Từ trường

Trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta, chúng ta thường gặp những hiện tượng mà không nhìn thấy bằng mắt thường, nhưng lại có một sức ảnh hưởng mạnh mẽ đến môi trường xung quanh. Một trong những hiện tượng đó là từ trường.

Từ trường không chỉ là một khái niệm trong vật lý, mà còn có tầm quan trọng lớn trong cuộc sống và nhiều lĩnh vực khoa học khác.

Từ trường có thể được tạo ra bởi dòng điện hay nam châm, ngoài ra xung quanh chúng ta luôn tồn tại một từ trường rất lớn (từ trường Trái Đất), dẫn đến những hiệu ứng đa dạng. Trong bài viết này, chúng ta sẽ khám phá sâu hơn về khái niệm từ trường, cách nó được tạo ra và tác động của nó.

Từ trường là gì?

Từ trường là một trường không gian tồn tại xung quanh nam châm, dòng điện hoặc thậm chí là Trái Đất, từ trường không thể quan sát được bằng mắt thường và không phải là môi trường vật chất, nếu ta đặt một cục nam châm trong môi trường chân không thì nó vẫn có từ trường xung quanh.

Những vật chất có từ tính được đặt trong từ trường sẽ phát sinh những tương tác về lực (có thể là lực đẩy hoặc lực hút).

Để thuận tiện cho việc tính toán và nghiên cứu, từ trường được biểu diễn bằng một trường các vector. Những vector này đại diện cho sức mạnh và hướng của lực tác động lên các nam châm, dòng điện, vật chất có từ tính và các điện tích trong phạm vị không gian mà từ trường được tạo ra.

Để đánh giá mức độ mạnh hay yếu của từ trường tại một điểm cụ thể và có thể ảnh hưởng đến tác động và tương tác của từ trường đối với các vật thể khác trong không gian.

Cường độ từ trường

Để biểu thị mức độ mạnh hay yếu của từ trường tại một vị trí cụ thể, ta sử dụng đại lượng “cường độ từ trường” thường được ký hiệu là B, và

Trong hệ đo quốc tế (SI), đơn vị đo của cường độ từ trường là Tesla (T), được đặt theo tên của nhà vật lý người Serbia – Mỹ Nikola Tesla. Một Tesla tương đương với một Weber trên mỗi mét vuông (1 T = 1 Wb/m²).

Ngoài ra, đơn vị đo từ trường cũng thường được sử dụng là Gauss (G), đặc biệt trong một số lĩnh vực như y học và xác định vị trí. Mối quan hệ giữa Tesla và Gauss là: 1 T = 10.000 G.

Một từ trường có cường độ lớn, sẽ có tác động mạnh hơn đối với các vật chất từ hoặc các hệ thống điện tử. Cường độ từ trường cũng có thể thay đổi theo không gian, với mức độ giảm dần khi xa cách nguồn tạo từ trường.

Lịch sử nghiên cứu về từ trường

Như bạn đã biết Trái Đất của chúng ta giống như một nam châm khổng lồ, xung quanh Trái Đất luôn tồn tại một không gian từ trường rộng lớn. Sự nhận thức về từ trường xuất phát từ việc quan sát hiện tượng giữa các viên đá nam châm, tồn tại trong tự nhiên.

Lịch sử nghiên cứu về từ trường được thể hiện qua các giai đoạn sau:

• Những người Hy Lạp cổ đại, chẳng hạn như Thales of Miletus và sau này là Pythagoras, đã quan sát thấy rằng một loại khoáng chất tự nhiên có tên là magnetit (đá nam châm) có khả năng hút sắt.
• Các nền văn minh Trung Quốc và Ấn Độ cũng đã nhận ra các đặc tính của đá nam châm và sử dụng nó cho nhiều mục đích khác nhau.
• Vào thế kỷ 13, các học giả châu Âu, bao gồm Peter Peregrinus và William Gilbert, đã tiến hành các thí nghiệm và quan sát có hệ thống về nam châm và các hiện tượng từ tính.
• Công trình của Gilbert vào cuối thế kỷ 16 đã đặt nền móng cho sự hiểu biết khoa học về từ tính. Ông đặt ra thuật ngữ “nam châm” và đề xuất rằng bản thân Trái đất hoạt động giống như một nam châm khổng lồ.
• Vào đầu thế kỷ 19, Hans Christian Orsted đã quan sát thấy rằng kim la bàn bị lệch khi đặt gần dây dẫn mang dòng điện, tạo ra mối liên hệ giữa điện và từ.
  James Clerk Maxwell đã phát triển một lý thuyết thống nhất về điện và từ. Ông đã định dạng toán học các phương trình Maxwell, mô tả hành vi của điện trường và từ trường và tác động qua lại của chúng.
• Vào đầu thế kỷ 20, cơ học lượng tử đã cách mạng hóa sự hiểu biết về thế giới vi mô, bao gồm hành vi của các electron và tương tác của chúng với từ trường.
• Lý thuyết trường lượng tử đã cung cấp một khuôn khổ để mô tả các trường điện từ dưới dạng các hạt lượng tử gọi là photon.
• Sự phát triển của các công nghệ như nam châm điện, máy phát điện, máy biến áp và động cơ điện trong thế kỷ 19 và 20 đã mở rộng các ứng dụng thực tế của từ trường. Nghiên cứu hiện đại tiếp tục khám phá từ trường và các ứng dụng của chúng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, chẳng hạn như y học (MRI), điện tử, phát điện và vật lý hạt.

Sự hiểu biết về từ trường, đã phát triển nhờ sự đóng góp của nhiều nhà khoa học trong nhiều thế kỷ. Đây là một lĩnh vực nghiên cứu đang diễn ra và những khám phá mới tiếp tục làm rõ thêm kiến thức, của chúng ta về từ trường.

Từ trường được tạo thành như thế nào?

Từ trường được tạo ra bằng cách di chuyển điện tích. Mọi vật chất đều được tạo thành từ các nguyên tử, mỗi nguyên tử có một hạt nhân được tạo thành từ các neutron và proton với các electron chuyển động xung quanh hạt nhân.

Vì các electron chuyển động quanh hạt nhân là các điện tích nhỏ chuyển động, nên một từ trường nhỏ, được tạo ra xung quanh mỗi nguyên tử. Những từ trường này có một định hướng hoặc hướng cụ thể, định hướng này được gọi là momen từ của nguyên tử. Nên mối nguyên tử được xem như là một nam châm siêu nhỏ, trong một vật thể có rất nhiều nguyên tử khác nhau, và chúng tạo ra những từ trường có định hướng ngẫu nhiên, vì vậy chúng triệt tiêu lẫn nhau, dẫn đến trong thực tế các vật chất tồn tại trong tự nhiên thường có từ trường bằng 0.

Trong một số trường hợp đặc biệt hơn, loại vật chất mà có các phân tử được sắp xếp sao cho các electron chuyển động cùng một hướng, lúc này từ trường được tạo ra và đá nam châm là một trường hợp đặc biệt như vậy. Hoặc khi ta cho dòng điện đi qua một sợi dây dẫn điện, các electron tự do di chuyển theo 1 chiều (trong khoảnh khắc đó), do vậy nó cũng tạo ra một từ trường quanh sợi dây đó.

Một số loại từ trường được biết đến phổ biến

Từ trường của nam châm

Nam châm tạo ra từ trường bằng cách sắp xếp các nguyên tử và electron của chúng theo một cấu trúc đặc biệt. Từ trường của nam châm có thể thu hút hoặc đẩy các vật chứa chất từ trường khác.

Ta có thể nhận biết được bằng cách đặt một vật chứa chất từ trường (như một nam châm khác, một tấm sắt) trong phạm vi của từ trường của nam châm. Nếu vật chứa chất từ trường là từ trường dương, nó sẽ bị hút đến nam châm, và ngược lại nếu nó là từ trường âm.

Cường độ từ trường của nam châm, phụ thuộc vào tính chất của nam châm và hình dạng của nó. Nam châm có thể được tăng cường độ từ trường, bằng cách sử dụng các nguyên liệu đặc biệt và tối ưu hóa thiết kế để tạo ra từ trường mạnh hơn.

Từ trường của nam châm có nhiều ứng dụng trong các thiết bị điện tử, động cơ, loa, điều trị y tế, và nhiều lĩnh vực khác.

Từ trường của dòng điện trong dây dẫn

Khi có dòng điện chạy trong dây dẫn điện, xung quanh sợi dây này sẽ tạo ra một từ trường. Đây là một hiện tượng quan trọng trong vật lý, được ứng dụng trong công nghệ và các thiết bị điện tử.

Theo quy tắc Ampère, từ trường được tạo ra bởi một dây dẫn thẳng có thể được xác định bằng công thức sau:

B = (μ₀ * I) / (2π * r)

Trong đó:

• B là độ lớn của từ trường tại một điểm cụ thể trong không gian (đơn vị: tesla, T).
• μ₀ là hằng số từ trường của chân không (4π x 10^-7 T·m/A).
• I là cường độ dòng điện chạy qua dây dẫn (đơn vị: ampere, A).
• r là khoảng cách từ điểm đó đến dây dẫn (đơn vị: mét, m).

Công thức trên chỉ áp dụng cho dòng điện, chạy qua một dây dẫn thẳng với dạng tuyến tính. Đối với các hình dạng dây dẫn phức tạp, cường độ từ trường phụ thuộc vào hình dạng và bố cục của dây dẫn.

Hướng của từ trường xung quanh dây dẫn, được xác định bởi quy tắc nắm tay phải, khi bạn giơ ngón tay cái theo hướng dòng điện trong dây dẫn, các ngón tay khác sẽ chỉ về hướng từ trường xung quanh dây dẫn.

Từ trường của Trái Đất

Từ trường của Trái đất, còn được gọi là từ trường địa tâm, là một trường từ bao quanh Trái đất. Nó tạo ra một vùng không gian có từ trường, có vai trò quan trọng trong bảo vệ Trái Đất, khỏi các tia mặt trời có năng lượng cao và tác động của gió mặt trời.

Từ trường địa tâm được tạo ra bởi hiện tượng địa tâm trong lõi Trái đất. Lõi này chứa các kim loại từ trường, như sắt và nickel trong trạng thái lỏng, chất lỏng này di chuyển do hiệu ứng của nhiệt độ và lực Coriolis. Sự chuyển động của chất lỏng tạo ra dòng điện điều chỉnh từ trường.

Hướng của từ trường địa tâm không hoàn toàn tương đồng với trục quay của Trái đất. Nó không hoàn toàn đối xứng, và trục từ trường địa tâm lệch khỏi trục quay khoảng 11,5 độ. Cực Bắc từ trường địa tâm nằm gần cực Bắc địa lý của Trái đất và cực Nam từ trường địa tâm nằm gần cực Nam địa lý của Trái đất.

Cường độ từ trường địa tâm thay đổi trên bề mặt Trái đất, được đo bằng đơn vị nanoTesla (nT). Trung bình cường độ từ trường địa tâm là khoảng 25.000 đến 65.000 nT. Cường độ này có thể khác nhau tùy thuộc vào, vị trí địa lý và biến đổi theo thời gian.

Ứng dụng của từ trường

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:

• Công nghiệp: Trong công nghiệp có nhiều loại thiết bị máy móc, hoạt động có liên quan trực tiếp đến từ trường như van điện từ, đồng hồ đo lưu lượng điện từ, động cơ điện, máy phát điện,…
• Y tế: Từ trường có ứng dụng rộng rãi trong y tế. Trong hình ảnh y học, như MRI (Magnetic Resonance Imaging), từ trường được sử dụng để tạo ra hình ảnh cắt lớp của cơ thể, để phát hiện và chẩn đoán bệnh. Các thiết bị điều trị bằng từ trường cũng được sử dụng để điều trị một số bệnh.
• Điện tử và viễn thông: Từ trường được ứng dụng trên nhiều thiết bị điện tử và viễn thông. Ví dụ, trong loa, từ trường được sử dụng để chuyển đổi dòng điện thành âm thanh. Trong các thiết bị ghi và đọc dữ liệu, từ trường được sử dụng trong các đầu đọc và các ổ cứng.
• Năng lượng: Từ trường được sử dụng trong các thiết bị tạo và truyền năng lượng. Ví dụ, trong các máy phát điện, từ trường được sử dụng để tạo ra điện trong các cuộn dây. Trong các thiết bị truyền điện không dây như cái sạc không dây, từ trường được sử dụng để truyền năng lượng từ nguồn tới thiết bị.
• Nghiên cứu khoa học: Từ trường được sử dụng trong nghiên cứu khoa học, để nghiên cứu và khám phá các hiện tượng vật lý. Ví dụ, từ trường được sử dụng trong các thiết bị khảo sát địa chất. Các thiết bị từ trường cũng được sử dụng trong nghiên cứu về vật liệu và vật lý hạt nhân.

Đây chỉ là một số ví dụ về ứng dụng của từ trường. Trong thực tế từ trường còn có nhiều ứng dụng khác, từ các thiết bị điện gia dụng hàng ngày, cho đến các thiết bị công nghiệp và khoa học phức tạp.

Những câu hỏi liên quan đến từ trường

Từ trường của nam châm vĩnh cửu có bị mất đi theo thời gian?

Trong thực tế, nam châm vĩnh cửu có thể mất một phần từ trường của nó theo thời gian, nhưng không phải là hoàn toàn mất đi. Quá trình mất từ trường trong nam châm vĩnh cửu được gọi là mất từ trường tự nhiên.

Có một số yếu tố có thể gây ra mất từ trường tự nhiên trong nam châm vĩnh cửu, bao gồm:

• Nhiệt độ: Nhiệt độ cao có thể làm giảm từ trường của nam châm. Các nam châm vĩnh cửu thường có một giới hạn nhiệt độ tối đa mà chúng có thể hoạt động mà không mất quá nhiều từ trường.
• Tác động từ trường bên ngoài: Đặt nam châm vĩnh cửu gần các từ trường mạnh khác hoặc tác động từ trường mạnh có thể làm mất một phần từ trường của nam châm.
• Các yếu tố thời gian: Thời gian cũng có thể làm giảm từ trường của nam châm vĩnh cửu theo một quá trình gọi là mất từ trường thời gian. Tuy nhiên, quá trình này diễn ra rất chậm và nam châm vĩnh cửu có thể giữ được từ trường lâu đến hàng trăm năm trước khi có sự mất từ trường đáng kể.

Nam châm tự nhiên và nam châm đất hiếm có khác nhau không?

Nam châm tự nhiên và nam châm đất hiếm là hai loại nam châm, có nhiều tính chất tương đồng, nếu xét về bản chất nam châm tự nhiên, và nam châm đất hiếm đều là nam châm vĩnh cửu.

“Nam châm vĩnh cửu” là thuật ngữ được sử dụng để chỉ các nam châm có khả năng giữ từ trường gần như vĩnh viễn (từ trường có thể bị mất đi 1 lượng đáng kể sau hàng trăm năm) mà không cần nguồn năng lượng bên ngoài để duy trì, (so với nam châm điện).

Nam châm tự nhiên là loại vật chất tồn tại sẵn trong tự nhiên, chúng còn được gọi là đá nam châm, chúng ta thường bắt gặp chúng với hình dáng, thanh nam châm hoặc nam châm móng ngựa, được sơn hai màu xanh đỏ.

Đối với nam châm đất hiếm, con người phải kết hợp các loại vật chất lại với nhau, chẳng hạn như neodymium (Nd), samarium (Sm) và các nguyên tố liên quan khác.

Nam châm đất hiếm có cường độ từ trường mạnh hơn so với nam châm tự nhiên.

Làm thế nào chúng ta đo được từ trường?

Chúng ta có thể đo được từ trường bằng nhiều phương pháp khác nhau, dựa vào tính chất và ứng dụng cụ thể mà chúng ta quan tâm. Dưới đây là một số phương pháp đo từ trường phổ biến:

Cảm biến từ trường: Sử dụng các cảm biến từ trường như cảm biến Hall, cảm biến lượng tử, hay cảm biến siêu dẫn để đo từ trường. Cảm biến sẽ tương tác với từ trường và tạo ra một tín hiệu điện tử đo được, từ đó chúng ta có thể xác định mức độ và hướng của từ trường.

Magnetometer: Sử dụng magnetometer để đo từ trường. Magnetometer là một thiết bị đo từ trường, có khả năng đo các thành phần hướng từ trường trong ba chiều không gian. Magnetometer có thể được sử dụng để đo từ trường của Trái Đất, từ trường trong nghiên cứu vật lý, hoặc trong các ứng dụng công nghệ.

Tại sao lại có từ trường?

Theo Luật Ampere, khi một dòng điện chạy qua một dây dẫn, nó tạo ra một từ trường xung quanh dây dẫn đó. Từ trường này có thể được cảm nhận và đo được bằng cách sử dụng các công cụ như cảm biến từ trường.

Theo Luật Faraday, sự thay đổi của một từ trường có thể tạo ra một điện động. Điều này có nghĩa là khi có sự thay đổi của từ trường xung quanh một dây dẫn, một dòng điện sẽ được tạo ra trong dây dẫn đó.

Từ trường có tác động đến cuộc sống hàng ngày như thế nào?

Từ trường có tác động đến cuộc sống hàng ngày của chúng ta trong nhiều cách khác nhau. Dưới đây là một số tác động quan trọng của từ trường đến cuộc sống hàng ngày:

• Bảo vệ khỏi bức xạ mặt trời: Từ trường Trái Đất tạo ra một lớp bảo vệ, giúp chắn ngăn một phần bức xạ mặt trời, tiếp xúc trực tiếp với bề mặt Trái Đất. Điều này giúp bảo vệ con người, khỏi tác động tiêu cực của bức xạ gây ra bởi ánh sáng mặt trời và các hạt năng lượng cao từ không gian.
• Định hướng và định vị: Từ trường của Trái Đất đóng vai trò quan trọng trong việc định hướng và định vị. Chúng ta sử dụng la bàn, GPS và các công nghệ định vị khác để xác định hướng và vị trí của chúng ta dựa trên từ trường.
• Công nghệ và thiết bị điện tử: Có thể tác động đến hoạt động, của các thiết bị điện tử như máy tính, điện thoại di động, máy ảnh, máy tính bảng và nhiều thiết bị khác. Nó có thể gây nhiễu, can thiệp vào tín hiệu và hoạt động của các thiết bị này.
• Y tế và hình ảnh y khoa: Các máy chụp cộng hưởng từ (MRI) sử dụng từ trường mạnh để tạo ra hình ảnh cơ thể. MRI là một công cụ quan trọng trong chẩn đoán y khoa và giúp các bác sĩ xem xét cơ bản và chẩn đoán bệnh tật.

Tổng kết

Trong bài viết này, chúng ta đã thảo luận về từ trường – một khái niệm quan trọng và rộng rãi áp dụng trong các lĩnh vực vật lý, công nghệ và công nghiệp. Chúng ta đã tìm hiểu về cường độ từ trường, lịch sử nghiên cứu, các loại từ trường phổ biến, ứng dụng và những câu hỏi liên quan.

Như thường lệ tôi rất vui khi những thông tin này, có thể giúp ích được bạn trong một khía cạnh nào đó, và tôi rất hoan nghênh những phản hồi và những ý kiến đóng góp, để bài viết được hoàn thiện hơn nữa.

Xin chân thành cảm ơn!