Bản đồ từ trường: đọc đường sức, dùng kim thử và quy tắc nắm tay phải
Học cách đọc bản đồ từ trường của nam châm, dây dẫn thẳng và ống dây bằng kim thử, đường sức và quy tắc nắm tay phải; có bài tính từ trường mở rộng và nhiều…
Khoa học tự nhiên 7 · Vật lí · Từ trường và phần mở rộng
Bản đồ từ trường: đọc đường sức, dùng kim thử và quy tắc nắm tay phải
Từ trường không nhìn thấy được, nhưng ta vẽ được “bản đồ” của nó. Bài này dạy em đọc bản đồ ấy để dự đoán hướng kim la bàn, cực của ống dây và độ mạnh yếu của từ trường.
60 phút Mức: cơ bản đến khá Đọc hình, dự đoán, kiểm tra, tính toán
Bạn sẽ học: kim nam châm thử · đường sức từ và từ phổ · từ trường của dòng điện thẳng · ống dây và nam châm điện · quy tắc nắm tay phải Phạm vi: từ trường, từ phổ, đường sức từ, thí nghiệm Ơ-xtét và nam châm điện thuộc Khoa học tự nhiên 7 (chương trình 2018); quy tắc nắm tay phải là phần mở rộng (từng học ở Vật lí 9 chương trình cũ).
1 Vì sao cần một bản đồ cho thứ không nhìn thấy?
Em không nhìn thấy từ trường, nhưng kim la bàn “nhìn thấy” nó. Bản đồ từ trường ghi lại điều kim la bàn cho ta biết ở từng chỗ.
GV
Cô Lukato
Hãy tưởng tượng em đứng giữa một cánh đồng mù sương và cầm một chiếc la bàn nhỏ. Ở mỗi bước chân, kim chỉ một hướng. Nếu em ghi lại hướng kim ở thật nhiều chỗ rồi nối lại, em có một tấm bản đồ. Đó chính là ý tưởng của đường sức từ .
Ba câu hỏi khi đọc bản đồ từ trường
- Hướng: tại điểm này, kim nam châm thử chỉ về đâu?
- Dạng: các đường sức uốn cong, khép kín hay thẳng? Chúng đi từ đâu tới đâu?
- Mạnh hay yếu: đường sức dày hay thưa quanh điểm đó?
Cả bài sẽ xoay quanh ba câu hỏi này, với ba “nguồn” từ trường: nam châm thẳng, dây dẫn thẳng có dòng điện và ống dây có dòng điện.
Cách học bài này
Ở mỗi mục, em làm theo nhịp: quan sát hình rồi dự đoán (viết nhanh ra giấy) rồi kiểm tra bằng lời giải và bài tập có chấm điểm. Cố gắng dự đoán trước khi bấm gợi ý: đoán sai một lần nhớ lâu hơn đọc đúng mười lần.
Mọi hình trong bài được vẽ từ tính toán vật lí thật (mô hình giáo khoa), không phải ảnh chụp và không vẽ theo cảm tính. Kích thước và màu chỉ để phân biệt các vai trò.
Đặt hai thanh nam châm đầu nối đầu, hai cực Bắc (N) quay vào nhau. Hiện tượng nào xảy ra?
Sai. Hai cực khác tên mới hút nhau; ở đây hai cực cùng là N.
Đúng. Hai cực cùng tên đẩy nhau, hai cực khác tên hút nhau.
Sai. Nam châm luôn tác dụng lực từ lên nhau khi ở đủ gần.
Sai. Lực giữa hai nam châm không cần dòng điện.
Vật nào sau đây bị nam châm hút rõ rệt?
Đúng. Sắt (và thép) là vật liệu từ nên bị nam châm hút.
Sai. Nhôm không bị nam châm hút rõ rệt.
Sai. Đồng không bị nam châm hút rõ rệt.
Sai. Gỗ không phải vật liệu từ.
Mỗi nam châm có cực: cực Bắc kí hiệu chữ và cực Nam kí hiệu chữ . Hai cực cùng tên thì nhau.
2 Kim thử: dụng cụ đọc bản đồ
Muốn biết tại một điểm có từ trường hay không, và hướng của nó, ta đặt tại điểm đó một kim nam châm nhỏ.
Ghi nhớ
Từ trường là môi trường (khoảng không gian) bao quanh nam châm hoặc dây dẫn có dòng điện, trong đó các vật liệu từ và kim nam châm đặt vào chịu lực từ .
Khi kim nam châm thử nằm cân bằng, đầu N của kim chỉ chiều của từ trường tại chỗ đặt kim.
Kim thử làm được gì?
- Phát hiện: kim đặt xa mọi nam châm chỉ hướng Bắc–Nam của Trái Đất; khi lại gần nam châm khác, kim quay lệch. Sự quay lệch cho biết có từ trường của nguồn khác.
- Xác định chiều: đầu N của kim đứng yên chỉ chiều của từ trường tại đó.
- So sánh độ mạnh: kim quay nhanh, dao động mạnh khi từ trường mạnh (so sánh thô, cùng một kim, cùng điều kiện).
Kim thử phải nhỏ để không làm thay đổi từ trường mà ta muốn đo, và phải quay được tự do.
Hình 1. Kim thử đặt quanh thanh nam châm (nửa đỏ là đầu N, nửa xanh là đầu S của kim). Kim chỉ theo chiều từ trường tại chỗ nó đứng.
GV
Cô Lukato
Nhìn Hình 1. Bốn kim A, B, C, D được đặt ở bốn vị trí. Các kim không chỉ cùng một hướng, dù chúng đều nằm trong từ trường của cùng một thanh nam châm. Bản đồ từ trường chính là chỗ ghi mỗi nơi một hướng .
Ví dụ mẫu 1 · Dự đoán hướng kim tại điểm A
Xác định nguồn: thanh nam châm nằm ngang, cực N ở bên phải, cực S ở bên trái. Điểm A nằm chính giữa phía trên thanh.
Vì sao làm bước này: mọi bài đọc bản đồ bắt đầu bằng việc gọi tên nguồn và cực của nó.
Xét lực lên đầu N của kim. Cực N của thanh ở bên phải đẩy đầu N của kim ra xa nó, tức về phía trái. Cực S của thanh ở bên trái hút đầu N của kim, cũng về phía trái.
Vì sao: cực cùng tên đẩy, khác tên hút. Hai lực cùng có xu hướng kéo đầu N của kim sang trái.
Thành phần thẳng đứng của hai lực triệt tiêu nhau vì A nằm chính giữa (đối xứng). Còn lại chỉ có thành phần nằm ngang, hướng sang trái.
Vì sao: A cách đều hai cực nên hai lực có độ lớn bằng nhau, phần hướng lên và hướng xuống khử nhau.
Kết luận: đầu N của kim thử tại A chỉ sang trái. Trong Hình 1 kim A quả thật có nửa đỏ nằm bên trái.
Vì sao: đầu N của kim chỉ chiều của từ trường; vậy từ trường tại A hướng từ cực N (bên phải) sang cực S (bên trái).
Bẫy thường gặp
Nhiều bạn nói: “Đầu N của kim thử phải chỉ về cực N của thanh nam châm.” Điều này sai. Hai cực cùng tên thì đẩy nhau, nên đầu N của kim bị đẩy khỏi cực N của thanh và bị hút vào cực S của thanh. Kim thử gần thanh nam châm thường quay đầu N về phía cực S của thanh.
Bài 1 Mức 1 · Nhận biết
Trong Hình 1, kim B đặt ở bên phải cực N của thanh nam châm, trên đường thẳng đi qua hai cực. Đầu N của kim B chỉ sang bên nào? Nhập “trái” hoặc “phải”.
Gợi ý 1. Cực N của thanh đẩy đầu N của kim ra xa nó.
Gợi ý 2. Kim B nằm bên phải thanh, nên “ra xa” nghĩa là đi về phía nào?
Chính xác! Tại B kim chỉ sang phải, đi ra xa cực N của thanh.
Đầu N của kim bị cực N của thanh đẩy ra xa, không bị hút vào nó. Kim B nằm bên phải nên hướng “ra xa” là sang phải.
Lời giải mở sau khi bạn làm đúng, thử 2 lần, hoặc xem hết gợi ý.
Lời giải
Tại B, cực N của thanh ở gần nên lực đẩy lên đầu N của kim là lực chính, hướng ra xa cực N, tức sang phải. Lực hút của cực S ở xa hơn, hướng sang trái, nhưng yếu hơn nên bị lực đẩy thắng. Đầu N của kim chỉ sang phải : từ trường tại B hướng ra xa cực N.
Bài 2 Mức 1 · Nhận biết
Trong Hình 1, kim D đặt ở bên trái cực S, trên đường thẳng đi qua hai cực. Đầu N của kim D chỉ sang bên nào? Nhập “trái” hoặc “phải”.
Gợi ý 1. Cực S của thanh hút đầu N của kim.
Gợi ý 2. Kim D nằm bên trái thanh, vậy cực S ở phía nào so với kim?
Chính xác! Tại D kim cũng chỉ sang phải, hướng về cực S của thanh.
Đầu N của kim bị cực S hút nên hướng về phía cực S. Kim D nằm bên trái thanh, cực S ở bên phải kim.
Lời giải mở sau khi bạn làm đúng, thử 2 lần, hoặc xem hết gợi ý.
Lời giải
Tại D, cực S của thanh ở gần nhất và hút đầu N của kim. Cực S nằm bên phải kim D nên đầu N chỉ sang phải . Chú ý: hai kim B và D ở hai phía khác nhau nhưng cùng chỉ sang phải, vì từ trường trên trục đi ra từ N rồi đi vào S.
Bài 3 Mức 2 · Vận dụng
Trong Hình 1, kim C đặt chính giữa phía dưới thanh nam châm. Nếu đảo hai cực của thanh (đổi N sang trái, S sang phải) thì đầu N của kim C chỉ sang bên nào? Nhập “trái” hoặc “phải”.
Gợi ý 1. Ở Hình 1, kim C chỉ sang trái khi N ở bên phải.
Gợi ý 2. Đảo hai cực thì mọi hướng của từ trường cũng đảo lại.
Chính xác! Đảo cực thì hướng kim đảo theo: kim C chỉ sang phải.
Đó là hướng ở Hình 1 (trước khi đảo). Sau khi đảo hai cực, hướng của từ trường cũng đảo.
Lời giải mở sau khi bạn làm đúng, thử 2 lần, hoặc xem hết gợi ý.
Lời giải
Ban đầu (N bên phải) kim C chỉ sang trái. Khi N ở bên trái, cực N đẩy và cực S hút đều kéo đầu N của kim sang phải. Vậy kim C chỉ sang phải . Quy luật chung: đổi cực của nguồn thì từ trường đổi chiều.
Bài 4 Mức 2 · Vận dụng
Giải thích trong 2 đến 3 câu: vì sao kim A và kim C ở hai phía đối diện của thanh nam châm lại chỉ cùng một hướng, mà không chỉ hai hướng ngược nhau? Sau khi viết, mở lời giải để tự chấm.
Gợi ý 1. Nhớ rằng tại cả A lẫn C, hai cực của thanh đều kéo đầu N của kim về cùng phía.
Gợi ý 2. Kim chỉ chiều của từ trường; hãy xem từ trường từ N sang S.
Hãy tự viết vào vở trước, rồi mới bấm xem lời giải.
Lời giải và thang chấm
Tham khảo: “A và C đều nằm chính giữa thanh, ở hai phía đối xứng qua trục. Ở mỗi điểm, cực N của thanh đẩy và cực S của thanh hút đầu N của kim, cả hai lực đều hướng sang phía cực S (bên trái). Thành phần lên và xuống triệt tiêu, còn lại thành phần nằm ngang hướng sang trái. Vì từ trường bên ngoài đi từ N sang S nên hai kim chỉ cùng hướng.”
Thang tự chấm (3 điểm). 1 điểm nêu được lực đẩy của N và lực hút của S; 1 điểm nói hai lực cùng có xu hướng kéo đầu N của kim sang trái; 1 điểm nêu kết luận từ trường ngoài đi từ N sang S.
Một kim nam châm thử đứng cân bằng tại điểm P trong từ trường. Điều nào sau đây đúng?
Sai. Chiều từ trường được quy ước theo đầu N của kim, không phải đầu S.
Đúng. Đây là quy ước chiều của từ trường tại một điểm.
Sai. Đầu N của kim bị đẩy khỏi cực N của nguồn và hút vào cực S của nguồn.
Sai. Kim luôn quay theo từ trường tổng hợp tại P. Chỉ khi không có nguồn từ nào khác đáng kể ở gần (nam châm, dòng điện, vật bằng sắt) thì từ trường tại P gần như chỉ là từ trường Trái Đất, và khi đó kim mới chỉ gần đúng hướng Bắc – Nam địa lí.
3 Đường sức từ và từ phổ: từ kim thử đến bản đồ
Đặt kim thử ở thật nhiều nơi rồi nối các hướng kim lại, ta được những đường cong gọi là đường sức từ.
Ghi nhớ
Đường sức từ là đường có hướng sao cho tiếp tuyến tại mỗi điểm trùng với hướng của kim nam châm thử đặt tại điểm đó (tức hướng của từ trường).
- Bên ngoài nam châm, đường sức đi ra từ cực N , đi vào cực S .
- Bên trong nam châm, đường sức đi từ cực S sang cực N . Vì vậy đường sức là những đường khép kín .
- Hai đường sức không bao giờ cắt nhau (tại một điểm kim chỉ đúng một hướng).
- Nơi đường sức dày thì từ trường mạnh ; nơi đường sức thưa thì từ trường yếu.
Hình 2. Đường sức từ của thanh nam châm (mô hình hai cực). Bên ngoài: từ N sang S. Bên trong (nét đứt trắng): từ S sang N, nên đường sức là những vòng khép kín.
GV
Cô Lukato
Nhìn Hình 2, em thấy đường sức dày đặc ở gần hai cực và thưa dần khi ra xa. Điều đó khớp với kinh nghiệm: mẩu sắt bị hút mạnh khi để sát đầu nam châm, còn để xa một gang tay thì hầu như không nhúc nhích.
Từ phổ: nhìn thấy dạng của đường sức
Rắc mạt sắt lên một tấm nhựa hoặc tấm bìa đặt trên nam châm rồi gõ nhẹ. Mỗi hạt mạt sắt bị từ hóa thành một kim nam châm rất nhỏ nên xếp thành từng dãy dọc theo đường sức. Hình ảnh mạt sắt như vậy gọi là từ phổ .
Từ phổ cho ta thấy dạng của đường sức và nơi nào dày, nơi nào thưa. Nhưng ảnh mạt sắt không có mũi tên : muốn biết chiều, em cần kim thử hoặc phải biết cực của nam châm.
Ví dụ mẫu 2 · Đọc Hình 2 theo ba câu hỏi
Hướng: chọn một điểm trên đường sức phía trên thanh nam châm. Mũi tên trên đường sức chỉ sang trái (từ phía cực N sang phía cực S). Vậy đầu N của kim thử tại đó chỉ theo tiếp tuyến của đường cong, chiều sang trái.
Vì sao: chiều của đường sức chính là chiều của từ trường, tức chiều kim thử chỉ.
Dạng: các đường sức bên ngoài đi ra từ N, uốn cong rồi trở về S. Kèm với phần nét đứt bên trong thanh (từ S sang N), mỗi đường sức là một vòng khép kín.
Vì sao: vòng khép kín là dấu hiệu quan trọng để phân biệt từ trường với điện trường của một điện tích riêng lẻ (điều này em sẽ gặp ở lớp trên).
Mạnh hay yếu: so sánh hai điểm, điểm P sát cực N và điểm Q cách xa thanh. Ở P các đường sức chen chúc, ở Q chúng thưa thớt.
Vì sao: số đường sức đi qua một diện tích nhỏ cho biết độ mạnh của từ trường tại đó.
Kết luận: từ trường mạnh nhất ở gần hai cực, yếu dần khi ra xa; chiều bên ngoài luôn từ N sang S.
Vì sao: ba câu trả lời (hướng, dạng, mạnh yếu) cho ta trọn một bản đồ.
Bẫy thường gặp
Có bạn nói: “Đường sức từ bắt đầu ở cực N và kết thúc ở cực S.” Cách nói này chỉ đúng với phần bên ngoài nam châm. Bên trong nam châm, đường sức vẫn tiếp tục từ S sang N nên đường sức không có điểm đầu và điểm cuối . Nếu em ghi “đường sức bắt đầu ở N và dừng ở S” thì bị coi là thiếu.
Bẫy thường gặp
Một bạn vẽ hai đường sức cắt nhau tại một điểm để “thể hiện hai nam châm cùng tác dụng”. Điều này vi phạm quy ước: tại mỗi điểm của không gian, kim thử chỉ đúng một hướng (hướng của từ trường tổng hợp). Khi có hai nam châm, ta vẽ đường sức của từ trường tổng hợp , và chúng không cắt nhau (Hình 3a và 3b ở dưới).
Bài 5 Mức 1 · Nhận biết
Ở Hình 2, từ trường mạnh nhất ở gần hai cực hay ở xa thanh nam châm? Nhập “cực” hoặc “xa”.
Gợi ý 1. Nhìn nơi các đường sức chen chúc nhau.
Gợi ý 2. Đường sức dày thì từ trường mạnh.
Chính xác! Đường sức dày nhất ở gần hai cực nên từ trường mạnh nhất ở đó.
Ở xa thanh, đường sức thưa nên từ trường yếu hơn.
Lời giải mở sau khi bạn làm đúng, thử 2 lần, hoặc xem hết gợi ý.