Từ trường — Nguồn gốc, tính chất và quy tắc bàn tay phải

Từ trường mô tả cách nam châm, điện tích chuyển động và dòng điện tác động lên các điện tích chuyển động khác cũng như vật liệu từ trong không gian xung quanh chúng. Nó được ký hiệu là $B$ và đo bằng tesla $(\mathrm{T})$.

Ý chính ở đây là tính có hướng. Từ trường là một trường vectơ, nên tại mỗi điểm nó có cả độ lớn lẫn hướng. Quy tắc bàn tay phải là cách nhanh thường dùng để xác định hướng đó trong các trường hợp đơn giản.

Từ Trường Có Nghĩa Là Gì

Bạn có thể hình dung từ trường là phần của môi trường điện từ cho biết một điện tích chuyển động hoặc một dây dẫn có dòng điện sẽ bị tác dụng lực như thế nào.

Với một điện tích $q$ chuyển động với tốc độ $v$ và hợp với từ trường một góc $\theta$, độ lớn lực từ là

$$F = qvB\sin\theta$$

Điều kiện này rất quan trọng. Nếu điện tích không chuyển động thì phần lực từ bằng không. Nếu nó chuyển động đúng song song hoặc ngược song song với từ trường thì $\sin\theta = 0$ và lực từ cũng bằng không.

Từ Trường Sinh Ra Từ Đâu

Trong vật lý nhập môn, các nguồn phổ biến nhất là dòng điện, điện tích chuyển động và nam châm vĩnh cửu. Một cuộn dây có dòng điện chạy qua tạo ra từ trường, và một thanh nam châm cũng vậy.

Trong điện từ học đầy đủ, điện trường biến thiên cũng có thể tạo ra từ trường. Điều này quan trọng trong sóng điện từ, máy biến áp và các phương trình Maxwell, nhưng nhiều bài toán đầu tiên thường tập trung vào dòng điện và các nam châm đơn giản.

Những Tính Chất Quan Trọng Cần Nhớ

Từ trường là một đại lượng vectơ, nên hướng là một phần của đáp án chứ không phải chi tiết phụ.

Các từ trường cộng với nhau theo nguyên lý chồng chất. Nếu hai nguồn tạo ra từ trường tại cùng một điểm, từ trường tổng hợp là tổng vectơ của các từ trường đó.

Đường sức từ là công cụ trực quan, không phải những sợi dây vật lý. Tại mỗi điểm, hướng của từ trường là tiếp tuyến với đường sức từ.

Trong cách trình bày chuẩn ở bậc nhập môn, các đường sức từ tạo thành những vòng kín thay vì bắt đầu và kết thúc như đường sức điện trên các điện tích.

Quy Tắc Bàn Tay Phải Cho Dòng Điện Thẳng

Với một dây dẫn thẳng mang dòng điện quy ước, hãy chĩa ngón cái tay phải theo chiều dòng điện. Các ngón còn lại cuộn lại sẽ chỉ hướng của từ trường bao quanh dây.

Đây là một trong những phiên bản hữu ích nhất của quy tắc bàn tay phải vì nó cho hướng rất nhanh mà không cần thêm phép biến đổi đại số.

Hãy cẩn thận với định nghĩa dòng điện. Quy tắc này dùng dòng điện quy ước, tức là chiều mà điện tích dương sẽ chuyển động. Trong dây kim loại, electron trôi theo chiều ngược lại.

Ví Dụ Giải Sẵn: Từ Trường Quanh Một Dây Dẫn Thẳng Dài

Giả sử một dây dẫn thẳng dài mang dòng điện không đổi hướng lên trên. Bạn muốn xác định hướng của từ trường tại một điểm nằm bên phải dây.

Dùng quy tắc bàn tay phải. Chĩa ngón cái tay phải lên trên theo chiều dòng điện. Các ngón tay cuộn quanh dây. Tại điểm ở bên phải dây, từ trường hướng vào mặt phẳng trang giấy.

Nếu bạn cũng cần độ lớn của từ trường, một công thức thường dùng trong trường hợp đặc biệt là

$$B = \frac{\mu_0 I}{2\pi r}$$

Công thức này áp dụng cho dây dẫn thẳng dài mang dòng điện không đổi, xét tại khoảng cách $r$, trong chân không hoặc trong không khí với độ chính xác tốt. Ở đây $\mu_0$ là độ từ thẩm của chân không.

Ví dụ, nếu $I = 5.0\ \mathrm{A}$ và $r = 0.020\ \mathrm{m}$, thì

$$B = \frac{(4\pi \times 10^{-7})(5.0)}{2\pi(0.020)}$$ $$B = 5.0 \times 10^{-5}\ \mathrm{T}$$

Vậy từ trường tại điểm đó có độ lớn $5.0 \times 10^{-5}\ \mathrm{T}$ và hướng vào mặt phẳng trang giấy.

Ví dụ này cho thấy hai phần của một đáp án về từ trường: độ lớn lấy từ công thức, còn hướng lấy từ quy tắc bàn tay phải.

Những Lỗi Thường Gặp

• Xem từ trường như một đại lượng vô hướng và chỉ nêu độ lớn.
• Quên rằng quy tắc bàn tay phải dùng dòng điện quy ước, không phải chiều chuyển động của electron.
• Dùng $B = \mu_0 I / (2\pi r)$ cho mọi dạng dây dẫn, ngay cả khi dây không gần đúng là thẳng và dài.
• Cho rằng từ trường lúc nào cũng tác dụng lực lên điện tích. Điện tích đứng yên không chịu lực từ.
• Nhầm lẫn giữa hướng của từ trường và hướng của lực tác dụng lên một điện tích chuyển động.

Khái Niệm Này Được Dùng Ở Đâu

Từ trường được dùng trong động cơ, máy phát điện, máy biến áp, hệ thống MRI, loa, la bàn và chuyển động của hạt mang điện.

Nó cũng đứng sau rất nhiều ý tưởng trong mạch điện và điện từ học. Khi dòng điện tạo ra từ trường, bạn có thể giải thích cuộn cảm, nam châm điện và vì sao các trường biến thiên lại quan trọng trong hiện tượng cảm ứng điện từ.

Thử Một Trường Hợp Tương Tự

Hãy tự thử một phiên bản của bài toán trên với cùng dây dẫn đó, nhưng đặt điểm xét ở bên trái dây thay vì bên phải. Giữ nguyên dòng điện và khoảng cách. Trước tiên dùng quy tắc bàn tay phải để xác định hướng, rồi kiểm tra xem độ lớn có thay đổi hay không.