Hệ thống kiến thức Vật lý 11 nâng cao - Chương 4: Từ trường

Trường THPT Nguyễn Đáng
Lớp 11
Họ và Tên:
HỆ THỐNG KIẾN THỨC
VẬT LÝ 11 NÂNG CAO
Chương 4
TỪ TRƯỜNG
–Y—
I/. Từ trường
Tương tác từ
	Tương tác giữa nam châm với nam châm, giữa dòng điện với nam châm và giữa dòng điện với dòng điện đều gọi là tương tác từ. Lực tương tác trong các trường hợp đó gọi là lực từ.
Từ trường
a) Khái niệm từ trường
	+ Xung quanh thanh nam châm hay xung quanh dòng điện có từ trường.
	+ Xung quanh điện tích chuyển động có từ trường.
b) Tính chất cơ bản của từ trường
	Từ trường gây ra lực từ tác dụng lên một nam châm hay một dòng điện đặt trong nó.
c) Cảm ứng từ
	Cảm ứng từ là đại lượng đặc trưng cho từ trường về mặt gây ra lực từ. Cảm ứng từ là một vectơ, kí hiệu là . Phương của nam châm thử nằm cân bằng tại một điểm trong từ trường là phương của vectơ cảm ứng từ của từ trường tại điểm đó. Ta quy ước lấy chiều từ cực Nam sang cực Bắc của nam châm thử là chiều của vectơ .
Đường sức từ
a) Định nghĩa
	Đường sức từ là đường được vẽ trong từ trường sao cho tiếp tuyến tại bất kỳ điểm nào trên đường cũng trùng với phương của vectơ cảm ứng từ tại điểm đó.
b) Các tính chất của đường sức từ
	+ Tại mỗi điểm trong từ trường, có thể vẽ được một đường sức từ đi qua và chỉ một mà thôi.
	+ Các đường sức từ là các đường cong kín. Từ trường là một trường xoáy.
	+ 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.
c) Từ phổ
	Dùng mạt sắt rắc đều lên một tấm kính đặt trên nam châm, gõ nhẹ tấm kính ta nhận được từ phổ của nam châm.
Từ trường đều
	Một từ trường mà cảm ứng từ tại mọi điểm đều bằng nhau gọi là từ trường đều.
+ Các đường sức của từ trường đều là các đường thẳng song song và cách đều nhau.
II/. Phương và chiều của lực từ tác dụng lên dòng điện
Lực từ tác dụng lên dòng điện
	Lực mà từ trường tác dụng lên nam châm hay lên dòng điện gọi là lực từ. Lực từ tác dụng lên dòng điện còn gọi là lực Am-pe.
Phương của lực từ tác dụng lên dòng điện
	Lực từ tác dụng lên đoạn dòng điện có phương vuông góc với mặt phẳng chứa đoạn dòng điện và cảm ứng từ tại điểm khảo sát.
Chiều của lực từ tác dụng lên dòng điện. Quy tắc bàn tay trái
	Chiều của lực từ được xác định theo quy tắc bàn tay trái: Đặt bàn tay trái sao cho các đường sức từ đâm xuyên vào lòng bàn tay, chiều từ cổ tay đến các ngón tay trùng với chiều dòng điện, thì ngón cái choãi ra 90º chỉ chiều của lực từ tác dụng lên dòng điện.
III/. Cảm ứng từ. Định luật Am-pe
Cảm ứng từ
	Cảm ứng từ là đại lượng đặc trưng cho từ trường về phương diện tác dụng lực. Độ lớn của cảm ứng từ của từ trường tại điểm khảo sát được tính bởi . Trong đó F là lực mà từ trường tác dụng lên đoạn dây dẫn có chiều dài , mang dòng điện có cường độ I đặt tại điểm khảo sát và là góc hợp bởi dòng điện và đường sức từ.
	Trong hệ SI, đơn vị của cảm ứng từ là tesla, kí hiệu là T.
Định luật Am-pe
	Lực từ tác dụng lên đoạn dòng điện đặt trong từ trường đều hay có thể coi là đều được tính bởi . Trong đó B là cảm ứng từ tại điểm đặt đoạn dòng điện có chiều dài , cường độ I và là góc hợp bởi đoạn dòng điện và vectơ .
Nguyên lý chồng chất từ trường
	Giả sử ta có hệ n nam châm (hay dòng điện). Tại điểm M, cảm ứng từ chỉ của nam châm thứ nhất là , chỉ của nam châm thứ hai là , , chỉ của nam châm thứ n là . Gọi là từ trường của hệ tại M thì: 
IV/. Từ trường của một số dòng điện có dạng đơn giản
Từ trường của dòng điện thẳng
	+ Các đường sức từ của dòng điện thẳng là các đường tròn đồng tâm nằm trong mặt phẳng vuông góc với dòng điện. Tâm của các đường sức từ là giao điểm của mặt phẳng và dây dẫn.
	+ Chiều của đường sức từ được xác định theo quy tắc nắm tay phải: Giơ ngón cái của bàn tay phải hướng theo chiều dòng điện, khum bốn ngón kia xung quanh dây dẫn thì chiều từ cổ tay đến các ngón tay là chiều của đường sức từ.
	+ Cảm ứng từ của dòng điện thẳng đặt trong không khí được tính theo công thức: Trong đó r là khoảng cách từ điểm khảo sát đến dòng điện.
Từ trường của dòng điện tròn
	+ Các đường sức từ của dòng điện tròn có dạng như hình 29.6.
	+ Chiều của đường sức từ được xác định theo quy tắc nắm tay phải: Khum bàn tay phải theo vòng dây của khung sao cho chiều từ cổ tay đến các ngón tay trùng với chiều dòng điện trong khung ; ngón cái choãi ra chỉ chiều các đường sức từ xuyên qua mặt phẳng dòng điện.
	+ Cảm ứng từ ở tâm của dòng điện tròn mà khung dây gồm N vòng, đặt trong không khí, được tính theo công thức Trong đó R là bán kính dòng điện.
Từ trường của dòng điện trong ống dây
	+ Bên trong ống dây, các đường sức từ song song với trục ống dây và cách đều nhau. Nếu ống dây đủ dài, thì từ trường bên trong ống dây là từ trường đều. Bên ngoài ống dây, dạng và sự phân bố các đường sức từ giống như ở một nam châm thẳng (Hình 29.9).
	+ Chiều của đường sức từ cũng được xác định theo quy tắc nắm tay phải: Khum bàn tay phải theo vòng dây của ống, sao cho chiều từ cổ tay đến các ngón tay trùng với chiều dòng điện trong ống ; ngón cái choãi ra chỉ chiều các đường sức từ xuyên qua ống dây. 
	+ Ống dây mang dòng điện cũng có hai cực, đầu ống mà các đường sức đi ra là cực Bắc, đầu kia là cực Nam.
	+ Nếu ống dây dài đặt trong không khí, thì cảm ứng từ bên trong ống dây được tính theo công thức: Trong đó n là số vòng dây trên 1 mét chiều dài của ống.
V/. Tương tác giữa hai dòng điện thẳng song song. Định nghĩa đơn vị am-pe
Tương tác giữa hai dòng điện thẳng song song
	+ Hai dòng điện song song cùng chiều thì hút nhau, ngược chiều thì đẩy nhau.
	+ Dựa vào quy tắc nắm tay phải ta xác định được chiều của cảm ứng từ và áp dụng quy tắc bàn tay trái ta xác định được chiều của lực từ tác dụng lên dòng điện.
	+ Độ lớn của lực từ tác dụng lên một đơn vị chiều dài của dây dẫn mang dòng điện được tính theo công thức: Trong đó r là khoảng cách giữa hai dòng điện.
Định nghĩa đơn vị am-pe
	Ampe là cường độ của dòng điện không đổi khi chạy trong hai dây dẫn thẳng, tiết diện nhỏ, rất dài, song song với nhau và cách nhau một mét trong chân không thì gây ra trên mỗi mét dài của mỗi dây một lực từ bằng 2.N.
VI/. Lực Lo-ren-xơ
Lực Lo-ren-xơ
	+ Lực mà từ trường tác dụng lên một hạt mang điện chuyển động trong nó gọi là lực Lo-ren-xơ.
	+ Lực Lo-ren-xơ có phương vuông góc với mặt phẳng chứa vectơ vận tốc của hạt mang điện và vectơ cảm ứng từ tại điểm khảo sát.
	+ Chiều của lực Lo-ren-xơ được xác định theo quy tắc bàn tay trái: Đặt bàn tay trái sao cho các đường sức từ đâm xuyên vào lòng bàn tay, chiều từ cổ tay đến các ngón tay trùng với chiều vectơ vận tốc của hạt mang điện, thì ngón cái choãi ra 90º chỉ chiều của lực Lo-ren-xơ nếu hạt mang điện dương, và chỉ chiều ngược lại nếu hạt mang điện âm.
	+ Độ lớn của lực Lo-ren-xơ được tính theo công thức: Trong đó là góc hợp bởi vectơ vận tốc và vectơ cảm ứng từ .
Ứng dụng của lực Lo-ren-xơ
	Lực Lo-ren-xơ được ứng dụng trong ngành kỹ thuật điện tử, như sự lái chùm tia êlectron (tia catôt) trong ống phóng điện tử ở máy thu hình.
VII/. Khung dây có dòng điện đặt trong từ trường
Khung dây đặt trong từ trường
a) Thí nghiệm: Bố trí như hình 33.1. khi cho dòng điện chạy qua khung, khung dây quay.
b) Lực từ tác dụng lên khung dây có dòng điện
+ Đường sức từ nằm trong mặt phẳng khung (Hình 33.2)
Lực từ tác dụng lên các cạnh AB và CD bằng không vì các cạnh đó song song với đường sức từ.
Lực từ và có độ lớn bằng nhau nhưng ngược chiều, tạo nên một ngẫu lực có tác dụng làm quay khung.
+ Đường sức từ vuông góc với mặt phẳng khung (Hình 33.3)
	Các lực từ tác dụng lên các cạnh của khung không làm quay khung.
c) Momen ngẫu lực từ tác dụng lên khung dây có dòng điện
	 Trong đó M là momen của ngẫu lực từ (N.m) ; I là cường độ dòng điện trong khung (A) ; B là cảm ứng từ (T) ; S là diện tích của mặt phẳng khung dây () và là góc hợp bởi vectơ và vectơ pháp tuyến . (Quay cái đinh ốc theo chiều dòng điện trong khung, chiều tiến của cái đinh ốc là chiều của vectơ ).
Động cơ điện một chiều
a) Cấu tạo (Hình 33.4).
	Gồm: khung dây ; nam châm ; bộ góp điện (hai bán khuyên và hai chổi quét).
b) Hoạt động
	Khi cho dòng điện một chiều chạy qua khung, momen ngẫu lực từ tác dụng lên khung làm cho khung quay xung quanh trục OO’. Bộ góp điện giúp cho dòng điện trong khung đổi chiều, vì vậy khung quay liên tục. 
Điện kế khung quay
a) Cấu tạo (Hình 33.5)
	Gồm: Khung dây có khoảng vài trăm vòng quấn sát nhau. Khung dây lồng ra bên ngoài lõi sắt và được đặt giữa hai cực một nam châm. Ngoài ra còn có lò xo để giữ khung dây ở vị trí xác định.
b) Hoạt động
	Khi cho dòng điện vào khung thì ngẫu lực từ làm khung quay lệch ra khỏi vị trí lúc đầu. Khi đó các lò xo sinh ra momen cản. Khi momen cản cân bằng với momen ngẫu lực từ thì khung dừng lại. Góc lệch của khung tỉ lệ với cường độ dòng điện trong khung. Để biến điện kế thành ampe kế hay vôn kế người ta mắc thêm sơn hay thêm điện trở phụ.
VIII/. Sự từ hóa các chất. Sắt từ
Các chất thuận từ và nghịch từ
	Các chất trong tự nhiên khi đặt trong từ trường đều bị từ hóa. Các chất có tính từ hóa yếu gồm các chất thuận từ và nghịch từ. Khi các vật thuận từ và nghịch từ được đặt trong từ trường thì chúng bị từ hóa. Nhưng nếu ta khử từ trường ngoài thì các vật nhanh chóng trở lại trạng thái bình thường, từ tính của chúng bị mất.
Các chất sắt từ
	Các chất có tính từ hóa mạnh hợp thành một nhóm gọi là các chất sắt từ. Sắt, niken, coban là ba chất sắt từ điển hình.
	Một mẫu sắt được cấu tạo từ rất nhiều miền từ hóa tự nhiên. Miền từ hóa tự nhiên có thể coi như một “kim nam châm nhỏ”. Bình thường thì các “kim nam châm nhỏ” sắp xếp hỗn độn. Khi đó thanh sắt không có từ tính. Nếu thanh sắt được đặt vào từ trường ngoài, các “kim nam châm nhỏ” có xu hướng sắp xếp theo từ trường ngoài. Khi đó thanh sắt có từ tính.
Nam châm điện. Nam châm vĩnh cửu
+ Khi cho dòng điện chạy qua một ống dây có lõi sắt thì lõi sắt được từ hóa. Từ trường của ống dây khi có lõi sắt lớn gấp hàng trăm, hàng nghìn lần từ trường của ống dây khi không có lõi sắt. Ống dây mang dòng điện có thêm lõi sắt gọi là một nam châm điện. Ngắt dòng điện trong ống dây thì từ tính của lõi sắt cũng bị mất rất nhanh.
+ Khi cho dòng điện chạy qua một ống dây có lõi thép thì lõi thép được từ hóa. Từ trường của ống dây khi có lõi thép lớn gấp nhiều lần từ trường của ống dây khi không có lõi thép. Ngắt dòng điện trong ống dây thì tính tính của lõi thép không bị mất mà còn giữ được trong một thời gian dài. Thanh thép trở thành một nam châm vĩnh cửu hay gọi tắt là nam châm.
	Một chất sắt từ mà từ tính của nó tồn tại khá lâu sau khi từ trường ngoài triệt tiêu được gọi là chất sắt từ cứng.
Hiện tượng từ trễ
	Xét một ống dây trong đó có lõi thép chưa bị từ hóa. Khi từ trường ngoài tăng từ 0 đến , từ trường của lõi thép tăng từ 0 đến giá trị theo đường cong OAM (Hình 34.2). 
	Nếu giảm từ trường ngoài từ đến 0 thì từ trường của lõi thép giảm theo đường cong MP. Từ trường của lõi thép ứng với điểm P gọi là từ trường còn dư của lõi thép. Từ trường của lõi thép giảm trễ hơn từ trường ngoài. 
	Nếu tiếp tục cho từ trường ngoài biến đổi từ 0 đến thì từ trường lõi thép giảm theo đường PQN. Ta gọi là từ trường kháng từ của lõi thép.
	Nếu cho từ trường ngoài tăng từ dến thì từ trường lõi thép tăng theo đường NKLM. Quá trình từ hóa sau đó xảy ra theo đường cong kín MQNLM. Đường cong kín này gọi là chu trình từ trễ.
Ứng dụng của các vật sắt từ
	Sự từ hóa của các vật liệu sắt từ có rất nhiều ứng dụng.
	Trong đời sống hàng ngày ta gặp nam châm ở cửa xếp nhựa, ở cửa tủ lạnh, trong quạt điện,  Trong kĩ thuật ta gặp nam châm điện trong rơle điện từ, cần cẩu điện, 
IX/. Từ trường Trái Đất
Độ từ thiên. Độ từ khuynh
a) Độ từ thiên
	Các đường sức từ của từ trường Trái Đất nằm trên mặt đất gọi là các kinh tuyến từ.
	Góc lệch giữa kinh tuyến từ và kinh tuyến địa lý gọi là độ từ thiên (hay góc từ thiên), kí hiệu là D.
+ Người ta quy ước độ từ thiên ứng với trường hợp cực Bắc của kim la bàn lệch sang phía Đông là độ từ thiên dương, ngược lại là độ từ thiên âm.
b) Độ từ khuynh
	Góc hợp bởi kim nam châm của la bàn từ khuynh và mặt phẳng nằm ngang gọi là độ từ khuynh (hay góc từ khuynh), kí hiệu là I.
+ Ở bắc bán cầu, cực Bắc của kim nam châm nằm ở phía dưới mặt phẳng nằm ngang. Người ta quy ước đó là độ từ khuynh dương. Ngược lại ở phía nam bán cầu, cực Bắc của kim nam châm nằm ở phía trên mặt phẳng nằm ngang, được quy ước là độ từ khuynh âm.
Các từ cực của Trái Đất
	Ngoài hai địa cực gọi là Bắc cực và Nam cực, Trái Đất còn có hai từ cực. Từ cực ở nam bán cầu gọi là từ cực Bắc, còn từ cực ở bắc bán cầu gọi là từ cực Nam.
Bão từ
	Các yếu tố của từ trường Trái Đất như cảm ứng từ, độ từ thiên, độ từ khuynh, có những biến đổi theo thời gian. Nếu những biến đổi này xảy ra hầu như cùng một lúc trên quy mô toàn cầu thì ta gọi là bão từ.
	Bão từ yếu thường diễn ra trong khoảng thời gian ngắn. Bão từ mạnh có thể kéo dài hàng chục giờ hay vài ngày, ảnh hưởng đáng kể đến việc liên lạc vô tuyến trên hành tinh.