Từ trường (Magnetic field)

Nguồn gốc của từ trường

Có nhiều nguồn gốc tạo ra từ trường, bao gồm:

• Nam châm vĩnh cửu: Các vật liệu như sắt từ được cấu trúc sao cho các momen từ nguyên tử sắp xếp theo cùng một hướng, tạo ra một từ trường tổng cộng. Sự sắp xếp này có thể xảy ra tự nhiên hoặc được tạo ra bằng cách đặt vật liệu trong một từ trường ngoài mạnh.
• Dòng điện: Bất kỳ dòng điện nào, dù là trong dây dẫn hay trong chùm hạt mang điện, đều tạo ra từ trường xung quanh nó. Định luật Biot-Savart và định luật Ampère mô tả mối quan hệ giữa dòng điện và từ trường sinh ra.
• Hạt mang điện chuyển động: Một hạt mang điện chuyển động cũng tạo ra từ trường xung quanh nó. Cường độ từ trường tỷ lệ thuận với vận tốc và điện tích của hạt.
• Biến thiên của trường điện: Theo các phương trình Maxwell, một trường điện biến thiên theo thời gian cũng sẽ sinh ra từ trường. Hiện tượng này là cơ sở của sóng điện từ, trong đó trường điện và từ trường dao động vuông góc với nhau và lan truyền trong không gian.

Đặc trưng của từ trường

Từ trường được đặc trưng bởi các đại lượng sau:

• Cường độ từ trường (B): Đại lượng vector biểu thị độ mạnh và hướng của từ trường tại một điểm. Đơn vị đo là Tesla (T) hoặc Gauss (G) (1 T = 10.000 G). Cường độ từ trường còn được gọi là mật độ thông lượng từ.
• Đường sức từ: Các đường cong tưởng tượng được vẽ sao cho tiếp tuyến tại mỗi điểm trùng với hướng của vector cường độ từ trường $ \vec{B} $ tại điểm đó. Đường sức từ luôn là đường cong kín, không cắt nhau và hướng ra từ cực bắc, đi vào cực nam của nam châm. Mật độ đường sức từ biểu thị cường độ của từ trường.
• Thông lượng từ ($ \Phi $): Đại lượng đo tổng số đường sức từ đi qua một diện tích nhất định. $ \Phi = \int \vec{B} \cdot d\vec{A} $. Đơn vị đo là Weber (Wb).
• Momen từ ($ \vec{m} $): Đại lượng vector đặc trưng cho độ mạnh của nguồn từ. Đối với một vòng dây dẫn điện có diện tích A và dòng điện I chạy qua, momen từ là $ \vec{m} = I\vec{A} $, với $ \vec{A} $ là vector diện tích có hướng vuông góc với mặt phẳng vòng dây theo quy tắc bàn tay phải.

Lực từ

Từ trường tác dụng lực lên các vật liệu từ tính, các dòng điện và các hạt mang điện chuyển động.

• Lực từ tác dụng lên dòng điện: Một đoạn dây dẫn mang dòng điện I đặt trong từ trường B sẽ chịu tác dụng của lực từ $ \vec{F} = I \vec{l} \times \vec{B} $, trong đó $ \vec{l} $ là vector độ dài của đoạn dây, có hướng cùng chiều dòng điện.
• Lực từ tác dụng lên hạt mang điện chuyển động: Một hạt mang điện q chuyển động với vận tốc $ \vec{v} $ trong từ trường $ \vec{B} $ sẽ chịu tác dụng của lực Lorentz: $ \vec{F} = q(\vec{v} \times \vec{B}) $.

Ứng dụng của từ trường

Từ trường có rất nhiều ứng dụng trong khoa học và kỹ thuật, bao gồm:

• Động cơ điện: Biến đổi năng lượng điện thành năng lượng cơ học.
• Máy phát điện: Biến đổi năng lượng cơ học thành năng lượng điện.
• Lưu trữ dữ liệu: Ổ cứng máy tính sử dụng từ trường để lưu trữ thông tin.
• Y học: Chụp cộng hưởng từ (MRI) sử dụng từ trường mạnh để tạo ra hình ảnh bên trong cơ thể.
• La bàn: Kim la bàn chỉ hướng bắc do tương tác với từ trường Trái Đất.
• Loa: Biến đổi tín hiệu điện thành âm thanh bằng cách sử dụng từ trường tác dụng lên cuộn dây.

Từ trường Trái Đất

Trái Đất có một từ trường bao quanh nó, được tạo ra bởi dòng điện trong lõi Trái Đất, cụ thể là sự chuyển động của sắt nóng chảy trong lõi ngoài. Từ trường này bảo vệ Trái Đất khỏi các hạt mang điện từ Mặt Trời (gió mặt trời) và có vai trò quan trọng trong định hướng và di chuyển của nhiều loài động vật, như chim di cư và một số loài cá. Cực từ Bắc của Trái Đất hiện đang nằm gần cực địa lý Nam, và ngược lại.

Độ từ thẩm ($ \mu $)

Độ từ thẩm là một đại lượng vật lý mô tả khả năng của một vật liệu cho phép từ trường đi qua nó. Nó được định nghĩa là tỷ số giữa mật độ thông lượng từ B trong vật liệu và cường độ từ trường H tác dụng lên vật liệu:

$ B = \mu H $

Trong đó:

• $ \mu_0 $ là độ từ thẩm của chân không, một hằng số vật lý có giá trị $ \mu_0 = 4\pi \times 10^{-7} $ T·m/A.
• $ \mu_r $ là độ từ thẩm tương đối của vật liệu, cho biết độ từ thẩm của vật liệu lớn hơn bao nhiêu lần so với chân không. $ \mu = \mu_r \mu_0 $

Vật liệu có thể được phân loại theo độ từ thẩm tương đối của chúng:

• Nghịch từ: $ \mu_r $ nhỏ hơn 1 một chút (ví dụ: bismuth, đồng). Các vật liệu này có xu hướng đẩy từ trường ra.
• Thuận từ: $ \mu_r $ lớn hơn 1 một chút (ví dụ: nhôm, bạch kim). Các vật liệu này bị từ hóa yếu trong từ trường ngoài.
• Sắt từ: $ \mu_r $ lớn hơn 1 rất nhiều (ví dụ: sắt, niken, coban). Các vật liệu này bị từ hóa mạnh trong từ trường ngoài và có thể giữ được từ tính sau khi từ trường ngoài bị loại bỏ.

Từ trường biến thiên và cảm ứng điện từ

Một từ trường biến thiên theo thời gian sẽ sinh ra một trường điện xoáy, theo định luật Faraday về cảm ứng điện từ. Suất điện động cảm ứng ($ \mathcal{E} $) được sinh ra trong một vòng dây dẫn kín tỉ lệ với tốc độ biến thiên của thông lượng từ qua vòng dây:

$ \mathcal{E} = -\frac{d\Phi}{dt} $

Hiện tượng cảm ứng điện từ là cơ sở hoạt động của nhiều thiết bị điện, như máy phát điện, biến áp, và cuộn cảm.

Năng lượng từ trường

Năng lượng được lưu trữ trong từ trường. Mật độ năng lượng từ trường (năng lượng trên một đơn vị thể tích) được cho bởi:

$ u = \frac{B^2}{2\mu} $

Một số hiện tượng liên quan đến từ trường

• Hiệu ứng Hall: Sự xuất hiện của hiệu điện thế ngang trong một vật dẫn mang dòng điện khi đặt trong từ trường vuông góc với dòng điện.
• Cộng hưởng từ hạt nhân (NMR): Hiện tượng hấp thụ và phát xạ sóng điện từ bởi các hạt nhân nguyên tử khi đặt trong từ trường mạnh.
• Cộng hưởng thuận từ điện tử (EPR): Tương tự NMR, nhưng áp dụng cho các electron chưa ghép đôi.

• University Physics with Modern Physics, Young and Freedman, Pearson Education.
• Physics for Scientists and Engineers with Modern Physics, Serway and Jewett, Cengage Learning.
• Introduction to Electrodynamics, David Griffiths, Pearson Education.
• Electricity and Magnetism, Edward Purcell and David Morin, Cambridge University Press.

Câu hỏi và Giải đáp

Làm thế nào để xác định hướng của từ trường tạo ra bởi một dòng điện chạy trong dây dẫn thẳng?

Trả lời: Sử dụng quy tắc nắm tay phải. Nắm bàn tay phải lại sao cho ngón cái chỉ theo chiều dòng điện, thì các ngón tay còn lại sẽ chỉ hướng của từ trường bao quanh dây dẫn.

Sự khác biệt giữa vật liệu nghịch từ, thuận từ và sắt từ là gì về mặt tương tác với từ trường?

Trả lời:

• Nghịch từ: Có độ từ thẩm tương đối ($ \mu_r $) nhỏ hơn 1 một chút. Chúng bị đẩy yếu bởi từ trường ngoài.
• Thuận từ: Có $ \mu_r $ lớn hơn 1 một chút. Chúng bị hút yếu bởi từ trường ngoài.
• Sắt từ: Có $ \mu_r $ lớn hơn 1 rất nhiều. Chúng bị hút mạnh bởi từ trường ngoài và có thể trở thành nam châm vĩnh cửu.

Định luật Lenz phát biểu như thế nào và nó liên quan gì đến định luật Faraday về cảm ứng điện từ?

Trả lời: Định luật Lenz phát biểu rằng dòng điện cảm ứng sẽ luôn có chiều sao cho từ trường do nó sinh ra chống lại sự biến thiên của từ thông đã sinh ra nó. Nó bổ sung cho định luật Faraday bằng cách xác định chiều của dòng điện cảm ứng.

Ngoài lực Lorentz, còn lực nào khác tác dụng lên hạt mang điện chuyển động trong từ trường không?

Trả lời: Nếu hạt mang điện chuyển động trong cả từ trường và điện trường, nó sẽ chịu tác dụng của cả lực Lorentz do từ trường ($ \vec{F}_B = q(\vec{v} \times \vec{B}) $) và lực điện do điện trường ($ \vec{F}_E = q\vec{E} $). Tổng lực tác dụng lên hạt sẽ là tổng vector của hai lực này: $ \vec{F} = \vec{F}_E + \vec{F}_B = q(\vec{E} + \vec{v} \times \vec{B}) $.

Ứng dụng của hiệu ứng Hall trong thực tế là gì?

Trả lời: Hiệu ứng Hall được sử dụng trong nhiều ứng dụng, bao gồm:

• Cảm biến Hall: Đo cường độ từ trường.
• Đo dòng điện: Xác định cường độ dòng điện mà không cần ngắt mạch.
• Xác định loại hạt tải điện: Xác định xem hạt tải điện chủ yếu trong vật liệu là electron hay lỗ trống.
• Công tắc Hall: Dùng trong bàn phím máy tính và các thiết bị điện tử khác.

Những câu hỏi và trả lời này giúp đào sâu hơn vào các khía cạnh quan trọng của từ trường và các ứng dụng của nó.