Bài 9. Khái niệm từ trường

1. TỪ TRƯỜNG

Khái niệm từ trường

Ở cấp Trung học cơ sở, các em đã biết mỗi nam châm (Hình 9.2) đều có hai loại cực là cực Bắc (kí hiệu N – North) và cực Nam (kí hiệu S – South). Để phân biệt các cực, thông thường, cực Nam sẽ được tô màu xanh, còn cực Bắc sẽ được tô màu đỏ. Khi đưa hai cực của hai nam châm lại gần nhau, nếu hai cực cùng tên thì chúng đẩy nhau, nếu hai cực khác tên thì chúng hút nhau. Mặt khác, khi ta đặt kim nam châm gần dây dẫn có dòng điện không đổi, ta sẽ thấy kim nam châm bị lệch so với vị trí ban đầu. Lực tương tác giữa các nam châm hay giữa kim nam châm và dòng điện được gọi là lực từ. Dạng vật chất bao quanh một nam châm (hoặc dây dẫn mang dòng điện) được gọi là từ trường. Từ trường tác dụng lực từ lên một dòng điện hay một nam châm đặt trong nó.

Từ trường là trường lực gây ra bởi dòng điện hoặc nam châm, là một dạng của vật chất tồn tại xung quanh dòng điện hoặc nam châm mà biểu hiện cụ thể là sự xuất hiện của lực từ tác dụng lên một dòng điện hay một nam châm đặt trong đó.

Từ phổ

Đặt thanh nam châm thẳng lên mặt phẳng nằm ngang, sau đó đặt lên một hộp nhựa trong đó có chứa dầu và các mạt sắt. Gõ nhẹ hộp nhựa, các mạt sắt sẽ sắp xếp lại thành những hình dạng đặc biệt. Hình ảnh tạo bởi các mạt sắt được gọi là từ phổ của nam châm thẳng (Hình 9.3).

2. CẢM ỨNG TỪ

Khái niệm cảm ứng từ

Tương tự điện trường, để đặc trưng cho từ trường về phương diện tác dụng lực tại một điểm, người ta đưa ra khái niệm vectơ cảm ứng từ, kí hiệu \(\overrightarrow{B}\). Khi đặt các kim nam châm vào vùng không gian có từ trường, ở trạng thái cân bằng, các kim nam châm có xu hướng định hướng theo các phương xác định. Từ đó, ta coi phương của kim nam châm khi nằm cân bằng tại một điểm trong từ trường trùng với phương của vectơ cảm ứng từ \(\overrightarrow{B}\) của từ trường tại điểm đó. Ta quy ước chiều từ cực Nam sang cực Bắc của kim nam châm là chiều của \(\overrightarrow{B}\).

Cảm ứng từ tại một điểm gây ra bởi một dòng điện chạy trong dây dẫn thẳng dài vô hạn là một vectơ nằm trong mặt phẳng (α) vuông góc với dòng điện, có phương tiếp tuyến với đường tròn đi qua điểm đó. Trong đó, tâm đường tròn là giao điểm của dòng điện và mặt phẳng (α), có chiều từ cực Nam sang cực Bắc của kim nam châm tại mỗi điểm đang xét (Hình 9.4).

Đường sức từ

Tương tự như điện trường, từ trường không thể quan sát được bằng mắt thường. Do đó, để mô tả từ trường một cách trực quan, ta sử dụng khái niệm đường sức từ. Đường sức từ là những đường mô tả “hình dạng” của từ trường và cũng là sự mô hình hoá hình ảnh từ phổ.

Đường sức từ là những đường mô tả từ trường, sao cho tiếp tuyến tại bất kì điểm nào trên đường sức từ đều có phương, chiều trùng với phương, chiều của vectơ cảm ứng từ tại điểm đó.

Từ các trường hợp ở Hình 9.5 và các trường hợp khác, người ta rút ra các tính chất của đường sức từ như sau:

- Tại mỗi điểm trong từ trường, có một và chỉ một đường sức từ đi qua điểm đó.

- Các đường sức từ là những đường cong kín. Đối với nam châm, các đường sức từ đi ra từ cực Bắc và đi vào cực Nam.

- Nơi nào từ trường mạnh hơn thì các đường sức từ ở đó mau (dày) hơn, nơi nào từ trường yếu hơn thì các đường sức từ ở đó thưa hơn.

Lưu ý: Vùng không gian ở giữa hai cực của nam châm chữ U có các đường sức từ gần như song song và cách đều nhau (Hình 9.5b). Khi đó, từ trường giữa hai cực của nam châm chữ U được gọi là từ trường đều. Thực nghiệm cho thấy, tại mọi điểm trong từ trường đều, vectơ cảm ứng từ bằng nhau.

Từ trường đều là từ trường có vectơ cảm ứng từ tại mọi điểm đều bằng nhau. Từ trường đều có các đường sức từ song song, cách đều nhau.

Đường sức từ của một số dây dẫn đặc biệt

Dòng điện thẳng

Xét đoạn dây dẫn mang dòng điện được đặt thẳng đứng xuyên qua tấm nhựa cứng trong suốt nằm ngang. Rắc mạt sắt lên tấm nhựa. Sau đó gõ nhẹ tấm nhựa, ta quan sát được từ phố của dòng điện thẳng như Hình 9.6.

Mô hình hoá hình ảnh từ phổ ở Hình 9.6, ta thu được đường sức từ của dòng điện thẳng là những đường tròn đồng tâm với tâm là giao điểm của đoạn dây dẫn và tấm nhựa. Xét trường hợp chiếu dòng điện qua đoạn dây dẫn như Hình 9.7, khi đặt các kim nam châm xung quanh dòng điện, ta thấy kim nam châm luôn có phương tiếp tuyến với đường sức từ tại điểm khảo sát và chiều Nam – Bắc của kim nam châm luôn hướng như hình vẽ.

Quan sát hình dạng của các đường sức từ, chiều dòng điện và hướng sắp xếp của các kim nam châm, ta có thể xác định chiều của đường sức từ xung quanh dòng điện thẳng theo quy tắc nắm tay phải: Đặt bàn tay phải sao cho ngón cái hướng theo chiều dòng điện, khum các ngón tay còn lại xung quanh đoạn dây dẫn, khi đó chiều từ cổ tay đến các ngón tay chỉ chiếu của đường sức từ (Hình 9.7).

Dòng điện tròn

Xét dây dẫn được uốn thành vòng tròn có dòng điện chạy qua. Ta gọi dòng điện chạy trong dây dẫn uốn thành vòng tròn là dòng điện tròn. Đặt vòng dây nằm trong mặt phẳng vuông góc với tấm nhựa cứng trong suốt, xuyên qua tấm nhựa đặt trên mặt phẳng nằm ngang và chứa tâm dòng điện. Rắc mạt sắt lên tấm nhựa. Sau đó gõ nhẹ tấm nhựa, ta quan sát được từ  của dòng điện tròn như Hình 9.8.

Mô hình hoá hình ảnh từ phổ ở Hình 9.8, ta thu được đường sức từ tại những điểm nằm trên trục vòng dây của dòng điện tròn là đường thẳng. Xét trường hợp chiều dòng điện qua vòng dây như Hình 9.9, khi đặt các kim nam châm lên đường sức từ này, ta thấy kim nam châm luôn có phương nằm dọc theo đường sức từ tại điểm khảo sát và chiều Nam - Bắc của kim nam châm luôn hướng như hình vẽ.

Quan sát hình dạng của đường sức từ, chiều dòng điện và hướng sắp xếp của các kim nam châm, ta có thể xác định chiều của đường sức từ trên trục vòng dây theo quy tắc nắm tay phải: Khum bàn tay phải sao cho các ngón tay hướng theo chiều dòng điện trong vòng dây, khi đó ngón tay cái choãi ra chỉ chiều của đường sức từ trên trục vòng dây (Hình 9.9).

Dòng điện trong ống dây

Xét ống dây có chiều dài L và N vòng dây. Đặt ống dây nằm trong mặt phẳng vuông góc với tấm nhựa cứng trong suốt, xuyên qua tấm nhựa đặt trên mặt phẳng nằm ngang chứa trục ống dây. Cho dòng điện I chạy qua ống dây. Rắc mạt sắt lên tấm nhựa. Sau đó gõ nhẹ tấm nhựa, ta quan sát được từ phố của dòng điện qua ống dây như Hình 9.10.

Mô hình hoá hình ảnh từ phổ ở Hình 9.10, ta thu được đường sức từ tại những điểm nằm trên đường đi qua trục của ống dây là đường thẳng. Trong trường hợp nếu chiều dài ống dây rất lớn so với bán kính các vòng dây, các đường sức từ bên trong ống dây sẽ song song và cách đều nhau.

Một cách gần đúng, ta có thể xem từ trường bên trong ống dây là từ trường đều. Xét trường hợp chiều dòng điện qua ống dây như Hình 9.11, khi đặt các kim nam châm xung quanh ống dây, ta thấy các kim nam châm khi cân bằng có phương luôn tiếp tuyến với đường sức từ tại điểm khảo sát và có chiều Nam - Bắc luôn hướng như hình vẽ.

Quan sát hình dạng của đường sức từ, chiều dòng điện và hướng sắp xếp của các kim nam châm, ta có thể xác định chiều của đường sức từ bên trong ống dây theo quy tắc nắm tay phải: Khum bàn tay phải sao cho các ngón tay theo chiều dòng điện qua ống dây, khi đó ngón tay cái choãi ra chỉ chiều của đường sức từ bên trong ống dây (Hình 9.11).