Từ trường được biết đến là môi trường vật chất bao quanh các hạt mang điện đang chuyển động, từ trường cũng sẽ tác dụng một lực và lực này tác dụng lên các vật có từ tính đặt trong nó. Vậy từ trường là gì? Các vấn đề liên quan đến từ trường? Quy tắc nắm tay phải là gì?
Từ trường là gì?
Đầu tiên chúng ta hiểu nam châm như sau:
Chúng tôi hiểu nam châm là loại vật liệu có khả năng hút phế liệu gọi là nam châm.
Trên nam châm có những vùng hút các mảnh vụn mạnh nhất đó là các cực của nam châm. Mỗi nam châm có hai cực: cực Bắc (ký hiệu là N) và cực Nam (ký hiệu là S).
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 luôn hướng theo hướng Nam – Bắc.
Thí nghiệm cho thấy các nam châm tương tác với nhau nhờ lực tác dụng lên các cực: hai cực của hai nam châm đặt gần nhau sẽ đẩy nhau khi cùng tên và sẽ hút nhau khi khác tên.
Về cơ bản, lực tương tác này được gọi là lực từ và nam châm được cho là có từ tính.
Các loại nam châm phổ biến hiện nay: Nam châm hình chữ U; thanh nam châm; nam châm tròn; Nam châm điện.
Từ trường được hiểu là một trường vật chất đặc biệt được tạo ra xung quanh các điện tích chuyển động bằng sự biến đổi của điện trường hoặc bởi mômen lưỡng cực từ như nam châm.
- Hai nam châm hút nhau khi đặt trong từ trường của nhau.
- Sự tương tác giữa hai dòng điện song song cùng chiều sẽ hút nhau và ngược chiều sẽ đẩy nhau.
- Lực từ có thể tác dụng trong không gian.
- Tính chất cơ bản của từ trường là nó gây ra một lực từ tác dụng lên nam châm hoặc dòng điện đặt trong từ trường này.
Để phát hiện sự tồn tại của từ trường, người ta sử dụng kim từ tính để xác định nó. Nam châm ở trạng thái cân bằng sẽ luôn hướng theo hướng Nam-Bắc. Nam châm nhỏ dùng để phát hiện từ trường được gọi là nam châm thử nghiệm.
Ứng dụng của từ trường
Việc phát hiện ra từ trường mang lại rất nhiều giá trị cả về mặt nghiên cứu khoa học lẫn ứng dụng thực tiễn trong cuộc sống:
– Việc phát hiện ra từ trường dẫn tới việc phát hiện ra các loại máy điện quay: động cơ điện, máy phát điện và nhiều loại máy tương tự.
– Việc phát hiện ra từ trường giúp tiến hành nghiên cứu về các máy điện tĩnh: máy biến thế (máy biến thế), tụ điện, v.v.
– Việc phát hiện ra từ trường giúp nghiên cứu các công cụ tác dụng lực từ như nam châm điện trong cần cẩu thép, dây rơle, cuộn dây đóng mở của van điện từ…
– Việc phát hiện ra từ trường đã khuyến khích việc tìm kiếm các dụng cụ đo, phát âm, tạo tín hiệu: micro, cuộn dây đóng mở van điện tử… và các thiết bị tương tự.
Việc phát hiện ra từ trường giúp nghiên cứu ứng dụng lực đẩy và lực cản của từ trường lên các vật thể chuyển động: bộ đệm từ trong tàu cao tốc, bộ giảm chấn trong đồ gá lắp, v.v.
– Khi tần số cảm ứng từ đạt tới một mức nhất định thì anten sẽ phát ra sóng điện từ. Từ đó, con người có những ứng dụng về radio, tivi, điện thoại di động, v.v.
Phân biệt từ trường với điện trường
– Chúng ta hiểu điện trường như một mô hình tưởng tượng trong điện từ học để nói về môi trường vật lý cụ thể xung quanh điện tích. Điện trường sẽ tác dụng một lực lên toàn bộ các hạt mang điện đặt trong nó, lực này gọi là lực điện.
– Như đã phân tích ở trên, từ trường là một môi trường vật chất đặc biệt được tạo ra xung quanh các điện tích đang chuyển động hoặc được hình thành do sự biến thiên của điện trường, hoặc do mômen lưỡng cực từ.
Ta thấy điện trường biến thiên sinh ra từ trường và ngược lại từ trường biến thiên sẽ sinh ra điện trường. Chúng ta thấy rằng hai trường biến này có mối liên hệ chặt chẽ với nhau. Về cơ bản, điện trường và từ trường là những biểu hiện riêng biệt của một trường thống nhất gọi là trường điện từ.
Nói cách khác, trường điện từ là một trường thống nhất gồm hai thành phần: điện trường biến thiên và từ trường biến thiên.
Các khái niệm liên quan đến từ trường
Đường sức từ được hiểu như sau:
Đường sức từ được hiểu là những đường cong khép kín hoặc thẳng có độ dài vô hạn nhưng chúng không bao giờ giao nhau trong không gian xung quanh dòng điện và nam châm. Đường sức từ là đường biểu thị mật độ của từ trường. Ta có: khi các đường sức từ trường dày hơn thì độ lớn của từ trường lớn hơn và con người quay trở lại.
Quy ước: Tại một điểm bất kỳ trong từ trường của nam châm, chiều của đường sức từ là hướng ra khỏi cực Bắc và đi vào cực Nam.
Thí nghiệm từ trường cho phép quan sát hình dạng của các đường sức từ trường.
Từ trường được hiểu như sau:
Từ trường đều được hiểu là từ trường có các đường sức từ song song, cùng hướng và cách đều nhau. Do đó, trong từ trường đều, độ lớn cảm ứng sẽ luôn bằng nhau tại mọi điểm.
Cảm ứng từ được hiểu như sau:
Cảm ứng từ được hiểu là một đại lượng vật lý đặc trưng cho tác dụng của lực từ trong một từ trường nhất định. Nói cách khác, cảm ứng từ là đại lượng biểu thị biên độ của từ trường, đơn vị của cảm ứng từ là Tesla (ký hiệu T).
1. Một vectơ cảm ứng từ có hướng tiếp tuyến với đường sức từ trường tại một điểm có hướng từ nam lên bắc của nam châm đặt trên nó.
Từ trường của nam châm và từ trường của dòng điện
Từ trường của nam châm
Từ trường của nam châm bao gồm:
– Từ trường của thanh nam châm:
Ở bên ngoài một thanh nam châm, các đường sức là những đường cong đối xứng đi qua trục của thanh nam châm, hướng của các đường sức này rời khỏi Cực Bắc và đi vào qua Cực Nam.
Đầu thanh từ càng gần thì đường sức từ càng nhanh (từ trường càng mạnh).
– Từ trường của nam châm chữ U:
Ở phía ngoài thanh từ hình chữ U, các đường sức là những đường cong đối xứng đi qua trục của thanh, ra khỏi Cực Bắc và đi vào Cực Nam.
Đầu của nam châm chữ U càng gần thì đường lực càng nhanh (từ trường càng mạnh).
Các đường sức của từ trường trong không gian giữa hai cực của nam châm hình chữ U là những đường thẳng song song cách đều nhau, đó là từ trường đều.
Từ trường của dòng điện
Từ trường của dòng điện bao gồm:
– Từ trường của dòng điện thẳng:
+ Đường sức từ của dòng điện thẳng là đường sức từ nằm trong mặt phẳng vuông góc với dòng điện, có tâm là dòng điện.
+ Hướng của đường sức từ được xác định theo quy tắc bàn tay phải: đặt bàn tay phải sao cho ngón cái hướng theo chiều dây dẫn và chỉ đúng chiều dòng điện, các ngón còn lại chỉ cắt (nắm chặt) Ký hiệu thể hiện hướng của đường sức từ.
– Từ trường dòng điện tròn:
Các đường sức từ của dòng điện tròn có hướng đi vào một phía và hướng ra ở phía bên kia của dòng điện tròn.
Đường sức từ tại tâm dòng điện tròn là đường thẳng vuông góc với bề mặt của dòng điện tròn.
Quy ước: Mặt Nam của dòng điện tròn là mặt khi nhìn vào sẽ thấy dòng điện chảy theo chiều kim đồng hồ, mặt đối diện là mặt Bắc.
+ Đường sức từ của dòng điện tròn có hướng đi vào ở mặt Nam và đi ra ở mặt Bắc.
Ta xác định được chiều của đường sức từ tại tâm dòng điện tròn nhờ quy tắc bàn tay phải: đặt tay phải vào cốc sao cho chiều từ cổ tay đến ngón tay chỉ chiều của dòng điện tròn, ngón cái duỗi thẳng cho biết chiều của dòng điện tròn. Đường sức từ đi qua tâm của dòng điện tròn.
Khám phá quy tắc bàn tay phải
Quy tắc bàn tay phải hay còn gọi là quy tắc bàn tay phải, nó thực chất là một quy tắc phổ biến được sử dụng trong toán học và vật lý để nhận biết quy ước chữ ký tín hiệu vector 3d. Trên thực tế, có nhiều nguyên lý vế phải khác nhau để dễ hình dung vật chất, được áp dụng trong các trường hợp và mục đích khác nhau.
– Quy tắc nắm tay phải xác định chiều dòng điện cảm ứng trong một dây dẫn chuyển động trong từ trường: Nắm tay phải đặt sao cho 4 ngón tay chỉ theo chiều dòng điện chạy qua vòng dây, khi đó ngón cái lộ ra ngoài. Cho biết hướng của các đường sức từ bên trong ống
– Ngoài quy tắc bàn tay phải còn có quy tắc bàn tay trái: quy tắc bàn tay trái (còn gọi là quy tắc Fleming) là quy tắc xác định chiều của lực do từ trường tác dụng lên một mạch điện chạy trong và đặt trong từ trường. Đặt bàn tay trái sao cho các đường cảm ứng từ hướng vào lòng bàn tay, hướng cổ tay đến ngón giữa cùng chiều với dòng điện, ngón cái hướng 90° theo chiều của lực điện từ.
