Từ trường là gì? Đặc điểm, vai trò và công thức tính

Từ trường là gì là một khái niệm cơ bản trong vật lý, đặc biệt là trong lĩnh vực điện từ học. Thuật ngữ này mô tả cách mà các vật thể mang điện tương tác với nhau, là yếu tố quyết định nhiều hiện tượng tự nhiên, đồng thời được ứng dụng phổ biến trong công nghệ. Trong bài viết này, chúng ta sẽ cùng tìm hiểu về khái niệm từ trường, từ trường có ở đâu cũng như công thức tính toán liên quan nhé!

Từ trường là gì? 

Từ trường là một dạng môi trường năng lượng đặc thù, xuất hiện xung quanh các hạt điện tích đang chuyển động, hoặc được tạo ra bởi sự thay đổi của điện trường. Ngoài ra, nó cũng có thể bắt nguồn từ các mômen lưỡng cực từ, chẳng hạn như nam châm. 

Mỗi điểm trong không gian của từ trường được đặc trưng bởi một vector, biểu thị cả hướng lẫn cường độ. Điều này giúp từ trường được biểu diễn và phân tích dễ dàng thông qua các phương pháp toán học, mang lại sự ứng dụng rộng rãi trong khoa học và công nghệ.

Đặc điểm của từ trường là gì?

Từ trường là một đại lượng vật lý có tính chất vector, nghĩa là nó không chỉ có độ lớn mà còn có hướng xác định tại mỗi điểm trong không gian. Đặc điểm từ trường cho phép nó mô tả một cách chính xác cả cường độ và hướng của các tương tác từ.

• Các đường sức từ luôn khép kín, tạo thành những vòng tròn bao quanh dòng điện, giống như những dòng sông nhỏ không có điểm bắt đầu và kết thúc.
• Nguồn gốc của từ trường chính là sự chuyển động của các điện tích, chẳng hạn như dòng điện chạy qua dây dẫn. Theo định lý Ampère, khi có dòng điện chạy qua dây dẫn, một từ trường bao quanh dây đó sẽ được sinh ra. 
• Mối quan hệ với điện trường là rất mật thiết, tạo thành trường điện từ. Sự thay đổi của điện trường có thể sinh ra từ trường và ngược lại, theo các phương trình Maxwell. Nhờ vào sự kết hợp này, chúng ta có thể hiểu rõ hơn về sự vận hành của sóng điện từ và ứng dụng của chúng trong viễn thông, y tế, cũng như nhiều lĩnh vực khác.
• Từ trường tác động lên các vật mang điện chuyển động bằng lực Lorentz, điều chỉnh hướng chuyển động của chúng. Đặc điểm này làm từ trường trở thành yếu tố quan trọng trong các ứng dụng công nghệ, như sóng điện từ và thiết bị điện.

Công thức từ trường là gì? 

Bên cạnh những khái niệm, đặc điểm từ trường, bạn có tò mò muốn biết làm thế nào để tính toán lực từ tác dụng lên một dây dẫn mang dòng điện đặt trong từ trường không? Các công thức từ trường được Fvsale tổng hợp sau đây sẽ giúp bạn trả lời câu hỏi này.

Lực Lorenxơ

Lực Lorenxơ là lực tổng hợp do lực điện và lực từ tác động lên một hạt mang điện đang chuyển động trong môi trường chứa điện trường và từ trường. Đây là một trong những khái niệm cơ bản trong vật lý và điện từ học, được ứng dụng rộng rãi trong nghiên cứu cũng như thực tiễn.

Công thức tổng quát của lực Lorenxơ: F=q(E + v x B), trong đó:

• F: Lực Lorenxơ (Newton, N).
• q: Điện tích của hạt (Coulomb, C).
• E: Điện trường (V/m).
• v: Vận tốc của hạt (m/s).
• B: Cảm ứng từ (Tesla, T).

Momen ngẫu lực từ

Khi một khung dây dẫn hình chữ nhật mang dòng điện I được đặt trong một từ trường đều có cảm ứng từ B, nó sẽ chịu tác dụng của một momen lực làm cho khung dây quay. Momen lực này có thể được hình dung như một "cánh tay đòn" vô hình luôn cố gắng định hướng khung dây sao cho mặt phẳng của nó vuông góc với đường sức từ. Giá trị của momen lực này được tính bằng công thức: 

• M: Momen ngẫu lực từ (Newton-mét, Nm)
• N: Số vòng dây của khung dây.
• I: Cường độ dòng điện chạy qua mỗi vòng dây (Ampe, A).
• S: Diện tích mỗi vòng dây (m²).
• B: Cảm ứng từ (Tesla, T).
• α: Góc giữa B và n

Từ trường của dòng điện

Khác với từ trường tương đối đơn giản của một dây dẫn thẳng, từ trường do cuộn dây tạo ra phức tạp hơn nhiều, với các đường sức từ khép kín và tập trung thành từng bó. Từ trường xung quanh nó trở nên mạnh mẽ hơn và có hình dạng gần giống một từ trường của một nam châm vĩnh cửu. Mức độ mạnh yếu của từ trường trong cuộn dây phụ thuộc vào số vòng dây, cường độ dòng điện và kích thước của cuộn dây.

Trong đó:

• N: Số vòng dây của cuộn dây.
• L: Chiều dài của cuộn dây.

Lực tương tác hai dây dẫn mang dòng điện

Hai dòng điện cùng chiều, luôn tìm cách gần nhau hơn, tạo ra một lực hút. Ngược lại, hai dòng điện ngược chiều sẽ đẩy nhau ra xa. Lực tương tác này, gọi là lực từ, phụ thuộc vào cường độ dòng điện chạy qua mỗi dây dẫn và khoảng cách giữa chúng. Độ lớn của lực từ tác dụng lên một đơn vị chiều dài của dây dẫn được tính bằng công thức:

• F là lực từ (N),
• μ₀ là hằng số từ trong chân không, có giá trị.
• I₁ và I₂ là cường độ dòng điện trong hai dây dẫn (A),
• r là khoảng cách giữa hai dây dẫn (m).

Lực từ tác dụng lên dây dẫn mang dòng điện

Khi đặt một đoạn dây dẫn có dòng điện chạy qua vào một từ trường đều, dòng điện và từ trường sẽ tương tác với nhau, sinh ra một lực tác động trực tiếp lên đoạn dây dẫn. Lực này có phương vuông góc với cả đoạn dây dẫn và đường sức từ. Điều này có nghĩa là lực từ không có hướng dọc theo dây dẫn mà hướng ra ngoài, theo chiều vuông góc với cả hai yếu tố trên.

• F là lực từ (N).
• B là cảm ứng từ (T).
• I là cường độ dòng điện (A).
• L là chiều dài đoạn dây trong từ trường (m).
• α là góc giữa đoạn dây và phương của từ trường.

Ứng dụng của từ trường là gì? 

Từ trường là một hiện tượng vật lý quen thuộc, có vai trò vô cùng quan trọng trong cuộc sống hiện đại. Chúng ta có thể bắt gặp từ trường được ứng dụng ở khắp mọi nơi.

• Hình ảnh y học (MRI): Từ trường là nhân tố cốt lõi của máy MRI, đã cách mạng hóa ngành y học, mở ra bước tiến mới trong điều trị. Máy MRI sử dụng từ trường mạnh từ nam châm siêu dẫn để thay đổi trạng thái từ của proton trong cơ thể. Khi proton trở lại trạng thái ban đầu, năng lượng phát ra được chuyển hóa thành hình ảnh chi tiết, hỗ trợ chẩn đoán bệnh lý chính xác.
• Hệ thống loa điện từ: Trong công nghệ âm thanh, từ trường được ứng dụng trong loa điện từ để chuyển đổi tín hiệu điện thành sóng âm. Lực tương tác giữa dòng điện và từ trường tạo ra dao động, từ đó phát ra âm thanh rõ ràng và trung thực.
• Thẻ từ thông minh: Thẻ từ, như thẻ tín dụng và thẻ quẹt, sử dụng từ trường để lưu trữ và truyền dữ liệu. Khi quẹt thẻ qua đầu đọc, cảm biến từ sẽ giải mã thông tin nhanh chóng, đảm bảo tính bảo mật và tiện lợi trong giao dịch.
• Chống nhiễu điện tử: Nhờ có từ trường, các thiết bị điện tử được bao bọc trong một lớp vỏ bảo vệ, giúp chúng hoạt động ổn định và bền bỉ hơn. Vỏ bọc từ hoặc các lưới chắn nhiễu từ giúp duy trì hiệu suất và độ tin cậy của thiết bị trong điều kiện hoạt động khắc nghiệt.

Bài tập liên quan đến từ trường

Các bài tập liên quan đến từ trường sau đây sẽ giúp bạn củng cố kiến thức hiệu quả.

Câu 1: Một dây dẫn thẳng dài có dòng điện chạy qua, tại một điểm M gần dây dẫn, độ lớn cảm ứng từ:

1. Khoảng cách từ điểm M đến dây dẫn tăng lên thì cảm ứng từ giảm.
2. Càng gần dây dẫn, cảm ứng từ tại M tăng lên.
3. Cảm ứng từ tại M ổn định khi M dịch chuyển song song với dây dẫn.
4. Giảm nếu điểm M di chuyển dọc theo đường sức từ.

-> Đáp án B. 

Câu 2: Một dây dẫn tròn có dòng điện chạy qua, cảm ứng từ tại tâm vòng tròn sẽ:

1. Tăng khi cường độ dòng điện tăng lên.
2. Giảm khi cường độ dòng điện giảm đi.
3. Giảm khi số vòng dây đồng tâm giảm.
4. Tăng khi bán kính vòng dây giảm.

-> Đáp án B. 

Câu 3: Một dây dẫn thẳng dài có dòng điện I = 10A chạy qua. Tính cảm ứng từ B tại một điểm M cách dây một khoảng r = 5cm. Biết μ(0)= 4π× 10-7 T.

Các thuật ngữ liên quan đường sức từ

Đường sức từ có thể là đường cong khép kín hoặc kéo dài vô tận, tùy thuộc vào nguồn sinh ra từ trường. Đặc điểm nổi bật là các đường này không giao nhau, thể hiện sự không xung đột trong hướng của lực từ tại một điểm.

• Nếu các đường sức từ có mật độ dày thì cường độ từ trường tại vị trí đó rất mạnh và ngược lại. Ở nơi đường sức từ dày đặc, từ trường mạnh hơn và ngược lại, ở vùng thưa thớt, từ trường yếu hơn.
• Lực từ luôn tạo thành góc vuông với đường sức từ tại mọi điểm trong không gian. Điều này được xác định bởi vectơ cảm ứng từ, luôn tiếp tuyến với đường sức.
• Các đường sức từ luôn khép kín, bắt đầu từ cực Bắc và kết thúc tại cực Nam của nam châm, tạo nên một vòng tuần hoàn. Điều này chứng tỏ từ trường có tính định hướng rõ rệt.
• Quy tắc quan trọng là Các đường sức từ không bao giờ cắt nhau. Điều này cho thấy tại mỗi điểm trong không gian, lực từ chỉ có một hướng xác định.

Tóm lại, hiểu khái niệm đặc điểm, nguồn gốc của từ trường là gì vô cùng quan trọng trong điện từ học. Việc hiểu rõ đặc điểm, thông tin từ trường có ở đâu và cách tính toán giúp chúng ta nắm bắt được bản chất của các tương tác điện từ trong thực tế. Ngoài ra, Fvsale còn nhiều bài viết hữu ích về vật lý, giáo dục đang chờ bạn đón đọc.