Từ trường là gì?
Từ trường là môi trường vật chất xung quanh các hạt mang điện có sự chuyển động không ngừng, nó gây ra lực từ tác dụng lên một số vật có từ tính được đặt bên trong nó như dòng điện hay thanh nam châm.
Để hiểu rõ hơn về khái niệm này chúng tôi xin đưa ra một số ví dụ như sau để bạn dễ hình dung như: việc 2 nam châm hút nhau khi đặt chúng gần nhau (hay đặt chúng vào vùng từ trường của nhau); lực từ tác dụng xuyên qua không gian; sự tương tác của các dòng điện song song nếu cùng chiều thì hút còn ngược thì dấu sẽ đẩy nhau.
Từ trường là gì?
Cách nhận biết từ trường
Thông thường bằng mắt nhìn xung quanh chúng ta rất khó để nhận biết được môi trường của nó, ta thực hiện được thí nghiệm sau:
- Chuẩn bị: 1 cuộn dây dẫn điện, 1 la bàn (nam châm), nguồn điện 5V, biến trở
- Thực hiện: Mắc cuộn dây qua một biến trở sau đó lắp vào nguồn điện 1 chiều
- Kết quả: Khi có nguồn điện đi qua quan sát thấy la bàn lệch đi ⇒ Cuộn dây sinh ra từ trường và la bàn định hướng theo từ trường của cuộn dây.
⇒ Vì vậy để nhận biết từ trường người ta sử sử dụng kim nam châm để dễ dàng nhận biết sự tác động của lực từ lên vật dật từ (nam châm).
Cách nhận biết từ trường
Hướng của từ trường
Sử dụng nam châm thử để phát hiện hướng của nó. Người ta quy ước hướng của nó tại một điểm là hướng Nam - Bắc của kim nam châm nhỏ cân bằng tại điểm đó.
Công thức tính từ trường
Tùy vào đặc điểm loại từ trường mà người ta có được công thức tính toán giá trị của nó tương ứng. Cụ thể:
Từ trường dòng điện chạy trong dây dẫn thẳng dài:
Trong đó:
- B: Cảm ứng từ (T)
- I: Cường độ dòng điện (A)
- r: Khoảng cách từ dòng điện đến vị trí ta cần xét (m)
Từ trường dòng điện chạy trong dây dẫn uốn vòng tròn:
Trong đó:
- B: Cảm ứng từ (T)
- I: Cường độ dòng điện (A)
- R: Bán kính vòng dây mang dòng điện(m)
Từ trường trong khung dây tròn có N vòng quấn:
Trong đó:
- B: Cảm ứng từ (T)
- I: Cường độ dòng điện (A)
- R: Bán kính vòng dây mang dòng điện (m)
- N: Số vòng dây
Từ trường của dòng điện trong ống dây hình trụ:
Trong đó:
- B: Cảm ứng từ (T)
- I: Cường độ dòng điện (A)
- N: Tổng số vòng dây
- l: Chiều dài ống dây (m)
- n = N.l : số vòng dây quấn trên một đơn vị dài của ống dây
Ứng dụng của từ trường
Trong thực tế, từ trường có tính ứng dụng lớn trong sản xuất các thiết bị sản xuất khác nhau:
- Ứng dụng trong các thiết bị máy móc như máy phát điện, các loại động cơ điện
- Sử dụng trong các máy điện tính như máy biến áp, tụ điện,….
- Sử dụng để hút sắt như nam châm điện trong cần cẩu thép, cuộn rơ le, cuộn dây đóng mở van điện tử,…
- Dụng cụ đo đạc và thăm dò tín hiệu, phát tín hiệu sử dụng như micro loa, dò phát ra âm thanh, bộ cảm biến đo lường độ rung, độ chấn động, còn điện, chuông báo nước,…
- Sử dụng trong các vật chuyển động như đệm trong xe lửa cao tốc, bộ cản dịu bên trong các đồng hồ đo đạc,…
- Ứng dụng tạo ra sóng điện từ phát minh ra radio, TV, điện thoại di động và nhiều công nghệ hiện đại ngày nay,…
- Ứng dụng trong các thiết bị y tế giúp điều trị, cứu, chữa bệnh cho con người,…
Ứng dụng của từ trường
Đường sức từ
Đường sức từ là khái niệm thường được nhắc đến khi nói về từ trường. Vậy đường sức từ thực chất là gì, tính chất của nó ra sao?
Định nghĩa đường sức từ
Đường sức từ biểu diễn mật độ của từ trường (mạnh hay yếu) là tập hợp nhiều đường cong khép kín hoặc thẳng dài vô tận không cắt nhau trong không gian xung quanh nam châm hoặc dòng điện. Đường sức từ càng nhiều, mật độ càng dài từ trường càng lớn và ngược lại. Người ta quy ước chiều của đường sức từ đi từ cực Bắc vào cực Nam của thanh nam châm tại một điểm bất kỳ nào đó.
Các ví dụ về đường sức từ
Về cơ bản, đường sức từ có nhiều hình dạng khác nhau dựa theo hình dạng của thanh nam châm. Cụ thể:
- Đường sức từ của nam châm thẳng: Đường sức từ xuất hiện ở bên ngoài nam châm có hình cong đối xứng qua trục nam châm, hướng đi từ cực Bắc vào cực Nam. Càng gần thanh nam châm thì đường sức từ càng dày và mạnh hơn.
Đường sức từ của nam châm thẳng
- Đường sức từ của nam châm chữ U: Đường sức từ bên ngoài thanh nam châm, có dạng đường cong, đối xứng qua trục chữ U của nam châm, chiều từ Bắc vào Nam. Đường sức từ càng mau hơn khi tiến gần phía đều nam châm.
Đường sức từ của trong khoảng thời gian giữa 2 cực nam châm chữ U là đường thẳng song song và cách đều nhau - đây được gọi là từ trường đều.
Đường sức từ của nam châm chữ U
- Đường sức từ của dòng điện thẳng dài: Đường sức từ là những đường tròn nằm trong mặt phẳng và vuông góc với dòng điện, có tâm nằm trên dòng điện. Xác định chiều của đường sức từ thông qua quy tắc bàn tay phải: “Đặt bàn tay phải sao cho ngón cái trùng với phương của dây dẫn và chỉ theo chiều dòng điện, các ngón còn lại khum theo chiều các đường sức từ”.
Đường sức từ của dòng điện thẳng dài
Các tính chất của đường sức từ
Các đường sức từ có những tính chất riêng như sau:
- Mỗi điểm trong không gian chỉ có duy nhất 1 đường sức từ
- Các đường sức từ là đường cong khép kín hoặc đường thẳng dài vô hạn ở 2 đầu
- Chiều của đường sức từ thông qua quy tắc bàn tay phải và quy tắc ra Bắc vào Nam
- Quy ước các đường sức từ mạnh thì sẽ có độ mau và sát vào nhau, càng yếu thì đường sức từ thưa và yếu hơn.
Cảm ứng từ
Nếu đường sức từ diễn tả mật độ của từ trường thì cảm ứng từ lại cho biết về độ lớn của nó. Cảm ứng từ được định nghĩa là đại lượng vật lý đặc trưng cho từ trường trên phương diện tác dụng của lực từ, có đơn vị là Tesla, ký hiệu T. Véc tơ cảm ứng từ là véc tơ có phương tiếp tuyến với đường sức tại điểm bất kỳ, chiều từ cực nam sang cực bắc của nam châm đặt lên nó.
Từ trường đều
Đây là khái niệm được nhắc đến khá nhiều trong vật lý. Nó có các đường sức từ song song, cùng chiều, khoảng cách các đường sức đều nhau. Do vậy, độ lớn hay cảm ứng từ tại bất kỳ điểm nào trong nó là như nhau.
Từ trường của trái đất (địa từ trường)
Các nhà khoa học đã nghiên cứu ra rằng xung quanh trái đất luôn tồn tại từ trường. Nó xuất hiện do tính chất của các vật chất trên trái đất tạo thành. Hiện tượng này của trái đất tồn tại từ trong lòng trái đất, không gian lớn bao quanh.
Nguyên nhân gây ra hiện tượng này cho trái đất được giải thích theo học thuyết geodynamo, trái đất của chúng ta được coi như 1 lưỡng cực từ trường 1 cực gần cực Bắc địa lý, cực Nam gần cực Nam địa lý. Đường thẳng nối 2 cực này lại thành 1 góc lệch khoảng 11.3 độ gọi là trục quay của trái đất.
Nó có thể mở rộng vô hại, các điểm càng xa nguồn thì càng yếu. Lực này có tác động hàng ngàn km trong vũ trụ gọi là từ quyển. Lớp từ quyển trái đất và lớp khí quyển có vai trò chặn các dòng hạt điện tích và bảo vệ sự sống trên trái đất.
