Từ Trường và Lực Tác Dụng Trong Máy Gia Tốc Xiclôtrôn

Từ trường và lực tác dụng là hai khái niệm quan trọng trong vật lý, đặc biệt là trong lĩnh vực máy gia tốc xiclôtrôn. 160 trang · Trường đại học Rát-giơ.

• Trường học: Trường đại học Rát-giơ
• Chuyên ngành: Vật lý
• Đề tài: Từ Trường và Lực Tác Dụng Trong Máy Gia Tốc Xiclôtrôn
• Loại tài liệu: Nghiên cứu
• Địa điểm: Mĩ

Mục lục chi tiết

• 4. CHƯƠNG 4: Từ trường Máy gia tốc xiclôtrôn tại trường Đại học Rát-giơ (Mĩ)
• 4.1. Từ TRƯỜNG
• 4.1.1. Tương tác từ
• 4.1.2. Khái niệm từ trường
• 4.1.3. Điện tích chuyển động và từ trường
• 4.1.4. Tính chất cơ bản của từ trường
• 4.1.5. Cảm ứng từ
• 4.1.6. Đường sức từ
• 4.1.6.1. Định nghĩa
• 4.1.6.2. Các tính chất của đường sức từ
• 4.1.6.3. Từ phổ
• 4.1.7. Từ trường đều
• 4.2. Phương và chiều của lực từ tác dụng lên dòng điện
• 4.2.1. Lực từ tác dụng lên dòng điện
• 4.2.2. Thí nghiệm xác định lực từ tác dụng lên dòng điện
• 4.2.3. Phương của lực từ tác dụng lên dòng điện
• 4.2.4. Chiều của lực từ tác dụng lên dòng điện
• 4.3. Cảm ứng từ
• 4.3.1. Thí nghiệm
• 4.3.2. Nhận xét
• 4.3.3. Độ lớn của cảm ứng từ
• 4.3.4. Định luật Am-pe
• 4.3.5. Nguyên lí chống chất từ trường
• 4.4. Từ trường của một số dòng điện có dạng đơn giản
• 4.4.1. Từ trường của dòng điện thẳng
• 4.4.1.1. Thí nghiệm về từ phổ
• 4.4.1.2. Các đường sức từ
• 4.4.1.3. Chiều của các đường sức từ
• 4.4.1.4. Công thức tính cảm ứng từ
• 4.4.2. Từ trường của dòng điện tròn
• 4.4.2.1. Quy tắc cái đinh ốc
• 4.4.2.2. Thí nghiệm về từ phổ

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Từ Trường và Lực Tác Dụng Trong Máy Gia Tốc Xiclôtrôn

Từ trường và lực tác dụng là hai khái niệm quan trọng trong vật lý, đặc biệt là trong lĩnh vực máy gia tốc xiclôtrôn. Máy gia tốc xiclôtrôn sử dụng từ trường để điều khiển và gia tốc các hạt mang điện. Hiểu rõ về từ trường và lực tác dụng giúp tối ưu hóa hiệu suất của máy gia tốc này.

1.1. Khái Niệm Về Từ Trường Trong Vật Lý

Từ trường là một trường vật lý xung quanh một nam châm hoặc dòng điện, nơi mà lực từ tác dụng lên các hạt mang điện. Từ trường được đặc trưng bởi vectơ cảm ứng từ, ký hiệu là B.

1.2. Lực Tác Dụng Trong Máy Gia Tốc Xiclôtrôn

Lực tác dụng lên các hạt trong máy gia tốc xiclôtrôn được gọi là lực Lo-ren-xơ. Lực này có phương vuông góc với cả vectơ vận tốc của hạt và vectơ cảm ứng từ.

II. Vấn Đề và Thách Thức Trong Nghiên Cứu Từ Trường

Một trong những thách thức lớn trong nghiên cứu từ trường là việc xác định chính xác các yếu tố ảnh hưởng đến lực tác dụng lên hạt. Các yếu tố này bao gồm cường độ dòng điện, chiều dài đoạn dây dẫn và góc giữa dòng điện và đường sức từ.

2.1. Các Yếu Tố Ảnh Hưởng Đến Lực Tác Dụng

Lực từ tác dụng lên một đoạn dây dẫn trong từ trường đều tỉ lệ với cường độ dòng điện và chiều dài của đoạn dây. Điều này được mô tả qua công thức F = BILsinα.

2.2. Thách Thức Trong Việc Đo Lường Từ Trường

Việc đo lường và xác định độ lớn của từ trường trong máy gia tốc xiclôtrôn gặp nhiều khó khăn do sự biến đổi của cảm ứng từ trong không gian.

III. Phương Pháp Nghiên Cứu Từ Trường Trong Máy Gia Tốc

Để nghiên cứu từ trường trong máy gia tốc xiclôtrôn, các nhà khoa học sử dụng nhiều phương pháp khác nhau, bao gồm thí nghiệm thực nghiệm và mô phỏng máy tính.

3.1. Thí Nghiệm Về Từ Trường

Thí nghiệm sử dụng mạt sắt để xác định hình dạng và chiều của đường sức từ xung quanh dòng điện. Kết quả cho thấy các đường sức từ là các đường tròn đồng tâm.

3.2. Mô Phỏng Máy Tính Trong Nghiên Cứu

Mô phỏng máy tính giúp dự đoán hành vi của các hạt trong từ trường, từ đó tối ưu hóa thiết kế của máy gia tốc xiclôtrôn.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Của Máy Gia Tốc Xiclôtrôn

Máy gia tốc xiclôtrôn có nhiều ứng dụng trong nghiên cứu vật lý hạt nhân, y học và công nghệ. Việc hiểu rõ về từ trường và lực tác dụng giúp cải thiện hiệu suất của máy.

4.1. Ứng Dụng Trong Nghiên Cứu Vật Lý Hạt Nhân

Máy gia tốc xiclôtrôn được sử dụng để nghiên cứu cấu trúc của hạt nhân và các tương tác giữa các hạt.

4.2. Ứng Dụng Trong Y Học

Máy gia tốc xiclôtrôn cũng được ứng dụng trong y học để sản xuất các đồng vị phóng xạ dùng trong chẩn đoán và điều trị bệnh.

V. Kết Luận và Tương Lai Của Nghiên Cứu Từ Trường

Nghiên cứu về từ trường và lực tác dụng trong máy gia tốc xiclôtrôn vẫn đang tiếp tục phát triển. Các công nghệ mới và phương pháp nghiên cứu sẽ mở ra nhiều cơ hội mới trong lĩnh vực này.

5.1. Tương Lai Của Máy Gia Tốc Xiclôtrôn

Với sự phát triển của công nghệ, máy gia tốc xiclôtrôn sẽ ngày càng mạnh mẽ và hiệu quả hơn, mở ra nhiều khả năng nghiên cứu mới.

5.2. Hướng Nghiên Cứu Mới

Các nghiên cứu mới sẽ tập trung vào việc tối ưu hóa từ trường và lực tác dụng để nâng cao hiệu suất của máy gia tốc xiclôtrôn.

Nội dung chính

Tổng quan về giáo trình

Giáo trình cung cấp hệ thống kiến thức nền tảng về Điện từ học trong chương trình đào tạo Vật lý đại cương, đóng vai trò là học phần cơ sở bắt buộc cho sinh viên thuộc các khối ngành Khoa học Tự nhiên, Sư phạm Vật lý và Kỹ thuật - Công nghệ. Tài liệu tập trung khảo sát bản chất của từ trường tĩnh, tương tác từ, các quy luật chuyển động của hạt mang điện trong từ trường, tính chất từ của vật chất và hiện tượng địa từ học, đồng thời thiết lập mối liên hệ chuyển tiếp sang chương Cảm ứng điện từ.

Mục tiêu đào tạo của giáo trình hướng đến việc trang bị cho người học năng lực mô tả định tính và tính toán định lượng các đại lượng đặc trưng của từ trường (vectơ cảm ứng từ $\vec{B}$, từ thông $\Phi$, lực từ Am-pe, lực Lo-ren-xơ, mômen ngẫu lực từ). Về mặt tiếp cận, tài liệu kết hợp phương pháp quy nạp thực nghiệm và diễn dịch lý thuyết: bắt đầu từ các hiện tượng tự nhiên và thí nghiệm kinh điển (thí nghiệm Oersted, thí nghiệm chùm tia catôt trong cuộn dây Hem-hôn), khái quát hóa thành các định luật vật lý giải tích, và kết thúc bằng việc giải thích nguyên lý vận hành của các thiết bị kỹ thuật như máy gia tốc xiclôtrôn, động cơ điện một chiều, điện kế khung quay và hệ thống ghi âm từ tính.

Cấu trúc giáo trình thể hiện tính mạch lạc sư phạm thông qua việc tích hợp song song các phần suy luận toán lý, hình vẽ minh họa cấu hình đường sức từ, bảng tra cứu thông số thực tế, hệ thống câu hỏi củng cố khái niệm, bài tập giải mẫu và bài thực hành phòng thí nghiệm chuẩn hóa.

---

Nội dung kiến thức cốt lõi

Các chương/chủ đề chính

Nội dung trích xuất từ giáo trình bao quát các chủ đề trọng tâm của phần Từ trường và dẫn nhập Cảm ứng điện từ:

• Chủ đề 1: Đại cương về từ trường và vectơ cảm ứng từ
  Khảo sát tương tác giữa nam châm với nam châm, giữa dòng điện với nam châm (thí nghiệm Oersted năm 1820) và giữa hai dòng điện. Thiết lập khái niệm từ trường như một dạng vật chất bao quanh điện tích chuyển động. Định nghĩa vectơ cảm ứng từ $\vec{B}$, quy ước chiều từ cực Nam (S) sang cực Bắc (N) của nam châm thử, cùng khái niệm đường sức từ và từ trường đều.
• Chủ đề 2: Lực từ tác dụng lên đoạn dòng điện (Định luật Am-pe)
  Khảo sát thực nghiệm về sự phụ thuộc của lực từ vào góc lệch $\alpha$, cường độ dòng điện $I$, chiều dài đoạn dây $l$ và độ lớn cảm ứng từ $B$. Xác lập biểu thức định luật Am-pe: $$F = BIl\sin\alpha$$ Xác định phương (vuông góc với mặt phẳng chứa đoạn dòng điện và vectơ $\vec{B}$) và chiều của lực theo quy tắc bàn tay trái.
• Chủ đề 3: Từ trường của các cấu hình dòng điện đơn giản và Nguyên lý chồng chất
  Xây dựng công thức tính toán cảm ứng từ trong không khí cho ba dạng mạch chuẩn:
  • Dòng điện thẳng dài vô hạn: $B = 2\cdot 10^{-7} \frac{I}{r}$ (xác định chiều đường sức bằng quy tắc nắm tay phải hoặc quy tắc cái đinh ốc).
  • Dòng điện tròn bán kính $R$ gồm $N$ vòng: $B = 2\pi\cdot 10^{-7} \frac{NI}{R}$.
  • Ống dây hình trụ dài chiều dài $l$, gồm $n$ vòng trên một đơn vị dài: $B = 4\pi\cdot 10^{-7} nI$.
    Thiết lập nguyên lý chồng chất từ trường cho hệ nhiều nguồn: $\vec{B} = \sum_{i=1}^n \vec{B}_i$.
• Chủ đề 4: Tương tác giữa hai dòng điện thẳng song song và Định nghĩa đơn vị Ampe
  Tính toán lực từ tương hỗ trên một đơn vị chiều dài giữa hai dòng điện song song cách nhau khoảng $r$: $$\frac{F}{l} = 2\cdot 10^{-7} \frac{I_1 I_2}{r}$$ Trình bày cơ sở xác lập đơn vị cường độ dòng điện cơ bản (Ampe) trong hệ đo lường quốc tế SI.
• Chủ đề 5: Lực Lo-ren-xơ và Chuyển động của hạt tích điện
  Xác lập công thức lực từ tác dụng lên hạt mang điện chuyển động với vận tốc $\vec{v}$: $$f = |q|vB\sin\alpha$$ Khảo sát quỹ đạo tròn của electron trong từ trường đều với bán kính hướng tâm $R = \frac{mv}{|q|B}$, nguyên lý lái chùm điện tử trong ống phóng CRT, giải thích hiệu ứng Hall (Hôn) trong kim loại/bán dẫn và nguyên lý gia tốc hạt trong máy xiclôtrôn.
• Chủ đề 6: Khung dây mang dòng trong từ trường và Ứng dụng cơ điện
  Khảo sát mômen ngẫu lực từ tác dụng lên khung dây kín có diện tích $S$: $$M = IBS\sin\theta$$ (với $\theta$ là góc giữa vectơ cảm ứng từ $\vec{B}$ và vectơ pháp tuyến $\vec{n}$). Ứng dụng trong cơ cấu động cơ điện một chiều và cơ cấu đo điện kế khung quay.
• Chủ đề 7: Tính chất từ của vật chất và Hiện tượng từ trễ
  Phân loại vật liệu từ thành chất nghịch từ, thuận từ và sắt từ (sắt, niken, côban, gađôlini). Giải thích miền từ hóa tự nhiên, nhiệt độ Curie, khái niệm từ dư $B_r$, từ trường kháng từ $-B_0$ và chu trình từ trễ ứng dụng trong kỹ thuật chế tạo nam châm vĩnh cửu, nam châm điện và thiết bị ghi âm từ tính.
• Chủ đề 8: Từ trường Trái Đất và Dẫn nhập Cảm ứng điện từ
  Mô tả các đại lượng địa từ: độ từ thiên $D$, độ từ khuynh $I$, bão từ và các vùng dị thường từ. Mở đầu chương Cảm ứng điện từ với định nghĩa từ thông: $$\Phi = BScos\alpha$$

Kiến thức nền tảng được xây dựng

1. Bản chất trường xoáy của từ trường: Giáo trình phân biệt rõ ranh giới giữa điện trường tĩnh (trường thế, đường sức hở bắt đầu từ điện tích dương và kết thúc ở điện tích âm) và từ trường (trường xoáy, các đường sức từ là những đường cong khép kín hoặc vô hạn ở hai đầu).
2. Mối liên hệ vi mô - vĩ mô: Giải thích lực Am-pe vĩ mô là tổng hợp của các lực Lo-ren-xơ vi mô tác dụng lên các hạt mang điện chuyển động có hướng bên trong vật dẫn ($F = N \cdot f$).
3. Hệ thống các quy tắc hình học không gian: Chuẩn hóa quy tắc bàn tay trái (xác định lực Am-pe, lực Lo-ren-xơ cho hạt tích điện dương/âm), quy tắc nắm tay phải và quy tắc đinh ốc thuận (xác định chiều đường sức từ của dòng điện thẳng, dòng điện tròn, ống dây và vectơ pháp tuyến mặt phẳng khung dây).

Kỹ năng phát triển

• Kỹ năng phân tích vectơ và hình học giải tích: Biểu diễn hình học không gian 3 chiều đối với các vectơ $\vec{B}$, $\vec{F}$, $\vec{v}$, $\vec{n}$; giải các bài toán cân bằng cơ - từ (đoạn dây treo trong từ trường chịu tác dụng đồng thời của trọng lực $\vec{P}$, lực căng dây $\vec{T}$ và lực từ $\vec{F}$).
• Kỹ năng giải bài toán chuyển động hạt tích điện: Thiết lập phương trình động lực học hạt mang điện chuyển động trong từ trường đều dưới tác dụng của lực hướng tâm Lo-ren-xơ, tính toán bán kính quỹ đạo $R = \frac{mv}{|q|B} = \frac{1}{B}\sqrt{\frac{2mU}{|q|}}$ sau khi được tăng tốc bởi hiệu điện thế $U$.
• Kỹ năng thực nghiệm vật lý: Khai thác bố trí thí nghiệm la bàn tang (điện kế tang) để đo thành phần nằm ngang của từ trường Trái Đất $B_T$, xử lý sai số thống kê và đánh giá độ chính xác của phép đo.

---

Phương pháp giảng dạy và học tập

Giáo trình áp dụng mô hình sư phạm thực nghiệm kết hợp giải tích toán lý chặt chẽ. Tiến trình giảng dạy mỗi chủ đề được tổ chức theo chu trình khép kín:

1. Dẫn nhập bằng thí nghiệm và số liệu đo: Ví dụ, để xây dựng định luật Am-pe, giáo trình đưa ra bảng số liệu thực nghiệm đo lực từ $F$ khi thay đổi lần lượt $I$, $l$, $\alpha$ (Bảng 28.1, 28.2, 28.3), từ đó chỉ ra tỷ số $\frac{F}{I \cdot l \cdot \sin\alpha} = \text{const}$ trước khi đưa ra định nghĩa cảm ứng từ $B$.
2. Hệ thống bài tập phân tầng:
   • Câu hỏi định tính củng cố: Yêu cầu vẽ đường sức từ, xác định tên cực từ ống dây, giải thích chiều quay của khung dây hoặc giải thích hiện tượng cực quang, cơ chế định hướng của chim di trú.
   • Bài tập trắc nghiệm khái niệm: Tập trung vào các bẫy tư duy (ví dụ: hạt chuyển động tròn trong từ trường thì quỹ đạo tròn có phải là đường sức từ không; lực từ có sinh công khi làm đổi hướng vận tốc hạt không).
   • Bài toán tự luận giải tích: Yêu cầu lập biểu thức tổng hợp từ trường tại tâm hai vòng tròn đồng quy đặt vuông góc nhau, tính hiệu điện thế đặt vào ống dây dựa trên đường kính dây $d$ và điện trở suất $\rho$ của đồng: $$U = \frac{\rho \cdot l \cdot B}{\pi \cdot 10^{-7} \cdot d}$$
3. Hướng dẫn thực hành phòng lab: Cung cấp quy trình chi tiết cho bài thực hành Xác định thành phần nằm ngang của từ trường Trái Đất:
   • Dụng cụ: La bàn tang (các cuộn dây $N = 100, 200, 300$ vòng, đường kính $d = 160\text{ mm}$), máy đo điện đa năng hiện số, nguồn điện một chiều $6\text{V} - 150\text{mA}$.
   • Công thức thực nghiệm: $B_T = 2\pi \cdot 10^{-7} \frac{N I}{R \tan\beta} = 4\pi \cdot 10^{-7} \frac{N I}{d \tan\beta}$.
   • Quy trình đảo chiều dòng điện để triệt tiêu sai số định vị ban đầu, tính giá trị trung bình $\bar{I} = \frac{I' + I''}{2}$ khi góc lệch kim chỉ thị $\beta = 45^\circ$.

---

Điểm nổi bật và cập nhật

• Tính gắn kết kỹ thuật thực tiễn: Giáo trình không dừng lại ở mức độ lý thuyết thuần túy mà phân tích cấu tạo và nguyên lý của nhiều thiết bị kỹ thuật hiện đại:
  • Máy gia tốc xiclôtrôn: Cơ chế tăng tốc hạt tích điện trong hai hộp rỗng chữ D nhờ sự phối hợp giữa điện trường xoay chiều tần số cao và từ trường đều vuông góc mặt hộp; giới hạn năng lượng do hiệu ứng khối lượng tương đối tính.
  • Tàu biển Ya-ma-tô: Ứng dụng lực từ Am-pe tác dụng lên dòng điện trong nước biển tạo phản lực đẩy tàu chuyển động mà không dùng chân vịt cơ học.
  • Ống phóng điện tử (CRT): Hệ thống hai cặp cuộn dây tạo từ trường vuông góc để lái chùm tia catôt quét trên màn hình hiển thị.
  • Thiết bị ghi đọc âm thanh: Cấu trúc đầu ghi (nam châm điện có khe từ hẹp làm bằng sắt từ mềm) và băng từ (lớp nền nhựa phủ bột sắt từ cứng oxit sắt).
• Lịch sử và Chuẩn hóa Đo lường học: Cung cấp chuyên đề bổ trợ về lịch sử định nghĩa đơn vị Ampe trong hệ SI: từ định nghĩa điện phân dung dịch bạc nitrat $\text{AgNO}_3$ (năm 1893 tại Chicago và 1908 tại Luân Đôn giải phóng $0{,}0011800\text{ g}$ Ag/s) đến định nghĩa chuẩn hóa năm 1948 dựa trên lực tương tác giữa hai dây dẫn thẳng song song đặt cách nhau $1\text{ m}$ trong chân không sinh ra lực $2 \cdot 10^{-7}\text{ N/m}$.
• Tích hợp dữ liệu Địa vật lý và Khoáng sản Việt Nam: Cung cấp thông số địa từ cụ thể tại các địa phương (độ từ khuynh $I$ tại Cà Mau $I = 0^\circ$, Vĩnh Linh $I = +18^\circ22'$, Đồng Văn $I = +31^\circ52'$) và phân tích các vùng dị thường từ liên quan đến quặng sắt tại Thạch Khê (Hà Tĩnh), Nà Dụa (Cao Bằng), Tòng Bá (Hà Giang).

Vật liệu từ	Nhiệt độ Curie ($T_C$)	Ứng dụng kỹ thuật chính
Sắt (Fe)	$773^\circ\text{C}$	Lõi biến áp, nam châm điện, đầu từ
Niken (Ni)	$358^\circ\text{C}$	Hợp kim từ mềm, màng mỏng từ
Côban (Co)	$1331^\circ\text{C}$	Nam châm vĩnh cửu nhiệt độ cao
Gađôlini (Gd)	$16^\circ\text{C}$	Cảm biến từ nhiệt, thiết bị từ tính dải hẹp

---

Đối tượng sử dụng giáo trình

• Sinh viên đại học:
  • Sinh viên năm thứ nhất và năm thứ hai các ngành Vật lý học, Sư phạm Vật lý, Kỹ thuật Điện - Điện tử, Cơ điện tử, Vật lý kỹ thuật, Kỹ thuật Hạt nhân và Khoa học Trái đất/Địa chất.
• Điều kiện tiên quyết (Prerequisites):
  • Kiến thức Cơ học đại cương: Động lực học chất điểm (lực hướng tâm, định luật II Newton), Mômen lực và điều kiện cân bằng của vật rắn.
  • Kiến thức Điện học: Điện trường, điện tích, định luật Coulomb, dòng điện không đổi, định luật Ohm cho đoạn mạch.
  • Toán học bổ trợ: Giải tích vectơ (tích vô hướng, tích có hướng), hình học giải tích không gian, giải hệ phương trình tuyến tính và vi phân cơ bản.
• Giảng viên và Nghiên cứu sinh: Sử dụng làm đề cương tham chiếu để thiết kế bài giảng lý thuyết, biên soạn hệ thống bài tập đánh giá năng lực và xây dựng giáo án thực hành chuẩn hóa cho phòng thí nghiệm Vật lý đại cương.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Giáo trình này phù hợp với đối tượng người học nào?

Giáo trình được biên soạn phục vụ cho sinh viên đại học khối ngành khoa học tự nhiên, sư phạm kỹ thuật và kỹ thuật công nghệ cần nắm vững nền tảng Điện từ học cổ điển trước khi bước vào các học phần chuyên ngành như Điện động lực học, Lý thuyết trường điện từ, Vật liệu từ hoặc Kỹ thuật đo lường điện.

2. Người học cần chuẩn bị kiến thức nền tảng gì trước khi tiếp cận tài liệu?

Người học cần hoàn thành học phần Cơ học đại cương (đặc biệt là chuyển động tròn đều, lực hướng tâm và mômen lực) và Điện học tĩnh điện, cùng với kỹ năng xử lý đại số vectơ (phép nhân vectơ có hướng, phép chiếu vectơ lên hệ trục tọa độ).

3. Điểm khác biệt của giáo trình này so với các tài liệu khác là gì?

Tài liệu tập trung gắn kết chặt chẽ giữa suy luận công thức giải tích với các mô hình ứng dụng công nghệ thực tế (máy xiclôtrôn, tàu đệm từ, đầu ghi đọc âm thanh) và cung cấp các dữ liệu thực địa về địa từ học tại Việt Nam, thay vì chỉ trình bày thuần túy các biểu thức toán học trừu tượng.

4. Phương pháp tự học giáo trình này như thế nào để đạt hiệu quả cao nhất?

Người học nên bám sát trình tự: (1) Phân tích các mô hình thí nghiệm dẫn nhập để hiểu rõ bản chất vật lý; (2) Tự thiết lập lại các công thức tính toán cảm ứng từ cho ba dạng dòng điện đơn giản; (3) Vẽ hình biểu diễn đúng quy tắc bàn tay trái và nắm tay phải; (4) Giải toàn bộ các bài tập phân tích lực tổng hợp và bài tập liên quan đến mômen khung dây.

5. Giáo trình có tích hợp bài tập thực hành phòng thí nghiệm không?

Có. Giáo trình tích hợp bài thực hành chi tiết về phương pháp đo thành phần nằm ngang của từ trường Trái Đất ($B_T$) bằng la bàn tang, bao gồm sơ đồ mạch điện, bảng thu thập số liệu, kỹ thuật đảo dòng để loại bỏ sai số và công thức tính sai số thực nghiệm đầy đủ.

---

Kết luận

Giáo trình cung cấp một hệ thống lý thuyết chuẩn mực và hoàn chỉnh về từ học cổ điển, liên kết chặt chẽ giữa các quy luật vi mô của hạt mang điện và các biểu hiện cơ - từ vĩ mô. Thông qua việc phân tích từ các thí nghiệm bản lề đến các ứng dụng kỹ thuật công nghệ cao như máy gia tốc hạt và vật liệu từ tính, tài liệu tạo tiền đề trực tiếp để người học tiếp tục nghiên cứu sâu hơn về hiện tượng Cảm ứng điện từ, Hệ phương trình Maxwell và Trường điện từ biến thiên trong các giai đoạn đào tạo tiếp theo.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG IV Từ trường Máy gia tốc xiclôtrôn tại trường Đại học Rát-giơ (Mĩ). Chương này trình bày những vấn đế về lực từ tác dụng lên một đoạn dòng điện thẳng, lực từ tác dụng lên một hạt mang điện chuyển động (lực Lo-ren-xơ), quy tắc bàn tay trái xác định chiều của lực từ, từ trường của dòng điện thẳng, dòng điện tròn, dòng điện trong ống dây và các quy tắc xác định chiêu của các đường sức từ trong các trường hợp nói trên. 135 Từ TRƯỜNG 1. Tương tác từ a) Cực của nam châm Các nam châm mà ta thường gặp có hai cực, một cực gọi là cực Bắc, kí hiệu là N, cực kia gọi là cực Nam, kí hiệu là s.

Trong thực tế, ta còn gặp những nam châm có số cực lớn hơn 2. Nhưng không có nam châm nào mà số cực là một số lẻ. Ơ-XTÉT (Hans Christian Oersted, b) Thí nghiệm về tương tác từ 1777 - 1851, nhà vật li người Đan Mạch) • Đưa hai cực cùng tên của hai nam châm lại gần Bác nhau thì chúng đẩy nhau (Hình 26.la), hai cực khác tên gần nhau thì chúng hút nhau (Hình 26. • Thí nghiệm ơ-xtét Năm 1820, ơ-xtét đã làm một thí nghiệm được mô tả như trên Hình 26.

Thí nghiệm đó cho thấy dòng điện cũng tác dụng lực lên nam châm. Thí nghiệm ơ-xtét có ý nghĩa quan trọng đặc biệt, nó chì ra rằng dòng điện và nam châm có mối Hình 26.1 Thí nghiệm về tương tác liên hệ chặt chẽ. giữa nam châm với nam châm. • Bố trí thí nghiệm như trên Hình 26.

Thí nghiệm này cho thấy hai dòng điện cũng tương tác với nhau. e a Tương tác giữa nam châm với nam châm, Hình 26.2 Thí nghiệm ơ-xtét. giữa dòng điện với nam châm và giữa dòng điện với dòng điện đều gọi là tương tác từ. Lực tương Dây dẫn nằm theo hướng Bắc - Nam.

Đường nét đứt biểu thị vị trí kim nam tác trong các trường hợp đó gọi là lực từ. châm trước khi cho dòng điện qua dây dẫn. (1) Trong sách này ta quy ước ở các hình vẽ : cực Nam (S) của nam châm màu nhạt, cực Bắc (AO màu đậm. Từ trường a) Khái niệm từ trường Một kim nam châm nhỏ ở gần một thanh nam châm hay một dòng điện, thì có lực từ tác dụng lên kim nam châm.

Ta nói, xung quanh thanh nam châm hay xung quanh dòng điện có từ trường. b) Điện tích chuvền động và từ trường Xung quanh dòng điện có từ trường.3 Tương tác giữa hai dòng điện. dòng điện là do sự chuyên động có hướng của a) Hai dây dẫn khi chưa có dòng các điện tích tạo thành. Vì vậy có thể suy ra là từ điện, b) Hai dòng điện cùng chiều, trường của dòng điện thực chất là từ trường của các hai dây hút nhau, c) Hai dòng điện ngược chiều, hai dây đẩy nhau.

điện tích chuyển động tạo thành dòng điện đó. Ta đã biết xung quanh một điện Hiện nay lí thuyết và thực nghiệm đã chứng tỏ rằng tích có điện trường. Vậy xung quanh xung quanh điện tích chuyên động có từ trường. m ột điện tích chuyển động vừa có điện trường, vừa có từ trường.

c) Tính chất cơ bản của từ trường Tính chất cơ bản của từ trường là nó gây ra lực từ tác dụng lên một nam châm hay một dòng điện đặt trong nó. Kim nam châm nhỏ dùng để phát hiện từ trường được gọi là nam châm thử. d) Cảm ứng từ Để đặc trưng cho từ trường về mặt gây ra lực từ, ta đưa vào một đại lượng vectơ gọi là cảm ứng từ và kí hiệu là B. Khi nam châm thử nằm cân bằng ở Hình 26.4 Hai nam châm tròn đẩy các điểm khác nhau trong từ trường thì nói chung nhau.

nó định hướng theo các phương khác nhau. Điều đó gợi ý ta coi phương của nam châm thử nằm cân H I Hãy chỉ ra các cực của các bằng tại một điểm trong từ trường là phương của nam châm trong Hình 26. vectơ cảm ứng từ B của từ trường tại điểm đó. Ta quy ước lấy chiều từ cực Nam sang cực Bắc m Coi kím nam châm trong của nam châm thử là chiều của B.

các thí nghiệm ở Hình 2 6 .2 là nam châm thử. Hãy nói rõ Xét một đoạn dòng điện ngắn được đặt tại hai phương và chiều của vectơ cảm điểm khác nhau trong từ trường. Ta thừa nhận rằng ứng từ B tại điểm đặt kim nam lực từ tác dụng lên đoạn dòng điện ở điểm nào lớn châm ở các hình đó. hơn thì cảm ứng từ tại điểm đó lớn hơn.

Đường sức từ a) Định nghĩa Ta vẽ một đường trong từ trường sao cho khi một nam châm thử nằm cân bằng tại điểm bất kì của đường, thì nó nằm trên tiếp tuyến với đường vừa vẽ tại điểm đang xét. Ngoài ra, ta quy ước lấy chiều từ cực Nam sang cực Bắc của nam châm thử là chiều của đường đó. Đường vừa vẽ sau khi đã xác định chiều theo quy ước trên gọi là đường sức từ. Vậy : Đường sức từ là đường được vẽ trong từ trường sao Hình 26.5 Đường sức từ của một sổ cho tiếp tuyến tại bất kì điểm nào trên đường cũng nam châm.

trùng với phương của vectơ cảm ứng từ tại điểm đó. Tuy nhiên, tương tự như đường sức điện, đường sức từ cũng được coi là đường có chiều xác định.5a, b, c vẽ các đường sức từ của một nam châm và đường sức từ của từ trường giữa hai cực của hai thanh nam châm đặt gần nhau. b) Các tính chất của đường sức từ Các đường sức từ có những tính chất sau : • Tại mỗi điểm trong từ trường, có thể vẽ được một đường sức từ đi qua và chỉ một mà thôi. • Các đường sức từ là những đường cong kín.

Do đó, người ta nói từ trường là một trường xoáy. Trong trường hợp nam châm, ở ngoài nam châm các đường sức từ đi ra từ cực Bắc, đi vào ở cực Nam của nam châm. • Nơi nào cảm ứng từ lớn hơn thì các đường sức từ ở đó vẽ mau hơn (dày hơn), nơi nào cẩm ứng từ nhỏ hơn thì các đường sức từ ở đó vẽ thưa hơn. c) Từ phổ Dùng mạt sắt rắc đều lên một tấm kính đặt trên nam châm, gõ nhẹ tấm kính ta nhận được từ phổ của nam châm.6 là từ phổ của một số nam châm.6a, b, c là từ phổ của một thanh nam châm và từ phổ của từ trường giữa hai cực của hai thanh nam châm đặt gần nhau.

Đường sức từ vẽ trong các hình 26.5a, b, c tương ứng với các từ phổ đó. Từ trường đều Một từ trường mà cảm ứng từ tại mọi điểm đều bằng nhau gọi là từ trường đều. Theo tính chất của đường sức từ, ta suy ra các đường sức của từ trường đều là các đường thẳng song song và cách đều nhau.7 cho biết từ phổ của một nam châm hình chữ ư. Các “đường mạt sắt” ở giữa hai cực của nam châm hình chữ u là các đường gần như song song với nhau và cách nhau khá đều.

Từ đó, ta có thể coi từ trường trong khoảng giữa hai cực của nam Hình 26.6 Từ phổ của một số châm hình chữ u là từ trường đều. Đường sức của nam châm. từ trường này được vẽ trên Hình 26.8 Đường sức từ của nam châm hình chữ u. Trong khoảng giữa hai cực, các đường sức từ song song với nhau và cách đều nhau.

Hãy nêu một thí nghiệm chứng tỏ rằng xung quanh dòng điện có từ trường. Hãy nêu đặc tính cơ bản của từ trường. Hãy trình bày cách tạo ra từ phổ. Đường sức từ là gì ? Độ mau hay thưa của các đường sức từ tại một nơi cố liên hệ như thế nào với cảm ứng từ tại nơi đó ? 5.

Hãy nêu tính chất của các đường sức từ. Từ trường đều là gì ? Khi vẽ các đường sức của từ trường đều có gì cần chú ý ? BÀI TẬP 1. Chọn câu sai. Tương tác giữa dòng điện với dòng điện là tương tác từ.

Cảm ứng từ đặc trưng cho từ trường về mặt gây ra lực từ. Xung quanh một điện tích đứng yên có điện trường và từ trường. Ta chỉ có thể vẽ được một đường sức từ đi qua mỗi điểm trong từ trường. Hãy chỉ ra đúng, sai trong các câu sau.

Các đường mạt sắt của từ phổ cho biết dạng các đường sức từ. Các đường sức của từ trường đều có thể là các đường cong cách đều nhau, □ □ c. Nói chung các đường sức điện thl không kín, còn các đường sức từ là các đường cong kín. Một hạt mang điện chuyển động theo quỹ đạo tròn trong từ trường thì quỹ □ □ đạo đó là một đường sức từ của từ trường.

Theo truyền thuyết thì do tình cờ người ta phát hiện ra một loại đá có thể hút được sắt. Nơi phát hiện ra loại đá đó là vùng núi M a-nhê-di-a ở Đông Bắc Hi Lạp. Do đó người ta gọi tên loại đá đó là magnit. Vào thời kì đó “đá” hút được sắt là điều hết sức kì lạ.

Vì thế đã có biết bao nhiêu chuyện huyền bí và cả thần bí gắn với magnit. Ngày nay người ta biết loại đá đó là ôxit sắt. Theo tài liệu cổ chúng ta biết rằng, người châu Âu đã biết dùng la bàn từ rất sớm. Trong một tài liệu xuất bản vào cuối thế kỉ XII có viết rằng, ở thời kì đó những người đi biển đã dùng một chiếc kim luôn luôn chỉ về hướng Bắc để giúp họ xác định phương hướng.

Tuy nhiên, có nhiều người cho rằng người Trung Quốc biết dùng la bàn để tìm phương hướng còn sớm hơn nhiều, có thể là từ thế kỉ V, thậm chí còn có thể là từ trước công nguyên. Tên gọi "nam châm " trong tiếng Việt là m ột từ Hán - Việt có nghĩa là kim chỉ phương Nam. 140 P h ư ơ n g v à c h iề u c ủ a lực t ừ TÁC DỤNG LÊN DÒNG ĐIỆN Lực mà từ trường tác dụng lên nam châm hay lên dòng điện đều gọi là lực từ. Trong bài này ta sẽ khảo sát phuong và chiều của lục từ tác dụng lên dòng điện.

Lục từ tác dụng lên dòng điện còn đuọc gọi là lục Am-pe. Thí nghiệm xác định lực từ tác dụng lên dòng điẹn Bố trí thí nghiệm như ở Hình 27. Tàu biển Ya-ma-tô, Trong thí nghiệm, dùng một nam châm điện hình con tàu thí nghiệm dùng lực từ. Mặt phẳng khung dây được đặt vuông góc với đường sức từ của nam châm.

Cạnh AB của khung nằm ngang và chỉ vừa chạm vào khoảng không gian giữa hai cực của nam châm hình chữ u.