Từ trường là gì? Công thức, định nghĩa, tính chất và các dạng bài tập thường gặp về từ trường

Khi nghiên cứu về nam châm, việc không đề cập đến các khái niệm như từ trường và cảm ứng từ là một thiếu sót. Vậy từ trường là gì? Từ trường không tồn tại tại một địa điểm cụ thể nào trong không gian, mà thay vào đó, nó tồn tại xung quanh các vật thể tạo ra nó. Các tính chất cơ bản của từ trường bao gồm độ mạnh, hướng và đặc tính từ của nó. Hãy cùng Bamboo School  khám phá những khía cạnh này trong bài viết dưới đây.

Từ trường là gì?

Từ trường là môi trường vật chất bao quanh các hạt mang điện, có sự chuyển động như trong nam châm vĩnh cửu hoặc dòng điện. Từ trường tạo ra lực tác động lên các vật có từ tính đặt trong nó.Bản chất của từ trường xuất phát từ sự chuyển động của các điện tích, tạo ra cả điện trường và từ trường xung quanh hạt mang điện. Nếu hạt mang điện đứng yên, chỉ có điện trường; khi chuyển động, nó sẽ có cả điện trường và từ trường.

Công thức từ trường

Lực từ tác dụng lên dây dẫn mang dòng điện

Khi một dây dẫn mang dòng điện nằm trong một từ trường, lực từ sẽ tác động lên dây dẫn đó. Công thức tính lực từ được biểu diễn bằng công thức sau:

F = I * L * B * sin(θ)

Trong đó:

• F là lực từ tác dụng lên dây dẫn (tính bằng newton, N).
• I là dòng điện trong dây dẫn (tính bằng ampe, A).
• L là chiều dài của dây dẫn (tính bằng mét, m).
• B là độ lớn của từ trường (tính bằng tesla, T).
• θ là góc giữa hướng dòng điện và hướng từ trường.

Từ trường của dòng điện

Dòng điện tạo ra một từ trường xung quanh nó. Độ lớn của từ trường tại một điểm từ xa d dòng điện được tính bằng công thức:

B = (μ₀ * I) / (2π * d)

Trong đó:

• B là độ lớn của từ trường (tính bằng tesla, T).
• μ₀ là định mức từ trường của chân không (μ₀ = 4π × 10^(-7) T.m/A).
• I là dòng điện trong dây dẫn (tính bằng ampe, A).
• d là khoảng cách từ điểm đến dây dẫn (tính bằng mét, m).

Lực tương tác hai dây dẫn mang dòng điện

Khi hai dây dẫn mang dòng điện song song và cách nhau một khoảng cách d, lực tương tác giữa chúng có thể được tính bằng công thức:

F = (μ₀ * I₁ * I₂ * L) / (2π * d)

Trong đó:

• F là lực tương tác giữa hai dây dẫn (tính bằng newton, N).
• μ₀ là định mức từ trường của chân không (μ₀ = 4π × 10^(-7) T.m/A).
• I₁ và I₂ là dòng điện trong hai dây dẫn (tính bằng ampe, A).
• L là chiều dài của dây dẫn (tính bằng mét, m).
• d là khoảng cách giữa hai dây dẫn (tính bằng mét, m).

Lực Lorenxơ

Lực Lorentz là lực tác động lên một dây dẫn mang dòng điện khi nó tiếp xúc với một từ trường. Công thức tính lực Lorentz được biểu diễn bằng công thức sau:

F = q * (v x B)

Trong đó:

• F là lực Lorentz tác động lên dây dẫn (tính bằng newton, N).
• q là điện tích của các electron trong dây dẫn (tính bằng coulomb, C).
• v là vận tốc của dây dẫn (tính bằng mét/giây, m/s).
• B là độ lớn của từ trường (tính bằng tesla, T).
• x là phép nhân vectơ.

Momen ngẫu lực từ

Momen ngẫu lực từ là momen xoắn tác động lên một dây dẫn mang dòng điện khi nó tiếp xúc với từ trường. Công thức tính momen ngẫu lực từ được biểu diễn bằng công thức sau:

τ = I * (L x B)

Trong đó:

• τ là momen ngẫu lực từ (tính bằng newton mét, N.m).
• I là dòng điện trong dây dẫn (tính bằng ampe, A).
• L là vectơ chiều dài của dây dẫn (tính bằng mét, m).
• B là độ lớn của từ trường (tính bằng tesla, T).
• x là phép nhân vectơ.

Ứng dụng của từ trường là gì

Từ trường có rất nhiều ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Dưới đây là một số ứng dụng phổ biến của từ trường:

Máy phát điện và máy biến áp:

Từ trường được sử dụng để tạo ra dòng điện xoay chiều trong các máy phát điện và máy biến áp. Các máy này hoạt động dựa trên nguyên lý cắt dòng từ trong từ trường để tạo ra điện.

Điện động cơ:

Từ trường được sử dụng trong các động cơ điện, như động cơ điện xoay chiều và động cơ điện một chiều. Từ trường tạo ra lực tác động lên dây dẫn mang dòng điện trong động cơ, tạo ra chuyển động quay.

Cảm biến từ trường:

Các cảm biến từ trường được sử dụng để đo và giám sát từ trường. Chúng có thể được sử dụng trong các ứng dụng như đo lường dòng điện, vị trí, hướng, và các thông số khác liên quan đến từ trường.

Máy quay từ:

Máy quay từ là các thiết bị sử dụng từ trường để chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng cơ. Chúng thường được sử dụng trong các ứng dụng như máy phát điện trong các nhà máy điện.

Công nghệ hình ảnh:

Từ trường được sử dụng trong các thiết bị hình ảnh y tế, như máy CT (Computed Tomography) và MRI (Magnetic Resonance Imaging). Các thiết bị này sử dụng từ trường để tạo ra hình ảnh của cơ thể và giúp chẩn đoán bệnh.

Thiết bị điện tử:

Từ trường có ứng dụng trong nhiều thiết bị điện tử, bao gồm loa, tai nghe, điện thoại di động, và ổ cứng. Từ trường được sử dụng để chuyển đổi và tạo ra âm thanh, lưu trữ dữ liệu, và thực hiện các chức năng khác trong các thiết bị này.

Đường sức từ

Định nghĩa đường sức từ

Đường sức từ (còn được gọi là đường lực từ) là một đường hướng trong không gian mà tại mỗi điểm trên đó, một véc-tơ được gọi là sức từ (cường độ từ trường) được xác định. Đường sức từ thể hiện hướng và độ mạnh của từ trường tại mỗi điểm trong không gian.

Các ví dụ về đường sức từ

Các ví dụ về đường sức từ bao gồm:

1. Đường sức từ xung quanh một nam châm: Đường sức từ xung quanh một nam châm có dạng các đường từ nam châm từ cực Bắc tới cực Nam. Đường sức từ hướng từ cực Bắc tới cực Nam và từ mạnh nhất tại cực nam châm.
2. Đường sức từ xung quanh một dòng điện thẳng: Đường sức từ xung quanh một dòng điện thẳng có dạng các đường vòng tròn tại các mặt phẳng vuông góc với dòng điện. Đường sức từ xung quanh dòng điện thẳng có hình dạng đối xứng và từ mạnh nhất nằm gần dòng điện.

Các tính chất của đường sức từ

Các tính chất cơ bản của đường sức từ bao gồm:

1. Hướng: Đường sức từ tại mỗi điểm chỉ ra hướng của từ trường tại điểm đó. Hướng của đường sức từ là hướng mà một cực nam châm nhỏ sẽ chịu lực từ.
2. Độ mạnh: Đường sức từ có độ dài khác nhau tại các điểm khác nhau, thể hiện độ mạnh của từ trường tại từng điểm. Độ mạnh của đường sức từ thường được biểu thị bằng mật độ dòng từ (đơn vị là Ampe trên mét vuông) hoặc bằng giá trị sức từ tại mỗi điểm.
3. Đường đóng: Đường sức từ tạo thành các quỹ đạo đóng, tức là không có điểm nào bị cô lập hoặc không thuộc đường sức từ.
4. Tương tác: Đường sức từ có khả năng tương tác với các vật chất mang điện tích. Nếu một vật chất mang điện tích di chuyển theo đường sức từ, nó sẽ trải qua một lực tác động từ trường.

Cảm ứng từ

Cảm ứng từ là hiện tượng phát sinh điện từ trong một dây dẫn khi có sự thay đổi trong từ trường tác động lên dây dẫn đó. Hiện tượng này được mô tả bởi định luật cảm ứng Faraday.

Khi có sự thay đổi trong từ trường, dòng điện sẽ được tạo ra trong dây dẫn theo một hướng và chiều khác nhau, tùy thuộc vào sự thay đổi của từ trường. Cảm ứng từ là nguyên tắc cơ bản trong hoạt động của các máy phát điện, máy biến áp và các thiết bị điện tử khác.

Từ trường của trái đất (địa từ trường)

Từ trường của trái đất (còn được gọi là địa từ trường) là một trường từ mà tồn tại xung quanh Trái Đất. Nó được tạo ra bởi tác động của dòng điện chảy trong lõi sắt-ni của Trái Đất. Từ trường của Trái Đất có tác động đáng kể đến các hoạt động và hiện tượng trên bề mặt Trái Đất, bao gồm cả con người và động vật.

Từ trường của Trái Đất có hướng từ cực Bắc đến cực Nam và được sử dụng trong định vị và định hướng bằng cách sử dụng la bàn và các thiết bị định vị. Nó cũng có ảnh hưởng đến các hiện tượng thiên văn, như cấu tạo của cực Bắc và cực Nam, và bảo vệ môi trường khỏi các tia mặt trời có hại.

Bài tập trắc nghiệm về từ trường

Câu 1. Tương tác từ không xảy ra trong trường hợp nào dưới đây?

1. Một thanh nam châm và một dòng điện không đổi đặt gần nhau.
2. Hai thanh nam châm đặt gần nhau.
3. Một thanh nam châm và một thanh đồng đặt gần nhau
4. Một thanh nam châm và một thanh sắt non đặt gần nhau.

Câu 2. Khi nói về tương tác từ, điều nào sau đâu là đúng?

1. Các cực cùng tên của nam châm thì hút nhau
2. Hai dòng điện không đổi, đặt song song cùng chiều thì hút nhau
3. Các cực khác tên của nam châm thì đẩy nhau
4. Nếu cực bắc của một nam châm hút một thanh sắt thì cực nam của thanh nam châm đẩy thanh sắt.

Câu 3. Tính chất nào sau đây của đường sức từ không giống với đường sức của điện trường (tĩnh)?

1. Qua mỗi điểm trong không gian chỉ vẽ được một đường sức
2. Các đường sức là những đường cong khép kín (hoặc vô hạn ở hai đầu)
3. Chiều của đường sức tuân theo những quy tắc xác định.
4. Chỗ nào từ trường (hay điện trường) mạnh thì vẽ các đường sức mau và chỗ nào từ trường (hay điện trường) yếu thì vẽ các đường sức thưa.

Câu 4. Xung quanh vật nào sau đây không có từ trường?

1. Dòng điện không đổi
2. Hạt mang điện chuyển động
3. Hạt mang điện đứng yên
4. Nam châm chữ U

Câu 5. Đường sức từ có dạng là đường thẳng, song song, cùng chiều cách đều nhau xuất hiện

1. Xung quanh dòng điện thẳng
2. Xung quanh một thanh nam châm thẳng
3. Trong lòng của một nam châm chữ U
4. Xung quanh một dòng điện tròn.

Câu 6. Chọn câu sai?

1. Các đường mạt sắt của từ phổ cho biết dạng của đường sức từ.
2. Các đường sức từ của từ trường đều là những đường thẳng song song, cách đều nhau.
3. Nói chung các đường sức điện thì không kín, còn các đường sức từ là những đường cong kín.
4. Một hạt mang điện chuyển động theo quỹ đạo tròn trong từ trường thì quỹ đạo của nó là một đường sức từ của từ trường

Câu 7. Có hai thanh kim loại bằng sắt, bề ngoài giống nhau. Khi đặt chúng gần nhau thì chúng hút nhau. Có kết luận gì về hai thanh đó ?

1. Đó là hai thanh nam châm.
2. Một thanh là nam châm, thanh còn lại là thanh sắt.
3. Có thể là hai thanh nam châm, cũng có thể là hai thanh sắt.
4. Có thể là hai thanh nam châm, cũng có thể là một thanh nam châm và một thanh sắt.

Câu 8. Trong bức tranh các đường sức từ, từ trường mạnh hơn được diễn tả bởi

1. Các đường sức từ dày đặc hơn.
2. Các đường sức từ nằm cách xa nhau.
3. Các đường sức từ gần như song song nhau.
4. Các đường sức từ nằm phân kì nhiều.

Câu 9. Từ trường của một nam châm giống từ trường được tạo bởi

1. Một dây dẫn thẳng có dòng điện chạy qua.
2. Một ống dây có dòng điện chạy qua.
3. Một nam châm hình móng ngựa.
4. Một vòng dây tròn có dòng điện chạy qua.

Vậy là chúng ta đã cùng nhau bước qua bài viết từ trường là gì cũng như tổng hợp tất cả các công thức tính từ trường đã được học vào chương 4 của Vật Lý lớp 11.

Hy vọng những thông tin chia sẻ từ trường là gì sẽ hữu ích dành cho các bạn. Ngoài những câu hỏi và bài tập phía trên, còn rất nhiều bài tập mà chúng ta có thể sử dụng đến những công thức tính từ trường này, vì vậy hãy tham khảo thêm những bài tập trong sách giáo khoa, những tài liệu bài tập và trong cả những bài viết của Bamboo School nhé!