Từ trường là gì? Tính chất? Quy tắc nắm bàn tay phải là gì?

1. Từ trường là gì?

Trước tiên chúng ta hiểu về nam châm như sau:

Ta hiểu nam châm là loại vật liệu có thể hút được sắt vụn gọi là nam châm.

Trên một nam châm, có những miền hút sắt vụn mạnh nhất, đó là các cực của nam châm. Mỗi nam châm có hai cực: Cực Bắc (kí hiệu là N) và cực Nam (kí 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 nằm định hướng theo hướng Nam – Bắc.

Thực nghiệm chứng tỏ rằng, giữa các nam châm có tương tác với nhau thông qua các lực đặt vào các cực: Hai cực của hai nam châm đặt gần nhau sẽ đẩy nhau khi chúng cùng tên và hút nhau khi chúng khác tên.

Thực chất thì lực tương tác đó được gọi là lực từ và các nam châm được gọi là có từ tính.

Các loại nam châm phổ biến hiện nay: Nam châm chữ U; Nam châm thẳng; Nam châm tròn; Nam châm điện.

Khái niệm về từ trường:

Từ trường được hiểu là một trường vật chất đặc biệt được sinh ra quanh các điện tích chuyển động hoặc do sự biến thiên của điện trường hay từ các mô men lưỡng cực từ như là nam châm.

Hai nam châm hút nhau khi chúng đặt trong vùng từ trường của nhau.

Tương tác giữa hai dòng điện song song cùng chiều sẽ hút nhau, ngược chiều thì đẩy nhau.

Lực từ có thể tác động xuyên không gian.

Tính chất cơ bản của từ trường đó chính là gây ra lực từ tác dụng lên nam châm hoặc lên dòng điện đặt trong từ trường đó.

Để phát hiện sự tồn tại của từ trường, người ta sử dụng kim nam châm để thông qua đó có thể xác định. Nam châm trong trạng thái cân bằng sẽ luôn chỉ theo hướng Nam – Bắc. Những kim nam châm nhỏ dùng để phát hiện từ trường được gọi là nam châm thử.

2. Ứng dụng của từ trường:

Việc tìm ra từ trường mang đến rất nhiều giá trị về cả nghiên cứu khoa học và ứng dụng thực tế trong đời sống:

– Việc tìm ra từ trường đã giúp nghiên cứu ra máy điện quay: động cơ điện, các loại máy phát điện và nhiều loại máy móc tương tự.

– Việc tìm ra từ trường đã giúp nghiên cứu ra máy điện tĩnh: Máy biến áp (máy biến thế), các  tụ điện,…

– Việc tìm ra từ trường đã giúp nghiên cứu ra các dụng cụ ứng dụng lực từ trường như: nam châm điện trong các cần cẩu thép, dây rơ le, cuộn dây đóng mở các van điện từ…

– Việc tìm ra từ trường đã giúp nghiên cứu ra các dụng cụ trong đo đạc, thăm dò – phát tín hiệu: micro, cuộn dây đóng mở các van điện tử… và các đồ dùng tương tự.

– Việc tìm ra từ trường đã giúp nghiên cứu ra ứng dụng về lực đẩy, lực cản của từ trường với các vật thể chuyển động: đệm từ trường trong xe lửa cao tốc, bộ cản dịu trong đồng hồ đo đạc…

– Khi tần số của cảm ứng từ lên một mức nhất định, nó sẽ phát ra ăng ten thành sóng điện từ. Từ đó, con người có ứng dụng Radio, TV, điện thoại di động,…

3. Phân biệt từ trường với điện trường:

– Ta hiểu điện trường là một mô hình tưởng tượng trong điện từ học để nói về môi trường vật chất đặc biệt bao quanh các điện tích. Điện trường sẽ tác dụng lực lên tất cả các hạt mang điện tích đặt trong nó, lực này gọi là lực điện.

– Còn như phân tích ở trên thì từ trường là môi trường vật chất đặc biệt sinh ra quanh các điện tích chuyển động hay hình thành do sự biến thiên của điện trường, hoặc từ các momen lưỡng cực từ.

Ta nhận thấy, điện trường biến thiên sinh ra từ trường và ngược lại, một từ trường biến thiên sẽ sinh ra điện trường. Ta thấy hai trường biến thiên này có quan hệ mật thiết với nhau. Xét về mặt bản chất, điện trường cùng với từ trường là các biểu hiện riêng rẽ của một trường thống nhất gọi là điện từ trường.

Nói cách khác, điện từ trường là một trường thống nhất gồm hai thành phần điện trường biến thiên và từ trường biến thiên.

4. Các khái niệm liên quan đến từ trường:

Đường sức từ được hiểu như sau:

Đường sức từ được hiểu là các đường cong kín hoặc thẳng dài vô hạn nhưng chúng không bao giờ cắt nhau trong không gian xung quanh dòng điện và nam châm. Đường sức từ là đường biểu diễn mật độ của từ trường. Ta có: khi đường sức từ càng dày, độ lớn của từ trường càng lớn và người lại.

Quy ước: Tại 1 điểm bất kỳ trong từ trường của nam châm, chiều của đường sức từ theo hướng đi ra từ cực Bắc và đi vào ở cực Nam.

Người ta dùng thí nghiệm từ phổ để quan sát hình dạng của đường sức từ.

Từ trường đều được hiểu như sau:

Từ trường đều được hiểu là một từ trường có các đường sức từ song song, cùng chiều với nhau và khoảng cách đều nhau. Vì thế, trong 1 từ trường đều thì độ lớn cảm ứng từ sẽ luôn bằng nhau ở 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 nào đó. Nói cách khác, cảm ứng từ là đại lượng biểu diễn cho độ lớn của từ trường, đơn vị của cảm ứng từ là Tesla (kí hiệu T).

1 Vectơ cảm ứng từ có phương tiếp tuyến với đường sức từ tại 1 điểm thì có chiều từ Nam sang Bắc của nam châm đặt lên nó.

5. Từ trường của nam châm và từ trường của dòng điện:

Từ trường của nam châm bao gồm:

Ở mặt ngoài nam châm thẳng, đường sức từ là những đường cong đối xứng nhau qua trục của thanh nam châm, chiều của các đường sức từ này đi ra từ cực Bắc và đi vào từ cực Nam.

Càng về gần đầu của thanh nam châm, đường sức từ càng mau hơn (từ trường càng mạnh hơn).

– Từ trường của nam châm chữ U:

Bên ngoài thanh nam châm chữ U, đường sức từ là những đường cong đối xứng qua trục thanh nam châm, đi ra từ cực Bắc và đi vào từ cực Nam.

Càng về gần đầu thanh nam châm chữ U, đường sức từ càng mau hơn (từ trường càng mạnh hơn).

Đường sức từ của từ trường trong khoảng giữa hai cực nam châm chữ U là những đường thẳng song song cách đều nhau, đây chính là vùng từ trường đều.

Từ trường của dòng điện bao gồm:

– Từ trường của dòng điện thẳng:

+ Các đường sức từ của dòng điện thẳng là những đường nằm trong những mặt phẳng vuông góc với dòng điện, có tâm nằm trên dòng điện.

+ Chiều của đường sức từ được xác định bằng quy tắc bàn tay phải: Để bàn tay phải sao cho ngón cái nằm dọc theo chiều dây dẫn và chỉ theo đúng chiều dòng điện, các ngón khác khum lại (nắm lại) chính là biểu thị cho chiều của các đường sức từ.

– Từ trường của dòng điện tròn:

+ Các đường sức từ của dòng điện tròn có chiều đi vào một mặt và đi ra ở mặt kia của dòng điện tròn ấy.

Đường sức từ ở tâm dòng điện tròn là một đường thẳng vuông góc với mặt dòng điện tròn đó.

Quy ước: mặt Nam của dòng điện tròn là mặt khi ta nhìn vào sẽ thấy dòng điện chạy theo chiều kim đồng hồ, ngược lại là mặt Bắc.

+  Các đường sức từ của dòng điện tròn có chiều đi vào ở mặt Nam và đi ra từ mặt Bắc.

Ta xác định chiều của đường sức từ tại tâm dòng điện tròn thông qua quy tắc nắm bàn ta phải: Khum bàn tay phải sao cho chiều từ cổ tay đến ngón tay chỉ chiều dòng điện tròn, ngón tay cái choãi ra sẽ cho thấy chiều của đường sức từ qua tâm dòng điện tròn.

6. Tìm hiểu về quy tắc bàn tay phải:

Quy tắc bàn tay phải (tiếng Anh: right-hand rule) cũng được gọi là quy tắc nắm tay phải, đây thực chất chính là một quy tắc phổ biến được dùng trong toán học và vật lý cho việc nhận biết các quy ước ký hiệu vectơ trong 3 chiều. Trên thực tế thì có một vài nguyên tắc bàn tay phải khác nhau để dễ hình dung các vật chất, được ứng dụng trong từng trường hợp, mục đính khác nhau.

– Quy tắc nắm tay phải xác định chiều dòng điện cảm ứng trong một dây dẫn chuyển động trong một từ trường: Nắm bàn tay phải rồi đặt sao cho bốn ngón tay hướng theo chiều dòng điện chạy qua các vòng dây thì ngón cái choãi ra chỉ chiều của đường sức từ trong lòng ống dây

– Bên cạnh uy tắc nắm tay phải thì là uy tắc nắm tay trái: quy tắc bàn tay trái (còn gọi là quy tắc Fleming) là quy tắc định hướng của lực do một từ trường tác động lên một đoạn mạch có dòng điện chạy qua và đặt trong từ trường. Đặt bàn tay trái sao cho các đường cảm ứng từ hướng vào lòng bàn tay, chiều từ cổ tay đến ngón tay giữa hướng theo chiều dòng điện thì ngón tay cái choãi ra 90° chỉ chiều của lực điện từ