I. LÝ THUYẾT TRỌNG TÂM

1. Nam châm điện

Như đã học ở bài trước, dòng điện chạy trong dây dẫn thẳng hay trong cuộn dây đều tạo ra từ trường xung quanh. Dựa vào tính chất này, người ta chế tạo ra một loại nam châm đặc biệt gọi là nam châm điện.

Cấu tạo của nam châm điện gồm ba thành phần chính:

• A – Ống dây dẫn (cuộn dây): dây dẫn được quấn thành nhiều vòng quanh ống.
• B – Lõi sắt non: một thỏi sắt non được lồng vào bên trong lòng ống dây. Lõi sắt non có tác dụng làm tăng từ trường của nam châm điện.
• Nguồn điện E và khoá K: hai đầu cuộn dây được nối với hai cực nguồn điện thông qua khoá K (công tắc).

Khi đóng khoá K cho dòng điện chạy vào ống dây, ống dây cùng lõi sắt non trở thành một nam châm điện.

Cách kiểm tra ống dây đã trở thành nam châm điện: Đưa một vật bằng sắt (ví dụ ghim giấy sắt) lại gần ống dây. Nếu ống dây hút được vật đó thì nó đã trở thành nam châm điện.

Tại sao dùng lõi sắt non mà không dùng lõi thép?

Sắt non có đặc điểm: khi có dòng điện chạy qua cuộn dây thì bị nhiễm từ mạnh, nhưng khi ngắt dòng điện thì mất từ tính ngay. Nhờ vậy, nam châm điện có thể bật/tắt dễ dàng theo ý muốn.

Nếu dùng lõi thép, sau khi ngắt dòng điện, thép vẫn giữ từ tính (trở thành nam châm vĩnh cửu), khiến ta không thể điều khiển được việc hút/thả vật liệu.

2. Tính chất từ trường của nam châm điện

Từ các thí nghiệm, ta rút ra các tính chất quan trọng về từ trường của nam châm điện:

a) Từ trường chỉ tồn tại khi có dòng điện

Từ trường của nam châm điện chỉ tồn tại trong thời gian dòng điện chạy trong ống dây. Khi ngắt dòng điện, từ trường biến mất (lõi sắt non mất từ tính).

Đây là điểm khác biệt lớn nhất so với nam châm vĩnh cửu (luôn có từ trường).

b) Dòng điện thay đổi thì từ trường thay đổi

• Khi tăng dòng điện (ví dụ tăng số pin), lực từ của nam châm điện mạnh hơn (hút được nhiều ghim giấy sắt hơn).
• Khi đổi cực nguồn điện (đảo chiều dòng điện), chiều từ trường của nam châm điện cũng thay đổi (đổi chiều $180°$).

3. Chế tạo nam châm điện đơn giản

Vật liệu cần chuẩn bị:

• 1 ống nhựa
• 1 đoạn dây đồng (dây dẫn điện)
• 1 chiếc đinh sắt dài (làm lõi)
• 1 cục pin (nguồn điện)
• 1 công tắc điện

Cách làm:

• Dùng dây đồng quấn nhiều vòng xung quanh ống nhựa.
• Luồn chiếc đinh sắt dài vào trong lòng ống nhựa (đóng vai trò lõi sắt non).
• Nối hai đầu dây đồng với nguồn điện (pin) thông qua công tắc điện.

Khi đóng công tắc, dòng điện chạy qua cuộn dây, chiếc đinh sắt bị nhiễm từ, toàn bộ hệ thống trở thành nam châm điện có thể hút các vật bằng sắt, thép.

4. Ứng dụng của nam châm điện

a) Cần cẩu dọn rác

Nam châm điện ở cần cẩu dọn rác có lực từ rất mạnh, có thể nhấc được cả chiếc ô tô hỏng ra khỏi đống rác để chất lên xe tải chở đến nhà máy luyện thép.

Lí do cần cẩu dùng nam châm điện mà không dùng nam châm vĩnh cửu:

• Nam châm điện có lực từ rất mạnh, đủ sức nâng những vật kim loại nặng hàng trăm kilôgam.
• Nam châm điện có thể điều khiển hút/thả tùy ý: đóng mạch thì hút rác, ngắt mạch thì thả rác. Nam châm vĩnh cửu không thể làm được điều này.

b) Chuông điện

Chuông điện hoạt động dựa trên nam châm điện. Cấu tạo gồm: nút bấm E (công tắc), nam châm điện A, cần gõ chuông C, quả chuông D, công tắc đàn hồi B.

Khi ấn nút E, dòng điện chạy vào nam châm A, nam châm hút cần C đập vào chuông D. Khi đó công tắc B bị ngắt, nam châm mất từ tính, cần C bật về vị trí cũ và đóng công tắc B lại. Dòng điện lại chạy vào nam châm A, quá trình lặp lại liên tục tạo ra tiếng chuông kêu.

c) Các ứng dụng khác

• Tàu đệm từ trường.
• Động cơ điện, máy phát điện.
• Cần cẩu chuyển hàng trong công nghiệp.
• Loa điện.

II. PHƯƠNG PHÁP GIẢI CÁC DẠNG BÀI TẬP

Dạng 1: Cấu tạo và nguyên lí hoạt động của nam châm điện

Phương pháp chung:

• Nam châm điện gồm: cuộn dây dẫn + lõi sắt non. Hai đầu cuộn dây nối với nguồn điện qua công tắc.
• Lõi sắt non (không phải thép) để có thể bật/tắt từ tính.
• Từ trường chỉ tồn tại khi có dòng điện chạy qua.
• Kiểm tra bằng cách đưa vật bằng sắt lại gần.

Ví dụ 1

Đề bài: Nam châm điện có cấu tạo gồm:

A. Nam châm vĩnh cửu và lõi sắt non B. Cuộn dây dẫn và lõi sắt non C. Cuộn dây dẫn và nam châm vĩnh cửu D. Nam châm

Lời giải:

Nam châm điện được cấu tạo từ một cuộn dây dẫn (ống dây) và một lõi sắt non lồng bên trong. Khi cho dòng điện chạy qua cuộn dây, lõi sắt non bị nhiễm từ và toàn bộ trở thành nam châm.

Nam châm điện không chứa nam châm vĩnh cửu trong cấu tạo.

Đáp án: B. Cuộn dây dẫn và lõi sắt non

Ví dụ 2

Đề bài: 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 nhiễm từ sẽ biến thành một nam châm vĩnh cửu

C. Vì dùng lõi thép thì không thể làm thay đổi cường độ lực từ của nam châm điện

D. Vì dùng lõi thép thì lực từ bị giảm đi so với khi chưa có lõi

Lời giải:

Điểm khác biệt quan trọng giữa sắt non và thép:

• Sắt non: nhiễm từ mạnh khi có dòng điện, nhưng mất từ tính ngay khi ngắt dòng điện.
• Thép: cũng nhiễm từ, nhưng sau khi ngắt dòng điện, thép vẫn giữ từ tính lâu dài, trở thành nam châm vĩnh cửu.

Nếu dùng lõi thép, khi ngắt điện, nam châm điện vẫn còn từ tính nên không thể thả vật ra được. Điều này khiến nam châm điện mất đi ưu điểm lớn nhất là khả năng bật/tắt.

Đáp án: B. Vì dùng lõi thép thì sau khi nhiễm từ sẽ biến thành một nam châm vĩnh cửu

Ví dụ 3

Đề bài: Lõi sắt non trong ống dây có tác dụng gì?

A. Làm tăng từ trường của nam châm điện

B. Làm tăng thời gian tồn tại từ trường của nam châm điện

C. Làm giảm thời gian tồn tại từ trường của nam châm điện

D. Làm giảm từ tính của ống dây

Lời giải:

Khi lồng lõi sắt non vào trong ống dây, lõi sắt non bị nhiễm từ và tạo thêm từ trường cộng hưởng với từ trường của cuộn dây. Nhờ đó, từ trường tổng hợp mạnh hơn nhiều so với khi chỉ có cuộn dây không.

Lõi sắt non không ảnh hưởng đến thời gian tồn tại từ trường (từ trường vẫn chỉ tồn tại khi có dòng điện), cũng không làm giảm từ tính.

Đáp án: A. Làm tăng từ trường của nam châm điện

Dạng 2: Tính chất từ trường của nam châm điện

Phương pháp chung:

• Từ trường nam châm điện chỉ tồn tại khi có dòng điện → ngắt điện thì mất từ trường.
• Tăng dòng điện (tăng số pin) → lực từ tăng.
• Đổi cực nguồn điện (đảo chiều dòng điện) → chiều từ trường đổi ($180°$).

Ví dụ 1

Đề bài: Từ trường của nam châm điện chỉ tồn tại trong thời gian nào?

A. Chỉ tồn tại trong thời gian dòng điện chạy trong ống dây

B. Chỉ tồn tại trong thời gian sau khi ngắt dòng điện

C. Chỉ tồn tại trong thời gian trước lúc đóng nguồn điện

D. Cả B và C

Lời giải:

Từ trường của nam châm điện phụ thuộc hoàn toàn vào dòng điện. Chỉ khi dòng điện chạy qua cuộn dây thì mới có từ trường. Trước khi đóng nguồn (chưa có dòng điện) hoặc sau khi ngắt nguồn (hết dòng điện), từ trường không tồn tại.

Đáp án: A. Chỉ tồn tại trong thời gian dòng điện chạy trong ống dây

Ví dụ 2

Đề bài: Chọn đáp án sai.

A. Từ trường của nam châm điện phụ thuộc dòng điện chạy vào ống dây và lõi sắt trong lòng ống dây

B. Từ trường của nam châm điện tương tự từ trường của nam châm thẳng

C. Từ trường của nam châm điện tồn tại ngay cả sau khi ngắt dòng điện chạy vào ống dây dẫn

D. Cả A và B đều đúng

Lời giải:

• A đúng: từ trường nam châm điện phụ thuộc vào cường độ dòng điện và lõi sắt.
• B đúng: nam châm điện cũng có hai cực Bắc – Nam, từ trường tương tự nam châm thẳng.
• C sai: sau khi ngắt dòng điện, lõi sắt non mất từ tính, từ trường không còn tồn tại. Đây chính là đặc điểm quan trọng nhất của nam châm điện.

Đáp án: C

Ví dụ 3

Đề bài: Khi thực hiện thí nghiệm chế tạo nam châm điện, nếu ta giữ nguyên số vòng dây quấn và thay đổi số nguồn điện (tăng số pin) thì lực từ của nam châm điện thay đổi như thế nào?

A. Tăng lên B. Giảm đi C. Lúc tăng, lúc giảm D. Không đổi

Lời giải:

Khi tăng số pin (tăng hiệu điện thế nguồn), cường độ dòng điện chạy qua cuộn dây tăng lên. Dòng điện lớn hơn thì từ trường mạnh hơn, do đó lực từ của nam châm điện cũng tăng lên.

Ta có thể kiểm chứng bằng thí nghiệm: khi tăng số pin, nam châm điện hút được nhiều ghim giấy sắt hơn.

Đáp án: A. Tăng lên

Dạng 3: Ứng dụng của nam châm điện trong đời sống

Phương pháp chung:

Dựa vào hai đặc điểm nổi bật của nam châm điện để giải thích ứng dụng:

• Có thể tạo ra lực từ rất mạnh (mạnh hơn nam châm vĩnh cửu cùng kích thước).
• Có thể bật/tắt từ tính bằng cách đóng/ngắt dòng điện → điều khiển hút/thả vật liệu từ tùy ý.

Ví dụ 1

Đề bài: Trình bày một số ứng dụng của nam châm điện trong đời sống. Vì sao nam châm của cần cẩu dọn rác là nam châm điện?

Lời giải:

Một số ứng dụng của nam châm điện trong đời sống:

• Vận hành tàu đệm từ trường.
• Chế tạo động cơ điện, máy phát điện.
• Cần cẩu chuyển hàng trong nhà máy, bến cảng.
• Loa điện, chuông điện.

Nam châm của cần cẩu dọn rác phải là nam châm điện vì hai lí do:

• Nam châm điện có lực từ rất mạnh, đủ sức nhấc được cả chiếc ô tô hỏng nặng hàng trăm kilôgam ra khỏi đống rác.
• Nam châm điện có thể điều khiển hút và thả tùy ý. Khi đóng mạch điện, nam châm hút rác kim loại lên. Khi ngắt mạch điện, nam châm mất từ tính và thả rác xuống thùng xe. Nếu dùng nam châm vĩnh cửu thì không thể thả rác ra được.

Ví dụ 2

Đề bài: Nêu cách tạo được một nam châm điện bằng những vật liệu thông dụng.

Lời giải:

Vật liệu cần chuẩn bị: 1 ống nhựa, 1 cuộn dây đồng, 1 chiếc đinh sắt dài, 1 cục pin, 1 công tắc điện.

Cách lắp đặt:

• Quấn dây đồng thành nhiều vòng đều nhau xung quanh ống nhựa.
• Luồn chiếc đinh sắt dài vào bên trong lòng ống nhựa (đóng vai trò lõi sắt non).
• Nối hai đầu dây đồng với cục pin thông qua công tắc điện.
• Đóng công tắc, dòng điện chạy qua cuộn dây, đinh sắt bị nhiễm từ. Lúc này, toàn bộ hệ thống trở thành nam châm điện, có thể hút được các vật nhỏ bằng sắt như ghim giấy, kim khâu,…

Ví dụ 3

Đề bài: Đâu là ứng dụng của nam châm điện trong đời sống?

A. Loa điện B. Chuông điện C. Bàn là D. Cả A và B

Lời giải:

• Loa điện: bên trong loa có nam châm điện, khi dòng điện thay đổi thì nam châm tạo ra lực từ thay đổi, làm màng loa dao động phát ra âm thanh. → Đúng.
• Chuông điện: nam châm điện là bộ phận cơ bản, dùng để hút cần gõ đập vào chuông. → Đúng.
• Bàn là: hoạt động dựa trên tác dụng nhiệt của dòng điện, không sử dụng nam châm điện. → Sai.

Đáp án: D. Cả A và B

III. SƠ ĐỒ TƯ DUY

1. Nam châm điện

• 1.1. Dòng điện chạy trong cuộn dây sinh ra từ trường → ứng dụng chế tạo nam châm điện
• 1.2. Cấu tạo: cuộn dây dẫn (A) + lõi sắt non (B) + nguồn điện (E) + công tắc (K)
• 1.3. Lõi sắt non: làm tăng từ trường, mất từ tính khi ngắt điện

2. Tính chất từ trường của nam châm điện

• 2.1. Chỉ tồn tại khi có dòng điện chạy trong cuộn dây
• 2.2. Tăng dòng điện → lực từ tăng
• 2.3. Đổi cực nguồn điện → chiều từ trường thay đổi

3. Chế tạo nam châm điện đơn giản

• 3.1. Vật liệu: ống nhựa, dây đồng, đinh sắt, pin, công tắc
• 3.2. Quấn dây đồng quanh ống nhựa, luồn đinh sắt vào, nối với pin qua công tắc

4. So sánh nam châm điện và nam châm vĩnh cửu

• 4.1. Nam châm điện: bật/tắt được, thay đổi được lực từ và chiều từ trường
• 4.2. Nam châm vĩnh cửu: luôn có từ trường, không điều khiển được

5. Ứng dụng

• 5.1. Cần cẩu dọn rác (hút/thả kim loại)
• 5.2. Chuông điện
• 5.3. Loa điện, động cơ điện, máy phát điện
• 5.4. Tàu đệm từ trường

IV. SAI LẦM THƯỜNG GẶP

Cô Trần Thị Thanh Thảo

(Người kiểm duyệt, ra đề)

Chức vụ: Trưởng ban biên soạn môn Khoa Học Tự Nhiên THCS

Trình độ: Cử nhân Sư phạm KHTN, Chứng chỉ hạng II, Chứng chỉ Tin học, Ngoại ngữ B1

Kinh nghiệm: 6+ năm kinh nghiệm tại Trường THCS Nguyễn Siêu