Cực từ (Magnetic pole)

Cực từ trong nam châm vĩnh cửu

Nam châm vĩnh cửu, như nam châm que thường thấy, luôn có hai cực: cực bắc và cực nam. Hai cực này không thể tách rời nhau. Nếu bẻ gãy một nam châm thành nhiều mảnh, mỗi mảnh vỡ sẽ lại có một cặp cực bắc và nam riêng.

• Cực bắc: Định nghĩa theo quy ước, cực bắc của nam châm là cực chỉ về hướng Bắc địa lý của Trái Đất. Từ trường tại cực bắc hướng ra ngoài nam châm. Cụ thể hơn, cực bắc của nam châm bị hút về phía cực nam từ của Trái Đất (nằm gần Bắc địa lý).
• Cực nam: Ngược lại, cực nam là cực chỉ về hướng Nam địa lý của Trái Đất. Từ trường tại cực nam hướng vào trong nam châm. Tương tự, cực nam của nam châm bị hút về phía cực bắc từ của Trái Đất (nằm gần Nam địa lý).

Tính chất quan trọng của cực từ trong nam châm

• Không thể tách rời: Không thể tách riêng cực bắc và cực nam của một nam châm. Nếu cắt một nam châm thành hai phần, mỗi phần sẽ lại trở thành một nam châm mới với cả hai cực bắc và nam.
• Tương tác giữa các cực: Các cực từ tương tác với nhau theo nguyên tắc: cùng cực đẩy nhau, khác cực hút nhau. Cực bắc của nam châm này sẽ đẩy cực bắc của nam châm khác, nhưng hút cực nam của nam châm khác.
• Đường sức từ: Các đường sức từ là các đường cong tưởng tượng cho biết hướng của từ trường. Chúng đi ra từ cực bắc và đi vào cực nam của nam châm, tạo thành các vòng kín. Mật độ đường sức từ biểu thị cường độ của từ trường.

Cực từ của Trái Đất

Trái Đất hoạt động như một nam châm khổng lồ, có cực bắc và cực nam từ. Tuy nhiên, cần phân biệt rõ giữa cực địa lý và cực từ:

• Cực Bắc địa lý: Là điểm nằm ở cực bắc của trục quay Trái Đất.
• Cực Nam địa lý: Là điểm nằm ở cực nam của trục quay Trái Đất.
• Cực Bắc từ: Trên thực tế, cực Bắc từ của Trái Đất nằm gần cực Nam địa lý. Điều này có nghĩa là kim nam châm của la bàn chỉ về phía cực Bắc từ, gần với cực Nam địa lý. Nói cách khác, cực nam của “nam châm Trái Đất” nằm ở gần Bắc địa lý.
• Cực Nam từ: Tương tự, cực Nam từ của Trái Đất nằm gần cực Bắc địa lý. Cực bắc của “nam châm Trái Đất” nằm ở gần Nam địa lý.

Sự khác biệt giữa cực từ và cực địa lý:

• Vị trí: Cực từ không trùng khớp với cực địa lý. Chúng lệch nhau một góc gọi là độ từ thiên (hay góc lệch từ).
• Tính di động: Cực từ của Trái Đất không cố định mà di chuyển theo thời gian. Sự di chuyển này có thể do các dòng điện trong lõi Trái Đất.

Từ trường Trái Đất đóng vai trò quan trọng trong:

• Định hướng: La bàn hoạt động dựa trên nguyên lý tương tác giữa kim nam châm và từ trường Trái Đất. Kim la bàn, một nam châm nhỏ, sẽ tự động xoay sao cho cực bắc của nó chỉ về phía cực Bắc từ của Trái Đất (gần Nam địa lý).
• Bảo vệ khỏi bức xạ vũ trụ: Từ trường Trái Đất tạo thành một lớp bảo vệ, làm chệch hướng các hạt mang điện từ Mặt Trời, bảo vệ sự sống trên Trái Đất khỏi tác hại của bức xạ vũ trụ. Lớp bảo vệ này được gọi là Từ quyển.

Tóm tắt về cực từ

Cực từ là một khái niệm quan trọng trong từ học, giúp hiểu về bản chất và tính chất của từ trường. Việc phân biệt giữa cực từ và cực địa lý, đặc biệt trong trường hợp Trái Đất, là rất cần thiết để tránh nhầm lẫn.

Cường độ từ trường tại cực từ

Như đã đề cập, cực từ là nơi từ trường mạnh nhất trên bề mặt vật thể từ hóa. Cường độ từ trường được ký hiệu là B và đo bằng đơn vị Tesla (T) hoặc Gauss (G). Giá trị của B phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm vật liệu làm nam châm, kích thước và hình dạng của nam châm.

Công thức tính cường độ từ trường B tại một điểm trong không gian do một dòng điện I chạy trong dây dẫn gây ra được tính theo định luật Biot-Savart:

$d\mathbf{B} = \frac{\mu_0}{4\pi} \frac{I d\mathbf{l} \times \mathbf{r}}{r^3}$

Trong đó:

• $d\mathbf{B}$ là cường độ từ trường tại điểm đang xét.
• $\mu_0$ là độ từ thẩm của chân không.
• $I$ là cường độ dòng điện.
• $d\mathbf{l}$ là vectơ độ dài vô cùng nhỏ của dây dẫn.
• $\mathbf{r}$ là vectơ khoảng cách từ phần tử dòng điện $I d\mathbf{l}$ đến điểm đang xét.
• $r$ là độ lớn của vectơ $\mathbf{r}$.

Đối với nam châm vĩnh cửu, việc tính toán cường độ từ trường phức tạp hơn và thường cần sử dụng các phương pháp số.

Ứng dụng của cực từ

Cực từ và từ trường nói chung có rất nhiều ứng dụng trong đời sống và khoa học kỹ thuật, bao gồm:

• La bàn: Ứng dụng cơ điện nhất của cực từ, dựa trên nguyên lý kim nam châm chỉ về cực Bắc từ của Trái Đất.
• Động cơ điện: Động cơ điện hoạt động dựa trên tương tác giữa từ trường và dòng điện, trong đó cực từ đóng vai trò tạo ra từ trường.
• Máy phát điện: Máy phát điện hoạt động dựa trên nguyên tắc cảm ứng điện từ, biến đổi năng lượng cơ học thành năng lượng điện nhờ tương tác giữa nam châm và cuộn dây.
• Lưu trữ dữ liệu: Ổ cứng máy tính sử dụng các miền từ nhỏ để lưu trữ dữ liệu, dựa trên sự định hướng của cực từ trong các miền này.
• Y học: Cộng hưởng từ hạt nhân (MRI) là một kỹ thuật chẩn đoán hình ảnh sử dụng từ trường mạnh để tạo ra hình ảnh chi tiết của các cơ quan bên trong cơ thể.
• Khoa học vật liệu: Nghiên cứu về vật liệu từ tính và cực từ đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển các vật liệu mới với tính năng vượt trội.

Sự đảo cực từ Trái Đất

Qua nghiên cứu địa chất, người ta phát hiện ra rằng cực từ của Trái Đất đã đảo chiều nhiều lần trong lịch sử. Hiện tượng này được gọi là đảo cực địa từ. Mặc dù chưa rõ nguyên nhân chính xác, nhưng các nhà khoa học cho rằng nó liên quan đến sự thay đổi trong dòng chảy của kim loại lỏng ở lõi ngoài Trái Đất. Sự đảo cực này có thể ảnh hưởng đến hệ thống định vị và thông tin liên lạc, cũng như sự sống trên Trái Đất. Tuy nhiên, quá trình đảo cực diễn ra từ từ trong khoảng thời gian hàng trăm đến hàng nghìn năm, chứ không phải đột ngột.

• Griffiths, D. J. (2007). Introduction to Electrodynamics. Pearson Education.
• Young, H. D., & Freedman, R. A. (2019). University Physics with Modern Physics. Pearson Education.
• Tipler, P. A., & Mosca, G. (2008). Physics for Scientists and Engineers. W.H. Freeman.

Câu hỏi và Giải đáp

Điều gì xảy ra với từ trường nếu ta liên tục cắt một nam châm thành những mảnh nhỏ hơn?

Trả lời: Mỗi mảnh nhỏ của nam châm, dù nhỏ đến đâu, vẫn sẽ có hai cực từ riêng biệt (cực Bắc và cực Nam). Ta không thể cô lập một cực từ riêng lẻ. Điều này là do từ tính xuất phát từ sự sắp xếp của các momen từ nguyên tử bên trong vật liệu. Việc cắt nam châm chỉ tạo ra những nam châm nhỏ hơn với cùng một cấu trúc từ tính.

Tại sao cực Bắc của kim la bàn lại chỉ về Cực Bắc địa lý, trong khi cực Bắc từ lại nằm gần Cực Nam địa lý?

Trả lời: Đây là do quy ước đặt tên. Cực Bắc của kim la bàn thực chất là cực Nam từ tính, bị hút bởi Cực Bắc từ của Trái Đất (nằm gần Cực Nam địa lý). Để tránh nhầm lẫn, người ta gọi cực của kim la bàn chỉ về phía Bắc địa lý là “cực Bắc” của kim la bàn.

Sự đảo cực từ của Trái Đất có ảnh hưởng gì đến cuộc sống trên Trái Đất?

Trả lời: Mặc dù chưa có bằng chứng rõ ràng về thảm họa toàn cầu do đảo cực gây ra, nhưng nó có thể gây ra một số tác động: suy yếu từ trường Trái Đất trong thời gian đảo cực, làm tăng lượng bức xạ vũ trụ đến bề mặt Trái Đất; gây nhiễu loạn hệ thống định vị và thông tin liên lạc dựa trên từ trường; ảnh hưởng đến hành vi của các loài động vật di cư sử dụng từ trường để định hướng.

Làm thế nào để xác định cường độ từ trường tại một điểm cụ thể do một nam châm tạo ra?

Trả lời: Cường độ từ trường $B$ tại một điểm do nam châm tạo ra có thể được xác định bằng các phương pháp sau:

• Thực nghiệm: Sử dụng từ kế để đo trực tiếp cường độ từ trường tại điểm đó.
• Tính toán: Đối với các trường hợp đơn giản như nam châm thanh dài vô hạn, có thể sử dụng công thức để tính toán gần đúng. Tuy nhiên, đối với hình dạng phức tạp hơn, cần sử dụng các phương pháp số như phần tử hữu hạn.
• Mô phỏng: Sử dụng phần mềm mô phỏng để tính toán và trực quan hóa từ trường do nam châm tạo ra.

Ngoài Trái Đất, hành tinh nào khác trong hệ mặt trời có từ trường mạnh?

Trả lời: Sao Mộc có từ trường mạnh nhất trong hệ mặt trời, mạnh hơn từ trường Trái Đất khoảng 20.000 lần. Từ trường mạnh mẽ này được cho là do lõi kim loại lỏng của Sao Mộc quay rất nhanh. Các hành tinh khác như Sao Thổ, Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương cũng có từ trường riêng, nhưng yếu hơn so với Sao Mộc và Trái Đất.