Nam châm điện được ứng dụng để nâng đẩy các cuộn sắt thép có trọng lượng lên đến hàng chục tấn. Vậy tại sao nam châm điện lại có lực hút lớn như vậy? Để trả lời câu hỏi này, chúng ta sẽ cùng tìm hiểu các kiến thức liên quan trong bài học sự nhiễm từ của sắt thép – Nam châm điện.
Sự nhiễm từ của sắt, thép
Thí nghiệm 1: Bố trí thí nghiệm như hình
-
Đóng công tắc K cho dòng điện chạy qua ống dây. Quan sát góc lệch của kim nam châm so với phương ban đầu
-
Đặt lõi sắt non hoặc lõi thép vào trong lòng ống dây. Đóng công tắc K. Quan sát và cho nhận xét về góc lệch của kim nam châm so với trường hợp ống dây không có lõi sắt (thép)
Kết luận thí nghiệm 1:
-
Khoá K đóng, kim nam châm bị lệch đi so với phương ban đầu.
-
Đặt lõi sắt (thép) vào trong lòng ống dây, góc lệch của kim nam châm lớn hơn so với trường hợp không có lõi sắt (thép)
⇒ Nhận xét: Lõi sắt hoặc thép làm tăng tác dụng từ của ống dây có dòng điện chạy qua.
Thí nghiệm 2: Bố trí thí nghiệm như hình
Cho biết hiện tượng xảy ra với đinh sắt trong trường hợp:
-
Ống dây có lõi sắt non đang hút đinh. Ngắt công tắc K
-
Ống dây có lõi thép đang hút đinh. Ngắt công tắc K
Kết luận thí nghiệm 2: Khi ngắt dòng điện đi qua ống dây, lõi sắt non không hút đinh còn lõi thép vẫn hút được đinh.
⇒ Nhận xét: Lõi sắt non mất hết từ tính, còn lõi thép thì vẫn giữ được từ tính
Sau khi tiến hành 2 thí nghiệm, ta rút ra được kết luận chung:
-
Lõi sắt hoặc thép làm tăng tác dụng từ của ống dây có dòng điện chạy qua.
-
Khi ngắt điện, lõi sắt non mất hết từ tính còn lõi thép thì vẫn giữ được từ tính.
So sánh sự nhiễm từ của sắt và thép
Sau 2 thí nghiệm trên, các em có thể rút ra các đặc điểm khác nhau về sự nhiễm từ của sắt và thép:
-
Sắt và thép đều có khả năng làm tăng của ống dây có dòng điện.
-
Sắt thì nhiễm từ mạnh hơn thép nhưng lại khử từ ngay.
-
Thép thì nhiễm từ yếu hơn thép nhưng lại giữ lại từ tính lâu hơn.
Kết luận: Vì những nguyên nhân trên mà người ta sẽ ứng dụng sự nhiễm từ của thép để chế tạo nam châm vĩnh cửu. Còn đối với sắt, người ta sẽ ứng dụng để chế tạo ra nam châm điện.
Nam châm điện
Tiếp theo chúng ta sẽ cùng tìm hiểu rõ hơn về định nghĩa, cấu tạo, nguyên lý hoạt động và ứng dụng thực tế của một nam châm điện
Nam châm điện là gì?
Nam châm điện là một vật liệu tạo ra từ trường hay nói cách khác, đó là một nguồn sản sinh từ trường.
Nam châm điện hoạt động nhờ từ trường sinh ra bởi cuộn dây có dòng điện lớn chạy qua. Khi dòng điện ngừng chạy qua, nam châm điện sẽ mất đi từ tính.
Sự ra đời của nam châm điện: Vào năm 1825, nam châm điện được phát minh dưới sự nghiên cứu của nhà khoa học William Sturgeon (1783-1850). Nam châm điện của nhà khoa học Sturgeon ban đầu là một lõi sắt non có hình dạng tương tự như móng ngựa. Bên cạnh đó, lõi sắt sẽ được quấn quanh bởi vòng dây điện. Khi có dòng điện sinh ra bởi pin nhỏ chạy qua, lõi sắt sẽ bị từ hóa và sinh ra một cảm ứng từ đủ mạnh để có thể hút được hộp sắt nặng đến 7 ounce (~ 200 gram). Phát minh của ông được đánh giá là nền tảng sơ khai cho sự ra đời của các thiết bị hiện đại sau này.
Mặc dù nhà khoa học Sturgeon là người đầu tiên cho ra đời ra nam châm điện nhưng người đã cải tiến phát minh này chính là nhà vật lý Joseph Henry. Bên cạnh việc cải tiến lực hút của nam châm điện, ông còn phát minh ra được các loại máy khác như máy điện thoại, máy điện tín và động cơ điện.
So với nam châm vĩnh cửu, nam châm điện có một số các ưu điểm nổi trội như:
-
Có thể sinh ra được từ trường mạnh hơn rất nhiều so với nam châm vĩnh cửu
-
Có thể làm mất từ tính của nam châm hoàn toàn chỉ bằng cách ngắt dòng điện chạy qua
-
Có thể điều chỉnh được độ mạnh yếu của nam châm bằng cách thay đổi số vòng dây hoặc tăng giảm cường độ dòng điện chạy qua cuộn dây.
Cấu tạo & nguyên lý hoạt động của nam châm điện
Cấu tạo nam châm điện
Cấu tạo của một nam châm điện gồm:
Một sợi dây điện dài quấn xung quanh lõi sắt non, dây được làm bằng kim loại đồng. Nhờ đó, khi cho một dòng điện chạy qua cuộn dây dẫn đó thì cuộn dây sẽ nhiễm từ mạnh ở bên trong.
Mặt khác, nhờ sự từ hóa được tích tụ ở lõi sắt, từ tính cũng vì đó mà trở nên mạnh hơn. Tuy nhiên, chỉ cần chúng ta ngắt đi dòng điện thì lõi sắt sẽ bị mất từ tính ngay lập tức.
Lõi của nam châm điện được cấu tạo từ sắt non.
Người ta sử dụng sắt non thay vì thép vì nếu dùng thép, khi tiến hành ngắt dòng điện chạy qua dây dẫn, lõi thép vẫn sẽ giữ được từ tính và vẫn có khả năng hút được kim loại.
Khi đó, nam châm điện sẽ trở thành nam châm vĩnh cửu, không đáp ứng được nhu cầu sản xuất.
Nguyên lý hoạt động của nam châm điện
Nam châm điện hoạt động trên cơ sở nguyên lý cảm ứng điện từ.
Khi tiến hành đưa dòng điện vào cuộn dây quấn nhiều vòng quanh lõi sắt từ, dòng điện sẽ sản sinh ra một điện trường E bên trong các vòng dây quấn đó có khả năng hút được kim loại có từ tính.
Một từ trường B vuông góc với điện trường E sẽ được sinh ra như vào sự tác động của điện từ trường.
Khi chúng ta ngắt dòng điện thì từ trường này sẽ biến mất hoàn toàn, và chỉ khi nào có dòng điện trở lại thì cuộn dây mới hoạt động như một nam châm điện. Từ trường của cuộn dây dẫn sẽ tùy thuộc vào dòng điện trong cuộn dây và số từ cảm cuộn dây.
Từ cảm cuộn dây tỉ lệ thuận với số vòng quấn, chiều dài và tỉ lệ nghịch với diện tích của cuộn dây quấn đó.
Khi đặt lõi thép hoặc lõi sắt bất kì vào trong một ống dây và cho dòng điện chạy qua ống dây, lõi thép (sắt) sẽ có từ tính và trở thành một nam châm, cùng với đó sẽ làm tăng tác dụng từ của ống dây.
Cách tăng lực từ của nam châm điện
Để hiểu rõ về cách tăng lực từ của nam châm điện, chúng ta cần xác định được các yếu tố tác động lên lực từ của nam châm điện. Trước hết, từ trường của cuộn dây dẫn phụ thuộc vào hai yếu tố đó là số từ cảm của cuộn dây và cường độ dòng điện chạy trong cuộn dây.
Trong đó, số từ cảm của cuộn dây sẽ tỉ lệ thuận với số vòng quấn của cuộn dây và tỉ lệ nghịch với diện tích cuộn dây dẫn đó.
Dựa trên các yếu tố đó, chúng ta xác định được hai cách làm tăng lực từ của nam châm điện tác dụng lên từ một vật như sau:
-
Tăng cường độ dòng điện chạy qua các vòng dây.
-
Tăng số vòng dây quấn quanh cuộn dây dẫn.
Ứng dụng của nam châm điện
Nam châm điện được ứng dụng rộng rãi trong đời sống ngày nay. Các ngành sử dụng nam châm điện gồm có ngành giao thông vận tải, y tế, công nghiệp, điện tử,..
-
Trong ngành công nghiệp
Ngày nay thì nam châm điện được sử dụng khá phổ biến. Điển hình trong quá trình chế biến sắt thép, sử dụng nam châm điện trong tái chế sắt hoặc tại các cảng vận tải, cảng biển lớn,… Các sản phẩm được sản xuất từ nam châm điện gồm có: xe bán tải điện, động cơ điện, micro, loa phóng thanh, bộ cảm biến, ống sóng đi du lịch, cảm biến, đồng hồ, thiết bị lò vi sóng, thiết bị điều khiển tự động, kỹ thuật hàng không, vũ trụ,…
Các loại nam châm dùng trong ngành công nghiệp đa số là những nam châm cỡ lớn với sức hút từ mạnh và sức nâng cực lớn so với các loại nam châm thông thường. Mục đích của việc sử dụng nam châm điện là để vận chuyển, bê đỡ các kim loại có khối lượng lớn trong quá trình sản xuất, thi công.
-
Trong ngành y tế
Nam châm điện được sử dụng rất nhiều trong kỹ thuật chẩn đoán MRI để chẩn đoán, phát hiện bệnh, tế bào ung thư cho bệnh nhân.
Đây được đánh giá là một trong những ứng dụng quan trọng của nam châm điện vì là kỹ thuật chụp cộng hưởng từ cực kỳ hiện đại, sử dụng từ trường và sóng radio để giải quyết hiệu quả các vấn đề sức khỏe trong bộ phận cơ thể của người bệnh mà không cần phải tiến hành phẫu thuật xâm lấn.
-
Trong ngành giao thông vận tải
Nam châm điện cũng được sử dụng trong GTVT, điển hình là ứng dụng sản xuất tàu điện ngầm. Nhờ các đặc điểm về từ tính của nam châm điện, người ta đã tìm ra cách giúp đẩy nhanh vận tốc của tàu, giúp tàu di chuyển nhanh chóng một cách dễ dàng.
-
Trong đời sống hàng ngày
Bên cạnh đó, chúng ta cũng có thể dễ dàng bắt gặp sự xuất hiện của nam châm điện trong đời sống hằng ngày, thông qua các vật dụng gần gũi, thông thường như máy rút tiền tự động, thẻ tín dụng, màn hình tivi, các bộ phận của loa phát thanh, đài truyền hình hoặc các phương tiện di chuyển như xe máy điện, xe đạp điện,…
Xem thêm: Nam châm vĩnh cửu là gì? Tìm hiểu lý thuyết, cấu tạo, ứng dụng đầy đủ nhất tại đây
Bài tập sự nhiễm từ của sắt thép nam châm điện (Vật lý 9 bài 25)
Bài 1: Nam châm điện gồm một cuộn dây dẫn quấn quanh một lõi sắt non có dòng điện chạy qua:
a) Nếu ngắt dòng điện thì nó còn tác dụng từ nữa không?
b) Lõi của nam châm điện phải là sắt non, không được là thép. Vì sao?
Lời giải:
a) Nếu ngắt dòng điện thì nam châm điện không còn tác dụng từ.
b) Vì dây thép còn giữ được từ tính khi ngắt điện. Khi đó nam châm điện mất ý nghĩa sử dụng.
Bài 2: Trong nam châm điện được vẽ trên hình 25.1 SBT, nếu thay lõi sắt non bằng lõi niken thì:
a) Từ trường có mạnh hơn cuộn dây không có lõi không?
b) Đầu A của cuộn dây là cực gì?
Lời giải:
a) Từ trường mạnh hơn. Vì niken có từ tính mạnh như thép.
b) Áp dụng quy tắc nắm bàn tay phải ta được đầu A là cực Bắc.
Bài 3: Hình 25.2 vẽ một số kẹp giấy bằng sắt bị hút dính vào các cực của thanh nam châm.
a) Có thể khẳng định các kẹp sắt này đã trở thành nam châm được không? Vì sao?
b) Nếu khẳng định các kẹp sắt đã trở thành nam châm thì hãy xác định tên từ cực của một trong số các nam châm này.
c) Từ kết quả trên, hãy giải thích vì sao nam châm lại hút được các vật dụng bằng sắt, thép khi đặt gần nó.
Lời giải:
Áp dụng lý thuyết:
-
Khi đưa từ cực của hai thanh nam châm lại gần nhau thì chúng hút nhau nếu các cực khác tên, đẩy nhau nếu các cực cùng tên.
-
Khi đặt sắt trong từ trường thì sắt bị nhiễm từ.
a) Vì các kẹp sắt đặt trong từ trường của nam châm thì bị nhiễm từ nên có thể khẳng định nó đã trở thành nam châm.
b) Tên các từ cực của một số kẹp sắt được vẽ trên hình 25.1.
c) Khi đặt vật bằng sắt, thép gần nam châm thì vật bị nhiễm từ và sẽ trở thành nam châm, đầu đặt gần nam châm là từ cực trái dấu với từ cực của nam châm. Do đó bị nam châm hút.
Bài 4: Trong các trường hợp sau, trường hợp nào vật có khả năng nhiễm từ và trở thành nam châm vĩnh cửu?
A. Một vòng dây dẫn bằng thép được đưa lại gần một cực của nam châm điện mạnh trong thời gian ngắn, rồi đưa ra xa.
B. Một vòng dây dẫn bằng sắt non được đưa lại gần một cực của nam châm điện mạnh trong thời gian ngắn, rồi đưa ra xa.
C. Một vòng dây dẫn bằng sắt non được đưa lại gần một đầu của nam châm điện mạnh trong thời gian dài, rồi đưa ra xa.
D. Một lõi sắt non được đặt trong lòng một cuộn dây có dòng điện với cường độ lớn trong một thời gian dài, rồi đưa ra xa.
Lời giải: Đáp án A.
Giải thích chi tiết: Vì sau khi nhiễm từ sắt non không giữ được từ tính lâu dài, thép giữ được từ tính lâu dài nên trường hợp vật có khả năng nhiễm từ và trở thành nam châm vĩnh cửu là một vòng dây dẫn bằng thép được đưa lại gần một cực của nam châm điện mạnh trong thời gian ngắn, rồi đưa ra xa. (Áp dụng lý thuyết: Sau khi nhiễm từ sắt non không giữ được từ tính lâu dài, thép giữ được từ tính lâu dài.)
Bài 5: Có hiện tượng gì xảy ra với một thanh thép khi đặt nó vào trong lòng một ống dây có dòng điện một chiều chạy qua?
A. Thanh thép bị nóng lên.
B. Thanh thép bị phát sáng.
C. Thanh thép bị đẩy ra khỏi ống dây.
D. Thanh thép trở thành một nam châm.
Lời giải: Đáp án D
Giải thích chi tiết: Trong lòng một ống dây có dòng điện một chiều chạy qua có từ trường. Khi đặt thanh thép vào thì thanh thép sẽ bị nhiễm từ tính và trở thành một nam châm. (Áp dụng lý thuyết: Các vật liệu từ đặt trong từ trường đều bị nhiễm từ.)
Bài 6: Khi đặt một thanh sắt non vào trong lòng một ống dây dẫn có dòng điện một chiều chạy qua thì thanh sắt trở thành một nam châm. Hướng Bắc Nam của một nam châm mới được tạo thành so với hướng Bắc Nam của ống dây thì:
A. Cùng hướng.
B. Ngược hướng.
C. Vuông góc.
D. Tạo thành một góc 450.
Lời giải: Đáp án A
Giải thích chi tiết: Khi đặt một thanh sắt non vào trong lòng một ống dây dẫn có dòng điện một chiều chạy qua thì thanh sắt trở thành một nam châm. Hướng Bắc Nam của một nam châm mới được tạo thành cùng hướng với hướng Bắc Nam của ống dây.
Bài 7: Có cách nào để làm tăng lực từ của một nam châm điện?
A. Dùng dây dẫn to quấn ít vòng.
B. Dùng dây dẫn nhỏ quấn nhiều vòng.
C. Tăng số vòng dây dẫn và giảm hiệu điện thế đặt vào hai đầu ống dây.
D. Tăng đường kính và chiều dài ống dây.
Lời giải: Đáp án B
Giải thích chi tiết: Trong các cách trên để làm tăng lực từ của một nam châm điện thì ta dùng dây dẫn nhỏ quấn nhiều vòng. (Áp dụng lý thuyết: Để làm tăng lực từ của nam châm điện thì ta tăng cường độ dòng điện chạy qua các vòng dây hoặc tăng số vòng của ống dây.)
Bài 8: Vì sao lõi của nam châm điện không làm bằng thép mà lại làm bằng sắt non?
A. Vì lõi thép nhiễm từ yếu hơn lõi sắt non.
B. Vì dùng lõi thép thì sau khi bị nhiễm từ sẽ biến thành một nam châm vĩnh cửu.
C. Vì dùng lõi thép thì không thể làm thay đổi cường độ lực điện từ của nam châm điện.
D. Vì dùng lõi thép thì lực từ bị giảm đi so với khi chưa có lõi.
Lời giải: Đáp án B
Lời kết
Trên đây là các kiến thức cần thiết cho quá trình tìm hiểu và học tập về sự nhiễm từ của sắt thép – Nam châm điện. Hy vọng với các thông tin mà Wikihoc đã cung cấp, các em có thể tự học một cách hiệu quả cũng như nâng cao hiểu biết của bản thân.
