Buổi sáng, bạn cầm chiếc la bàn lên và thấy kim của nó lúc nào cũng chỉ về cùng một hướng, dù bạn xoay người đi đâu.
Buổi trưa, bạn dán một tờ giấy nhớ lên tủ lạnh bằng một viên nam châm nhỏ xíu — và nó bám chặt cả ngày không rơi.
Buổi tối, bạn đặt điện thoại lên đế sạc không dây, không cắm một sợi dây nào, vậy mà pin vẫn đầy lên.
Ba chuyện tưởng chẳng liên quan, nhưng đằng sau chúng chỉ có một cái tên: từ trường.
Từ trường là thứ vô hình, không nhìn thấy, không sờ được, nhưng nó đẩy kim la bàn, giữ tờ giấy trên tủ lạnh và truyền điện qua không khí vào điện thoại của bạn.
Bài viết này sẽ đi theo ba câu hỏi lớn: từ trường ở đâu ra và làm sao nhìn thấy nó, dòng điện sinh ra từ trường như thế nào, và từ trường đẩy lại dòng điện ra sao — rồi tới câu hỏi thứ tư, cũng là câu hỏi làm nên cả nền văn minh điện khí: từ trường biến thiên sinh ra dòng điện bằng cách nào.
Đọc xong, bạn sẽ tính được cảm ứng từ của dây thẳng, vòng tròn và ống dây, tính được lực từ và lực Lorentz, tính được suất điện động cảm ứng — những dạng bài mà đề kiểm tra và đề thi tốt nghiệp hỏi đi hỏi lại.
Câu hỏi 1: Từ trường ở đâu ra — và làm sao nhìn thấy nó?
Từ trường là vùng không gian xung quanh nam châm, xung quanh dòng điện, hay xung quanh Trái Đất — nơi mà một kim nam châm nhỏ đặt vào đó sẽ chịu tác dụng của lực từ.
Bạn không nhìn thấy từ trường, nhưng bạn nhìn thấy tác dụng của nó: kim la bàn quay, mạt sắt xếp thành hình, hai nam châm hút nhau hoặc đẩy nhau.
Cách "nhìn" từ trường đơn giản nhất mà thầy cô hay cho làm thí nghiệm: rắc mạt sắt lên một tờ giấy đặt trên thanh nam châm rồi gõ nhẹ.
Mạt sắt sẽ xếp thành những đường cong chạy từ cực này sang cực kia của nam châm — đó chính là đường sức từ, bức tranh của từ trường.
Đường sức từ có ba tính chất mà đề thi rất hay hỏi:
Đường sức từ đi ra từ cực Bắc và đi vào cực Nam của nam châm.
Ở chỗ nào đường sức từ mau (dày) thì từ trường ở đó mạnh, chỗ nào đường sức từ thưa thì từ trường yếu.
Các đường sức từ không bao giờ cắt nhau.
Trái Đất của chúng ta cũng là một nam châm khổng lồ.
Từ trường của Trái Đất yếu lắm, chỉ khoảng 5 × 10⁻⁵ T, nhưng đủ để kim la bàn chỉ hướng và đủ để làm lá chắn chặn bớt các hạt mang điện từ Mặt Trời bay tới.
Cực Bắc địa lí của Trái Đất thực ra gần với cực Nam từ — vì thế đầu Bắc của kim la bàn mới bị hút về phía Bắc.
Để nói một từ trường mạnh hay yếu, người ta dùng đại lượng cảm ứng từ, kí hiệu B.
Cảm ứng từ là đại lượng vectơ: nó có phương, chiều và độ lớn.
Phương của vectơ cảm ứng từ tại một điểm là phương của kim nam châm nhỏ đặt tại điểm đó khi nó nằm cân bằng.
Chiều của vectơ cảm ứng từ là chiều từ cực Nam sang cực Bắc của kim nam châm nhỏ đó.
Đơn vị của cảm ứng từ trong hệ SI là tesla, kí hiệu T.
Một tesla là một từ trường khá mạnh: 1 T = 1 N/(A·m), nghĩa là một đoạn dây dài 1 m mang dòng điện 1 A đặt vuông góc với từ trường 1 T sẽ chịu lực 1 N.
Để hình dung thang đo, bạn nhớ vài con số này:
Từ trường Trái Đất: khoảng 5 × 10⁻⁵ T.
Nam châm dán tủ lạnh: khoảng 5 × 10⁻³ T, tức 5 mT.
Nam châm điện mạnh trong phòng thí nghiệm: khoảng 1 đến 2 T.
Máy chụp cộng hưởng từ MRI trong bệnh viện: khoảng 1,5 đến 3 T.
| Từ cần nhớ | Nghĩa |
|---|---|
| Từ trường | Vùng không gian mà kim nam châm đặt vào đó chịu tác dụng của lực từ |
| Đường sức từ | Đường cong mà tiếp tuyến tại mỗi điểm trùng với phương của vectơ cảm ứng từ tại điểm đó |
| Cảm ứng từ B | Đại lượng vectơ đặc trưng cho độ mạnh yếu và hướng của từ trường, đơn vị tesla (T) |
| Tesla (T) | Đơn vị cảm ứng từ, 1 T = 1 N/(A·m) |
| Từ thông Φ | Số đường sức từ xuyên qua một diện tích, đơn vị vêbe (Wb), 1 Wb = 1 T·m² |
| Vêbe (Wb) | Đơn vị từ thông, 1 Wb = 1 T·m² |
Một điểm rất quan trọng cần nhớ ngay từ đầu: từ trường không tác dụng lực lên điện tích đứng yên.
Điện tích phải chuyển động thì từ trường mới "chạm" được vào nó — và đó là toàn bộ nội dung của lực Lorentz ở câu hỏi 3 dưới đây.
Ngược lại, điện trường thì tác dụng lực lên điện tích dù nó đứng yên hay chuyển động.
Phân biệt hai điều này là bạn đã tránh được một trong những lỗi sai phổ biến nhất của chương Từ học.
Câu hỏi 2: Dòng điện sinh ra từ trường như thế nào?
Năm 1820, nhà vật lí người Đan Mạch Hans Christian Ørsted đang giảng bài thì tình cờ thấy kim la bàn đặt gần dây dẫn bỗng lệch đi mỗi khi ông đóng mạch điện.
Đó là lần đầu tiên con người chứng kiến dòng điện sinh ra từ trường — và từ phát hiện tình cờ ấy, cả ngành điện từ học ra đời.
Quy tắc để nhớ chiều của từ trường do dòng điện sinh ra là quy tắc nắm tay phải.
Với dây dẫn thẳng: nắm bàn tay phải sao cho ngón cái chỉ theo chiều dòng điện, thì chiều khum của bốn ngón tay còn lại là chiều của đường sức từ — những đường tròn đồng tâm ôm lấy dây dẫn.
Với ống dây: nắm bàn tay phải sao cho bốn ngón tay khum theo chiều dòng điện chạy trong các vòng dây, thì ngón cái choãi ra chỉ chiều của đường sức từ trong lòng ống dây, tức là chỉ về phía cực Bắc của ống dây.
Chỉ cần nhớ "ngón cái là cái cần tìm": dây thẳng thì ngón cái chỉ dòng điện, ống dây thì ngón cái chỉ cực Bắc.
Độ lớn của cảm ứng từ do dòng điện gây ra phụ thuộc vào cường độ dòng điện, hình dạng dây dẫn và vị trí điểm khảo sát.
Ba hình dạng dây dẫn mà chương trình phổ thông yêu cầu, bạn thuộc lòng bảng sau:
| Dạng dây dẫn | Công thức cảm ứng từ | Chú thích |
|---|---|---|
| Dây dẫn thẳng dài | B = 2 × 10⁻⁷ × I : r | r là khoảng cách từ điểm khảo sát tới dây (m) |
| Dây dẫn tròn (1 vòng) | B = 2π × 10⁻⁷ × I : R | B tại tâm vòng dây, R là bán kính vòng dây (m) |
| Dây dẫn tròn (N vòng) | B = 2π × 10⁻⁷ × N × I : R | N vòng dây quấn sít nhau |
| Ống dây hình trụ dài | B = 4π × 10⁻⁷ × n × I | n = N : l là số vòng dây trên một mét chiều dài |
Ba công thức trên thực ra chỉ là một công thức gốc viết dưới ba dạng khác nhau, vì hằng số từ trong chân không là μ₀ = 4π × 10⁻⁷ T·m/A.
Viết theo μ₀ thì: dây thẳng dài B = μ₀ × I : (2π × r), vòng tròn B = μ₀ × N × I : (2 × R), ống dây B = μ₀ × n × I.
Trong bài thi, người ta thường cho công thức dạng số 2 × 10⁻⁷ và 4π × 10⁻⁷ để bạn thay số nhanh, nên bạn nhớ dạng số cho quen tay.
Ba điểm cần nhớ khi dùng bảng này:
Cảm ứng từ tỉ lệ thuận với cường độ dòng điện I — tăng gấp đôi dòng điện thì B tăng gấp đôi.
Với dây thẳng dài, B tỉ lệ nghịch với khoảng cách r — càng xa dây, từ trường càng yếu, và giảm theo đúng tỉ lệ 1 : r.
Cảm ứng từ trong lòng ống dây là gần như đều — các đường sức từ trong lòng ống dây là những đường thẳng song song và cách đều nhau, giống như từ trường đều giữa hai cực của nam châm chữ U.
Một hệ quả hay gặp trong đề thi: hai dây dẫn thẳng dài song song mang dòng điện sẽ hút nhau nếu hai dòng điện cùng chiều và đẩy nhau nếu hai dòng điện ngược chiều.
Lực tương tác giữa hai dây dẫn song song dài l, cách nhau r là F = 2 × 10⁻⁷ × I₁ × I₂ × l : r.
Muốn ôn lại cách tính cường độ dòng điện và điện trở trong mạch điện trước khi làm bài tập từ trường, bạn có thể xem bài công thức định luật Ohm và bài công thức tính điện trở.
Câu hỏi 3: Từ trường đẩy lại điện tích và dòng điện ra sao?
Dòng điện sinh ra từ trường, và ngược lại, từ trường tác dụng lực lên dòng điện — đó là tính đối xứng đẹp nhất của chương này.
Lực mà từ trường tác dụng lên một đoạn dây dẫn mang dòng điện gọi là lực từ, có độ lớn:
F = B × I × l × sin α, trong đó B là cảm ứng từ (T), I là cường độ dòng điện (A), l là chiều dài đoạn dây (m), α là góc hợp bởi chiều dòng điện và vectơ cảm ứng từ.
Lực từ lớn nhất khi dây vuông góc với đường sức từ (α = 90°, sin α = 1) và bằng không khi dây song song với đường sức từ (α = 0° hoặc 180°, sin α = 0).
Điểm đặt của lực từ ở trung điểm của đoạn dây, phương của lực vuông góc với mặt phẳng chứa dây dẫn và vectơ cảm ứng từ.
Chiều của lực từ xác định bằng quy tắc bàn tay trái: xòe bàn tay trái sao cho các đường sức từ hướng vào lòng bàn tay, chiều từ cổ tay đến ngón tay giữa là chiều dòng điện, thì ngón tay cái choãi ra 90° chỉ chiều của lực từ.
Ba quy tắc bàn tay rất dễ nhầm với nhau, bạn nhớ theo cách này: nắm tay phải để tìm CHIỀU TỪ TRƯỜNG do dòng điện sinh ra, bàn tay trái để tìm CHIỀU LỰC từ tác dụng lên dòng điện.
Muốn tính nhanh công suất tỏa nhiệt của đoạn dây khi làm bài tập, bạn có thể xem bài công thức tính công suất điện, và muốn bấm nhanh các phép tính có số mũ 10⁻⁷ thì dùng máy tính Casio online để kiểm tra lại kết quả tính tay của mình.
Đi sâu hơn một bước, dòng điện thực chất là dòng các điện tích chuyển động có hướng.
Lực từ tác dụng lên cả đoạn dây chính là tổng hợp của vô số lực từ tác dụng lên từng điện tích chuyển động trong dây.
Lực từ tác dụng lên một hạt mang điện chuyển động trong từ trường gọi là lực Lorentz, có độ lớn:
f = |q| × v × B × sin α, trong đó |q| là độ lớn điện tích của hạt (C), v là vận tốc của hạt (m/s), B là cảm ứng từ (T), α là góc hợp bởi vectơ vận tốc và vectơ cảm ứng từ.
Lực Lorentz cũng có phương vuông góc với cả v và B, chiều tuân theo quy tắc bàn tay trái — với hạt mang điện dương thì chiều từ cổ tay đến ngón giữa là chiều của v, với hạt mang điện âm thì ngược lại.
Vì lực Lorentz luôn vuông góc với vận tốc nên nó không làm thay đổi độ lớn vận tốc, chỉ làm đổi hướng chuyển động.
Đó là lí do một hạt mang điện bay vuông góc vào từ trường đều sẽ chuyển động tròn đều: lực Lorentz đóng vai trò lực hướng tâm.
Bán kính quỹ đạo tròn của hạt là r = m × v : (|q| × B), trong đó m là khối lượng của hạt.
Công thức này giải thích vì sao máy gia tốc hạt có thể "bẻ lái" chùm hạt bằng từ trường, và vì sao cực quang xuất hiện ở hai cực Trái Đất: các hạt mang điện từ Mặt Trời bay tới bị từ trường Trái Đất bẻ cong thành đường xoắn ốc và dồn về hai cực.
Khi từ thông thay đổi: điện sinh ra từ từ
Ørsted chứng minh dòng điện sinh ra từ trường vào năm 1820, và suốt 11 năm sau đó các nhà vật lí tự hỏi: chiều ngược lại có đúng không — từ trường có sinh ra dòng điện được không?
Năm 1831, Michael Faraday trả lời: có, nhưng với một điều kiện — từ trường phải BIẾN THIÊN.
Để đo "lượng từ trường xuyên qua một khung dây", người ta dùng đại lượng từ thông, kí hiệu Φ.
Từ thông qua một diện tích phẳng S đặt trong từ trường đều có cảm ứng từ B là:
Φ = B × S × cos α, trong đó α là góc hợp bởi vectơ pháp tuyến của mặt phẳng khung dây và vectơ cảm ứng từ.
Đơn vị của từ thông là vêbe, kí hiệu Wb, với 1 Wb = 1 T·m².
Từ thông lớn nhất khi B vuông góc với mặt phẳng khung (α = 0°, cos α = 1, Φ = B × S) và bằng không khi B song song với mặt phẳng khung (α = 90°, cos α = 0).
Hiện tượng cảm ứng điện từ là hiện tượng xuất hiện dòng điện cảm ứng trong một mạch kín khi từ thông qua mạch đó biến thiên.
Từ thông biến thiên khi một trong ba đại lượng B, S, α thay đổi: nam châm lại gần hay ra xa khung dây, khung dây quay trong từ trường, hay diện tích khung thay đổi.
Độ lớn của suất điện động cảm ứng sinh ra tuân theo định luật Faraday:
e = −ΔΦ : Δt đối với mạch một vòng, và e = −N × ΔΦ : Δt đối với cuộn dây N vòng, trong đó ΔΦ là độ biến thiên từ thông trong khoảng thời gian Δt.
Khi bài chỉ hỏi độ lớn thì bạn bỏ dấu trừ: |e| = N × |ΔΦ| : Δt.
Dấu trừ trong công thức chính là định luật Lenz: dòng điện cảm ứng có chiều sao cho từ trường do nó sinh ra chống lại sự biến thiên của từ thông đã sinh ra nó.
Nói nôm na, từ trường "không thích bị thay đổi": từ thông đang tăng thì dòng điện cảm ứng sinh ra từ trường ngược chiều để hãm lại, từ thông đang giảm thì dòng điện cảm ứng sinh ra từ trường cùng chiều để bù vào.
Một trường hợp riêng rất hay gặp trong đề thi là thanh dẫn chuyển động cắt các đường sức từ: một thanh dài l chuyển động với vận tốc v vuông góc với từ trường B thì suất điện động cảm ứng giữa hai đầu thanh là e = B × l × v.
Đây chính là nguyên lí của máy phát điện: quay một khung dây trong từ trường để từ thông biến thiên liên tục, suất điện động cảm ứng đổi chiều liên tục, và ta có dòng điện xoay chiều thắp sáng cả thành phố.
Từ trường quanh ta: từ la bàn tới tàu đệm từ
Từ học không phải là chương chỉ để thi — nó là chương chạy ngầm trong gần như mọi thiết bị điện quanh bạn.
Bảng dưới đây gom những ứng dụng mà đề thi hay hỏi nhất, kèm nguyên lí vật lí đằng sau mỗi ứng dụng:
| Ứng dụng | Nguyên lí từ học |
|---|---|
| La bàn | Kim nam châm quay theo từ trường Trái Đất |
| Nam châm điện | Ống dây có lõi sắt: có dòng điện thì có từ trường mạnh, ngắt điện thì mất từ |
| Động cơ điện | Lực từ F = BIl sin α làm khung dây mang dòng điện quay trong từ trường |
| Máy phát điện | Hiện tượng cảm ứng điện từ: quay khung dây trong từ trường để tạo suất điện động cảm ứng |
| Máy chụp cộng hưởng từ MRI | Từ trường mạnh 1,5 đến 3 T làm các hạt nhân hiđro trong cơ thể cộng hưởng |
| Thẻ từ, ổ cứng | Thông tin được ghi bằng cách từ hóa các vùng nhỏ trên bề mặt theo hai hướng ngược nhau |
| Bếp từ | Dòng điện cảm ứng (dòng Fu-cô) sinh ra trong đáy nồi kim loại làm nóng nồi |
| Tàu đệm từ Maglev | Lực đẩy giữa các nam châm nâng tàu lên khỏi đường ray, gần như không còn ma sát |
Trong các ứng dụng trên, bạn để ý một cặp đối xứng xuyên suốt chương: động cơ điện biến điện năng thành cơ năng nhờ lực từ, máy phát điện biến cơ năng thành điện năng nhờ cảm ứng điện từ.
Hai thiết bị này thực ra là một: quay trục của động cơ điện bằng tay, nó trở thành máy phát điện; cấp điện cho máy phát điện, nó quay như một động cơ.
Đó cũng là lí do xe điện có thể "phanh tái tạo": khi phanh, động cơ đóng vai trò máy phát, biến động năng của xe thành điện nạp lại vào ắc quy.
Phòng thực hành: 6 bài toán mẫu làm từng bước
Ví dụ 1. Một dây dẫn thẳng dài mang dòng điện I = 5 A.
Tính cảm ứng từ tại điểm cách dây 10 cm và tại điểm cách dây 20 cm.
Giải: Đổi khoảng cách ra mét: r₁ = 0,1 m, r₂ = 0,2 m.
Áp dụng công thức dây thẳng dài: B = 2 × 10⁻⁷ × I : r.
Tại r₁ = 0,1 m: B₁ = 2 × 10⁻⁷ × 5 : 0,1 = 10⁻⁵ T = 10 μT.
Tại r₂ = 0,2 m: B₂ = 2 × 10⁻⁷ × 5 : 0,2 = 5 × 10⁻⁶ T = 5 μT.
Đáp số: 10 μT tại 10 cm và 5 μT tại 20 cm.
Kiểm tra lại: khoảng cách tăng gấp đôi thì cảm ứng từ giảm đúng một nửa, vì B tỉ lệ nghịch với r — khớp với công thức.
Ví dụ 2. Một vòng dây tròn bán kính R = 5 cm mang dòng điện I = 2 A.
Tính cảm ứng từ tại tâm của vòng dây.
Giải: Đổi bán kính ra mét: R = 0,05 m.
Áp dụng công thức vòng dây tròn: B = 2π × 10⁻⁷ × I : R.
B = 2π × 10⁻⁷ × 2 : 0,05 = 2π × 10⁻⁷ × 40 = 80π × 10⁻⁷ ≈ 2,51 × 10⁻⁵ T.
Đáp số: khoảng 2,51 × 10⁻⁵ T.
Kiểm tra lại: cảm ứng từ tại tâm vòng dây này lớn gấp khoảng 2,5 lần cảm ứng từ của dây thẳng dài cùng dòng điện 2 A tại khoảng cách 5 cm (B = 2 × 10⁻⁷ × 2 : 0,05 = 8 × 10⁻⁶ T) — hợp lí vì vòng dây "gom" từ trường về tâm.
Ví dụ 3. Một ống dây dài l = 0,5 m gồm N = 500 vòng dây, mang dòng điện I = 2 A.
Tính cảm ứng từ trong lòng ống dây.
Giải: Số vòng dây trên một mét chiều dài: n = N : l = 500 : 0,5 = 1000 vòng/m.
Áp dụng công thức ống dây: B = 4π × 10⁻⁷ × n × I.
B = 4π × 10⁻⁷ × 1000 × 2 = 8π × 10⁻⁴ ≈ 2,51 × 10⁻³ T = 2,51 mT.
Đáp số: khoảng 2,51 mT.
Kiểm tra lại: 2,51 mT mạnh gấp 100 lần cảm ứng từ tại tâm vòng dây ở Ví dụ 2 — hợp lí vì 500 vòng dây quấn sít nhau cộng dồn từ trường, và con số này cùng cỡ với nam châm tủ lạnh (khoảng 5 mT).
Ví dụ 4. Một đoạn dây dẫn dài l = 0,4 m mang dòng điện I = 3 A đặt trong từ trường đều có cảm ứng từ B = 0,5 T.
Tính lực từ tác dụng lên đoạn dây khi dây vuông góc với đường sức từ, và khi dây hợp với đường sức từ một góc 30°.
Giải: Áp dụng công thức lực từ: F = B × I × l × sin α.
Khi α = 90°: sin α = 1, F = 0,5 × 3 × 0,4 × 1 = 0,6 N.
Khi α = 30°: sin α = 0,5, F = 0,5 × 3 × 0,4 × 0,5 = 0,3 N.
Đáp số: 0,6 N khi vuông góc và 0,3 N khi hợp góc 30°.
Kiểm tra lại: góc giảm từ 90° xuống 30° thì sin α giảm từ 1 xuống 0,5 nên lực giảm đúng một nửa — khớp với công thức.
Ví dụ 5. Một electron (điện tích e = 1,6 × 10⁻¹⁹ C, khối lượng m = 9,1 × 10⁻³¹ kg) bay với vận tốc v = 2 × 10⁶ m/s vuông góc vào một từ trường đều có cảm ứng từ B = 0,1 T.
Tính độ lớn lực Lorentz tác dụng lên electron và bán kính quỹ đạo tròn của nó.
Giải: Lực Lorentz: f = |q| × v × B × sin α, với α = 90° nên sin α = 1.
f = 1,6 × 10⁻¹⁹ × 2 × 10⁶ × 0,1 = 3,2 × 10⁻¹⁴ N.
Lực Lorentz đóng vai trò lực hướng tâm nên bán kính quỹ đạo: r = m × v : (|q| × B).
r = 9,1 × 10⁻³¹ × 2 × 10⁶ : (1,6 × 10⁻¹⁹ × 0,1) = 1,82 × 10⁻²⁴ : 1,6 × 10⁻²⁰ ≈ 1,14 × 10⁻⁴ m = 0,114 mm.
Đáp số: lực Lorentz 3,2 × 10⁻¹⁴ N, bán kính quỹ đạo khoảng 0,114 mm.
Kiểm tra lại: lực tuy rất nhỏ nhưng electron cũng rất nhẹ, nên quỹ đạo chỉ rộng hơn một sợi tóc một chút — electron quay hàng triệu vòng mỗi giây trong từ trường này.
Ví dụ 6. Một cuộn dây gồm N = 100 vòng, mỗi vòng có diện tích S = 10 cm², đặt trong từ trường đều.
Trong khoảng thời gian Δt = 0,1 s, cảm ứng từ tăng đều từ 0 lên 0,2 T, các đường sức từ vuông góc với mặt phẳng khung dây.
Tính độ lớn suất điện động cảm ứng xuất hiện trong cuộn dây.
Giải: Đổi diện tích ra mét vuông: S = 10 cm² = 10 × 10⁻⁴ m² = 10⁻³ m².
Độ biến thiên từ thông qua một vòng: ΔΦ = ΔB × S = 0,2 × 10⁻³ = 2 × 10⁻⁴ Wb.
Áp dụng định luật Faraday cho cuộn N vòng: |e| = N × ΔΦ : Δt = 100 × 2 × 10⁻⁴ : 0,1 = 100 × 2 × 10⁻³ = 0,2 V.
Đáp số: suất điện động cảm ứng có độ lớn 0,2 V.
Kiểm tra lại: nếu chỉ có một vòng dây thì suất điện động chỉ là 0,002 V — quấn 100 vòng làm suất điện động tăng đúng 100 lần, đó là lí do máy phát điện luôn dùng cuộn dây nhiều vòng.
6 cái bẫy hay mất điểm trong chương Từ học
Bẫy 1: Nhầm quy tắc nắm tay phải với quy tắc bàn tay trái.
Nắm tay phải dùng để tìm CHIỀU TỪ TRƯỜNG do dòng điện sinh ra, bàn tay trái dùng để tìm CHIỀU LỰC từ tác dụng lên dòng điện.
Cách tránh: tự hỏi "mình đang tìm cái gì?" — tìm từ trường thì nắm tay phải, tìm lực thì xòe tay trái.
Bẫy 2: Quên đổi đơn vị cm sang m trước khi thay số.
Mọi công thức từ trường trong hệ SI đều dùng mét: r, R, l đều phải đổi ra m, diện tích S phải đổi ra m² (1 cm² = 10⁻⁴ m²).
Cách tránh: viết đơn vị ngay cạnh mỗi số liệu khi tóm tắt đề, đổi hết về SI rồi mới thay vào công thức.
Bẫy 3: Nhầm góc α trong công thức từ thông với góc giữa B và mặt phẳng khung.
Trong Φ = B × S × cos α, α là góc giữa vectơ B và vectơ PHÁP TUYẾN của mặt phẳng khung.
Nếu đề cho góc giữa B và mặt phẳng khung là β thì α = 90° − β, và Φ = B × S × sin β.
Cách tránh: vẽ hình, đánh dấu vectơ pháp tuyến vuông góc với mặt khung rồi mới xác định góc.
Bẫy 4: Cho rằng từ thông lớn thì suất điện động cảm ứng lớn.
Suất điện động cảm ứng tỉ lệ với TỐC ĐỘ biến thiên của từ thông (ΔΦ : Δt), không tỉ lệ với bản thân từ thông.
Từ thông đứng yên dù lớn tới đâu cũng không sinh ra dòng điện cảm ứng nào.
Cách tránh: đọc kĩ đề — đề cho "từ thông biến thiên trong 0,1 s" thì phải chia cho thời gian.
Bẫy 5: Quên nhân với số vòng dây N trong định luật Faraday.
Một vòng dây cho suất điện động e = ΔΦ : Δt, nhưng cuộn dây N vòng cho e = N × ΔΦ : Δt.
Cách tránh: thấy đề cho "cuộn dây gồm N vòng" thì viết ngay N vào công thức trước khi thay số.
Bẫy 6: Nghĩ lực Lorentz làm thay đổi tốc độ của hạt.
Lực Lorentz luôn vuông góc với vận tốc nên chỉ đổi HƯỚNG chuyển động, không đổi ĐỘ LỚN vận tốc — động năng của hạt không đổi.
Cách tránh: nhớ hạt bay vào từ trường đều sẽ chuyển động tròn đều với tốc độ không đổi, chỉ có hướng vận tốc quay dần.
Tự kiểm tra: 5 câu — làm rồi mới xem đáp án nhé
Câu 1. Một dây dẫn thẳng dài mang dòng điện I = 10 A. Cảm ứng từ tại điểm cách dây 10 cm là bao nhiêu?
A. 2 × 10⁻⁶ T
B. 2 × 10⁻⁵ T
C. 2 × 10⁻⁴ T
D. 2 × 10⁻³ T
→ Đáp án: B. Giải thích: Đổi r = 10 cm = 0,1 m. Áp dụng B = 2 × 10⁻⁷ × I : r = 2 × 10⁻⁷ × 10 : 0,1 = 2 × 10⁻⁵ T. Đáp án A (2 × 10⁻⁶ T) sai vì quên chia cho r = 0,1 — lấy 2 × 10⁻⁷ × 10 = 2 × 10⁻⁶ rồi dừng lại. Đáp án C (2 × 10⁻⁴ T) sai vì dùng r = 0,01 m thay vì 0,1 m. Đáp án D (2 × 10⁻³ T) sai vì dùng r = 0,001 m.
Câu 2. Một proton (điện tích q = 1,6 × 10⁻¹⁹ C) bay với vận tốc v = 10⁵ m/s vuông góc vào từ trường đều có cảm ứng từ B = 0,2 T. Độ lớn lực Lorentz tác dụng lên proton là bao nhiêu?
A. 3,2 × 10⁻¹⁵ N
B. 3,2 × 10⁻¹⁴ N
C. 1,6 × 10⁻¹⁴ N
D. 6,4 × 10⁻¹⁵ N
→ Đáp án: A. Giải thích: Áp dụng f = |q| × v × B × sin α với α = 90° nên sin α = 1: f = 1,6 × 10⁻¹⁹ × 10⁵ × 0,2 = 3,2 × 10⁻¹⁵ N. Đáp án B (3,2 × 10⁻¹⁴ N) sai vì lấy v = 10⁶ m/s thay vì 10⁵ m/s. Đáp án C (1,6 × 10⁻¹⁴ N) sai vì lấy B = 1 T thay vì 0,2 T. Đáp án D (6,4 × 10⁻¹⁵ N) sai vì nhân đôi điện tích.
Câu 3. Một ống dây dài có mật độ vòng dây n = 2000 vòng/m, mang dòng điện I = 1,5 A. Cảm ứng từ trong lòng ống dây là bao nhiêu?
A. 3,77 × 10⁻⁴ T
B. 7,54 × 10⁻³ T
C. 3,77 × 10⁻³ T
D. 1,26 × 10⁻³ T
→ Đáp án: C. Giải thích: Áp dụng B = 4π × 10⁻⁷ × n × I = 4π × 10⁻⁷ × 2000 × 1,5 = 12000π × 10⁻⁷ ≈ 3,77 × 10⁻³ T. Đáp án A (3,77 × 10⁻⁴ T) sai vì dùng n = 200 vòng/m thay vì 2000 vòng/m. Đáp án B (7,54 × 10⁻³ T) sai vì nhân đôi cường độ dòng điện. Đáp án D (1,26 × 10⁻³ T) sai vì dùng công thức dây thẳng dài thay cho công thức ống dây.
Câu 4. Một khung dây phẳng có diện tích S = 0,02 m² đặt trong từ trường đều có cảm ứng từ B = 0,5 T. Vectơ cảm ứng từ hợp với vectơ pháp tuyến của mặt phẳng khung một góc 60°. Từ thông qua khung dây là bao nhiêu?
A. 10⁻² Wb
B. 8,66 × 10⁻³ Wb
C. 0
D. 5 × 10⁻³ Wb
→ Đáp án: D. Giải thích: Áp dụng Φ = B × S × cos α = 0,5 × 0,02 × cos 60° = 0,01 × 0,5 = 5 × 10⁻³ Wb. Đáp án A (10⁻² Wb) sai vì lấy cos 60° = 1, tức nhầm góc α = 0°. Đáp án B (8,66 × 10⁻³ Wb) sai vì dùng sin 60° thay cho cos 60°. Đáp án C (0) sai vì nhầm với trường hợp B song song với mặt phẳng khung.
Câu 5. Từ thông qua một khung dây kín giảm đều từ 4 × 10⁻³ Wb xuống 0 trong khoảng thời gian 0,02 s. Độ lớn suất điện động cảm ứng xuất hiện trong khung dây là bao nhiêu?
A. 0,02 V
B. 0,2 V
C. 2 V
D. 0,08 V
→ Đáp án: B. Giải thích: Độ biến thiên từ thông ΔΦ = 4 × 10⁻³ − 0 = 4 × 10⁻³ Wb. Áp dụng |e| = ΔΦ : Δt = 4 × 10⁻³ : 0,02 = 0,2 V. Đáp án A (0,02 V) sai vì chia cho 0,2 s thay vì 0,02 s. Đáp án C (2 V) sai vì chia cho 0,002 s. Đáp án D (0,08 V) sai vì lấy ΔΦ = 4 × 10⁻³ nhân với Δt thay vì chia.
| Câu | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
|---|---|---|---|---|---|
| Đáp án | B | A | C | D | B |
Câu hỏi thường gặp về từ học
Vì sao kim la bàn luôn chỉ hướng Bắc – Nam? Vì Trái Đất là một nam châm khổng lồ, và kim la bàn là một kim nam châm nhỏ tự do quay. Đầu Bắc của kim la bàn bị cực Nam từ của Trái Đất (nằm gần cực Bắc địa lí) hút về phía Bắc, nên kim luôn chỉ hướng Bắc – Nam.
Từ trường có tác dụng lên điện tích đứng yên không? Không. Từ trường chỉ tác dụng lực lên điện tích đang chuyển động — đó là lực Lorentz f = |q|vB sin α, bằng không khi v = 0. Điện tích đứng yên chỉ chịu tác dụng của điện trường, không chịu tác dụng của từ trường.
Vì sao phải dùng quy tắc bàn tay trái mà không dùng tay phải cho lực từ? Đây chỉ là quy ước để phân biệt hai việc khác nhau: nắm tay phải để tìm chiều từ trường do dòng điện sinh ra, xòe tay trái để tìm chiều lực từ tác dụng lên dòng điện. Hai quy tắc dùng hai tay khác nhau để bạn không nhầm "nguyên nhân" (dòng điện sinh từ trường) với "kết quả" (từ trường đẩy dòng điện).
Từ thông lớn có nghĩa là suất điện động cảm ứng lớn không? Không. Suất điện động cảm ứng tỉ lệ với tốc độ biến thiên của từ thông, không tỉ lệ với bản thân từ thông. Một khung dây đặt trong từ trường rất mạnh nhưng không đổi sẽ không có dòng điện cảm ứng nào, trong khi một từ trường yếu nhưng biến thiên rất nhanh lại sinh ra suất điện động lớn.
Nam châm điện khác nam châm vĩnh cửu ở điểm nào? Nam châm điện là ống dây có lõi sắt: có dòng điện chạy qua thì có từ trường mạnh, ngắt dòng điện thì từ trường gần như biến mất. Nam châm vĩnh cửu có từ trường thường trực mà không cần dòng điện. Nhờ bật tắt được, nam châm điện dùng trong cần cẩu nâng sắt vụn, chuông điện, rơ le và nhiều thiết bị tự động.
Kết luận: từ trường vô hình, nhưng mọi thiết bị điện đều chạy nhờ nó
Đi hết chuyên đề này, bạn đã thấy từ trường không còn là thứ bí ẩn chỉ có trong truyện tranh.
Nó bắt đầu từ một kim la bàn lệch đi bên cạnh dây dẫn trong giờ giảng của Ørsted năm 1820, đi qua công thức cảm ứng từ của ba dạng dây dẫn, qua lực từ và lực Lorentz làm khung dây quay và hạt mang điện bay theo đường tròn, rồi tới định luật Faraday biến từ trường biến thiên thành dòng điện.
Chỉ cần nhớ ba cặp đối xứng — dòng điện sinh từ trường, từ trường đẩy dòng điện, từ trường biến thiên sinh dòng điện — bạn đã nắm được khung xương của cả chương Từ học.
Muốn đi xa hơn, hãy nối chuyên đề này với các công thức tính toán sẽ dùng ngay trong các bài tập: tính cường độ dòng điện theo định luật Ohm trước khi tính từ trường do dòng điện đó sinh ra, kiểm tra điện trở của dây dẫn và công suất tỏa nhiệt của mạch điện, rồi dùng máy tính Casio online để kiểm tra lại các phép tính có số mũ 10⁻⁷ của mình.
Làm lại 5 câu tự luyện cho đến khi đúng cả 5 câu không cần nhìn đáp án, rồi thử tự giải thêm 3 bài: tính cảm ứng từ tại tâm vòng dây có N = 100 vòng, tính lực Lorentz lên hạt alpha bay trong từ trường, và tính suất điện động cảm ứng trong cuộn dây 200 vòng — làm được việc đó là bạn đã thực sự làm chủ chuyên đề từ học.
- Từ trường, đường sức từ và cảm ứng từ B (tesla)
- Quy tắc nắm tay phải và cảm ứng từ của dây thẳng dài, vòng tròn, ống dây
- Lực từ F = BIl sin α, quy tắc bàn tay trái và lực Lorentz f = |q|vB sin α
- Từ thông Φ = BS cos α, định luật Faraday và định luật Lenz
- Ứng dụng: nam châm điện, động cơ điện, máy phát điện, MRI, bếp từ, tàu đệm từ
- Bài toán mẫu, lỗi sai thường gặp, bài tập tự luyện và FAQ
Làm được như vậy, chuyên đề từ học sẽ thực sự là của bạn — và lần sau nhìn kim la bàn chỉ hướng Bắc, bạn sẽ không chỉ thấy một cây kim, mà thấy cả một từ trường đang lặng lẽ làm việc quanh mình.