Không chỉ nam châm vĩnh cửu mới có từ trường. Dòng điện chạy qua dây dẫn cũng sinh ra từ trường. Khi quấn dây thành ống dây, từ trường trở nên mạnh và có dạng giống nam châm thẳng.
Ống dây và bút chì
Trong vật lý
Trục ống dây
Trong đời thường
Chiếc bút chì xuyên qua cuộn chỉ
Tưởng tượng cuộn dây quấn quanh một chiếc bút chì. Từ trường "chảy" dọc theo ruột bút chì — một đầu là Bắc, một đầu là Nam.
Nam châm vĩnh cửu
- Từ trường cố định
- Không cần nguồn điện
- Muốn đổi cực phải lật nam châm
Nam châm điện
- Từ trường có khi có dòng điện
- Có thể bật/tắt
- Đổi chiều dòng điện là đổi cực
- Tăng cường độ dòng điện chạy qua ống dây.
- Tăng số vòng dây của ống dây.
- Đặt thêm lõi sắt non (sắt từ) vào trong lòng ống dây.
Thí nghiệm tương tác — hãy làm theo từng bước
- 1Tăng số vòng dây và quan sát số đinh sắt bị hút tăng lên.
- 2Tăng cường độ dòng điện: lực từ mạnh hơn.
- 3Thêm lõi sắt non: lực từ tăng vọt so với ống dây không lõi.
- 4Nhận xét: nam châm điện mạnh lên khi n, I tăng và có lõi sắt.
Nam châm điện
- Dòng điện trong ống dây
- Cực từ (Bắc/Nam)
- Lõi sắt (làm tăng từ tính)
- Số vòng dây
- 200
- Dòng điện
- 1.5 A
- Lõi sắt
- Có (×3)
- Độ mạnh lực từ
- 4.5
Tăng I, tăng số vòng dây hoặc thêm lõi sắt đều làm nam châm điện mạnh hơn — hút được nhiều đinh hơn.
Suy nghĩ một chút
Vì sao nam châm điện được dùng nhiều trong cần cẩu ở bãi phế liệu, thay vì nam châm vĩnh cửu?
Nam châm điện quanh em
Nam châm điện là "trái tim" của rất nhiều thiết bị hiện đại vì nó bật/tắt và điều chỉnh được.
Cần cẩu điện ở bãi phế liệu hút và nhả sắt thép
Cần cẩu dùng nam châm điện cực mạnh. Khi bật dòng điện, lõi sắt non bị từ hoá và hút các khối sắt lớn. Khi ngắt điện, lõi mất từ tính và vật rơi xuống — điều nam châm vĩnh cửu không làm được.
Lý thuyết của bài: B ~ n·I và lõi sắt non tăng mạnh lực từ.
Chuông điện trong cửa, đồng hồ báo thức
Khi có dòng điện, nam châm điện hút một lá thép đàn hồi làm búa gõ vào chuông; đồng thời mạch bị ngắt khiến nam châm mất từ tính, lá thép bật lại và mạch đóng lại — chuông rung liên tục. Cơ chế lặp này dựa trên nam châm điện bật/tắt nhanh.
Lý thuyết của bài: Nam châm điện đóng/ngắt nhanh tạo dao động cơ học.
Rơ-le (relay) trong mạch điều khiển
Rơ-le dùng dòng điện nhỏ chạy qua cuộn dây để tạo nam châm điện, hút một tiếp điểm đóng/ngắt dòng điện lớn hơn ở mạch khác. Nhờ vậy mạch điều khiển nhỏ có thể vận hành thiết bị lớn — nam châm điện đóng vai trò công tắc tự động.
Lý thuyết của bài: Lực từ của ống dây đủ mạnh để đóng/ngắt tiếp điểm.
Loa điện phát nhạc
Loa có nam châm vĩnh cửu và một cuộn dây gắn vào màng loa. Dòng điện âm thanh (biến thiên) đi qua cuộn dây làm lực từ thay đổi, màng loa rung theo và phát ra sóng âm. Đây là ứng dụng tinh tế của tương tác giữa dòng điện và từ trường.
Lý thuyết của bài: Dòng biến thiên trong cuộn dây gây lực từ biến thiên.
Vì sao có thể đổi chiều lực hút của nam châm điện?
Đảo chiều dòng điện trong ống dây sẽ đảo chiều đường sức từ (theo quy tắc nắm tay phải), tức đổi cực Bắc–Nam của nam châm điện. Đây là điều nam châm vĩnh cửu không thể làm mà chỉ cần thay đổi cách nối dây.
Lý thuyết của bài: Chiều từ trường phụ thuộc chiều dòng điện.
Vì sao từ trường ống dây lại tỉ lệ với n·I?
Trực giác:Mỗi vòng dây mang dòng điện là một "nguồn từ" nhỏ. Càng nhiều vòng trên một đơn vị dài thì các nguồn từ càng xếp chồng, và dòng càng mạnh thì mỗi vòng càng tạo từ trường lớn — nên từ trường tổng cộng tỉ lệ với cả hai.
- 1Một dây dẫn thẳng có dòng điện sinh ra từ trường xung quanh nó (thí nghiệm Ơ-xtet).
- 2Quấn dây thành ống: từ trường của các vòng dây cùng hướng, xếp chồng và cộng lại, nên trong lòng ống từ trường mạnh hơn nhiều so với một dây thẳng.
- 3Số vòng càng nhiều trên mỗi đơn vị dài (mật độ vòng n) thì càng nhiều "nguồn từ" đóng góp → B tỉ lệ thuận với n.
- 4Dòng I càng lớn thì mỗi vòng tạo từ trường càng mạnh (tỉ lệ thuận với I) → B tỉ lệ thuận với I.
- 5Gộp cả hai: B ~ n·I. Đặt thêm lõi sắt non vào lòng ống, các mô men từ trong sắt xếp theo từ trường và khuếch đại B lên nhiều lần.
Ý nghĩa: B ~ n·I nói rằng muốn nam châm điện mạnh, ta tăng số vòng dây, tăng dòng điện, và thêm lõi sắt. Công thức là hệ quả của việc các nguồn từ (vòng dây) xếp chồng và cộng hưởng lẫn nhau.