Đang tải... (xem toàn văn)
tiểu luận phân tích cấu trúc sgk chương từ trường vật lý 11 chuẩn , đây là tiểu luận môn học phân tích chương trình vật lí thpt dành cho cao học lí tại đh sư phạm huế. tiểu luận phân tích cấu trúc sgk chương từ trường vật lý 11 chuẩn , đây là tiểu luận môn học phân tích chương trình vật lí thpt dành cho cao học lí tại đh sư phạm huế
MỞ ĐẦU Trong năm gần đây, chương trình sách giáo khoa phổ thông biên soạn lại đưa vào sử dụng đại trà nhằm nâng cao chất lượng dạy học cấp phổ thông Sách giáo khoa đưa vào nhiều kiến thức Vì vậy, việc nghiên cứu chương trình Vật lí phổ thơng cần thiết Từ trường phần Điện từ học, nghiên cứu từ trường phương diện tác dụng lực Cụ thể, chương trình bày vấn đề lực từ tác dụng lên đoạn dòng điện thẳng, từ trường tác dụng lên hạt mang diện chuyển động, qui tắc xác định chiều lực từ, từ trường dòng điện thẳng, dòng điện tròn Nhằm hiểu sâu nội dung kiến thức phần từ trường nắm vững cách hình thành đơn vị kiến thức sách giáo khoa dự chuẩn kiến thức chuẩn kỉ năng, đồng thời làm tư liệu cho việc giảng dạy sau này, tiểu luận sâu nghiên cứu vấn đề sau: Nghiên cứu khái niệm, định luật, nguyên lý, ứng dụng từ trường kỷ thuật Trình bày kiến thức theo hiểu biết Để hồn thành tiểu luận này, tơi chọn phương pháp nghiên cứu là: Đọc tài liệu vật lí phổ thơng, vật lí đại cương, vật lí kĩ thuật, sở vật lý, sách giáo khoa vật lí trung học phổ thơng lớp 11, tài liệu có nội dung liên quan đến phần “Từ trường”, tìm kiếm thơng tin mạng internet Lựa chọn thông tin theo yêu cầu tiểu luận trình bày thơng tin theo vấn đề đặt NỘI DUNG A – TỔNG QUAN I Cấu trúc phần Điện học Điện từ học phần vật lý nghiên cứu tượng trình vật lý liên quan đến tồn tại, chuyển động tương tác hạt (hoặc vật) mang điện Phần Từ trường với phần Cảm ứng điện từ, Dịng điện mơi trường, Điện tích điện trường, Dịng điện khơng đổi trình bày chương trình Vật lý 11 II Nhiệm vụ cấu trúc chương Từ trường Nhiệm vụ Từ trường phần Điện từ học, nghiên cứu từ trường phương diện tác dụng lực Cụ thể, chương trình bày vấn đề lực từ tác dụng lên đoạn dòng điện thẳng, từ trường tác dụng lên hạt mang diện chuyển động, qui tắc xác định chiều lực từ, từ trường dòng điện thẳng, dòng điện trịn Cấu trúc B – PHÂN TÍCH NỘI DUNG KIẾN THỨC VÀ KĨ NĂNG TỪ TRƯỜNG Kiến thức: - Nêu từ trường tồn đâu, có tính chất - Nêu đặc điểm đường sức từ nam châm thẳng, nam châm chữ U, dòng điện thẳng dài, ống dây có dịng điện chạy qua 1.1 Tương tác từ Các tượng liên quan tới tương tác từ loài người sớm phát Người ta nhận thấy số mẫu quặng có khả hút vật nhỏ sắt Không vậy, mẫu quặng hút đẩy lẩn Ban đầu chúng gọi "đá nam châm'', thực chất nam châm tự nhiên mà ngày biết Sự tương tác nam châm gọi tương tác từ Năm 1600, nhà bác học Gin-bơt (William Gillbert, 1540 – 1603) trình bày sở ban đầu điện học từ học Gin-bơt chế tạo nam châm mà ông gọi “terralla” nghiên cứu tác dụng kim nam châm với “terralla” Ông thấy có tác dụng từ chúng Gin-bớt nghiên cứu tượng điện cách có hệ thống Khi khảo sát tượng điện từ, ông đến kết luận chúng khác khơng có liên quan với Như vậy, Gin-bơt thấy tương tác điện tương tác từ hai loại tương tác khác nhau, song ông chưa thấy mối quan hệ tượng điện từ 1820, nhà vật lý người Đan Mạch Ơ-xtét (Han Christian Oersted, 1777-1851) phát dòng điện nam châm có tương tác với Ơng thấy đặt dây dẫn cạnh kim nam châm cho dòng diện chạy qua dây dẫn kim nam châm quay lệch Khi đổi chiều dòng điện chạy qua, kim nam châm lệch theo chiều ngược lại Như vậy, thực nghiệm cho thấy có tương tác dịng điện với nam châm, hai dòng điện với nhau, nam châm, tương tác gọi chung tương tác từ Một điều lưu ý tượng điện từ có mối liên hệ với tương tác từ có chất khác với tương tác điện Tương tác điện xuất có điện tích phụ thuộc vào vị trí, độ lớn điện tích Tương tác từ xuất có dịng điện phụ thuộc vào dịng điện Chính xác hơn, tương tác từ xuất điện tích chuyển động phụ thuộc vào tính chất chuyển động Giữa dịng điện có tương tác từ dịng điện dịng điện tích chuyển động Giữa nam châm với dịng điện có tương tác từ nam châm có dịng điện mà Am- pe gọi dòng điện nguyên tố Ngày nay, dòng điện phân tử hiểu dòng điện vận động nội hạt mang điện nguyên tử hạt nhân gây Bản chất quy luật vận động nội làm rõ khuôn khổ học lượng tử Cũng cần nói thêm rằng, tương tác điện tương tác từ hai loại tương tác sau Mắc-xoen (James Clerk Maxell, 1831 - 1879) thống hai loại tương tác gọi chung tương tác điện từ Lực tương tác từ phần lực tương tác điện từ hạt tích điện chuyển động 1.2 Từ trường Khi xét tương tác từ, người ta quan tâm hai dây dẫn mang dịng điện khơng chạm với mà lại tương tác với nhau? Khơng gian quanh dịng điện có biến đổi khơng? Theo quan điểm tương tác xa, dịng điện I1 sẵn có khả tác dụng lên dòng I2 xa nó, khơng cần truyền tương tác Khi dịng điện I2 xuất hiện, dù xa dịng điện I1 tác dụng lên dịng I2 Khơng gian xung quanh khơng có biến đổi khơng tham gia vào trình tương tác Quan điểm tương tác gần Pha-ra nêu lên sau Moắc-xoen hồn thiện Theo đó, hai dịng điện tương tác với xung quanh dịng điện tồn dạng vật chất đặc biệt từ trường Dòng điện I2 nằm từ trường tạo dòng điện I1 nên chiệu tác dụng lực gây dòng điện Ngược lại dòng điện I2 tác dụng lên dịng điện I1 thơng qua từ trường Hai dịng điện I1 I2 tương tác với thông qua từ trường Từ trường gắn liền với dịng điện điện trường ln gắn liền với điện tích Vật lý học đại xác nhận đắn cách trả lời thứ hai Vậy, từ trường môi trường xung quanh hạt mang điện chuyển động Tính chất từ trường có tác dụng từ lên hạt mang điện khác chuyển động Từ trường khơng phải khái niệm trừu tượng dùng để mô tả tương tác từ mà thực thể vật lý tồn khách quan giống điện trường Điện tích đứng yên nguồn gốc điện trường tĩnh Các điện tích chuyển động vừa nguồn gốc điện trường vừa nguồn gốc từ trường Nghiên cứu từ phổ từ trường dòng điện, người ta nhận thấy đường cảm ứng từ đường cong khép khép kín Mà từ trường có đường sức khép kín gọi trường xốy Do đó, từ trường trường xốy hay có tính chất xốy điểm khác điện trường từ trường Như ta biết, đường sức điện trường tĩnh từ hạt mang điện dương vào hạt mang điện âm, chúng đường cong hở Vì vậy, điện trường tĩnh khơng phải trường xốy Trái lại đường cảm ứng từ đường cong kín, chúng khơng có điểm xuất phát khơng có điểm tận Từ đó, người ta cho tự nhiên khơng tồn "từ tích" Bởi có hạt mang từ tích nguồn gốc sinh từ trường (giống hạt mang điện tích đứng yên nguồn gốc sinh điện trường tĩnh ) đường cảm ứng từ phải xuất phát từ loại hạt mang từ tích dương (quy ước "từ tích dương" chẳng hạn) tận hạt mang từ tích âm phải đường cong hở Và tồn nam châm đơn cực từ, song chưa phát chế tạo nam châm đơn cực từ giả thuyết "từ tích" bị bác bỏ 1.3 Đường sức từ 1.3.1 Định nghĩa đường sức từ Tương tự đường sức điện, để mô tả từ trường cách trực quan, người ta dùng khái niệm đường sức từ Đó mơ hình biểu diễn từ trường hình học Đường sức từ đường cong có hướng vẽ từ trường cho hướng tiếp tuyến điểm đường trùng với hướng vectơ cảm ứng từ điểm Thực nghiệm cho thấy nam châm thử định hướng theo đường sức Sự xếp nhiều nam châm thử từ trường (chẳng hạn từ trường nam châm thẳng) cho ta hình dung đường sức từ từ trường Chiều đường sức từ chiều từ cực Nam sang cực Bắc nam châm thử nằm cân từ trường 1.3.2 Tính chất đường sức từ Đường sức từ có tính chất sau: - Tại điểm từ trường, vẽ đường sức từ qua mà thôi; - Các đường sức từ đường cong kín Trong trường hợp từ trường nam châm, nam châm đường sức từ từ cực Bắc, vào cực Nam nam châm; - Các đường sức từ không cắt nhau; - Nơi cảm ứng từ lớn đường sức từ vẽ mau (dày hơn), nơi cảm ứng từ nhỏ đường sức từ vẽ thưa Tính chất từ thứ suy từ định nghĩa đường sức từ Bất kì điểm từ trường có cảm ứng từ, vẽ đường cong nhận làm tiếp tuyến Tính chất thứ hai đường sức từ thể tính chất xốy từ trường Tính chất thứ ba nhằm đảm bảo tính cảm ứng từ điểm Thật vậy, giả sử điểm có hai đường sức cắt điểm phải có hai tiếp tuyến, có hai vec tơ cảm ứng từ điểm điều mâu thuẫn với cảm ứng từ nhất, đặc trưng cho từ trường điểm Tính chất thứ thứ ba mâu thuẫn theo lập luận rằng: điểm vẽ đường sức từ qua mật độ đường sức từ phải vô hạn, so sánh mau hay thưa Tuy nhiên cần hiểu đường sức từ mơ hình, mau hay thưa so sánh tương đối, việc vẽ mau hay thưa quy ước, khơng có mâu thuẫn tính chất thứ thứ tư 1.4 Khái niệm từ phổ Đường sức từ xác định dùng phương pháp toán học túy Trong thực tế, để xác định đường sức từ người ta dùng phương pháp thực nghiệm Dùng mạt sắt rắc lên mica đặt nam châm, gõ nhẹ mica ta thấy mạt sắt xếp cách có trật tự tạo thành đường cong Hình ảnh "đường mạt sắt" thu từ trường nam châm gọi từ phổ nam châm Vậy, xếp mạt sắt cho ta hình ảnh đường sức từ khơng gian Hình ảnh gọi từ phổ Dưới hình ảnh đường sức từ nam châm thẳng nam châm hình móng ngựa (cịn gọi nam châm chữ U) 1.5 Rèn luyện kỹ Kỹ năng: - Vẽ đường sức từ biểu diễn từ trường nam châm thẳng, dòng điện thẳng dài, ống dây có dịng điện chạy qua từ trường CẢM ỨNG TỪ Kiến thức: - Phát biểu định nghĩa nêu phương, chiều cảm ứng từ điểm từ trường Nêu đơn vị đo cảm ứng từ - Viết cơng thức tính cảm ứng từ điểm từ trường gây dịng điện thẳng dài vơ hạn, tâm dòng điện tròn điểm lịng ống dây có dịng điện chạy qua 2.1 Định luật Bi-ơ - Sa-va - La-pla-xơ Từ trường có đặc trưng tác dụng lực từ lên hạt mang điện chuyển động Đại lượng vật lý đặc trưng cho từ trường mặt tác dụng lực cảm ứng từ Cảm ứng từ đại lượng vec tơ, có vai trị tương tự vec tơ cường độ điện trường điện trường Từ công thức định luật Am-pe tương tác hai phần tử dịng điện: khơng chứa phần tử I 1l1 , phụ thuộc vào phần tử dịng điện I 1l1 tạo từ trường vào vị trí điểm M ta đặt phần tử dòng điện I 1l1 Vec tơ 10 định nghĩa vectơ cảm ứng từ phần tử dòng điện I l tạo M Biểu thức (2.4.1) công thức định luật Bi-ô - Sa-va - La-pla-xơ Nội dung định luật phát biểu sau: Cảm ứng từ B phần tử dòng điện I l tạo điểm M cách phần tử dòng điện I l khoảng r vectơ có: - Gốc điểm M; - Phương vng góc với mặt phẳng chứa phần tử dòng điện I l điểm M; - Chiều cho ba vectơ I l , r B theo thứ tự hợp thành tam diện thuận; - Độ lớn B xác định công thức : B = k Il.sinθ ( góc vec tơ I l r ) r (2.4.2) Đơn vị cảm ứng từ T (Tesla) Thơng thường người ta nói "từ trường " ta ngầm hiểu cách gọi tắt, thực phải nói "cảm ứng từ " Ngoài ra, "hướng từ trường" ta hiểu "hướng vec tơ cảm ứng từ" Sau định nghĩa cảm ứng từ, ta viết lại lực tác dụng phần tử dòng điện I l lên phần tử dòng điện I 1l1 sau: Biểu thức (2.4.3) cho thấy lực tác dụng lên phần tử I tỉ lệ với cảm ứng từ B phần từ dòng điện I l gây điểm đặt B Như vậy, định luật Bi-ô - Sa-va - La-pla-xơ cho ta tính cảm ứng từ phần từ dịng điện gây không gian Vậy cảm ứng từ dòng điện hệ nhiều dòng điện gây điểm xác định nào? Khi ta phải sử dụng nguyên lí gọi nguyên lí chồng chất từ trường 2.2 Từ trường điện tích chuyển động Tính tương đối điện trường từ trường Cảm ứng từ dòng điện gây khảo sát mục trước Dịng điện dịng chuyển dời có hướng điện tích, từ trường dịng điện thực chất chồng chất từ trường điện tích chuyển động gây 11 Xét từ trường phần tử dòng điện I l gây ra, theo định luật Bi-ô Sa-va - La-pla-xơ, cảm ứng từ điểm M cách I l vec tơ r : Il.r μ B = k với k = r 4π Mặt khác Il = S.Δl.i = S.Δl.n e.v , i vec tơ mật độ dòng điện, v vận tốc chuyển động định hướng điện tích, S.Δl.n số hạt mang điện tự có phần tử Δl Vì phần tử Δl bé so với r nên cảm ứng từ điện tích tự gây M Từ đó, cảm ứng từ hạt mang điện gây M là: v.r B= k.e r (2.4.6) Ở cơng thức (2.4.6), hướng B cịn phụ thuộc vào dấu điện tích e hạt Kết thu từ việc khảo sát cảm ứng từ đoạn dây dẫn đứng n có dịng điện chạy qua, đó, vận tốc v vận tốc tương đối hạt mang điện chuyển động với người quan sát [4] Vì vậy, thấy từ trường khái niệm mang tính tương đối, phụ thuộc vào hệ quy chiếu Giữa khái niệm điện trường từ trường có tính tương đối Xung quanh điện tích xác định điện trường hệ quy chiếu từ trường hệ quy chiếu khác Tương tự khái niệm tương tác điện tương tác từ, chúng có tính tương đối Tương tác điện tích hệ quy chiếu điện tích đứng yên tương tác điện hệ quy chiếu mà điện tích chuyển động lại tương tác từ Như vậy, nguồn gốc tính tương đối điện trường từ trường việc chọn hệ quy chiếu gây nên Công thức (2.4.6) áp dụng hạt mang điện chuyển động nhỏ so với vận tốc ánh sáng Trong trường hợp tổng quát, thuyết tương đối chứng minh tính tương đối điện trường từ trường Cụ thể, hệ quy chiếu K0 hệ quy chiếu gắn với điện tích q, ta quan sát điện trường E r0 12 MOMEN NGẪU LỰC TỪ 4.1 Trường hợp mặt phẳng khung dây vng góc với đường cảm ứng từ Hãy xét trường hợp đơn giản khung dây ABCD hình chữ nhật quay xung quanh trục thẳng đứng OO’ đặt từ trường đều, mặt phẳng khung dây vng góc với đường cảm ứng từ Giả sử mặt phẳng khung dây nằm mặt phẳng hình vẽ Trong trường hợp phương lực từ tác dụng lên đoạn dòng điện AB, BC, CD, DA nằm mặt phẳng hình vẽ Áp dụng quy tắc bàn tay trái, hướng lực từ hướng phía ngồi khung Đồng thời khung đặt từ trường nên Nói tóm lại bốn lực tác dụng lên khung dây tạo hai cặp phương, ngược chiều độ lớn; phương, ngược chiều độ lớn Vì lực tác dụng lên khung khơng làm quay khung mà có tác dụng làm cho khung dãn Vị trí khung dây mang dịng điện gọi vị trí cân bền Trong trường hợp chiều dòng điện hay chiều vectơ cảm ứng từ ngược lại lực tác dụng lên khung không làm quay khung trường hợp lực có tác dụng làm cho khung co lại Nếu khung lệch khỏi vị trí khung khơng trở vị trí mà trở vị trí cân bền 28 4.2 Trường hợp mặt phẳng khung dây song song với đường cảm ứng từ Trong trường hợp đoạn dây dẫn AB CD song song với đường cảm ứng từ nên lực tác dụng lên chúng khơng (H.53.2), cịn đoạn dây AD, BC theo cơng thức (48.1) ta tìm lực từ tác dụng lên đoạn dây đó: (trong AD=BC=a) Nếu khung dây nằm mặt phẳng hình vẽ phương lực vng góc với mặt phẳng hình vẽ có chiều ngược hình vẽ Vì hai lực tạo thành ngẫu lực từ làm cho khung dây quay xung quanh trục OO' (về vị trí cân bền) Việc khảo sát ta rút nhận xét: khung dây mang 29 dòng điện đặt từ trường nói chung có ngẫu lực từ tác dụng lên khung Ngẫu lực làm cho khung có xu hướng quay xung quanh trục 4.3 Mômen lực từ tác dụng lên khung dây mang dòng điện Hãy tính mơmen ngẫu lực, tác dụng lên khung dây Biết Vì gọi AB=CD=b mơmen ngẫu lực M=IabB Gọi S=a.b diện tích phần mặt băng giới hạn khung dây M=ISB Đó mơmen ngẫu lực từ tác dụng lên khung dây mang dòng điện I song song với đường cảm ứng từ 4.4 Rèn luyện kỹ Kỹ năng: - Xác định độ lớn chiều momen lực từ tác dụng lên khung dây dẫn hình chữ nhật có dịng điện chạy qua đặt từ trường + Bài toán khung dây có dịng điện đặt từ trường Phương pháp: - Phân tích lực từ tác dụng lên đoạn khung dây Từ xác định momen lực tổng hợp tác dụng lên khung - Nếu khung dây gồm N vòng, độ lớn lực từ tăng lên N lần - Trường hợp khung nằm cân từ trường, áp dụng nguyên tắc momen lực M Trong M M 1 M momen lực làm cho vật quay theo chiều kim đồng hồ, momen lực làm cho vật quay theo chiều ngược lại SỰ TỪ HÓA CÁC CHẤT Các chất tự nhiên đặt từ trường tính chất từ bị biến đổi Hiện tượng gọi từ hóa Các chất khác có khả bị từ hóa mạnh yếu khác Đa số chất tự nhiên có tính từ hóa yếu, có số chất có tính từ hóa mạnh 30 Đặc điểm từ hóa xuất từ trường phụ đặt vật chất từ trường ngồi Các chất khác đặc điểm từ trường phụ khác Các chất đặt từ trường trường ngồi gọi từ mơi hay vật liệu từ 5.1 Phân loại vật liệu từ Căn vào đặc điểm từ trường phụ, người ta phân loại vật liệu từ thành loại: 5.1.1 Chất thuận từ Chất có từ trường phụ chiều với từ trường ngồi có độ lớn nhỏ so với từ truờng ngồi Ví dụ nhơm, vơnfram, ơxi, nitơ, khơng khí 5.1.2 Chất nghịch từ Chất có từ truờng phụ ngược chiều với từ trường độ lớn nhỏ so với từ trường ngồi Ví dụ bismut, đồng, beri, vàng, bạc, bo, nước, khí trơ 5.1.3 Chất sắt từ Chất có từ trường phụ chiều với từ trường độ lớn xấp xỉ lớn từ trường ngồi nhiều Ví dụ sắt, niken, coban, kim loại thuộc nhóm đất số hợp kim sắt Hiện tượng từ hóa chất giải thích theo thuyết miền từ hóa tự nhiên hiệu ứng từ cấp độ nguyên tử Chẳng hạn tính từ hóa mạnh chất sắt từ giải thích thuyết miền từ hóa tự nhiên Theo thuyết này, chất sắt từ có cấu trúc đặc biệt phương diện từ, bao gồm nhiều miền từ hóa tự nhiên gọi men từ Sự tạo thành đô men từ tương tác nguyên tử săt từ Mỗi nguyên tử tương đương với nam châm nhỏ, chúng tương tác với dẫn tới trạng thái mô men từ chúng song song chiều Kết đô men từ tương đương với kim nam châm nhỏ Mỗi men từ có kích thước cỡ 0,01 đến 0,1mm chứa khoảng 1017 đến 1021 nguyên tử Bình thường "kim nam châm nhỏ" xếp hỗn độn Vì từ trường tổng hợp mẫu chất sắt từ khơng Khi chất sắt từ khơng có từ tính 31 Nếu mẫu chất sắt từ đặt từ trường tác dụng từ trường ngồi, men từ có mơ men từ hợp với từ trường ngồi góc nhọn mở rộng cịn men từ có mơ men từ hợp với từ trường ngồi góc tù bị thu hẹp dần biến Tồn khơi sắt từ bao gồm men có mơ men từ gần hướng với từ trường ngồi Mơ men từ tồn khối sắt từ khác khơng khối chất sắt từ trở thành nam châm tức có từ tính Khi ngắt từ trường ngồi, có lực tương tác kiểu "lực ma sát" đô men từ, xếp men khơng hồn tồn khôi phục lại trạng thái hỗn loạn ban đầu nên mẫu sắt từ có từ tính Sự tồn đô men chất sắt từ thực nghiệm chứng minh Có thể quan sát trực tiếp men kính hiển vi quang học kính hiển vi điện tử 5.2 Hiện tượng từ trễ Bộ thí nghiệm khảo sát từ hóa chất sắt từ gồm ống dây thẳng phận chuyển mạch để đổi chiều độ lớn dịng điện chạy qua ống dây Cảm B ứng từ lòng ống dây dòng điện sinh đổi chiều độ lớn Đặt lõi sắt từ chưa bị từ hóa lần vào lòng ống dây Đồ thị biểu diễn biến thiên từ trường phụ B' theo từ trường ngồi B0 khảo sát q trình B' A B B B Bk B0max B0 B A' từ hóa lõi sắt cho hình Ban đầu B0=0 B'=0 32 Khi B0 tăng theo chiều dương, B' tăng theo, lõi sắt bị từ hóa Khi B0 đạt giá trị cực đại B' đạt giá trị cực đại (điểm A) Khi giảm Bo B' giảm theo Khi B0=0, giá trị B' không triệt tiêu mà giá trị Bd gọi giá trị từ dư Đổi chiều dòng điện qua khung dây, tăng độ lớn (độ lớn B0 tăng theo chiều âm) B' giảm Khi B'=0 lõi sắt khơng cịn từ tính nữa, độ lớn B0 ứng với giá trị gọi giá trị khử từ Bk Tiếp tục tăng cường độ dòng điện (B0 tăng theo chiều âm) B' tăng theo chiều âm, lõi sắt lại bị từ hóa từ trường ngược với trước Khi B0 đạt cực đại (theo chiều âm) B' đạt giá trị cực đại (điểm A') Giảm dần cường độ dòng điện (độ lớn B0 giảm), B' giảm theo Khi B0=0 lõi sắt cịn từ tính với cảm ứng từ có giá trị Bd (theo chiều âm) Đổi chiều dòng điện tăng dần cường độ dòng điện theo chiều dương (B0 tăng theo chiều dương), B' giảm dần độ lớn Khi B' = B0 tương ứng với giá trị khử từ Bk Tiếp tục tăng B0, B' tăng đến giá trị cực đại (điểm A) B' Đường cong biểu diễn biến thiên từ trường phụ lõi sắt theo từ trường B0 (đường OAA'A) gọi đường cong từ hóa Trường hợp từ B trường ngồi biến thiên điều hịa, đường cong từ hóa đường cong khép kín, đường cong kín gọi chu trình từ trễ Hiện tượng từ hóa vật chất, đường cong từ hóa lúc tăng từ trường ngồi khơng trùng với lúc giảm từ trường gọi tượng từ trễ Hiện tượng từ trễ đặc trưng quan trọng chất sắt từ Đối với chất sắt từ khác chu trình từ trễ khác Chu trình từ trễ lõi sắt non (còn gọi chất sắt từ cứng) dùng để từ hóa thành nam châm vĩnh cửu cịn hình b) chu trình từ trễ lõi thép kĩ thuật (cịn gọi chất sắt từ mềm - tơn silic) dùng máy biến thế, động điện 33 5.3 Chất siêu dẫn khái niệm hiệu ứng nghịch từ lí tưởng Năm 1911, nhà bác học người Hà Lan Ôn-nit (H.Onnes) phát thấy hạ nhiệt độ thủy ngân đến 4K điện trở suất đột ngột giảm khơng Sau người ta phát hiện tượng xảy tương tự với nhiều chất khác Hiện tượng gọi siêu dẫn Các chất trạng thái xảy tượng siêu dẫn gọi chất siêu dẫn Trong chất siêu dẫn, bên cạnh tượng điện trở suất khơng cịn có nhiều hiệu ứng khác lí thú phát Một phát Mây-sơ-nơ (W.Meissner) vào năm 1913 Hiệu ứng gọi hiệu ứng nghịch từ lí tưởng hay hiệu ứng Mây-sơ-nơ Hiệu ứng sau: Khi đặt chất siêu dẫn vào từ trường ngồi từ trường tổng hợp lịng chất siêu dẫn khơng, từ trường khác không lớp mỏng bề mặt chất siêu dẫn (không 10 μm ) Nghĩa đặt chất siêu dẫn vào từ trường ngồi từ trường xâm nhập vào khoảng mỏng bề mặt chất siêu dẫn mà thơi Vì tính chất mà đặt chất siêu dẫn vào từ trường bị từ trường đẩy mạnh Hình ảnh cho thấy mẫu chất siêu dẫn nằm lơ lửng phía nam châm TỪ TRƯỜNG TRÁI ĐẤT 6.1 Khái niệm cực từ Trái Đất Trái Đất có hai địa cực Bắc cực Nam cực, hai cực địa lý Trái Đất Về phương diện từ, Trái Đất xem nam châm khổng lồ có hai cực cực từ Bắc cực từ Nam Khi đặt nam châm thử nằm cân mặt đất cực Bắc kim nam châm hướng phía cực Bắc địa lý, cịn cực Nam kim nam châm hướng cực Nam địa lý Như vị trí cực từ Bắc "nam châm Trái Đất" gần trùng với cực Nam địa lý cực từ Nam gần với cực Bắc địa lý Nguyên nhân xác từ trường Trái Đất đến chưa làm rõ 34 6.2 Khái niệm độ từ thiên Trên thực tế vị trí cực từ Trái Đất có biến đổi theo thời gian Hiện nay, cực từ Bắc không trùng với cực Nam địa lý cực từ Nam không trùng với cực Bắc địa lý Do đó, đường sức từ mặt đất không trùng với đường kinh tuyến Giữa chúng có góc lệch gọi độ từ thiên hay góc từ thiên 6.3 Khái niệm độ từ khuynh Độ từ khuynh góc lệch trục kim nam châm mặt phẳng nằm ngang 35 6.4 Khái niệm tượng bão từ Các yếu tố từ trường Trái Đất điểm Trái Đất biến đổi theo thời gian Nhưng biến đổi xảy phức tạp, có biến đổi xảy theo chu kỳ hàng kỉ, có biến đổi xảy theo mùa, có biến đổi biến đổi ngày đêm Tuy nhiên biến đổi có tính địa phương Chỉ biến đổi từ trường Trái Đất quy mơ tồn cầu gọi bão từ Những bão từ yếu thường không liên quan đến hoạt động Mặt Trời bão từ loại xảy thường xuyên, tháng có vài bão từ yếu Những bão từ mạnh thường xảy có hoạt động mạnh Mặt Trời 36 ỨNG DỤNG 7.1 Điện kế khung quay 7.1.1 Cấu tạo điện kế khung quay 1- nam châm; 2- lò xo xoắn; 3- chốt giữ lò xo; 4- thước chia độ; 5- khung dây dẫn; 6- kim thị 7.1.2 Nguyên tắc hoạt động điện kế khung quay Khi dòng điện chiều chạy qua khung dây làm xuất mô men ngẫu lực từ làm khung bị quay Lúc lị xo đồng thời bị xoắn lại tạo mơ men cản Khi có cân mô men cản mô men ngẫu lực từ kim giá trị xác định thước đo Vị trí đầu kim thước đo tương ứng với cường độ dòng điện qua cuộn dây hiệu điện hai đầu điện kế Ngồi ra, điện kế thực tế có thêm chế để làm tắt nhanh dao động kim cường độ dòng điện thay đổi, kim quay nhẹ nhàng theo thay đổi dòng điện mà không bị rung Một chế giảm dao động dùng ứng dụng chuyển hóa lượng dao động sang nhiệt nhờ dịng điện Phu-cơ (Foucault) Cuộn dây gắn lõi kim loại nằm từ trường nam châm Mọi dao động cuộn dây đĩa sinh dịng Phu-cơ đĩa Dòng điện cản trở chuyển động lõi kim loại, lõi bị nóng lên, tiêu hao lượng dao động dập tắt dao động Để tạo thành vôn kế ampe kế, điện kế mắc thêm điện trở phụ Với vôn kế, điện trở phụ mắc nối tiếp với khung dây có giá trị lớn 37 Với ampe kế, điện trở phụ gọi sơn mắc song song với khung dây, điện trở sơn có giá trị nhỏ Trong thực tế, để giúp đọc kết xác, số điện kế kế lắp thêm gương tạo ảnh kim nằm sau thước đo Điều đảm bảo mắt nhìn thẳng vào thước đo đọc kết 7.2 Động điện chiều 7.2.1 Cấu tạo 7.2.2 Nguyên tắc hoạt động Nguyên tắc hoạt động động điện chiều dựa vào tác dụng làm quay khung dây từ trường Mô men ngẫu lực từ có tác dụng đưa khung trạng thái mà vec tơ mô men ngẫu lực từ hướng với cảm ứng từ Ở đây, góp điện có tác dụng đổi chiều dịng điện khung dây từ trường qua khung dây đổi chiều Do đó, chiều quay khung dây từ trường khơng đổi Hoạt động động điện chiều minh họa hình vẽ 38 7.3 Loa điện Loa điện động có cấu tạo gồm phận chính: nam châm trịn lõi thép, cuộn dây, màng loa, giá đỡ Nam châm tròn lõi thép tạo khe từ có từ trường xuyên tâm Cuộn dây đặt khe từ gắn với màng loa Màng loa có nếp gấp để màng loa cuộn dây chuyển động vào dọc khe từ cách dễ dàng Tín hiệu âm sau biến điệu thành tín hiệu điện đưa vào cuộn dây loa Đây tín hiệu điện có chiều thay đổi, lực từ tác dụng lên cuộn dây thay đổi theo Cuộn dây chuyển động vào dọc khe từ kéo theo màng loa dao động theo Dao động màng loa làm nén giãn miền khơng khí xung quanh tạo nên âm Âm phát loa giống âm biến điệu thành tín hiệu điện đưa vào cuộn dây 7.4 Đèn hình CRT Đèn hình CRT phận dùng để hiển thị hình ảnh TV, máy vi tính, dao động kí Một chùm tia điện tử mảnh phóng từ ca tơt (cathode) nung nóng, tia điện tử gia tốc điện trường anôt thứ (slits) Nếu không làm lệch điện trường từ trường tia điện tử bay thẳng đập vào vị trí huỳnh quang, có chấm sáng Để hiển thị hình ảnh ta thấy chùm tia điện tử cần điều khiển quét khắp huỳnh quang Cơ cấu thực nhiệm vụ cuộn dây cặp tụ điện Chùm tia điện tử bị lệch từ trường cuộn dây lực Lo-ren-xơ lệch điện trường tụ điện lực điện Việc làm lệch chùm tia điện tử điều khiển nhờ tín hiệu đưa vào cặp tụ cuộn dây Tín hiệu điều khiển lệch chùm tia theo phương dọc ngang Vì điện tử có khối lương bé nên qn tính nhỏ, thay đổi hướng vận tốc thực dễ dàng Chùm tia điện tử quét nhanh tạo phát sáng điểm hình Tập hợp điểm sáng khác hình tạo thành hình ảnh hiển thị 39 7.5 Máy gia tốc Xiclotron 7.5.1 Cấu tạo 7.5.2 Nguyên tắc hoạt động Bài toán điện tích chuyển động từ trường vng góc với vận tốc ban đầu cho thấy quỹ đạo điện tích đường trịn Chu kì quay điện tích khơng phụ thuộc vào vận tốc Tính chất ứng dụng máy gia tốc xiclôtrôn Đây thiết bị quan trong nghiên cứu vật lý hạt nhân hạt Cấu tạo xiclơtrơn hình vẽ Nó gồm hai điện cực, có dạng hai nửa hình hộp hình chữ D (D1, D2) đặt buồng chân không Hai hộp chữ D đặt cách khe hẹp Đặt hiệu điện thay đổi tuần hoàn vào hai hộp, hai hộp D1và D2 trở thành hai điện cực Khoảng khe hẹp có điện trường thay đổi tuần hoàn Toàn hai hộp đặt từ trường nam châm điện cực B mạnh có cảm ứng từ vng góc với mặt hộp Những hạt mang điện cung cấp từ nguồn P, đặt khe khe hở hai cực Quá trình gia tốc hạt mang điện thực làm nhiều bước Giả sử, hiệu điện hai cực lớn nhất, khe hai cực có hạt mang điện 40 dương; hạt chịu tác dụng điện trường bị hút vào điện cực âm Khoảng không gian điện cực đẳng thế, hạt chịu tác dụng từ trường Với vận tốc vừa thu tác dụng từ trường, hạt chuyển động trịn, có bán kính tỷ lệ với vận tốc (theo công thức (2.8.5)) Người ta chọn tần số hiệu điện xoay chiều tần số xiclôtrôn hạt (xác định công thức (2.8.7)) Sau hạt chuyển động nửa vòng tròn đến khe hở hai điện cực, lúc hiệu điện đổi dấu (sau nửa chu kỳ) đạt giá trị cực đại Hạt lại điện trường hai khe tăng tốc thêm, bay vào cực thứ hai, với vận tốc lớn hơn, quỹ đạo hạt có bán kính lớn trước thời gian chuyển động hạt điện cực D1, D2 khơng đổi (bằng nửa chu kỳ) Quá trình tăng tốc tiếp tục Quỹ đạo hạt có dạng gần đường xoắn ốc Năng lượng cực đại Wmax cung cấp cho hạt phụ thuộc vào cảm ứng từ nam châm điện, vào bán kính quỹ đạo cực đại rmax hạt rmax bán kính hộp) rmax R Theo (2.8.5) đó: Wmax v max , q B m mv 2max q 2 R B 2m Đối với máy gia tốc xiclơtrơn, Wmax đạt tới vài chục MeV Bởi hạt thu lượng lớn tới mức khối lượng m hạt tăng lên hiệu ứng tương đối tính dẫn đến điện tích riêng giảm Theo (2.8.7) tần số xiclơtrơn giảm, đồng tần xiclôtrôn tần số điện trường khơng cịn hạt khơng tăng tốc Khi đó, muốn cho lượng hạt lớn, cần phải thay đổi tần số hiệu điện tăng tốc (trong máy gia tốc phazôtrôn) thay đổi từ trường m cho tỷ số B không đổi (trong máy xinclôtrôn) tần số hiệu điện tăng tốc lẫn từ trường biến đổi Lúc hạt gia tốc tới lượng hàng chục GeV 41 C KẾT LUẬN Nghiên cứu chương trình Vật lí phổ thơng việc làm quan trọng, cần thiết giáo viên Qua việc xác định phân tích kiến thức phần “Từ trường” giúp thân hiểu rõ kiến thức cách sâu sắc Từ đó, phần nâng cao kiến thức thân, phần làm tài liệu tham khảo giảng dạy phổ thơng sau Qua đó, giúp học sinh nắm vững kiến thức phần này, giải thích số tượng sống, hiểu ứng dụng tác hại tượng kĩ thuật đời sống 42 ... điện mơi trường, Điện tích điện trường, Dịng điện khơng đổi trình bày chương trình Vật lý 11 II Nhiệm vụ cấu trúc chương Từ trường Nhiệm vụ Từ trường phần Điện từ học, nghiên cứu từ trường phương... tính từ hóa mạnh 30 Đặc điểm từ hóa xuất từ trường phụ đặt vật chất từ trường ngồi Các chất khác đặc điểm từ trường phụ khác Các chất đặt từ trường trường ngồi gọi từ mơi hay vật liệu từ 5.1 Phân. .. Phân loại vật liệu từ Căn vào đặc điểm từ trường phụ, người ta phân loại vật liệu từ thành loại: 5.1.1 Chất thuận từ Chất có từ trường phụ chiều với từ trường ngồi có độ lớn nhỏ so với từ truờng