Từ trường – Tổng hợp kiến thức từ trường vật lý 11

Giới thiệu

Chào bạn! Trong bài viết này, chúng ta sẽ tìm hiểu về từ trường, một khái niệm quan trọng trong vật lý 11. Đừng lo, Monkey sẽ giúp bạn hiểu rõ và dễ dàng áp dụng kiến thức này vào thực tế. Hãy cùng khám phá nhé!

Định nghĩa từ trường là gì?

Từ trường là môi trường vật chất bao quanh các hạt mang điện, có sự chuyển động như nam châm vĩnh cữu, dòng điện,… Từ trường gây ra lực tác động lên các vật có từ tính đặt trong nó. Bản chất của từ trường do xung quanh các điện tích chuyển động có từ trường gây ra. Vậy nên, xung quanh hạt mang điện đứng yên chỉ có điện trường, còn khi hạt mang điện chuyển động, cả điện trường và từ trường đều tồn tại.

Cách nhận biết từ trường

Thí nghiệm tác dụng từ của dòng điện

Chuẩn bị:

• Một cuộn dây dẫn điện
• Một la bàn hoặc có thể là cục nam châm để kiểm tra tính chất từ của dòng
• Một nguồn điện một chiều có nguồn điện áp là 5V
• Biến trở

Cách tiến hành:
Mắc cuộn dây qua một cái biến trở và sau đó lắp vào nguồn điện một chiều như hình minh họa.

Kết quả:
Khi mở công tắc nguồn có dòng điện đi qua, chúng ta thấy kim của la bàn lệch đi. Kết quả này cho thấy cuộn dây sinh ra từ trường và la bàn định hướng theo từ trường của cuộn dây.

Cách nhận biết từ trường

Chúng ta không thể thấy từ trường bằng mắt thường. Do vậy, để có thể nhận biết được từ trường trong không gian thường, chúng ta sẽ sử dụng kim nam châm (nam châm thử).

Công thức tính từ trường

Từ trường của dòng điện chạy trong dây dẫn thẳng dài có công thức là:

• B = (μ0 I) / (2 π * r)

Trong đó:

• B: cảm ứng từ (T)
• I: cường độ dòng điện (A)
• r: khoảng cách từ dòng điện đến vị trí ta cần xét (m)

Từ trường của dòng điện chạy trong dây dẫn uốn thành vòng tròn:

• B = (μ0 I N) / (2 * R)

Trong đó:

• B: cảm ứng từ (T)
• I là cường độ dòng điện (A)
• R là bán kính vòng dây mang dòng điện (m)
• N là số vòng dây

Từ trường của dòng điện chạy trong ống dây dẫn hình trụ:

• B = (μ0 I N l) / (2 π r n)

Trong đó:

• B: cảm ứng từ (T)
• I là cường độ dòng điện (A)
• N là tổng số vòng dây
• l là chiều dài ống dây (m)
• n = Nl : số vòng dây quấn trên một đơn vị dài của ống dây

Một số khái niệm khác liên quan đến từ trường

Ngoài tìm hiểu về kiến thức từ trường là gì, chúng ta cũng cần tìm hiểu một số khái niệm khác liên quan như: đường sức từ, cảm ứng từ và từ trường đều.

1. Đường sức từ là gì?

Đường sức từ là những đường cong kín hoặc thẳng dài vô tận không cắt nhau ở trong không gian có từ trường. Chúng đáp ứng điều kiện tiếp tuyến tại mỗi điểm sẽ có hướng trùng với hướng của từ trường nằm tại điểm đó. Có thể quan sát hình dạng của những đường sức từ bằng thí nghiệm từ phổ.

Các ví dụ về đường sức từ

• Nam châm thẳng: Đường sức từ bên ngoài nam châm thẳng sẽ là những đường cong có hình dạng đối xứng nhau qua trục của nam châm, có chiều đi ra từ cực bắc và đi vào cực nam.
  

• Nam châm chữ U: Đường sức từ bên ngoài nam châm chữ U là những đường cong có hình dạng đối xứng qua trục của thanh nam châm, có chiều đi ra từ cực Bắc và đi vào cực là Nam. Đường sức từ của từ trường trong khoảng không gian giữa hai cực của nam châm hình chữ U là những đường thẳng song song cách đều nhau. Từ trường trong khu vực đó là từ trường đều.
  

2. Cảm ứng từ là gì?

Hiện tượng cảm ứng điện từ là hiện tượng hình thành một suất điện động (hay còn gọi là điện áp) trên một vật dẫn khi vật dẫn đó được đặt trong một từ trường biến thiên. Vào năm 1831, nhà Vật lí người Anh Michael Faraday đã chứng tỏ rằng từ trường có thể sinh ra dòng điện qua thí nghiệm cho từ thông qua một mạch kín thay đổi. Dòng điện đó được gọi là dòng điện cảm ứng và hiện tượng này được gọi là hiện tượng cảm ứng điện từ.

3. Từ trường đều là gì?

Từ trường đều là từ trường có đường sức từ thẳng song song và cách đều nhau. Do đó, độ lớn của cảm ứng từ trong từ trường đều là bằng nhau ở mọi điểm.

Từ trường Trái Đất

Có thể hiểu từ trường Trái Đất là trường từ của Trái Đất, xuất hiện do tính chất từ của vật chất Trái Đất tạo ra. Từ trường Trái Đất tồn tại ở trong lòng Trái Đất đến không gian rộng lớn bao quanh Trái Đất.

Phân biệt từ trường với điện trường

Nhiều người thường nhầm lẫn giữa từ trường với điện trường, vậy nên chúng ta cần phải hiểu rõ về 2 khái niệm này để giải bài tập và ứng dụng chính xác. Cụ thể:

Điện trường là gì?
Điện trường là mô hình tưởng tượng trong điện từ học, miêu tả cho môi trường vật chất đặc biệt bao quanh những diện tích. Điện trường thường sẽ tác động lên tất cả các hạt mang điện tích ở trong nó, gọi là lực điện.

Từ trường là gì?
Từ trường chính là môi trường vật chất đặc biệt được sinh ra quanh những điện tích chuyển động hay được tạo nên bởi sự biến thiên của các momen lưỡng cực từ hay điện trường.

Qua đó ta thấy, từ trường biến thiên sinh ra điện trường và ngược lại, một điện trường biến thiên sẽ tạo nên từ trường. Điều này thể hiện hai trường biến thiên này có mỗi quan hệ với nhau, hay về mặt bản chất thì từ trường cùng với điện trường chính là những biểu hiện riêng của một trường thống nhất là điện từ trường.

Hay nói cách khác, điện từ trường chính là một trường thống nhất gồm 2 thành phần từ trường biến thiên và điện trường biến thiên.

Ứng dụng của từ trường

Cảm ứng điện từ là một hiện tượng cực kỳ quan trọng trong đời sống hàng ngày. Ngoài ra, nó còn đóng vai trò to lớn trong các lĩnh vực như y tế, công nghiệp,… Không chỉ vậy, nhờ có điện từ mà con người đã tạo ra một cuộc cách mạng lớn trong lĩnh vực ứng dụng kỹ thuật. Cụ thể:

1. Thiết bị gia dụng

• Bếp từ: Từ trường dao động tạo ra một từ thông liên tục và lúc này vật được đặt trên bếp từ đóng vai trò như lõi từ của máy biến áp. Do đó đã tạo ra dòng điện xoáy (dòng điện Fuco hay dòng điện Foucault) lớn ở trong vật được đặt trên bếp.
  

• Đèn huỳnh quang: Chấn lưu được sử dụng trong bóng đèn hoạt động trên nguyên lý điện từ. Tại thời điểm khi chúng ta bật đèn, nó sẽ tạo ra một điện áp cao trên hai đầu đèn và phóng điện qua đèn. Khi này dòng điện đi qua đèn tạo thành các ion tác động lên huỳnh quang làm đèn phát sáng.
  

• Quạt điện: Quạt điện cũng như các hệ thống làm mát khác đều sử dụng động cơ điện. Những động cơ này hoạt động dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ và chỉ khác nhau về chi phí dựa trên ứng dụng và kích thước.
  

2. Trong công nghiệp

• Máy phát điện: “Trái tim” của máy phát điện đó chính là một cuộn dây trong từ trường. Nguyên lý hoạt động của máy phát điện là cuộn dây điện được quay trong từ trường với tốc độ không đổi và từ đó sẽ tạo ra dòng điện xoay chiều.
  

• Tàu đệm từ: Tàu đệm từ sử dụng nguyên lý cơ bản của nam châm như hệ thống treo điện từ (EMS) và hệ thống treo động lực học (EDS). Những nam châm này sẽ bao quanh các đường ray dẫn hướng, lực hấp dẫn giữa các hướng dẫn và nam châm nâng tàu lên.
  

3. Trong Y tế

Trường điện từ đóng một vai trò rất quan trọng trong các thiết bị y tế dùng để điều trị tăng thân nhiệt cho bệnh ung thư, cấy ghép và chụp cộng hưởng từ (MRI).

Hy vọng bài viết này giúp bạn hiểu rõ hơn về từ trường là gì, những tính chất và ứng dụng thực tế của nó.