Từ thông qua một diện tích S không phụ thuộc yếu tố nào?

1. Từ thông qua một diện tích S không phụ thuộc yếu tố nào?

Câu hỏi: Từ thông qua một diện tích S không phụ thuộc yếu tố nào?

A. Nhiệt độ môi trường

B. Góc tạo bởi pháp tuyến và vectơ cảm ứng

C. Diện tích đang xét

D. Độ lớn cảm ứng từ

Đáp án: A. Nhiệt độ môi trường

Giải thích: 

Đây là một câu hỏi về hiện tượng cảm ứng điện từ trong vật lý. Để trả lời được câu hỏi này, chúng ta cần biết công thức tính từ thông qua một diện tích S  là:

ϕ = BScosα

Trong đó, B là vectơ cảm ứng từ, S là phần tử diện tích có hướng theo pháp tuyến của mặt S. Như vậy, ta có thể thấy rằng luồng từ ϕ phụ thuộc vào góc tạo bởi pháp tuyến và vectơ cảm ứng B, và diện tích đang xét S. Nhiệt độ môi trường không ảnh hưởng đến cảm ứng điện từ. Vậy đáp án đúng A.

2. Từ thông là gì?

Từ thông được định nghĩa là số lượng đường sức từ đi qua một bề mặt kín nhất định. Nó cung cấp phép đo tổng từ trường đi qua một diện tích bề mặt nhất định. Ở đây, khu vực đang được xem xét có thể có kích thước bất kỳ và theo bất kỳ hướng nào so với hướng của từ trường.

Để tính từ thông, chúng ta xét ảnh đường sức của một nam châm hoặc hệ nam châm. Từ thông qua một mặt phẳng có diện tích do A đặt trong một từ trường đều có độ lớn do B cho trước được cho là tích vô hướng của từ trường và diện tích A. Ở đây, góc mà các đường sức từ đi qua thông qua diện tích bề mặt nhất định cũng rất quan trọng. Nếu các đường sức cắt diện tích theo một góc nhìn thoáng qua, nghĩa là, khi góc giữa vectơ từ trường và vectơ diện tích gần bằng 90ᵒ thì lượng từ thông thu được rất thấp.

Khi góc bằng 0ᵒ thì từ thông thu được có giá trị lớn nhất.

Về mặt toán học,

Mathematically,

ϕB = B.A = BAcosθ

Trong đó θ là góc giữa vectơ A và vectơ B.

Nếu từ trường không đồng nhất và ở các phần khác nhau của bề mặt, từ trường có độ lớn và hướng khác nhau thì tổng từ thông qua bề mặt đã cho có thể được tính bằng tổng của tích của tất cả các phần tử diện tích đó và từ trường tương ứng của chúng.

ϕB = B1.dA1 + B2.dA2 + B3.dA3 + … = ∑all Bi.dAi

Đơn vị SI của từ thông là Weber (Wb) hoặc tesla mét bình phương (Tm2) được đặt theo tên của nhà vật lý người Đức Wilhelm Weber. Từ thông có thể được đo bằng từ kế. Giả sử một đầu dò của từ kế được di chuyển quanh một diện tích 0,6 m2 gần một tấm vật liệu từ tính lớn và cho thấy số đọc không đổi là 5 mT. Khi đó từ thông qua diện tích đó được tính là ( 5 ×10-3 T) ⋅ (0,6 m2 ) = 0,0030 Wb. Trong trường hợp số đọc từ trường trên một khu vực thay đổi thì cần phải tìm số đọc trung bình.

3. Ứng dụng của từ thông trong cuộc sống:

Từ thông vật lý là một khái niệm chỉ lượng từ trường đi qua một diện tích nào đó. Từ thông có kí hiệu là Φ, đơn vị là weber (Wb) và được tính bằng công thức: Φ = B.A.cosα, trong đó B là cường độ từ trường, A là diện tích, α là góc giữa B và pháp tuyến của A. Từ thông có ý nghĩa quan trọng trong hiện tượng cảm ứng điện từ, tức là sự sinh ra dòng điện trong một mạch kín khi có từ thông biến thiên qua mạch đó. Định luật Faraday cho biết cường độ dòng điện cảm ứng tỉ lệ thuận với tốc độ biến đổi của từ thông.

Từ thông vật lý có nhiều ứng dụng trong cuộc sống, chẳng hạn như:

– Trong thiết bị gia dụng: máy phát điện, máy biến áp, máy quay phim, máy ghi âm, loa, micro… đều dựa trên nguyên tắc cảm ứng điện từ để chuyển đổi năng lượng từ trường sang năng lượng điện hoặc ngược lại.

– Trong công nghiệp: tàu cao tốc MagLev (Magnetic Levitation) sử dụng từ trường để nâng đỡ và di chuyển tàu bằng lực từ chối, giảm ma sát và tiết kiệm nhiên liệu. Ổ cứng máy tính lưu trữ dữ liệu bằng cách ghi các bit nhị phân (0 và 1) lên các miếng kim loại bằng cách thay đổi hướng của từ trường trên chúng.

– Trong y học: sử dụng tia laser để phẫu thuật các bệnh về tim, tai – mũi – họng, da liễu… bằng cách dùng ánh sáng có bước sóng nhất định được khuếch đại bởi từ trường. Điều trị bệnh bằng từ trường bằng cách dùng các thiết bị phát ra từ trường để kích thích hoặc ức chế các tế bào thần kinh, cải thiện tuần hoàn máu và chống viêm.

– Trong công nghệ thông tin, từ thông vật lý được sử dụng để tạo ra các thiết bị như bộ nhớ quang, bộ nhớ từ và bộ nhớ nano, có khả năng lưu trữ và truyền tải dữ liệu ở tốc độ cao và dung lượng lớn.

– Trong y học, từ thông vật lý được sử dụng để phát triển các phương pháp chẩn đoán và điều trị bằng ánh sáng, như quang phổ hóa học, quang phổ sinh học và quang phổ y sinh, có khả năng phát hiện và điều trị các bệnh lý ở cấp độ phân tử.

– Trong khoa học vũ trụ, từ thông dùng để nghiên cứu các hiện tượng như sự sinh ra của vũ trụ, sự tồn tại của các hạt cơ bản và các chiều không gian bổ sung, có khả năng mở rộng hiểu biết của con người về bản chất của vũ trụ và sự sống.

4. Mật độ từ thông được tạo ra như thế nào?

Hãy xét một sợi dây thẳng dài vô hạn mang dòng điện có cường độ I. Dây dẫn mang dòng điện có thể tạo ra mật độ từ thông và chịu tác dụng của điện trường, giống như điện tích có thể tạo ra điện trường và chịu ảnh hưởng của các điện trường khác.

– Tạo mật độ từ thông bằng một dây

Để tính mật độ từ thông do dây dẫn tạo ra, chúng ta có thể sử dụng công thức sau:

B = (μ0 * I) / (2π * r)

Trong phương trình này, vectơ B biểu thị mật độ từ thông, r là khoảng cách đến dây, vectơ ea là vectơ xoắn quanh dây và μ0 là độ thấm chân không có giá trị gần đúng là 1,⋅10-6.’s được đo bằng Teslas (T), là đơn vị được xác định là kg/s2 A, với A là ampe.

Chúng ta đang định nghĩa trường này cho một sợi dây dài vô hạn, do đó sẽ hợp lý khi xem xét các đại lượng như mật độ từ thông vì chúng ta chỉ xem xét một đại lượng theo diện tích chứ không phải toàn bộ đại lượng được xác định trên một vùng vô hạn.

– Định nghĩa thí nghiệm về mật độ từ thông

Chúng ta hãy xem xét sợi dây dài vô tận có dòng điện I một lần nữa. Lần này chúng ta có một từ trường được tạo ra bởi một nguồn bên ngoài và không đổi trong không gian, với giá trị cố định là B.

Khi ta đặt dây có dòng điện dưới tác dụng của mật độ từ thông này, một lực sẽ tác dụng lên dây theo cách tương tự như cách điện trường di chuyển một điện tích. Tuy nhiên, các quy tắc cho sự tương tác này phức tạp hơn.

Nói chung, từ trường hoạt động vuông góc với điện trường, hay với hướng của dòng điện. Đặc điểm này cho thấy từ trường ảnh hưởng đến dòng điện như thế nào.

Để xác định hướng mà mật độ từ thông ảnh hưởng đến dòng điện, chúng ta cần sử dụng “quy tắc bàn tay phải”.

* Tóm tắt

– Dòng điện tạo ra từ trường

– Mật độ từ thông đo cường độ của từ trường

– Từ trường có thể tác dụng lên dòng điện và dây dẫn thông qua lực từ

– Lực do từ trường tác dụng lên dòng điện vuông góc với cả từ trường và dòng điện

– Dùng quy tắc bàn tay phải để xác định chiều của lực

– Mật độ từ thông là một trường vectơ không tác dụng lực theo hướng mà nó hướng tới mà theo hướng vuông góc với nó.