MỤC TIÊU
Chế tạo được nam châm điện đơn giản và làm thay đổi được từ trường của nó bằng cách thay đổi dòng điện.
TÓM TẮT KIẾN THỨC
💡 Mở đầu
Một số cần cẩu dùng lực từ có thể nhấc được các vật nặng hàng chục tấn bằng sắt, thép lên cao. Có phải chúng hoạt động nhờ nam châm vĩnh cửu không?
Một số cần cẩu dùng lực từ có thể nhấc được các vật nặng hàng chục tấn bằng sắt, thép lên cao. Chúng hoạt động nhờ nam châm điện.
1. NAM CH M ĐIỆN
Thí nghiệm về nam châm điện
➲ Chuẩn bị: Dây dẫn điện (đường kính khoảng 0,5 mm) có vỏ cách điện, một đinh vít đường kính khoảng 0,3 – 0,6 cm, hộp đựng hai viên pin 1,5 V, công tắc và các kẹp giấy bằng sắt.
➲ Tiến hành thí nghiệm:
- Bước 1: Quấn dây dẫn điện xung quanh đinh vít, khoảng 40 – 60 vòng.
- Bước 2: Nối hai đầu dây dẫn với hai cực của pin. Bật công tắc và đưa đinh vít đến gần kẹp giấy (Hình 21.1).
- Bước 3: Ngắt công tắc.
❖ Ghi chú: Khi bật công tắc, trong mạch xuất hiện dòng điện đi từ cực dương của pin, qua cuộn dây và đi vào cực âm của pin.
✍️ CHÚ Ý
- Chỉ làm thí nghiệm với nguồn điện là pin (từ 1,5 V đến 6 V), không làm với các nguồn điện có hiệu điện thế lớn hơn.
- Chỉ nối dậy với nguồn điện khi trong cuộn dây có lõi đinh vít.
👨👩👧👦 Thảo luận
1. Mô tả hiện tượng xảy ra giữa đinh vít và các kẹp giấy trong hai trường hợp có dòng điện và không có dòng điện đi qua cuộn dây.
Hiện tượng xảy ra giữa đinh vít và các kẹp giấy trong hai trường hợp:
- Khi có dòng điện: đinh vít hút các kẹp giấy.
- Khi không có dòng điện: giữa đinh vít và kẹp giấy không xảy ra hiện tượng gì.
👨👩👧👦 Thảo luận
2. Nếu xem đinh vít trở thành nam châm khi có dòng điện đi qua cuộn dây, làm thế nào để xác định các cực của nam châm này (Hình 21.1)?
- Cách xác định:
+ Dùng một kim nam châm thử đã được xác định các cực.
+ Đưa một cực của kim nam châm lại gần một đầu của chiếc đinh vít, nếu chúng hút nhau thì có thể xác định được cực đó của đinh vít khác cực với kim nam châm.
+ Từ đó xác định được cực còn lại.
- Ví dụ: đưa cực bắc (N) của kim nam châm lại gần đầu bên phải của đinh vít, nếu chúng hút nhau thì đầu bên phải của đinh vít là cực nam (S) và đầu còn lại của đinh vít là cực bắc (N). Ngược lại nếu chúng đẩy nhau thì cực của đinh vít là cực bắc (N), cực còn lại là cực nam (S).
👨👩👧👦 Thảo luận
3. Vì sao khi ngắt dòng điện, đinh vít không còn hút các kẹp giấy?
Khi ngắt dòng điện, đinh vít không còn hút các kẹp giấy vì nó đã mất đi từ tính, không có khả năng hút được các vật làm từ sắt, thép,... nữa.
✍️ Ghi nhớ
• Nam châm điện gồm một ống dây dẫn bên trong có lõi sắt.
• Khi có dòng điện đi qua, lõi sắt trở thành nam châm và có khả năng hút các vật bằng sắt, thép, ...
2. ẢNH HƯỞNG CỦA DÒNG ĐIỆN ĐẾN TỪ TRƯỜNG CỦA NAM CH M ĐIỆN
2.1. Khảo sát ảnh hưởng của độ lớn dòng điện đến từ trường của nam châm điện
Lặp lại thí nghiệm Hình 21.1 nhưng tăng độ lớn của dòng điện bằng cách ghép hai viên pin nối tiếp nhau như Hình 21.2.
👨👩👧👦 Thảo luận
4. Quan sát Hình 21.2, ta có thể kết luận gì về lực từ và từ trường của nam châm điện khi sử dụng hai viên pin thay vì một viên pin?
Khi sử dụng hai viên pin thay cho một viên pin, độ lớn dòng điện tăng làm lực từ và từ trường của nam châm điện càng mạnh, chúng sẽ hút được càng nhiều chiếc kẹp giấy.
📝 Củng cố
Giải thích vì sao chiếc cần cẩu đã nêu ở đầu bài học có thể tạo ra lực từ mạnh.
Chiếc cần cẩu sử dụng nam châm điện, có thể tạo ra lực mạnh vì nó được cung cấp một dòng điện lớn làm tăng từ tính của nam châm, đủ để nhấc các vật nặng hàng chục tấn bằng sắt, thép lên cao.
2.2. Khảo sát ảnh hưởng của chiều dòng điện đến từ trường của nam châm điện
Lặp lại thí nghiệm Hình 21.1 nhưng đổi chiều dòng điện bằng cách đảo dây nối các cực của pin (Hình 21.3). Nhận xét về lực hút của nam châm điện trong trường hợp này so với thí nghiệm ở Hình 21.1.
👨👩👧👦 Thảo luận
5. Hãy mô tả chiều của dòng điện trong Hình 21.3.
Chiều của dòng điện trong Hình 21.3: Khi bật công tắc, trong mạch xuất hiện dòng điện đi từ cực dương của pin, qua cuộn dây và đi vào cực âm của pin theo chiều ngược chiều kim đồng hồ.
👨👩👧👦 Thảo luận
6. Đặt một kim nam châm bên cạnh đầu đinh vít. Quan sát và nhận xét chiều của kim nam châm trước và sau khi đổi chiều dòng điện.
Giả sử đặt kim nam châm cạnh cực Nam của nam châm điện:
- Trước khi đổi chiều: chiều của kim nam châm là chiều Bắc - Nam.
- Sau khi đổi chiều: chiều của kim nam châm là chiều Nam - Bắc.
✍️ Ghi nhớ
• Khi tăng (giảm) độ lớn dòng điện, thì độ lớn lực từ của nam châm điện cũng tăng (giảm).
• Khi đổi chiều dòng điện thì từ trường của nam châm điện cũng đổi chiều và độ lớn lực từ không đổi.
📖 Mở rộng
Một biện pháp khác để tăng lực từ của nam châm điện là tăng số vòng dây quấn quanh lõi sắt. Em có thể làm thí nghiệm để kiểm tra.
♻️ Vận dụng
Quan sát sơ đồ cấu tạo của một chuông điện đơn giản. Hãy giải thích vì sao khi nhấn và giữ công tắc thì nghe tiếng chuông reo liên tục cho đến khi thả ra (loại công tắc trong hình chỉ đóng mạch điện khi nhấn và giữ nút).
Ta có thể giải thích như sau:
- Nhấn và giữ công tắc, mạch điện sẽ trở thành mạch điện kín.
- Khi có dòng điện đi qua dây dẫn, chúng sẽ tạo ra một từ trường trong lõi sắt, biến lõi sắt thành một nam châm điện có thể hút các vật bằng sắt, thép xung quanh. Khi đó, nó sẽ hút thanh sắt, kéo cho lá thép đàn hồi dao động.
- Búa gõ chuông nối với lá thép đàn hồi cũng vì thế mà bị hút vào, búa gõ sẽ đập vào chuông và phát ra tiếng kêu.
- Khi thả công tắc ra, mạch điện trở thành mạch điện hở (không còn dòng điện trong mạch) nên lõi sắt sẽ mất từ tính, nhả thanh sắt ra, búa gõ chuông không thể gõ vào chuông được nữa.
BÀI TẬP
✍️ Bài tập
1. Khi chế tạo nam châm điện đơn giản, ta chọn vật liệu nào để làm lõi của nam châm điện?
- Khi chế tạo nam châm điện đơn giản, ta có thể chọn vật liệu bằng sắt, thép,... để làm lõi của nam châm điện.
- Tuy nhiên, khi làm lõi của nam châm điện người ta không làm bằng thép mà lại làm bằng sắt non vì dùng lõi thép thì sau khi bị nhiễm từ sẽ biến thành một nam châm vĩnh cửu, tức là vẫn còn từ tính phải mất một khoảng thời gian dài mới hết sau khi ngắt điện, còn dùng lõi sắt non thì sau khi ngắt dòng điện thì nó sẽ mất đi từ tính không trở thành nam châm vĩnh cửu.
✍️ Bài tập
2. Nêu các ứng dụng của nam châm điện.
Một số ứng dụng của nam châm điện:
- Được ứng dụng trong các thiết bị như chuông cửa, báo động chống trộm,...
- Dùng để sản xuất động cơ điện và máy phát điện, cần cẩu sử dụng nam châm điện.
- Máy MRI (máy chụp cộng hưởng từ) sử dụng từ trường sinh ra từ nam châm điện để phát hiện bệnh, các tế bào ung thư,... trong cơ thể con người.
✍️ Bài tập
3. Dùng nam châm điện sẽ có những ưu điểm và hạn chế nào so với dùng nam châm vĩnh cửu?
- Ưu điểm của nam châm điện:
+ Có thể tăng lực từ của nam châm điện bằng cách tăng số vòng dây và tăng cường độ dòng điện đi qua ống dây.
+ Chỉ cần ngắt dòng điện đi qua ống dây, nam châm điện sẽ mất hết từ tính.
+ Có thể thay đổi các cực của nam châm điện bằng cách đổi chiều dòng điện qua ống dây.
- Nhược điểm của nam châm điện:
+ Giá thành sản phẩm tương đối cao.
+ Tiêu tốn điện năng khi sử dụng.
+ Phụ thuộc vào sự ổn định của điện năng: khi dòng điện thiếu ổn định, hoạt động của nam châm điện sẽ chập chờn, kém hiệu quả, ảnh hưởng đến tuổi thọ của sản phẩm.
