- Dạng tổng quát của năng lượng từ trường.
Lí thuyết và thực nghiệm chứng tỏ rằng năng lượng từ trường cũng được phân bố trong khoảng không gian có từ trường, nghĩa là định xứ trong từ trường.
Với mật độ năng lượng từ trường: wm 2 2 0H (2.17) Biết B = 0H , ta có thể viết công thức này dưới dạng:
wm = 0 2 2 2 B BH (2.17.1) * Dòng điện Fucô
Khi ta đặt một vật dẫn đặc trong từ trường biến đổi thì trong vật dẫn xuất hiện những dòng điện cảm ứng khép kín gọi là những dòng điện xoáy hay dòng điện Fucô. Dong điện Fucô gây ra sự đốt nóng vật dẫn.
2.1.2. Kiến thức trình bày trong sách giáo khoa
2.1.2.1. ở cấp trung học phổ thông
ở cấp THPT phần điện từ và phần cảm ứng điện từ được trình bày trong chương trình Vật lí lơp 11, thuộc chương 4 và chương 5 (Sách giáo khoa Vật lí 11 nâng cao). Những kiến thức trong chương “Từ trường” và chương “Cảm ứng điện từ” được trình bày có tính sâu sắc hơn, khái quát cao hơn và phạm vi kiến thức được mở rộng hơn. Học sinh không chỉ dừng lại ở việc biết đến hiện tượng, mà còn được nghiên cứu, tìm hiểu nguyên nhân, bản chất của hiện tượng.
Trong hai chương, chương “Từ trường” và chương “Cảm ứng điện từ”, học sinh được nghiên cứu, tìm hiểu những vấn đề cơ bản sau:
* Chương “Từ trường)
- Học sinh được nghiên cứu về khái niệm từ trường, các tính chất của từ trường và vectơ cảm ứng từ. Đồng thời học sinh cũng được tìm hiểu khái niệm đường sức từ và các tính chất của đường sức từ.
- Học sinh được nghiên cứu về phương, chiều và độ lớn của lực từ tác dụng lên dòng điện.
- Học sinh được nghiên cứu về từ trường của một số dòng điện có dạng đơn giản: từ trường của dòng điện thẳng; từ trường của dòng điện tròn; từ trường của dòng điện trong ống dây. Biết được dạng các đường sức từ, chiều của các đường sức từ và công thức tính cảm ứng từ.
- Học sinh được tìm hiểu về tương tác giữa hai dòng điện thẳng song song. Biết được biểu thức tính lực tương tác giữa hai dòng điện thẳng song song và định nghĩa đơn vị ampe.
- Học sinh được nghiên cứu đặc điểm và ứng dụng của lực Lo-ren-xơ tác dụng lên hạt mang điện chuyển động trong từ trường.
- Học sinh được khảo sát phương, chiều, độ lớn của lực từ tác dụng lên đoạn dây dẫn mang dòng điện. Từ đó, khảo sát được lực từ tác dụng lên khung dây mang dòng điện đặt trong từ trường và tính được mô men ngẫu lực từ tác dụng lên khung dây đó.
- Học sinh được nghiên cứu nguyên tắc hoạt động của máy phát điện một chiều: phân tích được chuyển động quay của khung dưới tác dụng của lực từ.
- Học sinh được phân loại các vật liệu nhiễm từ, giải thích được nguyên nhân gây ra tính từ hoá mạnh hay yếu của các vật liệu nhiễm từ, biết được đặc điểm của các vật liệu nhiễm từ, biết sử dụng vật liệu phù hợp để chế tạo nam châm điện và nam châm vĩnh cửu.
- Học sinh được nghiên cứu sự thay đổi từ trường trong lõi thép so với từ trường ngoài (chu trình từ trễ) và tìm hiểu một số ứng dụng của nam châm trong đời sống và trong khoa học kĩ thuật. Học sinh được tìm hiểu những vấn đề về từ trường trái đất.
* Chương “Cảm ứng điện từ”
- Học sinh được xét khái niệm từ thông và ý nghĩa vật lí của từ thông.
- Học sinh biết điều kiện xuất hiện và tồn tại của hiện tượng cảm ứng điện từ (hay suất điện động cảm ứng) và biểu thức xác định suất điện động cảm ứng (định luật Faraday).
- Học sinh biết biểu thức xác định suất điện động cảm ứng trong một đoạn dây dẫn chuyển động trong từ trường, qui tắc bàn tay phải- xác định các cực của suất điện động.
- Học sinh được tìm hiểu khái niệm dòng điện Phu-cô và ứng dụng của dòng Phu-cô trong thực tiễn.
- Học sinh được nghiên cứu về hiện tượng tự cảm - là một trường hợp riiêng của hiện tượng cảm ứng điện từ.
2.1.2.2 ở cấp trung học cơ sở
2.1.2.2.1. Đặc điểm về nội dung
Phần điện từ thuộc giai đoạn hai của chương trình vật lí cấp THCS, được trình bày trong chương 2 của sách giáo khoa Vật lí 9, gồm 19 tiết, trong đó có 15 tiết lí thuyết, 01 tiết bài tập, 02 tiết thực hành và 01 tiết tổng kết chương.
Nội dung của chương này khá trừu tượng và chủ yếu là kiến thức định tính, không có một công thức vật lí nào. Chương này đề cập đến những vấn đề về “Tác dụng từ của nam châm và dòng điện. Từ trường”
ở nội dung này giới thiệu một số đặc điểm của nam châm vĩnh cửu, như: nam châm nào cũng có hai từ cực, cực Bắc và cực Nam. Khi để tự do, cực chỉ hướng Bắc gọi là cực Bắc, cực chỉ hướng nam gọi là cực Nam. Khi đặt hai nam châm gần nhau, các từ cực cùng tên đẩy nhau các từ cực khác tên hút nhau. Đồng thời ở phần này cũng giới thiệu thêm là: không phải chỉ có nam châm mới có tác dụng từ mà dòng điện cũng có tác dụng từ – Dòng điện chạy qua dây dẫn thẳng hay dây dẫn có hình dạng bất kì đều gây ra tác dụng lực (gọi là lực từ) lên kim nam châm đặt gần nó. Từ sự giống nhau đó để dẫn dắt học sinh đến nhận xét chung là: không gian xung quanh nam châm và không gian xung quanh dòng điện đều có khả năng tác dụng lực lên kim nam châm đặt trong nó và trong không gian đó có từ trường. Chương trình không đưa ra định nghĩa từ trường, mà chỉ đưa ra một cách nhận biết từ trường.
- Đường sức từ: Chương trình không đưa ra khái niệm đường sức từ, mà chương trình chỉ đưa ra cách xác định từ phổ của nam châm vĩnh cửu và của ống dây có dòng điện chạy qua, dựa vào từ phổ để vẽ các đường sức từ biểu diễn từ trường của nam châm vĩnh cửu và của ống dây có dòng điện chạy qua (Các đường sức từ có chiều nhất định. ở bên ngoài thanh nam châm, chúng là những đường cong đi ra từ cực Bắc, đi vào cực Nam của nam châm).
Đường sức từ với tư cách là mô hình biểu diễn từ trường, được sử dụng trong việc xác định chiều lực từ của nam châm hay dòng điện tác dụng lên kim nam châm hay dòng điện khác và để khảo sát hiện tượng cảm ứng điện từ, dòng điện xoay chiều, máy biến thế…
- Từ trường của dòng điện: chương trình không yêu cầu tìm hiểu từ trường của dây dẫn thẳng có dòng điện một chiều chạy qua, chương trình chỉ yêu cầu tìm hiểu
từ trường của ống dây có dòng điện chạy qua vì có sự giống nhau rõ nét về từ tính của nam châm và dòng điện: ống dây có dòng điện một chiều chạy qua có từ trường tương tự như từ trường của một thanh nam châm thẳng (Phần từ phổ ở bên ngoài ống dây có dòng điện chạy qua và bên ngoài thanh nam châm giống nhau. Trong lòng ống dây cũng có các đường sức từ, được sắp xếp gần như song song với nhau. Đường sức từ của ống dây là những đường cong khép kín.Tại hai đầu ống dây các đường sức từ có chiều cùng đi vào ở một đầu và cùng đi ra ở đầu kia. Hai đầu của ống dây có dòng điện chạy qua cũng là hai từ cực. Đầu các đường sức từ đi vào gọi là cực Nam, đầu các đường sức từ đi ra gọi là cực Bắc).
Chương trình đưa ra qui tắc nắm tay phải để xác định chiều của đường sức từ ở trong lòng ống dây có dòng điện chạy qua: Nắm bàn tay phải, rồi đặt sao cho bốn ngón tay hướng theo chiều dòng điện chạy qua các vòng dây thì ngón tay cái choãi ra chỉ chiều của đường sức từ trong lòng ống dây. Thông qua thí nghiệm, học sinh nhận biết được cấu tạo và hoạt động của nam châm điện, các cách thay đổi lực từ của nam châm điện và những ứng dụng của nó trong thực tiễn.
- Lực điện từ: Thông qua thí nghiệm, học sinh được khảo sát lực tác dụng của từ trường lên một đoạn dây dẫn thẳng có dòng điện chạy qua đặt trong từ trường, từ đó dẫn đến qui tắc bàn tay trái: Đặt bàn tay trái sao cho các đường sức từ hướng vào lòng bàn tay, chiều từ cổ tay đến ngón tay giữa hướng theo chiều dòng điện thì ngón tay cái choãi ra 900 chỉ chiều của lực điện từ. Tuy nhiên chương trình chỉ yêu cầu nghiên cứu xác định chiều của lực điện từ.
- Hiện tượng cảm ứng điện từ:
Chương trình không nghiên cứu hiện tượng cảm ứng điện từ một cách tổng quát, mà chỉ xét một trường hợp riêng là dòng điện cảm ứng, nghĩa là hiện tượng cảm ứng điện từ xảy ra trong cuộn dây dẫn kín (Điều kiện xuất hiện dòng điện cảm ứng trong cuộn dây dẫn kín là số đường sức từ xuyên qua tiết diện của cuộn dây đó biến thiên).
- Dòng điện xoay chiều:
Chương trình đưa ra một số vấn đề về dòng điện xoay chiều như: điều kiện xuất hiện dòng điện xoay chiều, cách tạo ra dòng điện xoay chiều….
Từ thí nghiệm, học sinh nhận biết được: khi số đường sức từ xuyên qua tiết diện của cuộn dây dẫn kín tăng thì dòng điện cảm ứng trong cuộn dây có chiều ngược với chiều dòng điện cảm ứng khi số đường sức từ xuyên qua tiết diện của cuộn dây đó giảm.
Từ điều kiện xuất hiện dòng điện xoay chiều, học sinh tìm ra được các cách khác nhau để tạo ra dòng điện xoay chiều trong cuộn dây dẫn kín. Sách giáo khoa trình bày hai cách là cho nam châm quay trước cuộn dây và cho cuộn dây quay trong từ trường của nam châm.
Từ kiến thức về cách tạo ra dòng điện xoay chiều, giúp học sinh hiểu được cấu tạo và hoạt động của hai loại máy phát điện xoay chiều: gồm hai bộ phận chính là nam châm và cuộn dây dẫn. Một trong hai bộ phận đó đứng yên gọi là stato, bộ phận còn lại gọi là rôto. Chương trình không đi sâu nghiên cứu các chi tiết kĩ thuật của máy phát điện.
Chương trình chỉ chú ý nghiên cứu kĩ tác dụng từ của dòng điện xoay chiều mà không đề cập đến các tác dụng khác.
Từ kiến thức về điều kiện xuất hiện dòng điện xoay chiều, học sinh hiểu được nguyên nhân vì sao phải sử dụng dòng điện xoay chiều để chạy máy biến thế và vì sao dòng điện ở đầu ra của máy biến thế cũng là dòng điện xoay chiều.
Từ trường của ống dây có dòng điện chạy qua Từ trường Đường sức từ Lực điện từ Hiện tượng cảm ứng điện từ Dòng điện xoay chiều Máy biến thế Cách tạo ra DĐXC Các tác dụng của DĐXC Sự nhiễm từ của sắt và thép Qui tắc nắm tay phải Nam châm điện ứng dụng của nam châm Tác dụng của từ trường lên dây dẫn có dòng điện. Qui tắc bàn tay trái
Bài tập vận dụng Tác dụng từ của nam châm và dòng điện
Từ trường của nam châm vĩnh cửu chữ U) Động cơ điện một chiều Truyền tải điện năng đi xa Loa điện Rơle điện từ Điều kiện xuất hiện DĐXC Máy phát điện xoay chiều ĐK xuất hiện DĐ cảm ứng Hình 2.1
2.1.2.2.3. Mục tiêu kiến thức và kĩ năng học sinh cần đạt được * Kiến thức
- Mô tả được hiện tượng chứng tỏ nam châm vĩnh cửu có từ tính. - Nêu được sự tương tác giữa các từ cực của hai nam châm - Mô tả được cấu tạo và giải thích được hoạt động của la bàn. - Mô tả được thí nghiệm ơ-xtét phát hiện từ tính của dòng điện. - Mô tả được thí nghiệm về sự nhiễm từ của sắt và thép.
- Mô tả được cấu tạo của nam châm điện và nêu được vai trò của lõi sắt làm tăng tác dụng từ cùa nam châm điện.
- Phát biểu được qui tắc nắm tay phải về chiều của đường sức từ trong lòng ống dây có dòng điện chạy qua.
- Nêu được một số ứng dụng của nam châm điện và chỉ ra tác dụng của nam châm điện trong hoạt động của những ứng dụng này.
- Mô tả được thí nghiệm chứng tỏ tác dụng của lực điện từ lên đoạn dây dẫn thẳng có dòng điện chạy qua đặt trong từ trường.
- Phát biểu được qui tắc bàn tay trái về chiều của lực điện từ.
- Mô tả được cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của động cơ điện một chiều. - Mô tả được thí nghiệm hoặc nêu được ví dụ về hiện tượng cảm ứng điện từ.
- Nêu được dòng điện cảm ứng xuất hiện khi số đường sức từ xuyên qua tiết diện của cuộn dây dẫn biến thiên.
- Nêu được sự phụ thuộc của chiều dòng điện cảm ứng vào sự biến thiên của số đường sức từ qua tiết diện của cuộn dây. Phát biểu được đặc điểm của dòng điện xoay chiều.
- Mô tả được cấu tạo của máy phát điện xoay chiều có khung dây quay hoặc nam châm quay.
- Nêu được các máy phát điện đều biến đổi trực tiếp cơ năng thành điện năng. - Nêu được dấu hiệu chính phân biệt dòng điện xoay chiều với dòng điện một chiều. - Mô tả được thí nghiệm chứng tỏ lực từ đổi chiều khi dòng điện đổi chiều.
- Nêu được công suất hao phí điện năng trên dây tải tỉ lệ nghịch với bình phương hiệu điện U (hiệu dụng) đặt vào hai đầu đường dây.
- Mô tả được cấu tạo của máy biến thế. Nêu được hiệu điện thế giữa hai đầu của cuộn dây của máy biến thế tỉ lệ thuận với số vòng dây của mỗi cuộn. Mô tả được ứng dụng quan trọng của máy biến thế.
* Kĩ năng:
- Xác định được tên các từ cực của một nam châm vĩnh cửu trên cở sở biết các từ cực của một nam châm khác.
- Giải thích được hoạt động của la bàn và biết sử dụng la bàn để tìm hướng địa lí. - Giải thích được hoạt động của nam châm điện.
- Biết dùng nam châm thử để xác định sự tồn tại của từ trường
- Biết dùng kim nam châm để xác định tên từ cực của ống dây có dòng điện chạy qua và chiều dòng điện chạy trong ống dây đó.
- Vẽ được đường sức từ của nam châm thẳng, nam châm chữ U và của ống dây có dòng điện chạy qua. Xác định được chiều của các đường sức từ.
- So sánh được từ phổ của ống dây có dòng điện chạy qua với từ phổ của thanh nam châm thẳng.
- Vận dụng được qui tắc nắm tay phải để xác định chiều của đường sức từ trong lòng ống dây khi biết chiều dòng điện và ngược lại.
- Vận dụng được qui tắc bàn tay trái để xác định một trong ba yếu tố: chiều của đường sức từ, chiều dòng điện và chiều của lực từ khi biết hai yếu tố kia.
- Giải thích được nguyên tắc hoạt động của động cơ điện một chiều.
- Giải được các bài tập định tính về nguyên nhân gây ra dòng điện cảm ứng.
- Vận dụng được điều kiện xuất hiện dòng điện cảm ứng để giải thích và dự đoán những trường hợp trong đó xuất hiện hay không xuất hiện dòng điện cảm ứng. - Giải thích được nguyên tắc hoạt động của máy phát điện xoay chiều có khung dây quay hoặc nam châm quay.
- Giải thích được vì sao có sự hao phí điện năng trên dây tải điện.
- So sánh được tác dụng từ của dòng điện xoay chiều và dòng điện một chiều.