Bài 14 · Cơ bản

Từ trường

Nêu được từ trường tồn tại ở đâu và phát hiện bằng gì, vẽ và đọc đường sức từ, tìm chiều từ trường của dòng điện bằng quy tắc nắm tay phải.

Ứng với SGK Vật lí 12 (bộ thống nhất): Bài 14

⚡ Nhớ nhanh

1Từ trường tồn tại quanh nam châm và quanh dòng điện (điện tích chuyển động). Điện tích đứng yên chỉ có điện trường. Phát hiện từ trường bằng kim nam châm thử (la bàn): kim bị lệch.
2Cảm ứng từ $B$ đặc trưng cho từ trường tại một điểm, đơn vị tesla (T). Chiều của $B$ là chiều chỉ của cực Bắc (N) kim thử khi nằm cân bằng.
3Đường sức từ: tiếp tuyến tại mỗi điểm cho phương của $B$ , mũi tên cho chiều. Đường sức từ khép kín: ngoài nam châm đi ra từ cực Bắc, vào cực Nam; trong lòng nam châm đi từ Nam sang Bắc.
4Đường sức không cắt nhau; chỗ dày từ trường mạnh, chỗ thưa từ trường yếu.
5Nắm tay phải: dây thẳng, ngón cái theo chiều dòng điện, bốn ngón khum theo chiều đường sức. Ống dây, vòng dây: bốn ngón theo chiều dòng điện, ngón cái chỉ chiều đường sức trong lòng ống.
6Trái Đất là một nam châm khổng lồ ( $B$ cỡ 5·10⁻⁵ T); cực Bắc địa lí nằm gần cực Nam từ.

👀 Nhìn là hiểu

Chọn nguồn từ trường (nam châm thẳng, chữ U, dây thẳng, vòng dây, ống dây). Mạt sắt và đường sức hiện hình dạng từ trường, kéo la bàn đi khắp nơi để xem kim chỉ đâu, bấm 🔄 để đổi cực hay đổi chiều dòng. Tab Thí nghiệm tự dò từ phổ và làm lại thí nghiệm Ørsted, tab Đoán trước có 4 cái bẫy.

Vị trí la bàn(0,0; 2,6) cm

B của nguồn0,56 mT

Hướng cực N của kim0° · Bắc

Kim chỉ theoNguồn

Kéo thả tự do, xem số và đồ thị chạy theo.

La bàn: x = 0,0 cm y = 2,6 cm

Mạt sắt Đường sức Tắt nguồn (chỉ Trái Đất)

B nguồn ≈ 0,56 mT lấn át Trái Đất: kim nằm dọc đường sức, cực N chỉ theo chiều của B (hướng Bắc). Bên ngoài nam châm, đường sức đi từ cực Bắc sang cực Nam.

1 🧭 Từ trường và kim nam châm thử

Cần nhớ

✦Từ trường là dạng vật chất vô hình bao quanh nam châm và dòng điện; nó tác dụng lực từ lên nam châm khác và lên dòng điện khác đặt trong nó.
✦Thí nghiệm Ørsted (1820): đặt dây dẫn song song với kim nam châm rồi cho dòng điện chạy qua ⇒ kim lệch. Ngắt dòng ⇒ kim trở về hướng Bắc – Nam. Vậy dòng điện sinh ra từ trường.
✦Từ trường do điện tích chuyển động sinh ra. Điện tích đứng yên chỉ có điện trường quanh nó.
✦Nam châm luôn có hai cực Bắc (N) và Nam (S): cực cùng tên đẩy nhau, khác tên hút nhau. Cắt đôi nam châm được hai nam châm nhỏ, mỗi cái vẫn đủ hai cực.

Dạng bài

Dùng kim nam châm thử

1 Đặt la bàn tại điểm cần xét, tránh xa các vật bằng sắt khác.
2 Đợi kim đứng yên (kim còn dao động thì chưa đọc).
3 Chiều từ cực Nam sang cực Bắc của kim là chiều của $B$ tại điểm đó (gồm cả từ trường Trái Đất).

⚠️ Bẫy hay gặp: Cho rằng cực Bắc địa lí là cực Bắc từ: khi đó cực Bắc của kim (cùng tên) sẽ bị đẩy chứ không bị hút. Từ trường Trái Đất chỉ cỡ 5·10⁻⁵ T, nhỏ hơn nam châm tủ lạnh (5·10⁻³ T) tới 100 lần, nên kim đặt sát nam châm thì chỉ theo nam châm. Trên sim, bật "Tắt nguồn" rồi kéo la bàn đi để thấy kim luôn chỉ lên (hướng Bắc).

🧭

Làm mẫu

Xa mọi nam châm và dòng điện, vì sao kim la bàn luôn nằm theo hướng Bắc – Nam? Cực Bắc của kim chỉ về cực từ nào của Trái Đất?

Hướng dẫn giải

Thử tự giải trước nhé!

2 🧲 Đường sức từ

Cần nhớ

✦Đường sức từ vẽ sao cho tiếp tuyến tại mỗi điểm theo phương của $B$ (phương kim thử), mũi tên chỉ chiều $B$ .
✦Ngoài nam châm, đường sức đi ra từ cực Bắc, vào cực Nam. Trong lòng nam châm chúng đi tiếp từ Nam sang Bắc ⇒ đường sức khép kín, không có điểm đầu, điểm cuối.
✦Các đường sức không cắt nhau (cắt nhau thì tại đó kim phải chỉ hai hướng). Nơi đường sức dày từ trường mạnh, nơi thưa từ trường yếu.
✦Từ trường đều: đường sức song song, cách đều nhau (giữa hai cực nam châm chữ U, trong lòng ống dây dài).

Đường sức từ và đường sức điện

	Đường sức điện	Đường sức từ
Hình dạng	Hở: đi ra từ điện tích dương, vào điện tích âm	Khép kín: không có điểm đầu, điểm cuối
Nguồn	Điện tích, kể cả điện tích đứng yên	Nam châm, điện tích chuyển động
Chung	Không cắt nhau; càng dày trường càng mạnh	Không cắt nhau; càng dày trường càng mạnh

Dạng bài

Đọc đường sức từ

1 Xác định chiều đường sức: bên ngoài nam châm đi từ cực Bắc sang cực Nam.
2 Tại điểm cần xét, vẽ tiếp tuyến với đường sức; cực N của kim thử chỉ theo chiều mũi tên.
3 So mật độ đường sức: chỗ dày hơn thì $B$ lớn hơn.

⚠️ Bẫy hay gặp: Cho rằng đường sức dừng lại ở cực Nam. Nếu vậy sẽ có "điểm cuối", mà thực ra đường sức vẫn đi tiếp trong lòng nam châm từ Nam sang Bắc. Vẽ 6 đường sức mà dừng ở hai đầu là mới vẽ được một nửa hình.

🧲

Làm mẫu

Hình vẽ một nam châm thẳng, bên ngoài các đường sức đi ra từ đầu P và đi vào đầu Q. Đặt kim thử ở điểm M sát đầu P và điểm M′ sát đầu Q. Đầu P là cực gì? Cực Bắc của kim chỉ ra xa hay lại gần mỗi đầu?

Hướng dẫn giải

Thử tự giải trước nhé!

3 ⚡ Từ trường của dòng điện

Cần nhớ

✦Dây thẳng dài: đường sức là các đường tròn đồng tâm nằm trong mặt phẳng vuông góc với dây, tâm ở trên dây; càng xa dây đường sức càng thưa.
✦Vòng dây: đường sức xuyên qua mặt vòng, tại tâm vuông góc mặt vòng. Ống dây: trong lòng ống đường sức gần như song song với trục (từ trường gần đều), bên ngoài giống nam châm thẳng.
✦Đổi chiều dòng điện ⇒ đổi chiều đường sức (kim thử quay 180°). Tăng cường độ dòng ⇒ từ trường mạnh hơn, chiều không đổi.

Quy tắc nắm tay phải

Dạng dòng điện	Ngón cái	Bốn ngón khum
Dây thẳng	Chiều dòng điện	Chiều đường sức
Vòng dây, ống dây	Chiều đường sức trong lòng (đầu ra là cực Bắc)	Chiều dòng điện

Dạng bài

Từ trường của dây thẳng

1 Nắm bàn tay phải quanh dây, ngón cái chỉ chiều dòng điện.
2 Bốn ngón khum cho chiều vòng tròn của đường sức.
3 Tại điểm cần xét, tiếp tuyến của vòng tròn theo chiều đó là chiều $B$ .

⚠️ Bẫy hay gặp: Dùng tay trái, hoặc đặt ngón cái theo chiều đường sức (cách của ống dây) cho dây thẳng ⇒ chiều đường sức bị đảo 180°. Dòng 5 A nói trên mà đoán hướng Nam là sai cả câu.

⚡

Làm mẫu

Dòng điện I = 5 A chạy trong dây thẳng đứng, hướng từ dưới lên. Nhìn từ trên xuống (Bắc ở phía trên bản vẽ, Đông bên phải), đường sức từ quanh dây chiều nào? Tại điểm A ở phía Đông của dây, $B$ hướng Bắc hay Nam?

Hướng dẫn giải

Thử tự giải trước nhé!

Dạng bài

Cực từ của ống dây

1 Khum bốn ngón tay phải theo chiều dòng điện chạy vòng quanh ống.
2 Ngón cái chỉ chiều đường sức trong lòng ống.
3 Đầu mà đường sức đi ra là cực Bắc, đầu mà đường sức đi vào là cực Nam.

⚠️ Bẫy hay gặp: Áp cách của dây thẳng (ngón cái theo dòng điện) cho ống dây ⇒ nhận nhầm cực, sai cả loạt câu về cực của ống dây. Ống dây 500 vòng hay 1000 vòng đều dùng cách này; tăng số vòng chỉ làm từ trường mạnh hơn chứ không đổi cực.

🌀

Làm mẫu

Nhìn vào đầu M của một ống dây, thấy dòng điện chạy cùng chiều kim đồng hồ. Đầu M là cực gì của ống dây?

Hướng dẫn giải

Thử tự giải trước nhé!

4 🌍 Cảm ứng từ và từ trường Trái Đất

Cần nhớ

✦Cảm ứng từ $B$ cho biết từ trường tại điểm đó mạnh hay yếu và theo hướng nào. Đơn vị tesla (T); hay dùng mT (10⁻³ T) và µT (10⁻⁶ T).
✦Hướng của $B$ là hướng cực Bắc kim thử khi nằm cân bằng. Độ lớn của $B$ đo qua lực từ lên dòng điện (bài 15).
✦Từ trường Trái Đất: cực từ Nam nằm gần cực Bắc địa lí, cực từ Bắc gần cực Nam địa lí. Đó là lí do la bàn chỉ Bắc – Nam.
✦Tại một điểm có nhiều nguồn, $B$ là tổng vectơ: gần nam châm mạnh thì nam châm lấn át Trái Đất, ra xa thì kim quay dần về hướng Bắc.

Vài giá trị cảm ứng từ

Nơi	B cỡ	Ghi chú
Từ trường Trái Đất	5·10⁻⁵ T (0,05 mT)	Đủ để quay kim la bàn
Nam châm tủ lạnh	5·10⁻³ T (5 mT)	Gấp khoảng 100 lần Trái Đất
Nam châm điện phòng thí nghiệm	cỡ 1 T
Máy chụp cộng hưởng từ (MRI)	1,5 – 3 T	Cấm mang đồ sắt vào phòng

Dạng bài

Kim la bàn khi có cả dòng điện và Trái Đất

1 Vẽ $B_{T Đ}$ (hướng Bắc) và $B_{d a ˆ y}$ (theo nắm tay phải) tại vị trí la bàn.
2 Cộng vectơ; hai vectơ vuông góc thì tan φ = B_dây / B_TĐ, φ là góc lệch khỏi hướng Bắc.
3 Kim chỉ theo vectơ tổng.

⚠️ Bẫy hay gặp: Cộng số học 5·10⁻⁵ + 5·10⁻⁵ = 10⁻⁴ T rồi cho kim chỉ về phía từ trường lớn hơn: hai vectơ vuông góc phải cộng theo hình bình hành, tổng có độ lớn 7,1·10⁻⁵ T chứ không phải 10⁻⁴ T.

🧭

Làm mẫu

Tại vị trí đặt la bàn cạnh một dây có dòng điện, từ trường của dây là 5·10⁻⁵ T hướng Đông; từ trường Trái Đất là 5·10⁻⁵ T hướng Bắc. Cực N của kim chỉ hướng nào?

Hướng dẫn giải

Thử tự giải trước nhé!

5 🌌 Hiện tượng quanh ta

✦🧭 La bàn trên điện thoại, tàu thuyền dựa vào từ trường Trái Đất. Để điện thoại cạnh loa hay nam châm tủ lạnh thì la bàn chỉ sai vì nam châm gần lấn át Trái Đất.
✦🚄 Tàu đệm từ: nam châm điện mạnh nâng và đẩy tàu nổi lên khỏi đường ray, gần như không có ma sát.
✦🏗️ Cần cẩu nam châm điện, chuông điện, rơ-le: ống dây có lõi sắt thành nam châm khi có dòng, tắt dòng thì hết từ tính; nhờ vậy nhấc rồi thả được phế liệu sắt.
✦🌌 Cực quang: hạt mang điện từ Mặt Trời bị từ trường Trái Đất lái về gần hai cực rồi phát sáng ở tầng cao; từ trường Trái Đất còn như "khiên" che chắn cho sự sống.

6 💡 Mẹo làm nhanh và lỗi hay sai

⚡ Mẹo làm nhanh trắc nghiệm

✦Thấy "khép kín", "không có điểm đầu, điểm cuối" ⇒ đường sức từ. Thấy "đi ra từ điện tích dương" ⇒ đường sức điện.
✦Nắm tay phải: dây thẳng thì ngón cái = dòng điện; ống dây thì ngón cái = đường sức (bốn ngón = dòng điện).
✦Nhìn vào một đầu ống dây: dòng cùng chiều kim đồng hồ ⇒ cực Nam; ngược chiều ⇒ cực Bắc.
✦Đổi chiều dòng mà kim la bàn quay 180° ⇒ từ trường của dòng điện đang lấn át Trái Đất.

⚠️ Lỗi hay sai nhất

✦Nghĩ điện tích đứng yên cũng sinh từ trường: quả cầu mang 1 µC để yên trên bàn không làm lệch kim la bàn; phải chuyển động (dòng điện) mới có.
✦Vẽ đường sức từ dừng ở cực Nam: trong lòng nam châm vẫn có đường sức đi từ Nam sang Bắc.
✦Cho rằng cực Bắc địa lí là cực Bắc từ: ở đó là cực Nam từ (cực Bắc kim bị hút về đó).
✦Dùng tay trái, hoặc dùng cách của dây thẳng cho ống dây ⇒ đảo chiều 180°.
✦Cắt đôi nam châm dài 10 cm rồi mong có cực Bắc riêng: được hai nam châm 5 cm, mỗi cái vẫn đủ hai cực.
✦Vẽ hai đường sức cắt nhau: tại giao điểm kim phải chỉ hai hướng cùng lúc — vô lí.

📏 Kiểm tra đơn vị và độ lớn

✦1 T = 10³ mT = 10⁶ µT. Từ trường Trái Đất cỡ 5·10⁻⁵ T = 50 µT.
✦Nam châm tủ lạnh vài mT, nam châm điện phòng thí nghiệm cỡ 1 T, MRI 1,5–3 T. Ra cỡ chục tesla là nên kiểm tra lại.
✦Dòng điện đảo chiều thì $B$ đảo chiều nhưng độ lớn $B$ không đổi.
✦Tesla (T) là đơn vị cảm ứng từ, còn từ thông có đơn vị khác (vêbe) — bài 16.

✏️ Luyện tập

Làm xong mỗi nhóm bấm Kiểm tra. Câu sai có lời giải ngắn và nút quay lại phần kiến thức.

🧭

Từ trường và kim thử

1
Nhận biết
Từ trường tồn tại xung quanh
2
Nhận biết
Thí nghiệm Ørsted cho thấy khi có dòng điện chạy trong dây dẫn đặt gần kim nam châm thì
3
Thông hiểu
Vật nào sau đây không tạo ra từ trường xung quanh nó?
4
Thông hiểu
Cắt đôi một thanh nam châm thẳng ở chính giữa. Ta thu được
5
Thông hiểu
Kim nam châm thử đặt cạnh một dây dẫn thẳng chỉ về hướng Bắc – Nam khi công tắc mở, và lệch đi khi đóng công tắc. Điều đó chứng tỏ

🧲

Đường sức từ

1
Nhận biết
Đường sức từ là những đường
2
Thông hiểu
Bên trong thanh nam châm thẳng, đường sức từ có chiều
3
Thông hiểu
Tại một điểm sát cực Bắc của nam châm (bên ngoài), cực Bắc của kim thử
4
Vận dụng
Đặt la bàn lần lượt quanh một dây thẳng dài vuông góc với mặt giấy (nhìn từ trên xuống, Bắc ở phía trên) và ghi hướng cực N của kim: $Đ iểm Vị tr ı ˊ so với d a ˆ y Cực N của kim chỉ A Đ o ˆ ng B a ˘ ˊ c B B a ˘ ˊ c T a ˆ y C T a ˆ y Nam D Nam Đ o ˆ ng$ Kết luận đúng là
5
Thông hiểu
Trên hình vẽ đường sức từ quanh một nam châm, vùng M có các đường sức dày gấp đôi vùng N. So sánh cảm ứng từ tại hai vùng:

⚡

Từ trường của dòng điện

1
Nhận biết
Chiều đường sức từ quanh dòng điện thẳng được xác định bằng
2
Thông hiểu
Đường sức từ của dòng điện thẳng dài là
3
Thông hiểu
Dòng điện chạy trong dây thẳng đứng, hướng từ dưới lên. Nhìn từ trên xuống, đường sức từ quanh dây
4
Thông hiểu
Nhìn vào đầu A của một ống dây, thấy dòng điện chạy ngược chiều kim đồng hồ. Đầu A là cực
5
Vận dụng
Từ trường của dòng điện thẳng tại điểm đặt la bàn lớn hơn nhiều so với từ trường Trái Đất. Đổi chiều dòng điện (giữ nguyên cường độ) thì kim la bàn

🌍

Cảm ứng từ, từ trường Trái Đất

1
Nhận biết
Đơn vị của cảm ứng từ là
2
Thông hiểu
Ở gần cực Bắc địa lí của Trái Đất có cực từ
3
Thông hiểu
Cảm ứng từ ở một số nơi: $N ơ i B (T) Tr a ˊ i Đ a ˆ ˊ t 5 \cdot 1 0^{- 5} Nam ch a ˆ m tủ lạnh 5 \cdot 1 0^{- 3} Nam ch a ˆ m đ iện 1$ Nam châm tủ lạnh có cảm ứng từ lớn gấp Trái Đất khoảng
4
Vận dụng
Tại chỗ đặt la bàn, từ trường của dây có dòng điện là 5·10⁻⁵ T hướng Đông, còn từ trường Trái Đất là 5·10⁻⁵ T hướng Bắc (cả hai nằm ngang). Cực N của kim chỉ
5
Vận dụng
Thí nghiệm Ørsted: la bàn đặt cố định cạnh dây, thay đổi dòng điện I và ghi góc lệch φ của kim so với hướng Bắc: $I (A) φ (^{\circ}) 122239350458563$ Từ bảng, nhận xét đúng là
6
Thông hiểu Từ trường Trái Đất cỡ 5·10⁻⁵ T. Đổi ra micrôtesla (1 µT = 10⁻⁶ T): µT.

🏆 Luyện theo dạng đề tốt nghiệp

Đề Vật lí có 3 phần: 18 câu 4 lựa chọn, 4 câu đúng/sai (mỗi câu 4 ý) và 6 câu trả lời ngắn (đáp số tối đa 4 ký tự, kể cả dấu − và dấu phẩy). Dưới đây là đủ 3 dạng, chỉ dùng kiến thức của bài này.

🅰️

Phần I · Trắc nghiệm 4 lựa chọn

1
Thông hiểu
Đặc điểm nào sau đây đúng với đường sức từ của một nam châm thẳng?
2
Thông hiểu
Nhìn từ đầu M của một ống dây, dòng điện chạy cùng chiều kim đồng hồ. Phát biểu nào đúng?
3
Vận dụng
Tại chỗ đặt la bàn, từ trường Trái Đất là 5·10⁻⁵ T hướng Bắc; từ trường của dây có dòng điện là 5·10⁻⁵ T hướng Đông, nên kim lệch 45° về phía Đông. Đổi chiều dòng điện thì kim quay một góc

✅

Phần II · Đúng / sai

1
Thông hiểu
Một dây dẫn thẳng dài đặt vuông góc với mặt giấy, có dòng điện I = 5 A hướng ra khỏi mặt giấy. Kim thử được đặt ở nhiều điểm quanh dây (bỏ qua từ trường Trái Đất).

a)Quanh dây có từ trường.

b)Đường sức từ quanh dây là những đường thẳng song song với dây.

c)Nhìn từ phía người đọc, đường sức quanh dây có chiều ngược chiều kim đồng hồ.

d)Đổi chiều dòng điện thì kim thử ở cùng một điểm quay đi 90°.
2
Vận dụng
Một ống dây dài có dòng điện không đổi chạy qua. Nhìn vào đầu P của ống dây, thấy dòng điện cùng chiều kim đồng hồ.

a)Trong lòng ống dây, các đường sức gần như song song với trục ống.

b)Đầu P là cực Bắc của ống dây.

c)Bên ngoài ống dây, đường sức đi từ đầu xa P tới đầu P.

d)Tăng số vòng dây trên mỗi mét chiều dài thì chiều từ trường trong lòng ống bị đảo ngược.

🔢

Phần III · Trả lời ngắn

1
Thông hiểu Từ trường của nam châm tủ lạnh cỡ 5·10⁻³ T, từ trường Trái Đất cỡ 5·10⁻⁵ T. Nam châm tủ lạnh mạnh gấp bao nhiêu lần Trái Đất? Đáp số:
2
Vận dụng Tại chỗ đặt la bàn, từ trường Trái Đất nằm ngang hướng Bắc, B = 5·10⁻⁵ T; từ trường của dây hướng Đông, B = 8,7·10⁻⁵ T. Cực N của kim lệch khỏi hướng Bắc bao nhiêu độ (làm tròn đến độ)? Đáp số:
3
Vận dụng Giảm dòng điện trong dây để từ trường của dây chỉ còn 2,5·10⁻⁵ T (vẫn hướng Đông), từ trường Trái Đất vẫn 5·10⁻⁵ T hướng Bắc. Kim lệch khỏi hướng Bắc bao nhiêu độ (làm tròn đến độ)? Đáp số:

🎯 Bài này vào đề tốt nghiệp ở đâu?

•Phần I hay hỏi khái niệm: từ trường sinh ra từ đâu, đường sức từ khép kín, chiều đường sức ngoài và trong nam châm, đơn vị tesla, cực từ của Trái Đất.
•Phần II thường cho một dây thẳng hoặc ống dây mang dòng điện: các ý hỏi chiều đường sức bằng nắm tay phải, cực của ống dây, kim thử quay thế nào khi đổi chiều dòng.
•Phần III có thể cho số liệu cảm ứng từ để so tỉ số hoặc đổi đơn vị (T, mT, µT), hoặc tổng hợp từ trường dây với từ trường Trái Đất để tìm góc lệch của kim.

Làm đề thi thử trọn bộ

Bài tiếp theo
Lực từ tác dụng lên dây dẫn mang dòng điện. Cảm ứng từ