy qua dây, bạn sẽ thấy kim la bàn chuyển động, cho bạn biết rằng có một từ trường được tạo ra xung quanh dây dẫn đó.

+ Sử dụng nam châm: Bạn có thể sử dụng nam châm để hình dung từ trường. Đặt một tảng nam châm dưới một tấm giấy và rải bột sắt lên trên tấm giấy. Khi bạn đưa một nam châm khác gần tấm giấy, bạn sẽ thấy bột sắt sắp xếp lại thành các đường cong, cho bạn thấy cấu trúc và hình dạng của từ trường.

+ Sử dụng lưới từ: Bạn cũng có thể sử dụng lưới từ, một thiết bị mà khi đưa vào trong một từ trường sẽ hiển thị các đường của từ trường. Bằng cách này, bạn có thể quan sát mẫu từ trường và hình dung được cấu trúc của nó.

+ Sử dụng phương trình và biểu đồ: Bạn cũng có thể sử dụng phương trình và biểu đồ để hình dung từ trường. Các biểu đồ vector có thể minh họa hướng và độ mạnh của từ trường tại các điểm khác nhau trong không gian.

+ Những cách trên có thể giúp bạn hình dung và hiểu sâu hơn về các tính chất của từ trường và ứng dụng của nó trong các hệ thống và thiết bị khác nhau.

I. KHÁI NIỆM TỪ TRƯỜNG

Câu 1: Đề xuất và thực hiện phương án thí nghiệm để chứng tỏ: Khi ở gần nhau, một đoạn dây dẫn có dòng điện và một nam châm tác dụng lực lên nhau.

Bài làm chi tiết: 

Trước hết, vật liệu cần chuẩn bị bao gồm:

+ Một đoạn dây dẫn: Chọn một đoạn dây dẫn dài khoảng vài mét để dễ dàng thực hiện thí nghiệm.

+ Một nam châm: Sử dụng một nam châm có cường độ từ trường đủ lớn để tạo ra hiệu ứng đủ mạnh.

+ Nguồn điện: Dùng một nguồn điện như pin hoặc nguồn điện có thể điều chỉnh để tạo ra dòng điện trong dây dẫn.

+ Dụng cụ kẹp hoặc treo: Để treo dây dẫn và nam châm lên.

Tiến hành thực nghiệm thí nghiệm:

+ Kết nối dây dẫn với nguồn điện: Kết nối một đầu của đoạn dây dẫn với nguồn điện, đảm bảo rằng dòng điện có thể chảy qua dây dẫn.

+ Trẻo dây dẫn và nam châm: Treo dây dẫn lên sao cho nó không chạm đất và có thể tự do di chuyển. Đặt nam châm gần đoạn dây dẫn nhưng không để chúng tiếp xúc trực tiếp.

+ Kích hoạt nguồn điện: Bật nguồn điện để tạo ra dòng điện trong dây dẫn.

+ Quan sát hiệu ứng: Quan sát xem nam châm có bắt đầu di chuyển hoặc có biểu hiện của tác động lực không. Bạn có thể thấy nam châm chuyển động hoặc reo lên trong một hướng nhất định.

Lý giải hiện tượng:

Hiện tượng này được giải thích bằng luật Ampère và luật Lorentz. Dòng điện trong dây dẫn tạo ra một từ trường quanh nó. Khi nam châm được đặt gần đoạn dây dẫn, từ trường này tác động lên nam châm, gây ra một lực tương tác giữa hai vật. Điều này làm cho nam châm chuyển động hoặc biến dạng trong một hướng nhất định.

Thông qua thí nghiệm này, bạn có thể chứng minh rằng có một tương tác giữa dây dẫn mang dòng điện và nam châm khi chúng được đặt gần nhau.

Luyện tập 1: Treo một thanh nam châm như Hình 1.2.

Dùng một thanh nam châm khác, không chạm vào thanh nam châm ở dây treo, làm thế nào để thanh nam châm ở dây treo có thể quay xung quanh trục trùng với dây treo?

Bài làm chi tiết: 

Bạn cần treo thanh nam châm phụ một cách sao cho nó tạo ra một từ trường có hướng tác động thích hợp lên thanh nam châm treo để tạo ra lực từ trường để làm quay thanh nam châm treo xung quanh trục trùng với dây treo mà không chạm vào thanh nam châm phụ. Bạn có thể tham khảo một số cách đặt thanh nam châm phụ:

+ Dọc theo trục treo: Treo thanh nam châm phụ dọc theo trục của dây treo, có nghĩa là đặt thanh nam châm phụ sao cho đoạn dài của nó song song với dây treo. Điều này đảm bảo rằng từ trường tạo ra từ thanh nam châm phụ sẽ có hướng vuông góc với mặt của thanh nam châm treo, tạo ra một lực xoắn lên thanh nam châm treo và khiến nó quay.

+ Nằm ngang: Nếu không có cách nào để treo thanh nam châm phụ dọc theo trục của dây treo, bạn cũng có thể treo nó ngang, nghĩa là đặt thanh nam châm phụ sao cho đoạn dài của nó nằm vuông góc với dây treo. Trong trường hợp này, bạn cần chắc chắn rằng từ trường tạo ra từ thanh nam châm phụ vẫn có hướng tác động vuông góc với mặt của thanh nam châm treo.

Quan trọng nhất là bạn cần chắc chắn rằng từ trường tạo ra từ thanh nam châm phụ tác động lên thanh nam châm treo theo một hướng thích hợp để tạo ra lực xoắn làm quay thanh nam châm treo. Điều này sẽ đảm bảo rằng thanh nam châm treo có thể quay xung quanh trục trùng với dây treo mà không cần chạm vào thanh nam châm phụ.

Câu 2: Vì sao mạt sắt trong Hình 1.5 lại được sắp xếp theo hình dạng nhất định?

Bài làm chi tiết: 

Giải thích lý do mạt sắt trong Hình 1.5 lại được sắp xếp theo hình dạng nhất định đó là:

Khi mạt sắt được đặt trong một từ trường, các lực từ trường tác động lên các phần tử từ sắt, làm cho chúng xoay để căn chỉnh theo hướng của từ trường. Trong trường hợp của một thanh nam châm dài thẳng, từ trường của nam châm tạo ra hình dạng từ trường như các hình elip và đồng nhất dọc theo trục của nó.

Khi mạt sắt được đặt trong không gian này, từ trường tạo bởi mạt sắt sẽ tương tác với từ trường của nam châm. Do tính định hình của từ trường của nam châm, mạt sắt sẽ được căn chỉnh để đáp ứng với hình dạng của từ trường này. Kết quả là, các mạt sắt sẽ sắp xếp một cách có tổ chức theo hình dạng của từ trường của nam châm, tạo ra một hình dạng cụ thể.

Quá trình này là một ví dụ về hiện tượng "tương tác từ trường", trong đó các vật liệu có từ trường sẽ tương tác với nhau để điều chỉnh hình dạng hoặc vị trí của chúng dựa trên từ trường môi trường.

Luyện tập 2: Ở Hình 1.6, mũi tên chỉ hướng bắc của từ trường Trái Đất. Hãy xác định cực từ của kim nam châm.

Bài làm chi tiết: 

Thanh nam châm sẽ xoay làm sao để cho từ trường của Trái Đất và từ trường của thanh nam châm trung hòa hay triệt tiêu đi nhau, nghĩa là kim chỉ về hướng Bắc của từ trường Trái Đất sẽ là cực Nam, còn kim chỉ về hướng Nam của từ trường Trái Đất sẽ là cực Bắc.

II. SỰ CHUYỂN THỂ

Câu 2: Vì sao mạt sắt trong Hình 1.5 lại được sắp xếp theo hình dạng nhất định?

Bài làm chi tiết: 

Giải thích lý do mạt sắt trong Hình 1.5 lại được sắp xếp theo hình dạng nhất định đó là:

Khi mạt sắt được đặt trong một từ trường, các lực từ trường tác động lên các phần tử từ sắt, làm cho chúng xoay để căn chỉnh theo hướng của từ trường. Trong trường hợp của một thanh nam châm dài thẳng, từ trường của nam châm tạo ra hình dạng từ trường như các hình elip và đồng nhất dọc theo trục của nó.

Khi mạt sắt được đặt trong không gian này, từ trường tạo bởi mạt sắt sẽ tương tác với từ trường của nam châm. Do tính định hình của từ trường của nam châm, mạt sắt sẽ được căn chỉnh để đáp ứng với hình dạng của từ trường này. Kết quả là, các mạt sắt sẽ sắp xếp một cách có tổ chức theo hình dạng của từ trường của nam châm, tạo ra một hình dạng cụ thể.

Quá trình này là một ví dụ về hiện tượng "tương tác từ trường", trong đó các vật liệu có từ trường sẽ tương tác với nhau để điều chỉnh hình dạng hoặc vị trí của chúng dựa trên từ trường môi trường.

Luyện tập 2: Ở Hình 1.6, mũi tên chỉ hướng bắc của từ trường Trái Đất. Hãy xác định cực từ của kim nam châm.

Bài làm chi tiết: 

Thanh nam châm sẽ xoay làm sao để cho từ trường của Trái Đất và từ trường của thanh nam châm trung hòa hay triệt tiêu đi nhau, nghĩa là kim chỉ về hướng Bắc của từ trường Trái Đất sẽ là cực Nam, còn kim chỉ về hướng Nam của từ trường Trái Đất sẽ là cực Bắc.

Luyện tập 3: Cho một thanh nam châm và một kim nam châm nhỏ. Vẽ đường sức từ xung quanh thanh nam châm này.

Bài làm chi tiết: 

Ta có đường sức từ xung quanh thanh nam châm và vị trí của kim nam châm khi đặt trong từ trường của nó:

Vận dụng: Hãy xác định cực từ của thanh nam châm ở Hình 1.16.

Bài làm chi tiết: 

Ta có thể dễ dàng xác định được cực từ của nó như hình vẽ từ chiều của kim nam châm khi đặt trong từ trường của thanh nam châm: