Lực từ (Magnetic Force)

1. Lực từ tác dụng lên hạt mang điện chuyển động:

Khi một hạt mang điện tích $q$ chuyển động với vận tốc $\vec{v}$ trong một từ trường $\vec{B}$, nó sẽ chịu tác dụng của một lực từ $\vec{F}$ được tính bởi công thức:

$\vec{F} = q(\vec{v} \times \vec{B})$

Trong đó:

• $\vec{F}$ là lực từ (đơn vị Newton, N)
• $q$ là điện tích của hạt (đơn vị Coulomb, C)
• $\vec{v}$ là vận tốc của hạt (đơn vị mét trên giây, m/s)
• $\vec{B}$ là vectơ cảm ứng từ (đơn vị Tesla, T)
• $\times$ là phép nhân vectơ (tích có hướng).

Công thức này cho thấy lực từ vuông góc với cả vận tốc $\vec{v}$ của hạt và vectơ cảm ứng từ $\vec{B}$. Hướng của lực từ được xác định bởi quy tắc bàn tay trái: Đặt bàn tay trái sao cho các ngón tay hướng theo chiều của $\vec{v}$, lòng bàn tay hướng về phía $\vec{B}$, thì ngón cái choãi ra 90 độ sẽ chỉ chiều của $\vec{F}$ (đối với điện tích dương). Đối với điện tích âm, chiều của lực từ ngược lại. Độ lớn của lực từ được tính bằng:

$F = |q|vB\sin{\theta}$

với $\theta$ là góc giữa $\vec{v}$ và $\vec{B}$.

Đặc điểm của lực từ tác dụng lên hạt mang điện chuyển động:

• Phương: Vuông góc với cả $\vec{v}$ và $\vec{B}$. Hướng của $\vec{F}$ được xác định bởi quy tắc bàn tay trái: Đặt bàn tay trái sao cho các ngón tay chỉ theo hướng của $\vec{v}$, lòng bàn tay hướng về phía $\vec{B}$, thì ngón cái choãi ra 90 độ sẽ chỉ hướng của $\vec{F}$ (đối với điện tích dương). Nếu điện tích âm, hướng của lực ngược lại.
• Độ lớn: $F = |q|vB\sin{\theta}$, trong đó $\theta$ là góc giữa $\vec{v}$ và $\vec{B}$. Lực từ đạt giá trị cực đại khi $\vec{v}$ vuông góc với $\vec{B}$ ($\theta = 90^\circ$) và bằng 0 khi $\vec{v}$ song song hoặc ngược chiều với $\vec{B}$ ($\theta = 0^\circ$ hoặc $180^\circ$).
• Không sinh công: Vì lực từ luôn vuông góc với vận tốc, nên nó không sinh công. Điều này có nghĩa là lực từ không làm thay đổi động năng của hạt, chỉ làm thay đổi hướng chuyển động của hạt. Hạt mang điện chuyển động trong từ trường đều và vuông góc với từ trường sẽ chuyển động tròn đều.

2. Lực từ tác dụng lên dây dẫn mang dòng điện:

Một đoạn dây dẫn mang dòng điện $I$ đặt trong từ trường $\vec{B}$ cũng chịu tác dụng của lực từ. Lực này là tổng hợp lực từ tác dụng lên các electron chuyển động trong dây dẫn. Công thức tính lực từ tác dụng lên đoạn dây dẫn thẳng dài $l$ là:

$\vec{F} = I(\vec{l} \times \vec{B})$

Trong đó:

• $\vec{l}$ là vectơ có độ lớn bằng chiều dài đoạn dây và hướng theo chiều dòng điện.
• Hướng của lực được xác định bằng quy tắc bàn tay trái tương tự như trường hợp lực từ tác dụng lên hạt mang điện, với $\vec{l}$ thay cho $\vec{v}$.
• Độ lớn của lực được tính bằng $F = IlB\sin{\theta}$, với $\theta$ là góc giữa $\vec{l}$ và $\vec{B}$.

3. Lực từ giữa các nam châm:

Các nam châm tác dụng lực hút hoặc đẩy lên nhau. Lực này phát sinh do tương tác giữa các từ trường của các nam châm. Các cực cùng tên đẩy nhau, các cực khác tên hút nhau. Lực tương tác giữa các nam châm khá phức tạp và phụ thuộc vào hình dạng và cường độ từ trường của chúng.

4. Ứng dụng của lực từ:

Lực từ có rất nhiều ứng dụng quan trọng trong khoa học và kỹ thuật, ví dụ như:

• Động cơ điện
• Máy phát điện
• Loa
• Đầu đọc đĩa cứng
• Máy gia tốc hạt
• Thiết bị chụp cộng hưởng từ (MRI)
• La bàn

Lực từ là một lực cơ bản quan trọng với nhiều ứng dụng thiết thực. Hiểu biết về lực từ giúp chúng ta giải thích và ứng dụng nhiều hiện tượng trong tự nhiên và kỹ thuật.

6. Mômen lực từ tác dụng lên khung dây dẫn mang dòng điện:

Một khung dây dẫn mang dòng điện $I$ đặt trong từ trường $\vec{B}$ sẽ chịu tác dụng của một mômen lực từ. Mômen lực này làm khung dây quay. Đối với một khung dây hình chữ nhật có diện tích $A$ và gồm $N$ vòng dây, mômen lực từ $\vec{M}$ được tính bởi công thức:

$\vec{M} = NIA(\vec{n} \times \vec{B})$

Trong đó:

• $N$ là số vòng dây
• $I$ là cường độ dòng điện
• $A$ là diện tích khung dây
• $\vec{n}$ là vectơ pháp tuyến của mặt phẳng khung dây, hướng được xác định theo quy tắc nắm tay phải (ngón tay cái chỉ theo hướng của $\vec{n}$, các ngón tay còn lại chỉ theo chiều dòng điện).

Độ lớn của mômen lực từ là:

$M = NIAB\sin{\theta}$

với $\theta$ là góc giữa $\vec{n}$ và $\vec{B}$.

Mômen lực từ này là nguyên lý hoạt động của nhiều thiết bị điện, chẳng hạn như động cơ điện.

7. Lực từ trong vật liệu từ:

Bên trong vật liệu từ, các nguyên tử và phân tử có mômen từ riêng. Khi đặt vật liệu từ trong một từ trường ngoài, các mômen từ này sẽ sắp xếp theo từ trường, tạo ra từ trường tổng cộng mạnh hơn. Hiện tượng này được gọi là từ hóa.

Cường độ từ trường $\vec{H}$ và cảm ứng từ $\vec{B}$ liên hệ với nhau qua độ từ thẩm $\mu$ của môi trường:

$\vec{B} = \mu\vec{H}$

Độ từ thẩm của chân không là $\mu_0 = 4\pi \times 10^{-7}~\text{T}\cdot\text{m/A}$. Độ từ thẩm của vật liệu từ thường lớn hơn nhiều so với $\mu_0$.

8. Từ trường Trái Đất:

Trái Đất có một từ trường riêng, hoạt động như một nam châm khổng lồ. Từ trường này bảo vệ Trái Đất khỏi các hạt mang điện từ Mặt Trời. La bàn hoạt động dựa trên nguyên lý tương tác giữa kim nam châm với từ trường Trái Đất.

• University Physics with Modern Physics, Young and Freedman
• Physics for Scientists and Engineers, Serway and Jewett
• Fundamentals of Physics, Halliday, Resnick, and Walker
• Điện Từ Học, Đại học Bách Khoa Hà Nội.

Câu hỏi và Giải đáp

Nếu một hạt mang điện chuyển động song song với từ trường, lực từ tác dụng lên nó sẽ như thế nào?

Trả lời: Nếu một hạt mang điện chuyển động song song (hoặc ngược chiều) với từ trường, góc $\theta$ giữa vận tốc $\vec{v}$ và từ trường $\vec{B}$ sẽ bằng $0^\circ$ (hoặc $180^\circ$). Do đó, $\sin\theta = 0$, và lực từ $F = |q|vB\sin\theta = 0$. Vậy, không có lực từ tác dụng lên hạt trong trường hợp này. Hạt sẽ tiếp tục chuyển động thẳng đều.

Sự khác biệt giữa cảm ứng từ $\vec{B}$ và cường độ từ trường $\vec{H}$ là gì?

Trả lời: Cả $\vec{B}$ và $\vec{H}$ đều là các đại lượng vectơ mô tả từ trường. Tuy nhiên, $\vec{B}$ (cảm ứng từ) là đại lượng đặc trưng cho từ trường trong mọi môi trường, bao gồm cả chân không và vật chất. $\vec{H}$ (cường độ từ trường) lại là đại lượng đặc trưng cho từ trường do dòng điện tạo ra. Trong chân không, chúng liên hệ với nhau bởi hằng số $\mu_0$: $\vec{B} = \mu_0\vec{H}$. Trong vật liệu, mối quan hệ phức tạp hơn: $\vec{B} = \mu\vec{H}$, với $\mu$ là độ từ thẩm của vật liệu, phản ánh khả năng vật liệu bị từ hóa.

Tại sao lực từ không sinh công?

Trả lời: Lực từ luôn vuông góc với vận tốc của hạt mang điện. Công được định nghĩa là tích vô hướng của lực và độ dịch chuyển: $W = \vec{F} \cdot \vec{d}$. Vì lực từ $\vec{F}$ vuông góc với vận tốc $\vec{v}$, và độ dịch chuyển $\vec{d}$ song song với $\vec{v}$ trong một khoảng thời gian rất nhỏ, nên $\vec{F}$ vuông góc với $\vec{d}$. Do đó, tích vô hướng của chúng bằng 0, và công sinh ra bởi lực từ cũng bằng 0.

Nguyên lý hoạt động của động cơ điện một chiều là gì?

Trả lời: Động cơ điện một chiều hoạt động dựa trên nguyên lý mômen lực từ tác dụng lên khung dây dẫn mang dòng điện đặt trong từ trường. Khi dòng điện chạy qua khung dây, mômen lực từ làm khung dây quay. Một bộ phận gọi là cổ góp đổi chiều dòng điện trong khung dây sau mỗi nửa vòng quay, đảm bảo mômen lực luôn cùng chiều và khung dây tiếp tục quay.

Nếu một hạt mang điện chuyển động trong từ trường không đều thì quỹ đạo của nó sẽ như thế nào?

Trả lời: Nếu từ trường không đều, độ lớn và hướng của lực từ tác dụng lên hạt sẽ thay đổi theo vị trí. Do đó, quỹ đạo của hạt sẽ không còn là đường tròn đều như trong trường hợp từ trường đều. Quỹ đạo có thể phức tạp hơn, tùy thuộc vào sự phân bố của từ trường. Hạt có thể bị bẫy trong một vùng từ trường nhất định, hoặc bị đẩy ra khỏi vùng đó. Ví dụ, trong bẫy từ, từ trường không đều được sử dụng để giam giữ các hạt mang điện.