Bài 19: Từ trường

Trong chương I, chúng ta đã nghiên cứu lực điện – lực tương tác giữa các điện tích đứng yên. Nguồn gốc của lực điện là điện trường.
Một vấn đề tự nhiên được đặt ra là khi các điện tích chuyển động thì lực tương tác giữa chúng ra sao? Chúng gây ra loại trường gì?

Nam châm

Loại vật liệu có thể hút được sắt vụn gọi là nam châm.
Vật liệu dùng để làm nam châm thường là các chất (hoặc là các hợp chất của chúng): sắt (Fe), niken (Ni), côban (Co), mangan (Mn), gađôlinium (Gd), disprôsium (Dy).
Trên một nam châm, có những miền hút sắt vụn mạnh nhất: đó là các cực của nam châm. Mỗi nam châm bao giờ cũng có hai loại cực phân biệt.
Một kim nam châm nhỏ:
– Được đặt tự do và có thể quay xung quanh một trục thẳng đứng đi qua trọng tâm của kim nam châm.
– Nếu không có một nam châm nào khác (hoặc một dòng điện nào) đặt gần kim nam châm ấy, thì ta thấy nó luôn nằm theo hướng Nam – Bắc.
Mỗi nam châm có hai cực: Cực Bắc (kí hiệu là N) và cực Nam (kí hiệu là S).
Hai cực của nam châm đặt gần nhau sẽ đẩy nhau khi chúng cùng tên và hút nhau khi chúng khác tên.
Lực tương tác đó được gọi là lực từ và các nam châm được gọi là có từ tính.
Các loại nam châm

Từ tính của dây dẫn có dòng điện

Thực nghiệm chứng tỏ

Dòng điện có thể tác dụng lực lên nam châm
Chú thích:
– Kí hiệu $\bigotimes$ có nghĩa là lực $\overrightarrow{F_{1}}\rightarrow$ hướng về phía sau mặt phẳng hình vẽ.
– Kí hiệu $\bigodot$ có nghĩa là lực $\overrightarrow{F_{2}}\rightarrow$ hướng về phía trước mặt phẳng hình vẽ.
Nam châm có thể tác dụng lực lên dòng điện
Hai dòng điện có thể tương tác với nhau:
Video: https://youtu.be/dGoCivUwf5I

Kết luận

Giữa hai dây dẫn có dòng điện, giữa hai nam châm, giữa một dòng điện và một nam châm đều có lực tương tác; những lực tương tác ấy gọi là lực từ. Ta cũng nói dòng điện và nam châm có từ tính.

Từ trường

Định nghĩa

Từ trường là một dạng vật chất tồn tại trong không gian mà biểu hiện cụ thể là sự xuất hiện của lực từ tác dụng lên một dòng điện hay một nam châm đặt trong đó.

Quy ước

Để phát hiện sự tồn tại của từ trường trong một khoảng không gian nào đó, người ta sử dụng kim nam châm nhỏ, đặt tại những vị trí bất kì trong khoảng không gian ấy.
Quy ước:

Hướng của từ trường tại một điểm là hướng Nam – Bắc của kim nam châm nhỏ nằm cân bằng tại điểm đó.

Ghi nhớ:

Ra Bắc – Vào Nam

Đường sức từ

Để biểu diễn về mặt hình học sự tồn tại của từ trường trong không gian, người ta đưa ra khái niệm đường sức từ.

Định nghĩa

Đường sức từ là những đường vẽ ở trong không gian có từ trường sao cho tiếp tuyến tại mỗi điểm có phương trùng với phương của từ trường tại điểm đó.

Quy ước: chiều của đường sức từ tại một điểm là chiều của từ trường tại điểm đó.
Có thể quan sát hình dạng của những đường sức từ bằng thí nghiệm từ phổ.
Video: https://youtu.be/j8XNHlV6Qxg

Các ví dụ về đường sức từ

Từ trường của dòng điện thẳng rất dài

Đường sức từ là những đường tròn đồng tâm nằm trên những mặt phẳng vuông góc với dòng điện và có tâm là giao điểm giữa dòng điện và mặt phẳng.
Có chiều được xác định bởi quy tắc nắm tay phải.
– Quy tắc nắm tay phải

Để bàn tay phải sao cho ngón cái nằm dọc theo dây dẫn và chỉ theo chiều dòng điện, khi đó các ngón kia khum lại cho ta chiều của các đường sức từ.

Từ trường của dòng điện tròn

Đường sức từ là những đường cong khép kín và đi qua tâm vòng dây là đường thẳng.
Chiều của đường sức từ:
– Mặt Nam của dòng điện tròn là mặt khi nhìn vào ta thấy dòng điện chạy theo chiều kim đồng hồ, còn mặt Bắc thì ngược lại.
– Các đường sức từ của dòng điện tròn có chiều đi vào mặt Nam và đi ra từ mặt Bắc của dòng điện tròn ấy.

Các tính chất của đường sức từ

Qua mỗi điểm trong không gian chỉ vẽ được một đường sức từ.
Các đường sức từ là những đường cong khép kín hoặc vô hạn ở hai đầu.
Chiều của các đường sức từ tuân theo những quy tắc xác định (quy tắc nắm tay phải, quy tắc vào Nam ra Bắc).
Chỗ nào từ trường mạnh thì các đường sức từ mau và chỗ nào từ trường yếu thì các đường sức từ thưa.

Từ trường Trái Đất

Từ thời cổ, loài người đã biết sử dụng la bàn để xác định phương hướng.
Đặt la bàn tại một vị trí xác định, xa các nam châm khác và các dòng điện, kim nam châm của la bàn luôn luôn nằm theo một hướng xác định không đổi, gần trùng với hướng Nam – Bắc.
Đó là do kim nam châm luôn luôn chịu tác dụng của từ trường Trái Đất (địa từ trường).
Tại một vị trí xác định trên Trái Đất xét trong một khoảng thời gian dài thì từ trường Trái Đất thay đổi, chỉ có thành phần địa từ trường trung bình được gọi là không đổi.

Ứng dụng:
– Ngăn cản hầu hết gió Mặt Trời, vì nó chứa các hạt tích điện khi thổi đến làm tước đi tầng ozone giúp bảo vệ Trái Đất khỏi bức xạ cực tím có hại từ Mặt Trời.
– Đối với một số loài động vật thì từ trường Trái Đất rất quan trọng vì chúng sử dụng từ trường để định hướng. Kiến, chim di cư, rùa và cá mập có lẽ sẽ lạc hướng nếu không có từ trường.