Phân tích chương Từ trường

Nghiên cứu chương trình vật lí phổ thông Võ Quang Danh 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 GVHD: PGS.TS Lê Công Triêm 1 Nghiên cứu chương trình vật lí phổ thông Võ Quang Danh 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 GVHD: PGS.TS Lê Công Triêm 2 Nghiên cứu chương trình vật lí phổ thông Võ Quang Danh 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. GVHD: PGS.TS Lê Công Triêm 3 Nghiên cứu chương trình vật lí phổ thông Võ Quang Danh 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 GVHD: PGS.TS Lê Công Triêm 4 Nghiên cứu chương trình vật lí phổ thông Võ Quang Danh GVHD: PGS.TS Lê Công Triêm 5 Nghiên cứu chương trình vật lí phổ thông Võ Quang Danh 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. GVHD: PGS.TS Lê Công Triêm 6 Nghiên cứu chương trình vật lí phổ thông Võ Quang Danh 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? GVHD: PGS.TS Lê Công Triêm 7 Nghiên cứu chương trình vật lí phổ thông Võ Quang Danh Theo quan điểm tương tác xa, dòng điện I 1 sẵn có những khả năng tác dụng lên dòng I 2 ở xa nó, không cần truyền tương tác. Khi dòng điện I 2 xuất hiện, dù ở xa thì dòng điện I 1 ngay lập tức tác dụng lên dòng I 2 . 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 I 2 nằm trong từ trường tạo bởi dòng điện I 1 nên chiệu tác dụng lực gây bởi dòng điện này. Ngược lại dòng điện I 2 tác dụng lên dòng điện I 1 cũng thông qua từ trường của nó. Hai dòng điện I 1 và I 2 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 GVHD: PGS.TS Lê Công Triêm 8 Nghiên cứu chương trình vật lí phổ thông Võ Quang Danh 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. 1.3.2 Tính chất của đường sức từ Đường sức từ có các tính chất sau: - 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 những đường cong kín. Trong trường hợp từ trường nam châm, ở ngoài nam châm các đường sức từ đi ra từ cực Bắc, đi vào ở cực Nam của nam châm; - 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. GVHD: PGS.TS Lê Công Triêm 9 Nghiên cứu chương trình vật lí phổ thông Võ Quang Danh 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. GVHD: PGS.TS Lê Công Triêm 10 [...]... điểm từ trường phụ khác nhau Các chất khi đặt trong từ trường trường ngoài thì gọi là từ môi hay vật liệu từ 5.1 Phân loại vật liệu từ Căn cứ vào đặc điểm của từ trường phụ, người ta phân loại vật liệu từ thành 3 loại: 5.1.1 Chất thuận từ Chất có từ trường phụ cùng chiều với từ trường ngoài và có độ lớn rất nhỏ so với từ truờng ngoài Ví dụ như nhôm, vônfram, ôxi, nitơ, không khí 5.1.2 Chất nghịch từ. .. mẫu chất sắt từ được đặt trong từ trường ngoài thì dưới tác dụng của từ trường ngoài, các đô men từ có mô men từ hợp với từ trường ngoài một góc nhọn sẽ được mở rộng ra còn các đô men từ có mô men từ hợp với từ trường ngoài một góc tù sẽ bị thu hẹp dần và biến mất Toàn bộ khôi sắt từ chỉ bao gồm các đô men có mô men từ gần cùng hướng với từ trường ngoài Mô men từ của toàn bộ khối sắt từ khác không... nguyên lí gọi là nguyên lí chồng chất từ trường 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 uu r Xét từ trường do một phần tử dòng điện I ∆l gây... từ hóa Trường hợp từ từ trường ngoài uu r B0 biến thiên điều hòa, đường cong từ hóa là đường cong khép kín, trường ngoài đường cong kín đó được gọi là chu trình từ trễ Hiện tượng khi từ hóa vật chất, đường cong từ hóa lúc tăng từ trường ngoài không trùng với lúc giảm từ trường ngoài gọi là hiện tượng từ trễ Hiện tượng từ trễ là một đặc trưng quan trọng của các chất sắt từ Đối với các chất sắt từ khác... Chất có từ truờng phụ ngược chiều với từ trường ngoài và độ lớn rất nhỏ so với từ trường ngoài Ví dụ như bismut, đồng, beri, vàng, bạc, bo, nước, các khí trơ 5.1.3 Chất sắt từ Chất có từ trường phụ cùng chiều với từ trường ngoài và độ lớn xấp xỉ hoặc có thể lớn hơn từ trường ngoài rất nhiều Ví dụ như sắt, niken, coban, các kim loại thuộc nhóm đất hiếm và một số hợp kim của sắt Hiện tượng từ hóa các... trong từ trường thì tính chất từ đều bị biến đổi Hiện tượng đó gọi là sự từ hóa Các chất khác nhau thì có khả năng bị từ hóa mạnh yếu khác nhau Đa số các chất trong tự nhiên có tính từ hóa yếu, chỉ có một số ít chất có tính từ hóa mạnh GVHD: PGS.TS Lê Công Triêm 32 Nghiên cứu chương trình vật lí phổ thông Võ Quang Danh Đặc điểm của sự từ hóa là sự xuất hiện một từ trường phụ khi đặt vật chất trong từ trường. .. 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... 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 2.5 Nguyên lý chồng chất từ Điện trường tuân theo nguyên lý chồng chất điện trường Từ trường cũng tuân theo nguyên lý chồng chất Nguyên lí này có nội dung như sau: u r B do một dòng điện bất kỳ tạo ra tại một điểm M bằng uuu r tổng các vectơ cảm ứng từ ∆B do tất cả các phần tử nhỏ... được giải thích theo thuyết miền từ hóa tự nhiên và các hiệu ứng từ ở cấp độ nguyên tử Chẳng hạn tính từ hóa mạnh của các chất sắt từ được giải thích bằng thuyết miền từ hóa tự nhiên Theo thuyết này, các chất sắt từ có cấu trúc đặc biệt về phương diện từ, bao gồm nhiều miền từ hóa tự nhiên gọi là đô men từ Sự tạo thành các đô men từ là do tương tác giữa các nguyên tử săt từ Mỗi nguyên tử tương đương với... 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 u r . 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. 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