Đường sức từ là gì? Đặc điểm, tính chất và cách xác định chiều

Đường sức từ là gì?

Đường sức từ (đường sức từ trường) là những đường cong khép kín hoặc vô hạn ở cả hai đầu, có tiếp tuyến tại mỗi điểm trùng với phương của từ trường tại điểm đó. Đường sức từ là đường được quy ước cho phép ta biểu diễn từ trường. Các đường sức từ có chiều nhất định, chiều của đường sức từ cho ta biết hướng của lực từ tác dụng lên cực Bắc của một kim nam châm đặt tại điểm đó. Đường sức từ biểu diễn được mật độ của từ trường: đường sức từ càng dày thì độ lớn của từ trường càng lớn và ngược lại.

Đường sức từ của một nam châm thẳng

Đặc điểm của đường sức từ

Đường sức từ có hai đặc điểm chính sau:

- Về chiều: Các đường sức từ có chiều nhất định, đi từ cực bắc sang cực nam của nam châm. 

- Về mật độ: Càng gần nam châm, đường sức từ càng dày đặc, nghĩa là từ trường càng mạnh. Mật độ đường sức từ được xác định bằng số đường sức từ đi qua một đơn vị diện tích.

Tính chất của đường sức từ

- Qua mỗi điểm trong không gian chỉ có thể vẽ được một đường sức từ. Điều này có nghĩa là ở một điểm trong không gian, chỉ có thể tồn tại một từ trường có một hướng nhất định.

- Các đường sức từ là những đường cong khép kín hoặc là vô hạn ở cả hai đầu. Các đường sức từ không có điểm đầu, điểm cuối mà chúng xuất phát từ một cực của nam châm và đi vào cực còn lại.

- Các đường sức từ không giao nhau ở bất kỳ điểm nào vì từ trường là một trường vectơ, có phương, chiều và độ lớn. Nếu các đường sức từ giao nhau thì sẽ có hai phương từ trường tại một điểm, điều này là không thể.

- Mật độ đường sức từ càng lớn thì từ trường càng mạnh. Mật độ đường sức từ và cường độ từ trường có mối quan hệ tỉ lệ thuận với nhau. Ở những nơi từ trường mạnh, các đường sức từ sẽ dày đặc hơn, mật độ đường sức từ sẽ lớn hơn.

- Chiều của các đường sức từ sẽ tuân theo quy tắc xác định: quy tắc nắm tay phải và quy tắc vào nam ra bắc.

Cách xác định chiều đường sức từ

Để xác định chiều của đường sức từ, ta có thể áp dụng các phương pháp sau đây:

- Sử dụng quy tắc nắm tay phải: Đặt bàn tay phải sao cho các ngón tay nắm theo chiều dòng điện chạy qua dây dẫn, ngón cái hướng theo chiều từ trường. Lúc này, các đường sức từ sẽ đi theo đường cong mà lòng bàn tay bao quanh. Đây là cách xác định chiều đường sức từ thông dụng nhất.

Trong quy tắc nắm tay phải, ngón cái choãi ra chỉ chiều của từ trường. Khi các ngón tay nắm theo chiều dòng điện chạy qua dây dẫn, thì chiều của lực tác dụng lên các vật mang điện dương là chiều của ngón cái. Điều này có nghĩa là chiều của đường sức từ là chiều của lực tác dụng lên các vật mang điện dương.

- Sử dụng quy tắc bàn tay trái: Đặt bàn tay trái sao cho lòng bàn tay hướng theo chiều từ trường, các ngón tay hướng theo chiều dòng điện chạy qua dây dẫn. Lúc này, chiều của lực điện từ tác dụng lên dây dẫn sẽ đi theo chiều ngón cái. Cách này thường được sử dụng trong các bài toán liên quan đến lực điện từ.

Trong quy tắc bàn tay trái, chiều của ngón cái choãi ra cũng là chiều của từ trường. Khi các ngón tay nắm theo chiều dòng điện chạy qua dây dẫn, thì chiều của lực tác dụng lên các vật mang điện dương là chiều của ngón cái. Điều này cũng có nghĩa là chiều của đường sức từ là chiều của lực tác dụng lên các vật mang điện dương.

=> Cả hai quy tắc này đều dựa trên nguyên lý tương tác giữa điện và từ. Theo nguyên lý này, khi dòng điện chạy qua dây dẫn, sẽ tạo ra từ trường. Từ trường này có tác dụng lực lên các vật mang điện.

Cách xác định chiều của đường sức từ

- Ngoài ra, ta cũng có thể sử dụng quy tắc vào nam ra bắc: Đặt kim nam châm lên mặt phẳng chứa đường sức từ, kim nam châm sẽ quay sao cho hướng Bắc - Nam của kim nam châm trùng với chiều của đường sức từ.

Ví dụ:

- Ở nam châm, đường sức từ có chiều đi từ cực bắc sang cực nam.

- Ở dòng điện thẳng, đường sức từ có chiều xoắn ốc quanh dòng điện, hướng từ trên xuống dưới nếu dòng điện chạy theo chiều từ trái sang phải, ngược lại nếu dòng điện chạy theo chiều từ phải sang trái.

- Đối với ống dây có dòng điện chạy qua, đường sức từ của ống dây là những đường cong song song, có chiều đi từ trong ra ngoài ống dây.

Đường sức từ của dòng điện thẳng và dòng điện tròn

Ứng dụng đường sức từ trong đời sống

- Trong đời sống hàng ngày:

+ Sạc không dây sử dụng các đường sức từ để truyền năng lượng từ một thiết bị này sang thiết bị khác mà không cần sử dụng dây dẫn. Khi đặt thiết bị cần sạc lên đế sạc, các đường sức từ từ đế sạc sẽ tác dụng lực điện từ lên thiết bị, từ đó làm cho thiết bị được sạc.

+ Động cơ điện: sử dụng các đường sức từ để tạo ra lực điện từ, từ đó làm quay rotor của động cơ điện. Khi dòng điện chạy qua cuộn dây, sẽ tạo ra từ trường. Từ trường này sẽ tương tác với từ trường của nam châm vĩnh cửu, từ đó tạo ra lực điện từ làm cho rotor quay.

+ Loa: sử dụng các đường sức từ để tạo ra âm thanh. Khi dòng điện chạy qua cuộn dây, sẽ tạo ra từ trường. Từ trường này sẽ tương tác với từ trường của nam châm vĩnh cửu, từ đó tạo ra lực điện từ làm cho màng loa rung động. Màng loa rung động sẽ tạo ra âm thanh.

+ Máy phát điện: sử dụng các đường sức từ để tạo ra điện từ năng lượng cơ học. Khi một nam châm vĩnh cửu quay trong cuộn dây, sẽ tạo ra từ trường. Từ trường này sẽ tương tác với từ trường của cuộn dây, từ đó tạo ra dòng điện trong cuộn dây.

+ Chỉ nam: sử dụng kim nam châm để xác định phương Bắc - Nam của Trái Đất. Kim nam châm sẽ quay sao cho hướng Bắc - Nam của kim nam châm trùng với chiều của đường sức từ Trái Đất.

+ Thiết bị bảo vệ: Đường sức từ được sử dụng trong các thiết bị bảo vệ như nam châm điện, rơ le,...

+ Viễn thông: Đường sức từ được sử dụng trong các thiết bị viễn thông như máy phát vô tuyến, máy thu vô tuyến,...

- Trong sản xuất:

+ Sản xuất điện: Đường sức từ được sử dụng trong các máy phát điện để tạo ra dòng điện xoay chiều. Trong máy phát điện, nam châm quay bên trong cuộn dây dẫn. Khi nam châm quay, các đường sức từ của nam châm sẽ cắt qua cuộn dây dẫn, tạo ra dòng điện xoay chiều trong cuộn dây.

+ Sản xuất máy móc: Đường sức từ được sử dụng trong các động cơ điện, máy biến áp,... để chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng cơ học. Trong động cơ điện, cuộn dây dẫn quay bên trong từ trường của nam châm. Khi dòng điện chạy qua cuộn dây dẫn, các đường sức từ của từ trường sẽ tác dụng lên cuộn dây dẫn, tạo ra lực điện từ làm quay cuộn dây dẫn.

- Trong y học, đường sức từ được sử dụng trong các máy chụp MRI, máy chụp CT,... để chẩn đoán và điều trị bệnh. 

Ví dụ: Trong máy chụp MRI, bệnh nhân nằm trong từ trường mạnh. Khi dòng điện chạy qua cơ thể bệnh nhân, các đường sức từ sẽ tác dụng lên các nguyên tử trong cơ thể bệnh nhân, tạo ra tín hiệu điện. Tín hiệu điện này được máy tính xử lý để tạo ra hình ảnh của cơ thể bệnh nhân.

- Trong giao thông vận tải: Đường sức từ được sử dụng trong các tàu điện cao tốc, tàu đệm từ,... để giảm ma sát và tăng tốc độ.

Ví dụ: Trong tàu điện cao tốc, các nam châm được đặt bên dưới đường ray. Khi tàu điện chạy qua, từ trường của các nam châm sẽ tác dụng lên tàu điện, tạo ra lực đẩy làm tàu điện chuyển động.

- Trong văn hóa giải trí: Đường sức từ được sử dụng trong các trò chơi điện tử, các thiết bị âm thanh,...

- Trong nông nghiệp, từ trường được sử dụng để kích thích cây trồng phát triển.

- Trong công nghiệp, từ trường được sử dụng để tách lọc các vật liệu,...