Từ trường của dòng điện — Mô phỏng 3D Tương tác (Vật lý THPT)
Câu hỏi trọng tâm: Từ trường không nhìn thấy bằng mắt thường và không chạm vào được, làm thế nào để biểu diễn hình ảnh và xác định chiều của nó?
Phương trình / Nguyên lý cốt lõi: B̂ = Î × r̂ · Dòng điện tròn và ống dây B̂ = n̂
Đối chiếu Chương trình GDPT 2018: Vật lý 12 (SGK GDPT 2018) · Chương XIII Bài 1 “Từ trường và đường sức từ” (trang 104–108)
Chuỗi bước khám phá và kết luận khoa học (9 bước)
- Bước 1 (Hiện hình bằng mạt sắt): Không nhìn thấy cũng không chạm vào được, dựa vào đâu để khẳng định xung quanh dây dẫn có dòng điện tồn tại từ trường? — Kết luận: Dữ kiện A2.1 + A2.2 + A2.3 SGK: Xung quanh dây dẫn có dòng điện luôn tồn tại một từ trường (Oersted 1820), từ trường tuy không nhìn thấy nhưng tồn tại khách quan; các hạt mạt sắt trong từ trường bị từ hóa thành những kim nam châm nhỏ, sau khi gõ nhẹ tấm kính sẽ sắp xếp thành chuỗi dọc theo đường sức từ — nhờ đó có thể hiển thị hình dạng từ trường. |
Dây dẫn có dòng điện → Từ trường - Bước 2 (Các đường tròn đồng tâm): Đường sức từ xung quanh dây dẫn thẳng có hình dạng gì? — Kết luận: Nguyên văn A2.7 SGK: Đường sức từ của dòng điện thẳng là những đường tròn đồng tâm nằm trong mặt phẳng vuông góc với dây dẫn và có tâm nằm trên dây dẫn; các đường sức từ là những đường cong kín, hình vẽ trên mặt giấy chỉ là một mặt phẳng cắt ngang trong họ các đường tròn không gian đó. |
B̂ ⊥ r̂, B̂ tiếp tuyến dọc theo đường tròn quanh trục - Bước 3 (Quy tắc nắm tay phải xác định chiều): Khi đảo ngược chiều dòng điện thì chiều của các đường sức từ thay đổi như thế nào? — Kết luận: Nguyên văn A2.7 SGK: Dùng bàn tay phải nắm lấy dây dẫn sao cho ngón cái choãi ra chỉ theo chiều dòng điện, khi đó bốn ngón tay khum lại chỉ chiều của đường sức từ; khi đổi chiều dòng điện thì chiều từ trường tại mọi điểm đều đổi sang chiều ngược lại. Biểu diễn bằng tích vô hướng: B̂·(Î×r̂) đổi từ +1 sang −1. |
B̂ = Î × r̂ - Bước 4 (Độ mau thưa biểu thị độ mạnh yếu): Tại sao càng ra xa dây dẫn thì từ trường càng yếu? — Kết luận: Dữ kiện A2.4 SGK: Nơi nào từ trường mạnh thì đường sức từ vẽ mau (dày), nơi nào từ trường yếu thì đường sức từ vẽ thưa; cảm ứng từ B của dây dẫn thẳng dài tỉ lệ nghịch với khoảng cách đến dây dẫn (kiến thức chuẩn), r tăng gấp đôi → B giảm một nửa. Giá trị này cũng có thể đối chiếu với bảng độ lớn cảm ứng từ ở SGK tr.110: 20 μT chỉ bằng 0.40 lần giá trị trung bình của từ trường Trái Đất (50 μT). |
B ∝ I / r - Bước 5 (Xuyên qua vòng dây rồi khép kín): Đường sức từ của dòng điện tròn đi xuyên vào từ phía nào và vòng trở lại từ phía nào? — Kết luận: Dữ kiện A2.8 + Hình 13.1-9 SGK: Đường sức từ của dòng điện tròn là những đường cong kín, đi xuyên ra từ một mặt của vòng dây và vòng trở lại đi vào mặt kia; áp dụng dạng thứ hai của quy tắc nắm tay phải — khum bốn ngón tay bàn tay phải theo chiều dòng điện chạy trong vòng dây, ngón cái choãi ra chỉ chiều của đường sức từ đi qua tâm trên trục vòng dây (trong bài học này hướng về đầu +x). |
B̂ · n̂ = +1 (tại tâm vòng dây) - Bước 6 (Chồng chất nhiều vòng dây): Khi tăng từ 1 vòng dây lên 10 vòng dây thì từ trường ở tâm tăng gấp mấy lần? — Kết luận: Nguyên văn A4.5 SGK: “Ống dây có dòng điện chạy qua có thể coi như gồm nhiều vòng dòng điện tròn mắc nối tiếp với nhau”: đóng góp của mỗi vòng dây tại tâm đều cùng chiều và cộng hưởng với nhau, nên cảm ứng từ B tỉ lệ thuận với số vòng dây N (B₀ = μ0NI/(2R), công thức chuẩn), trong khi hình dạng đường sức từ không đổi. |
B₀ = μ0 N I /(2R) - Bước 7 (Suy giảm dọc theo trục): Khi di chuyển ra xa dọc theo trục vòng dây, từ trường yếu dần như thế nào? — Kết luận: Trên toàn bộ trục vòng dây đều có B̂ = n̂ (cùng một hướng, chỉ giảm dần độ lớn): B(z) = B₀/(1+(z/R)²)^{3/2}. Tại z = R hệ số là 0.354 (25.13 → 8.89 μT), tại z = 2R chỉ còn 0.089 lần. |
B(z) = B₀/(1+(z/R)²)^{3/2} - Bước 8 (Từ trường đều bên trong ống dây): Tại sao bên trong ống dây lại gần như là từ trường đều? Ở ngoài miệng ống từ trường giảm xuống còn bao nhiêu? — Kết luận: Dữ kiện A2.8 + A2.15 + Bài tập 6 SGK: Từ trường bên ngoài ống dây có dòng điện rất giống từ trường của một nam châm thẳng, còn bên trong ống dây gần như là từ trường đều (các đường sức từ là những đường thẳng song song cách đều nhau); bên trong ống dây đường sức từ đi từ cực Nam (S) sang cực Bắc (N), vì vậy đầu mà ngón cái chỉ tới (đầu +x) chính là cực Bắc (N). Tại đúng miệng ống chỉ có nửa phía trong đóng góp nên cảm ứng từ xấp xỉ bằng một nửa ở tâm (0.51 lần). |
B_trong = μ0 n I (n = N/L) - Bước 9 (Kiểm tra · Tìm vị trí miệng ống): Kiểm tra: Tìm vị trí trên trục ống dây có số đọc cảm ứng từ đúng bằng một nửa so với ở tâm bên trong ống — Kết luận: Bài kiểm tra tổng kết kiến thức: vị trí có độ lớn bằng một nửa giá trị ở tâm chính là miệng ống dây — ba tính chất “bên trong đều, miệng ống bằng một nửa, bên ngoài giống nam châm thẳng” hội tụ trên cùng một thiết bị; việc so sánh mạnh yếu luôn dựa vào độ mau thưa của đường sức từ (Bài tập 6 SGK). |
B(miệng ống) / B(tâm) = 0.51
Xem trang chi tiết bài giảng, hướng dẫn lớp học và câu hỏi ôn tập Từ trường của dòng điện · Trang chủ VietLab 3D