TỪ TRƯỜNG: CƯỜNG ĐỘ, ĐẶC ĐIỂM, NGUỒN, VÍ DỤ - VẬT LÝ - 2026

Các từ trường là sự ảnh hưởng đó di chuyển điện tích có trên không gian xung quanh chúng. Điện tích luôn có điện trường, nhưng chỉ những vật chuyển động mới tạo ra tác dụng từ trường.

Sự tồn tại của từ tính đã được biết đến từ rất lâu. Người Hy Lạp cổ đại đã mô tả một loại khoáng chất có khả năng thu hút các mảnh sắt nhỏ: đó là đá vôi hoặc magnetit.

Hình 1. Mẫu magnetite. Nguồn: Wikimedia Commons. Rojinegro81.

Các nhà hiền triết Thales của Miletus và Plato bận rộn ghi lại các hiệu ứng từ trường trong các tác phẩm của họ; Nhân tiện, họ cũng biết về tĩnh điện.

Nhưng từ tính không gắn liền với điện cho đến thế kỷ 19, khi Hans Christian Oersted quan sát thấy la bàn bị lệch trong vùng lân cận của một dây dẫn mang dòng điện.

Ngày nay chúng ta biết rằng điện và từ tính là hai mặt của cùng một đồng xu.

Từ trường trong vật lý

Trong vật lý, thuật ngữ từ trường là một đại lượng vectơ, với môđun (giá trị số của nó), hướng trong không gian và cảm giác. Nó cũng có hai nghĩa. Đầu tiên là một vector đôi khi được gọi là cảm ứng từ và được ký hiệu là B .

Đơn vị của B trong Hệ đơn vị quốc tế là tesla, viết tắt là T. Đại lượng còn gọi là từ trường là H , còn được gọi là cường độ từ trường và có đơn vị là ampe / mét.

Cả hai đại lượng đều tỷ lệ với nhau, nhưng chúng được định nghĩa theo cách này để tính đến các tác động mà vật liệu từ tính có trên trường đi qua chúng.

Nếu một vật liệu được đặt ở giữa một từ trường bên ngoài, thì trường tạo thành sẽ phụ thuộc vào điều này và cũng phụ thuộc vào phản ứng từ của chính vật liệu đó. Đó là lý do tại sao B và H có quan hệ với nhau bởi:

B = μ _m H

Ở đây μ _m là hằng số phụ thuộc vào vật liệu và có các đơn vị phù hợp để khi nhân với H được kết quả là tesla.

C

-Từ trường là một vectơ có độ lớn nên nó có độ lớn, hướng và giác.

-Đơn vị của từ trường B trong Hệ thống Quốc tế là tesla, viết tắt là T, còn H là ampe / mét. Các đơn vị khác xuất hiện thường xuyên trong tài liệu là gauss (G) và oersted.

-Đường sức từ luôn là những vòng kín, rời một cực bắc và đi vào một cực nam. Trường luôn tiếp tuyến với các đường.

-Các cực từ luôn được trình bày theo cặp Bắc Nam. Không thể có cực từ cách ly.

-Nó luôn bắt nguồn từ sự chuyển động của các điện tích.

- Cường độ của nó tỷ lệ với độ lớn của tải hoặc cường độ dòng điện tạo ra nó.

-Độ lớn của từ trường giảm nghịch đảo của bình phương khoảng cách.

-Từ trường có thể không đổi hoặc biến thiên, theo cả thời gian và không gian.

-Từ trường có khả năng tác dụng lực từ lên điện tích chuyển động hoặc lên dây dẫn có dòng điện.

Cực của nam châm

Một nam châm thanh luôn có hai cực từ: cực bắc và cực nam. Rất dễ dàng để xác minh rằng các cực của cùng một dấu hiệu đẩy lùi, trong khi các cực khác loại hút nhau.

Điều này khá giống với những gì xảy ra với điện tích. Cũng có thể quan sát thấy rằng chúng càng gần nhau thì lực hút hoặc đẩy nhau càng lớn.

Nam châm thanh có một mô hình đặc biệt của đường trường. Chúng là những đường cong sắc nét, rời khỏi cực bắc và đi vào cực nam.

Hình 2. Đường sức từ của nam châm thanh. Nguồn: Wikimedia Commons.

Một thí nghiệm đơn giản để quan sát những đường này là trải mạt sắt lên trên một tờ giấy và đặt một thanh nam châm bên dưới.

Cường độ của từ trường được cho dưới dạng hàm của mật độ đường sức. Chúng luôn dày đặc nhất ở gần các cực, và chúng lan rộng khi chúng ta di chuyển ra khỏi nam châm.

Nam châm còn được gọi là lưỡng cực từ, trong đó hai cực chính xác là cực nam và bắc.

Nhưng chúng không bao giờ có thể tách rời. Nếu bạn cắt đôi nam châm, bạn sẽ có hai nam châm, mỗi nam châm có các cực nam và bắc tương ứng. Các cực biệt lập được gọi là đơn cực từ, nhưng cho đến nay chưa có cực nào bị cô lập.

Nguồn

Người ta có thể nói về các nguồn khác nhau của từ trường. Chúng bao gồm từ các khoáng chất từ ​​tính, xuyên qua chính Trái đất, hoạt động giống như một nam châm lớn, đến nam châm điện.

Nhưng sự thật là mọi từ trường đều có nguồn gốc từ chuyển động của các hạt mang điện.

Sau đó, chúng ta sẽ thấy rằng nguồn gốc cơ bản của tất cả từ tính nằm trong các dòng điện cực nhỏ bên trong nguyên tử, chủ yếu là các dòng điện được tạo ra do chuyển động của các electron xung quanh hạt nhân và các hiệu ứng lượng tử có trong nguyên tử.

Tuy nhiên, về nguồn gốc vĩ mô của nó, người ta có thể nghĩ đến nguồn tự nhiên và nguồn nhân tạo.

Các nguồn tự nhiên về nguyên tắc không "tắt", chúng là nam châm vĩnh cửu, tuy nhiên cần phải lưu ý rằng nhiệt phá hủy từ tính của các chất.

Còn đối với nguồn nhân tạo, hiệu ứng từ trường có thể bị triệt tiêu và kiểm soát. Do đó chúng tôi có:

-Từ loại có nguồn gốc tự nhiên, được tạo ra từ các khoáng chất từ ​​tính như magnetit và maghemite, ví dụ như cả hai oxit sắt.

-Dòng điện và nam châm điện.

Khoáng chất từ ​​tính và nam châm điện

Trong tự nhiên, có nhiều hợp chất khác nhau thể hiện tính chất từ ​​tính đáng chú ý. Ví dụ, chúng có khả năng hút các mảnh sắt và niken, cũng như các nam châm khác.

Các oxit sắt được đề cập, chẳng hạn như magnetit và maghemite, là những ví dụ về loại chất này.

Độ cảm từ là thông số được sử dụng để định lượng tính chất từ ​​của đá. Đá mácma cơ bản là những loại đá có tính nhạy cảm cao nhất, do hàm lượng magnetit cao.

Mặt khác, chỉ cần bạn có một dây dẫn mang dòng điện, thì sẽ có một từ trường liên kết. Ở đây chúng ta có một cách khác để tạo ra một trường, trong trường hợp này, có dạng các vòng tròn đồng tâm với dây.

Hướng chuyển động của trường được cho bởi quy tắc ngón tay cái bên phải. Khi ngón cái của bàn tay phải chỉ về hướng của dòng điện, bốn ngón còn lại sẽ chỉ ra hướng mà các đường sức bị bẻ cong.

Hình 3. Quy tắc ngón tay cái bên phải để có được hướng và cảm giác của từ trường. Nguồn: Wikimedia Commons.

Nam châm điện là một thiết bị tạo ra từ tính từ các dòng điện. Nó có ưu điểm là có thể bật tắt theo ý muốn. Khi dòng điện ngừng, từ trường biến mất. Ngoài ra cường độ trường cũng có thể được kiểm soát.

Nam châm điện là một phần của các thiết bị khác nhau, bao gồm loa, ổ cứng, động cơ và rơ le, trong số những thiết bị khác.

Lực từ lên điện tích chuyển động

Có thể xác minh sự tồn tại của từ trường B bằng một điện tích thử - gọi là q- và chuyển động với tốc độ v . Đối với điều này, sự hiện diện của điện trường và trường hấp dẫn bị loại trừ, ít nhất là vào lúc này.

Trong trường hợp này, lực tác dụng bởi điện tích q, được ký hiệu là F _B , hoàn toàn do ảnh hưởng của trường. Về mặt định tính, những điều sau đây được quan sát thấy:

-Độ lớn của F _B tỉ lệ thuận với q và tốc độ v.

-Nếu v song song với vectơ từ trường thì độ lớn của F _B bằng không.

-Tính lực từ có phương vuông góc với cả v và B.

-Cuối cùng, độ lớn của lực từ tỉ lệ với sin θ, trong đó θ là góc giữa vectơ vận tốc và vectơ từ trường.

Tất cả những điều trên đều hợp lệ cho cả điện tích dương và điện tích âm. Chỉ khác là hướng của lực từ bị đảo ngược.

Những nhận xét này đồng ý với tích vectơ giữa hai vectơ, do đó lực từ tác dụng bởi một điện tích điểm q, chuyển động với vận tốc v trong một từ trường là:

F _B = q v x B

Mô-đun của ai:

Hình 4. Quy tắc bàn tay phải của lực từ tác dụng lên điện tích điểm dương. Nguồn: Wikimedia Commons.

Từ trường được tạo ra như thế nào?

Có một số cách, ví dụ:

-Bằng cách từ hóa một chất thích hợp.

- Cho dòng điện chạy qua dây dẫn điện.

Nhưng nguồn gốc của từ tính trong vật chất được giải thích bằng cách ghi nhớ rằng nó phải gắn liền với sự chuyển động của các điện tích.

Một điện tử quay quanh hạt nhân về cơ bản là một vòng dòng điện khép kín nhỏ bé, nhưng một điện tử có khả năng đóng góp đáng kể vào từ tính của nguyên tử. Có rất nhiều electron trong một miếng vật liệu từ tính.

Sự đóng góp này vào từ tính của nguyên tử được gọi là mômen từ quỹ đạo. Nhưng còn nhiều hơn thế, bởi vì sự dịch chuyển không phải là chuyển động duy nhất của electron. Nó cũng có một mômen quay từ tính, một hiệu ứng lượng tử mà sự tương tự của nó là sự quay của điện tử trên trục của nó.

Trên thực tế, mômen từ của spin là nguyên nhân chính tạo ra từ tính của nguyên tử.

Các loại

Từ trường có nhiều dạng, tùy thuộc vào sự phân bố của các dòng điện tạo ra nó. Đổi lại, nó có thể thay đổi không chỉ theo không gian, mà còn theo thời gian, hoặc cả hai cùng một lúc.

-Ở xung quanh các cực của nam châm điện có một điện trường xấp xỉ không đổi.

-Ngoài ra bên trong điện từ thu được trường cường độ cao và đồng nhất, với các đường trường hướng dọc theo trục.

-Từ trường của Trái đất xấp xỉ khá tốt với từ trường của một thanh nam châm, đặc biệt là ở vùng lân cận của bề mặt. Xa hơn, gió mặt trời điều chỉnh các dòng điện và làm biến dạng nó một cách đáng kể.

-Một dây dẫn mang dòng điện có điện trường dạng các đường tròn đồng tâm với dây dẫn.

Về việc trường có thể thay đổi theo thời gian hay không, chúng tôi có:

-Từ trường tĩnh, khi độ lớn và hướng của chúng không thay đổi theo thời gian. Trường của một nam châm thanh là một ví dụ điển hình về loại trường này. Cũng là những cái bắt nguồn từ dây mang dòng điện tĩnh.

-Các trường thay đổi theo thời gian, nếu bất kỳ đặc điểm nào của chúng thay đổi theo thời gian. Một cách để có được chúng là từ máy phát điện xoay chiều, sử dụng hiện tượng cảm ứng từ. Chúng được tìm thấy trong nhiều thiết bị thường được sử dụng, ví dụ như điện thoại di động.

Định luật Biot-Savart

Khi cần tính toán hình dạng của từ trường được tạo ra bởi sự phân bố của dòng điện, có thể sử dụng định luật Biot-Savart, được phát hiện vào năm 1820 bởi các nhà vật lý người Pháp Jean Marie Biot (1774-1862) và Felix Savart (1791-1841). ).

Đối với một số phân bố dòng điện có dạng hình học đơn giản, biểu thức toán học cho vectơ từ trường có thể trực tiếp thu được.

Giả sử ta có một đoạn dây có chiều dài vi sai dl mang dòng điện I. Dây cũng sẽ được giả định là trong chân không. Từ trường tạo ra sự phân bố này:

- Giảm với nghịch đảo của bình phương khoảng cách đến dây.

-Tỉ lệ với cường độ dòng điện I chạy qua dây dẫn.

-Hướng của nó là tiếp tuyến với chu vi bán kính r có tâm của dây và hướng của nó được cho bởi quy tắc ngón tay cái bên phải.

- μ _o = 4π. 10 ^-7 Tm / A

- d B là vi phân từ trường.

- I là cường độ dòng điện chạy qua dây dẫn.

- r là khoảng cách giữa tâm dây và điểm muốn tìm trường.

-r là vectơ đi từ dây đến điểm bạn muốn tính trường.

Ví dụ

Dưới đây là hai ví dụ về từ trường và các biểu thức phân tích của chúng.

Từ trường do một dây tuyến tính rất dài tạo ra

Theo định luật Biot-Savart, có thể thu được trường tạo ra bởi một dây dẫn hữu hạn mỏng mang dòng điện I. Bằng cách tích phân dọc theo dây dẫn và lấy trường hợp giới hạn trong đó nó rất dài, độ lớn của trường kết quả:

Trường được tạo bởi cuộn Helmholtz

Cuộn dây Helmholtz được tạo thành từ hai cuộn dây tròn đồng tâm và giống hệt nhau, cho cùng một dòng điện chạy qua. Chúng phục vụ để tạo ra một từ trường gần như đồng đều bên trong nó.

Hình 5. Sơ đồ các cuộn dây Helmholtz. Nguồn: Wikimedia Commons.

Độ lớn của nó tại tâm cuộn dây là:

Y hướng dọc theo trục quay. Các yếu tố của phương trình là:

- N biểu thị số vòng của các cuộn dây

- I là cường độ dòng điện

- μ _o là độ từ thẩm của chân không

- R là bán kính của các cuộn dây.

Người giới thiệu

1. Figueroa, D. (2005). Loạt bài: Vật lý cho Khoa học và Kỹ thuật. Tập 1. Động học. Biên tập bởi Douglas Figueroa (USB).
2. Từ trường mạnh H . Được khôi phục từ: 230nsc1.phy-astr.gsu.edu.
3. Kirkpatrick, L. 2007. Vật lý: Cái nhìn về thế giới. Phiên bản rút gọn thứ 6. Học tập Cengage.
4. Từ trường và Lực từ. Được khôi phục từ: Physics.ucf.edu.
5. Rex, A. 2011. Cơ bản của Vật lý. Lề.
6. Serway, R., Jewett, J. (2008). Vật lý cho Khoa học và Kỹ thuật. Tập 2. Thứ 7. Ed. Cengage Learning.
7. Đại học Vigo. Ví dụ về từ tính. Được khôi phục từ: five-ton.webs.uvigo.es