Mô phỏng nam châm và từ trường

Mô phỏng này đặt nam châm lên mặt bàn trước cả lớp. Thầy cô kéo nam châm thẳng và nam châm chữ U đi khắp bàn, xoay chúng, và xem từ trường vốn vô hình hiện ra thành các đường sức từ có mũi tên, thành từ phổ mạt sắt hoặc thành một lưới kim nam châm nhỏ. Chiếc la bàn lớn quay theo từ trường ở bất cứ chỗ nào đặt nó. Đưa hai đầu nam châm lại gần nhau là thấy ngay chuyện gì xảy ra: hai cực khác tên hút nhau và dính vào nhau, hai cực cùng tên đẩy nhau ra. Hai phần còn lại cho học sinh tự làm nam châm điện từ ống dây, đinh sắt và pin, và xem Trái Đất như một nam châm khổng lồ.

Cách dùng

• Di chuyển: kéo nam châm hoặc la bàn bằng ngón tay hay chuột. Trên màn hình cảm ứng, nhiều học sinh có thể cùng kéo một lúc.
• Xoay nam châm: chạm vào nam châm để chọn, rồi kéo núm tròn màu vàng bên cạnh. Nút "Đảo cực" đổi hai đầu, "Xoay 45°" xoay từng nấc.
• Thêm nam châm: "Nam châm thẳng" và "Nam châm chữ U", tối đa bốn chiếc. "Bỏ ra" để lấy nam châm đang chọn ra khỏi bàn.
• Cách hiển thị: "Đường sức từ", "Mạt sắt" và "Kim nam châm" là ba cách nhìn cùng một từ trường; "Lực từ" vẽ lực hút hoặc đẩy lên từng nam châm, kèm độ lớn tính bằng niutơn.
• Hút và đẩy: thả một nam châm sao cho một đầu của nó ở gần đầu của nam châm khác. Khác tên thì hai nam châm hút dính vào nhau, cùng tên thì bị đẩy ra.
• Nam châm điện: đóng, ngắt khóa K, chỉnh số vòng dây và cường độ dòng điện, đổi chiều dòng điện để đổi cực. Quan sát những chiếc kẹp giấy.
• Trái Đất: kéo la bàn đi quanh Trái Đất, đầu N của kim luôn chỉ về phía Bắc.
• Trên máy chiếu: bấm toàn màn hình, chữ và nút sẽ to ra. Phím tắt: mũi tên để di chuyển nam châm đang chọn, Q và E để xoay, F để đảo cực (hoặc đổi chiều dòng điện), phím cách để đóng, ngắt khóa K.

Nam châm và hai cực từ

Mọi nam châm đều có hai cực: cực Bắc (N, màu đỏ san hô) và cực Nam (S, màu xanh). Không thể tách riêng một cực: bẻ đôi thanh nam châm thì mỗi nửa lại có đủ cực N và cực S.

• Hai cực khác tên hút nhau: N hút S.
• Hai cực cùng tên đẩy nhau: N đẩy N, S đẩy S.
• Lực từ giảm rất nhanh khi ra xa. Đặt nam châm xa gấp đôi, mũi tên lực ngắn đi còn chưa tới một nửa.

Cực Bắc được gọi như vậy vì khi nam châm được treo tự do, đầu đó luôn chỉ hướng Bắc địa lí. Kim la bàn chính là một nam châm nhỏ có đầu N được tô màu.

Từ trường và đường sức từ

Không gian xung quanh nam châm có từ trường. Ta không nhìn thấy từ trường, nhưng thấy được tác dụng của nó lên mạt sắt và lên kim nam châm.

Đường sức từ là bản đồ của từ trường:

• bên ngoài nam châm, đường sức từ đi ra từ cực Bắc và đi vào cực Nam;
• mũi tên trên đường sức chỉ hướng mà đầu N của kim nam châm chỉ tại chỗ đó;
• chỗ đường sức dày (gần hai cực) từ trường mạnh, chỗ đường sức thưa từ trường yếu;
• các đường sức từ không bao giờ cắt nhau.

Bấm "Mạt sắt" để thấy từ phổ, đúng như hình mạt sắt rắc trên tấm bìa đặt trên nam châm thật, rồi bấm "Kim nam châm": mọi kim nhỏ đều nằm dọc theo đường sức. Đặt hai nam châm cực N đối diện cực N, giữa chúng có một điểm từ trường triệt tiêu, các kim nam châm ở đó mờ hẳn đi.

Mô hình tính từ trường thế nào

Mỗi cực được coi như một "điện tích từ" q, dương với cực Bắc và âm với cực Nam. Từ trường do một cực gây ra ở khoảng cách r là

B = (μ0 / 4π) · q / r²

hướng ra xa cực Bắc và hướng vào cực Nam. Từ trường của nhiều nam châm là tổng các từ trường của mọi cực, cộng theo kiểu vectơ. Một cực đặt trong từ trường của nam châm khác chịu lực F = q·B, và mũi tên "Lực từ" là tổng các lực đó lên từng nam châm. Nam châm trong mô phỏng cho khoảng 10 mT ở cách cực 1 cm; la bàn cho biết độ lớn từ trường tại chỗ nó đứng.

Nam châm điện

Ống dây có dòng điện chạy qua tạo ra từ trường giống như nam châm thẳng. Trong lòng một ống dây dài, không có lõi:

B = μ0 · N · I / ℓ

trong đó N là số vòng dây, I là cường độ dòng điện (A), ℓ là chiều dài ống dây. Ống dây ở đây dài 6 cm, nên 100 vòng với 1 A cho B = 4π × 10⁻⁷ × 100 × 1 / 0,06 = 2,09 mT. Chỉ tích N × I là quan trọng: 50 vòng với 2 A cho từ trường bằng 100 vòng với 1 A. Lõi đinh sắt làm từ trường mạnh lên rất nhiều, khoảng 50 lần trong mô hình này, nên đinh hút được kẹp giấy (cứ thêm 45 A·vòng thì hút thêm một kẹp, tối đa sáu kẹp).

Đầu nào là cực Bắc? Dùng quy tắc nắm tay phải: nắm bàn tay phải sao cho bốn ngón tay khum theo chiều dòng điện chạy qua các vòng dây, ngón cái choãi ra chỉ chiều đường sức từ trong lòng ống dây, tức là chỉ cực Bắc. Bấm "Đổi chiều dòng điện" thì hai cực đổi chỗ, la bàn quay ngược lại. Ngắt khóa K thì từ trường biến mất và kẹp giấy rơi xuống.

Từ trường Trái Đất

Trái Đất giống như có một nam châm thẳng khổng lồ nằm bên trong, lệch khoảng 10° so với trục quay. Cực từ S của nam châm này nằm gần cực Bắc địa lí, vì vậy đầu N của kim la bàn chỉ hướng Bắc: hai cực khác tên hút nhau. Ở mặt đất, từ trường Trái Đất rất yếu, khoảng 25 đến 65 µT (phần triệu tesla), yếu hơn nam châm dán tủ lạnh ở gần khoảng một trăm lần, nhưng đủ để làm quay kim la bàn.

Thử xem

1. Đặt la bàn gần từng đầu của nam châm thẳng. Đầu đỏ của kim chỉ về đâu, vì sao?
2. Bật "Kim nam châm" và dùng ngón tay vẽ theo một đường sức từ, đi từ N sang S.
3. Đặt hai nam châm cực N đối diện cực N, rồi cực N đối diện cực S. So sánh đường sức từ ở giữa. Điểm từ trường triệt tiêu ở đâu?
4. Nam châm điện: tìm hai cách chỉnh khác nhau để đinh hút đúng ba kẹp giấy. Hai cách đó có điểm gì chung?
5. Đặt la bàn cạnh đinh rồi đổi chiều dòng điện. Dùng quy tắc nắm tay phải để đoán trước kim sẽ quay thế nào.
6. Trái Đất: kéo la bàn đi một vòng quanh Trái Đất. Có lúc nào đầu N chỉ hướng Nam không?

Gợi ý dạy học

Mô phỏng phù hợp với chủ đề Từ trong KHTN 7 (Nam châm, Từ trường, Từ trường Trái Đất, Nam châm điện) và dùng để ôn lại phần từ trường khi học chương Điện từ ở KHTN 9.

1. Dự đoán (5 phút): đặt hai nam châm cách xa nhau và hỏi: "Nếu đưa hai đầu này lại gần, chúng hút hay đẩy nhau?" Cả lớp giơ tay biểu quyết rồi mới kéo lại gần.
2. Vẽ từ phổ (10 phút): bật "Mạt sắt", học sinh vẽ hình vào vở, sau đó chuyển sang "Đường sức từ" và vẽ thêm mũi tên.
3. Đi tìm hướng la bàn (5 phút): một học sinh kéo la bàn trên màn hình cảm ứng, cả lớp đoán kim sẽ chỉ hướng nào.
4. Thí nghiệm nam châm điện (15 phút): các nhóm thay đổi từng đại lượng một (số vòng dây, cường độ dòng điện) và ghi số kẹp giấy bị hút vào bảng. Vẽ đồ thị số kẹp theo N × I.
5. Ôn tập (10 phút): bấm nút tạo game ôn tập ở trên và chơi cả lớp theo đội, dùng điện thoại làm điều khiển.

Thầy cô thường hỏi

Vì sao đường sức từ đi từ cực Bắc sang cực Nam?

Chiều của từ trường được quy ước là chiều mà đầu N của kim nam châm chỉ. Bên ngoài nam châm, đầu N của kim la bàn chỉ ra xa cực Bắc và hướng về cực Nam, nên đường sức từ đi từ N sang S. Bên trong nam châm, đường sức đi tiếp từ S về N, tạo thành những đường cong khép kín.

Từ trường trong mô phỏng có đúng với thực tế không?

Từ trường được tính theo một mô hình quen thuộc, trong đó mỗi cực từ giống một "điện tích từ" điểm, rồi cộng lại trên mọi cực. Hình dạng đường sức, các điểm từ trường triệt tiêu và cách lực từ giảm theo khoảng cách khớp tốt với nam châm thẳng thật; các con số là giá trị tiêu biểu của nam châm dùng ở trường học, không phải của một nam châm cụ thể.

Vì sao kim la bàn rung rung rồi mới đứng yên?

Kim la bàn thật có quán tính, nên nó quay quá hướng từ trường rồi quay lại vài lần, ma sát ở trục quay làm nó dừng dần. Mô phỏng tính đúng dao động tắt dần đó. Nếu thiết bị bật chế độ giảm chuyển động, kim sẽ chỉ ngay vào hướng từ trường.

Vì sao lõi đinh sắt làm nam châm điện mạnh hơn?

Sắt gồm rất nhiều vùng nhỏ, mỗi vùng giống một nam châm tí hon. Từ trường của ống dây làm các vùng đó xếp cùng một hướng, nên chiếc đinh cũng thành nam châm và cộng thêm từ trường của nó vào từ trường của ống dây. Một lõi dài và mảnh như chiếc đinh có thể làm từ trường mạnh lên hàng chục đến hàng trăm lần; mô phỏng dùng hệ số ×50.

Kim la bàn chỉ hướng Bắc, vậy cực Bắc địa lí có phải là cực từ Bắc không?

Không. Hai cực khác tên mới hút nhau, nên cực từ ở gần cực Bắc địa lí phải là cực từ S. Vì vị trí của nó, người ta vẫn thường gọi đó là "cực Bắc địa từ", nên mô phỏng ghi rõ cả cực địa lí lẫn cực từ.

Có cần cài đặt hay đăng ký gì không?

Không. Mô phỏng chạy ngay trên mọi trình duyệt hiện đại, trên máy tính, màn hình tương tác, máy tính bảng hay điện thoại, và hoàn toàn miễn phí.