Vật lý 1B: Từ trường và Cảm ứng Điện từ

Nam châm và từ trường

Nam châm là bất kỳ vật thể nào có một từ trường bền vững. Mỗi nam châm đều có một cực bắc và một cực nam. Các cực cùng loại đẩy nhau; các cực khác loại hút nhau — cùng quy tắc định tính mà các em đã thấy với điện tích. Điểm khác biệt quan trọng là: đơn cực từ không tồn tại. Các em không thể tách rời cực bắc và cực nam của một nam châm. Cắt đôi một thanh nam châm, mỗi mảnh lại trở thành một thanh nam châm nhỏ hơn với cực bắc và cực nam riêng. Đây là một sự thật sâu sắc và có thể kiểm chứng về cách tự nhiên được cấu tạo.

Từ trường (ký hiệu B) là vùng không gian quanh nam châm nơi một nam châm khác, hoặc một điện tích đang chuyển động, sẽ chịu tác dụng của lực. Đơn vị SI là tesla (T). Từ trường Trái Đất, thứ giữ định hướng cho kim la bàn, vào khoảng 5 × 10⁻⁵ T — khá yếu. Một nam châm dán tủ lạnh vào khoảng 5 × 10⁻³ T. Máy MRI đạt xấp xỉ 1,5 T.

Lực tác dụng lên điện tích chuyển động

Một từ trường CHỈ tác dụng lực lên các điện tích đang chuyển động. Một điện tích đứng yên trong từ trường sẽ không chịu tác dụng nào. Độ lớn của lực tác dụng lên điện tích đang chuyển động được tính bằng công thức:

F = q · v · B · sin θ

Trong đó q là độ lớn điện tích, v là tốc độ, B là cường độ từ trường và θ là góc giữa vận tốc và từ trường. Có hai hệ quả:

• Nếu điện tích chuyển động song song với từ trường (θ = 0° hoặc 180°), sin θ = 0, nên F = 0. Không có lực.
• Nếu điện tích chuyển động vuông góc với từ trường (θ = 90°), sin θ = 1, nên F đạt cực đại: F = qvB.

Chiều của lực được xác định bằng quy tắc bàn tay phải: với điện tích dương, các em hướng các ngón tay theo chiều của vận tốc, cong chúng về phía B, ngón cái sẽ chỉ theo chiều của lực. Với điện tích âm thì đảo ngược lại.

Có một hệ quả đáng chú ý: lực luôn vuông góc với vận tốc. Lực vuông góc nghĩa là không có công nào được thực hiện (W = Fd cos 90° = 0). Vì vậy, từ trường có thể thay đổi hướng chuyển động của một hạt mang điện, nhưng không bao giờ thay đổi tốc độ của nó. Các hạt mang điện trong từ trường đều di chuyển theo vòng tròn — đây là nguyên lý đằng sau các máy gia tốc hạt như cyclotron.

Lực tác dụng lên dây dẫn có dòng điện

Một dây dẫn mang dòng điện thực chất chỉ là một tập hợp các điện tích đang chuyển động. Khi dây dẫn nằm trong từ trường, tất cả các điện tích đó đều chịu lực, và các lực này cộng lại thành một hợp lực tác dụng lên dây:

F = B · I · L · sin θ

Trong đó I là cường độ dòng điện, L là chiều dài đoạn dây nằm trong từ trường, và θ là góc giữa chiều dòng điện và B. Đây là điều làm cho động cơ điện hoạt động: đặt các vòng dây có dòng điện vào từ trường, và các lực sinh ra sẽ làm cho vòng dây quay tròn.

Cảm ứng điện từ — chiều ngược lại

Đây là một trong những khám phá bất ngờ và có ảnh hưởng nhất trong vật lý, do Michael Faraday và Joseph Henry độc lập tìm ra vào năm 1831: một từ trường biến thiên sẽ sinh ra dòng điện trong một dây dẫn ở gần. Không phải từ trường tĩnh — mà là từ trường ĐANG BIẾN THIÊN.

Phát biểu chính thức là định luật cảm ứng Faraday. Nói một cách định tính:

EMF cảm ứng tỉ lệ với tốc độ biến thiên của từ thông.

Từ thông (Φ) qua một vòng dây là số đo cho biết có bao nhiêu đường sức từ đi qua vòng đó. Từ thông biến đổi khi cường độ từ trường biến đổi, khi diện tích vòng dây biến đổi, hoặc khi góc giữa vòng dây và từ trường biến đổi. Bất kỳ điều nào trong ba điều đó cũng sẽ sinh ra dòng điện cảm ứng.

Nguyên lý này giải thích vì sao:

• Đưa một thanh nam châm lại gần hay ra xa một cuộn dây sẽ sinh ra dòng điện trong cuộn dây (từ thông biến thiên sinh ra EMF).
• Quay một cuộn dây trong từ trường sẽ sinh ra dòng điện xoay chiều — đây là nguyên lý hoạt động của mọi máy phát điện, từ đèn pin quay tay cho đến đập thủy điện.
• Một dòng điện xoay chiều trong một cuộn dây tạo ra từ trường biến thiên, và từ trường này lại sinh ra dòng điện trong một cuộn dây ở gần — nguyên lý hoạt động của máy biến áp.

Máy biến áp — tăng và giảm điện áp

Máy biến áp dùng hiện tượng cảm ứng điện từ để biến đổi điện áp xoay chiều từ mức này sang mức khác. Hai cuộn dây cùng bao quanh một lõi sắt: cuộn "sơ cấp" được cấp nguồn AC, từ trường biến thiên của nó cảm ứng một điện áp trong cuộn "thứ cấp". Tỉ số điện áp phụ thuộc vào tỉ số số vòng dây của mỗi cuộn:

V_p / V_s = N_p / N_s

Trong đó V_p và V_s là điện áp sơ cấp và thứ cấp, còn N_p và N_s là số vòng dây. Một máy biến áp có 100 vòng ở sơ cấp và 1000 vòng ở thứ cấp sẽ TĂNG điện áp lên 10 lần. Loại này gọi là máy biến áp tăng áp. Đảo lại, nó trở thành máy biến áp giảm áp.

Máy biến áp lý tưởng có hiệu suất 100% (loại thực tế đạt 95–98%), nên công suất được bảo toàn: V_p·I_p = V_s·I_s. Một máy biến áp tăng áp làm điện áp tăng gấp 10 sẽ làm dòng điện giảm 10 lần. Đó là lý do truyền tải điện đường dài dùng điện áp rất cao: V cao đồng nghĩa với I thấp, và hao phí do điện trở tỉ lệ với I²R. Các trạm biến áp địa phương sau đó hạ điện áp xuống mức phù hợp cho hộ gia đình.

Định luật Lenz — chiều của dòng điện cảm ứng

Định luật Faraday cho biết độ lớn của EMF cảm ứng; định luật Lenz cho biết chiều của nó. Quy tắc: dòng điện cảm ứng luôn chạy theo chiều chống lại sự biến thiên từ thông đã sinh ra nó. Đây cũng là một ví dụ khác của định luật bảo toàn năng lượng. Nếu biến thiên không chống lại chính mình, các em sẽ có năng lượng miễn phí — nhưng tự nhiên không hoạt động như vậy.

Ví dụ hằng ngày: đẩy một thanh nam châm lại gần cuộn dây, dòng điện cảm ứng trong cuộn sẽ tạo ra từ trường đẩy ngược lại thanh nam châm. Để tiếp tục đẩy nam châm về phía cuộn dây, các em phải sinh công — và công đó chuyển thành năng lượng điện được phát ra. Năng lượng miễn phí bị loại bỏ.

Động cơ và máy phát — hai mặt của cùng một thiết bị

Động cơ điện biến đổi năng lượng điện thành năng lượng cơ. Dòng điện chạy qua các vòng dây trong từ trường; các lực sinh ra làm các vòng dây quay. Chuyển động quay đó là đầu ra có ích.

Máy phát điện làm ngược lại. Đầu vào cơ học làm các vòng dây quay trong từ trường; từ thông biến thiên sinh ra sẽ cảm ứng dòng điện trong các vòng dây. Dòng điện đó chính là đầu ra có ích.

Hai thiết bị này giống hệt nhau về mặt vật lý: cùng cuộn dây, cùng nam châm, cùng trục. Chỉ khác nhau ở chiều dòng chảy năng lượng. Động cơ của một chiếc xe đang chạy có thể quay bánh xe; một chiếc xe lăn xuống dốc thì chính bánh xe đó quay máy phát và nạp lại pin. Mọi động cơ đều có thể đóng vai trò máy phát, và ngược lại.

Những chỗ học sinh thường mất điểm

• Giả định rằng lực từ tác dụng lên điện tích đứng yên. Không có chuyện đó. Chỉ điện tích đang chuyển động mới chịu lực từ.
• Nhầm điện trường với từ trường. Cả hai đều là trường vectơ, nhưng tác dụng lên các đối tượng khác nhau (E lên bất kỳ điện tích nào, B chỉ lên điện tích đang chuyển động).
• Áp dụng công thức máy biến áp cho DC. Máy biến áp cần từ thông BIẾN THIÊN. DC (dòng không đổi) không tạo ra từ trường biến thiên, nên không có cảm ứng và không có biến áp. Vì thế lưới điện dùng AC.
• Dùng quy tắc bàn tay trái thay cho bàn tay phải với điện tích dương. Quy ước là bàn tay phải cho điện tích dương; bàn tay trái chỉ dùng cho điện tích âm.
• Quên rằng dòng điện cảm ứng chống lại sự biến thiên. Định luật Lenz nghĩa là mỗi bài toán dòng cảm ứng đều cần một bước suy luận "chiều nào sẽ đẩy ngược lại sự biến thiên".

Bài toán mẫu — tỉ số máy biến áp

Một máy biến áp có 200 vòng ở cuộn sơ cấp và 800 vòng ở cuộn thứ cấp. Nếu đặt 120 V AC vào cuộn sơ cấp, điện áp ở cuộn thứ cấp là bao nhiêu?

Bước 1 — Áp dụng phương trình máy biến áp: V_s = V_p × (N_s / N_p).

Bước 2 — Thay số: V_s = 120 × (800/200) = 120 × 4 = 480 V.

Đây là máy biến áp tăng áp với hệ số 4×. Tương ứng, nếu biết dòng điện ở phía sơ cấp, dòng điện ở phía thứ cấp sẽ nhỏ hơn 4 lần (bảo toàn công suất).

Tự kiểm tra

1. Phát biểu quy tắc về các cực từ cùng loại và khác loại.
2. Vì sao một điện tích đứng yên không chịu lực trong từ trường?
3. Phát biểu định luật cảm ứng Faraday bằng lời của các em.
4. Giải thích vì sao máy biến áp cần dòng AC để hoạt động.
5. Mối quan hệ căn bản giữa máy phát và động cơ là gì?
6. Một máy biến áp có V_p = 240 V, N_p = 100 vòng và N_s = 25 vòng. Tìm V_s và xác định đó là máy tăng áp hay giảm áp.

(Đáp án câu #6: V_s = 240 × (25/100) = 60 V. Máy biến áp giảm áp.)

Luyện tập với các câu hỏi kiểu CBE

Các bài toán về từ trường và cảm ứng trong CBE thường kết hợp nhiều khái niệm — chuyển động của điện tích, lực tác dụng lên dây dẫn và từ thông biến thiên — với các bước tính số đơn giản. Các em hãy làm ngân hàng đề đã lọc theo chủ đề Từ trường & Cảm ứng Điện từ để có các câu hỏi kèm lời giải từng bước.

Nội dung luyện tập độc lập bám sát Texas Essential Knowledge and Skills (TEKS) §112.39(c)(5)(G). Không liên kết với TTU K-12, UT High School, UT-Austin, Texas Education Agency, hay bất kỳ đơn vị quản trị Credit by Examination nào. Texas CBE™ không tổ chức thi và không cấp tín chỉ học thuật.