Từ trường là vùng không gian quanh nam châm hoặc quanh dòng điện, nơi một kim nam châm hay một dây dẫn có dòng điện đặt vào sẽ chịu tác dụng của lực từ. Nam châm vĩnh cửu và dòng điện đều tạo ra từ trường, và chính việc phát hiện ra điều thứ hai đã nối điện học với từ học thành một môn.
Bài này đi qua nam châm và hai cực, đường sức từ, từ trường Trái Đất, thí nghiệm Ơ-xtét, quy tắc nắm tay phải cho dây thẳng và ống dây, cách tính cảm ứng từ ở mức phổ thông, nam châm điện trong đời sống, rồi những chỗ hiểu sai và cách dùng AI để luyện. Học sinh gặp phần này từ cấp trung học cơ sở với nam châm và la bàn, rồi học lại sâu hơn ở lớp 12 theo chương trình giáo dục phổ thông 2018.
Nam châm, hai cực và những vật bị hút
Mỗi nam châm có hai cực: cực Bắc, thường ký hiệu N và hay sơn màu đỏ, và cực Nam, ký hiệu S. Treo một thanh nam châm tự do theo phương ngang, cực Bắc của nó quay về phía bắc địa lý. Hai cực cùng tên đẩy nhau, khác tên hút nhau, giống như điện tích nhưng có một điểm khác căn bản: không thể tách riêng một cực. Bẻ đôi một thanh nam châm, bạn được hai nam châm nhỏ, mỗi cái đều có đủ cực Bắc và cực Nam.
Nam châm hút mạnh sắt, thép, niken, coban và một số hợp kim của chúng, gọi chung là vật liệu sắt từ. Nhôm, đồng, nhựa, gỗ, giấy gần như không bị hút. Đây là thí nghiệm an toàn dễ làm nhất của phần từ học: dùng nam châm tủ lạnh thử với thìa inox, đồng xu, giấy bạc, nắp chai. Một số loại inox không bị hút, một số bị hút yếu, vì thành phần hợp kim khác nhau. Kết quả này là câu hỏi hay để mang đi hỏi AI và đối chiếu.
Lưu ý an toàn: nam châm đất hiếm loại nhỏ mà mạnh có thể kẹp đau ngón tay, và rất nguy hiểm nếu trẻ nhỏ nuốt phải từ hai viên trở lên vì chúng hút nhau xuyên qua thành ruột. Cất nam châm mạnh xa tầm tay trẻ nhỏ, xa thẻ từ, đồng hồ cơ và người có thiết bị y tế cấy trong người.
Đường sức từ và từ trường Trái Đất
Rắc mạt sắt lên tấm bìa đặt trên thanh nam châm rồi gõ nhẹ, mạt sắt xếp thành những đường cong đi từ cực này sang cực kia. Đó là hình ảnh của đường sức từ. Quy ước: bên ngoài nam châm, đường sức từ đi ra từ cực Bắc và đi vào cực Nam; bên trong nam châm, chúng đi từ cực Nam sang cực Bắc, khép kín thành vòng. Chỗ đường sức dày là chỗ từ trường mạnh, thường là gần hai cực. Tại mỗi điểm, kim nam châm nhỏ nằm dọc theo đường sức, cực Bắc của kim chỉ theo chiều đường sức.
Trái Đất cũng là một nam châm khổng lồ. Kim la bàn chỉ hướng bắc vì cực Bắc của kim bị hút về một cực từ nằm gần cực bắc địa lý. Vì cực khác tên mới hút nhau, cực từ đó thực chất là một cực Nam của "nam châm Trái Đất". Chi tiết này hay bị đặt thành câu hỏi đánh đố. Cực từ của Trái Đất cũng không trùng khít với cực địa lý và dịch chuyển dần theo thời gian, nên bản đồ dẫn đường chuyên nghiệp có hiệu chỉnh độ lệch từ.
Một điều thú vị để thảo luận: từ trường Trái Đất yếu, cỡ vài chục microtesla ở bề mặt, nhưng đủ để định hướng kim la bàn nhẹ. Bạn sẽ thấy ở phần sau rằng một dây dẫn có dòng điện vài ampe, đặt gần la bàn, cũng tạo ra từ trường cùng bậc độ lớn và làm kim lệch rõ.
Thí nghiệm Ơ-xtét và quy tắc nắm tay phải
Dòng điện sinh ra từ trường. Năm 1820, nhà vật lý Đan Mạch Hans Christian Ørsted (sách tiếng Việt viết Ơ-xtét) nhận thấy kim la bàn đặt gần dây dẫn bị lệch khi có dòng điện chạy qua. Đó là bằng chứng đầu tiên cho thấy điện và từ liên quan với nhau. Ngày nay bạn có thể xem lại thí nghiệm này qua video bài giảng hoặc phần mềm mô phỏng, không cần tự nối dây.
Dây dẫn thẳng: đường sức là những vòng tròn. Quanh một dây dẫn thẳng dài có dòng điện, đường sức từ là các vòng tròn đồng tâm nằm trong mặt phẳng vuông góc với dây, tâm nằm trên dây. Càng xa dây từ trường càng yếu.
Quy tắc nắm tay phải cho dây thẳng. Giơ ngón cái tay phải dọc theo dây chỉ chiều dòng điện, nắm các ngón còn lại quanh dây; chiều khum của bốn ngón là chiều đường sức từ.
Ống dây: giống một thanh nam châm. Cuộn dây thành nhiều vòng sát nhau, từ trường trong lòng ống gần như đều và đường sức song song, bên ngoài giống từ trường của nam châm thẳng. Quy tắc nắm tay phải cho ống dây: khum bốn ngón tay phải theo chiều dòng điện chạy trong các vòng dây, ngón cái choãi ra chỉ chiều đường sức từ trong lòng ống, tức là chỉ về cực Bắc của ống dây.
Luyện tay trước khi làm bài. Hai quy tắc dùng cùng một bàn tay nhưng vai trò ngón cái đổi chỗ: với dây thẳng, ngón cái là dòng điện; với ống dây, ngón cái là từ trường. Nhầm hai vai trò này là lỗi phổ biến nhất của phần này.
Cảm ứng từ: tính độ lớn ở mức phổ thông
Độ mạnh yếu của từ trường được đo bằng cảm ứng từ B, đơn vị tesla (T). Một tesla là từ trường rất mạnh; nam châm tủ lạnh ở sát bề mặt chỉ cỡ phần trăm hoặc phần nghìn tesla, còn từ trường Trái Đất cỡ vài chục microtesla.
Trong lòng ống dây dài, cảm ứng từ được tính bằng B = 4π × 10⁻⁷ × n × I, trong đó n là số vòng trên mỗi mét chiều dài ống và I là cường độ dòng điện. Ví dụ: ống dài 0,5 m quấn 500 vòng, tức n = 1000 vòng/m, có dòng 2 A. Ta có B = 4π × 10⁻⁷ × 1000 × 2 = 8π × 10⁻⁴ ≈ 2,51 × 10⁻³ T. Nhân đôi số vòng trên mỗi mét hoặc nhân đôi dòng điện thì B tăng gấp đôi.
Quanh dây dẫn thẳng dài, B = 2 × 10⁻⁷ × I / r với r là khoảng cách tới dây. Dây có dòng 10 A, tại điểm cách 5 cm: B = 2 × 10⁻⁷ × 10 / 0,05 = 4 × 10⁻⁵ T, tức 40 microtesla, cùng bậc với từ trường Trái Đất. Đó là lý do kim la bàn đặt gần dây bị lệch rõ trong thí nghiệm Ơ-xtét. Kiểm đơn vị và số mũ ở dạng bài này rất quan trọng; một lời giải ra B hàng nghìn tesla cho một cuộn dây học sinh là sai chắc. Tuỳ bộ sách, các công thức định lượng này có thể chỉ xuất hiện ở mức giới thiệu hoặc chuyên đề, nên bạn đối chiếu với sách mình đang học.
Nam châm điện trong đời sống: vì sao cần bật tắt được
Đặt một lõi sắt non vào trong ống dây, từ trường mạnh lên nhiều lần; ngắt dòng điện thì sắt non mất từ tính gần như ngay. Đó là nam châm điện. Điểm mạnh của nó so với nam châm vĩnh cửu là bật, tắt và điều chỉnh độ mạnh được bằng dòng điện.
| Ứng dụng | Nam châm điện làm gì | Vì sao không dùng nam châm vĩnh cửu |
|---|---|---|
| Chuông điện kiểu cũ | Hút thanh sắt gõ vào chuông, mạch tự ngắt rồi đóng lại liên tục | Cần hút rồi nhả lặp đi lặp lại |
| Rơ-le | Dòng nhỏ qua cuộn dây hút tiếp điểm, đóng mạch có dòng lớn | Cần điều khiển bằng tín hiệu điện |
| Khoá cửa điện từ | Giữ chặt cánh cửa khi có điện, nhả khi ngắt | Cần mở bằng lệnh từ xa |
| Cần cẩu ở bãi sắt phế liệu | Hút khối sắt thép lớn rồi thả xuống chỗ khác | Cần nhả hàng khi tới nơi |
| Van điện từ trong máy giặt | Kéo lõi sắt mở đường cho nước vào | Cần đóng mở theo chương trình |
Muốn nam châm điện mạnh hơn thì tăng dòng điện, tăng số vòng dây hoặc dùng lõi sắt tốt hơn. Lõi bằng thép thì sau khi ngắt điện vẫn giữ lại một phần từ tính, nên thép dùng làm nam châm vĩnh cửu còn sắt non dùng làm nam châm điện. Đây là câu hỏi lý thuyết rất hay gặp.
Hỏi AI về từ trường: câu lệnh mẫu và chỗ cần kiểm
Phần từ học nhiều quy tắc bàn tay và hình không gian ba chiều, nên chatbot dễ mô tả lẫn chiều. Cách luyện an toàn và hiệu quả:
- "Em đang học quy tắc nắm tay phải. Mô tả bằng chữ một dây dẫn thẳng đứng có dòng điện đi lên, rồi hỏi em đường sức từ quay theo chiều kim đồng hồ hay ngược chiều khi nhìn từ trên xuống. Đừng nói đáp án trước."
- "Ra năm câu đúng sai về nam châm và vật liệu sắt từ, trong đó có ít nhất hai câu đánh lừa về cực từ của Trái Đất."
- "Giải thích vì sao bẻ đôi nam châm không tách được cực Bắc riêng, cho học sinh lớp 7 hiểu, không dùng thuật ngữ quá khó."
- Kiểm chiều: khi AI mô tả chiều đường sức, tự làm lại bằng bàn tay của mình. Nếu kết quả khác, hỏi lại nó từng bước thay vì tin ngay.
- Kiểm số mũ: với bài tính cảm ứng từ, ước độ lớn trước; ống dây học sinh cho kết quả cỡ phần nghìn tesla là hợp lý.
- Thí nghiệm ở nhà chỉ với nam châm, kẹp giấy, la bàn và mạt sắt trong túi kín; phần dòng điện sinh từ trường xem qua mô phỏng hoặc làm ở phòng thí nghiệm có giáo viên.
Khi gõ câu hỏi, mô tả hình bằng chữ có định hướng rõ như "nhìn từ trên xuống", "dòng điện đi từ trái sang phải" sẽ giúp cả bạn lẫn AI tránh hiểu nhầm hơn là gửi ảnh chụp hình vẽ nghiêng trong sách.
Câu hỏi thường gặp
Vì sao kim la bàn luôn chỉ hướng bắc?
Trái Đất có từ trường giống một nam châm lớn. Cực Bắc của kim la bàn bị hút về cực từ nằm gần cực bắc địa lý, mà cực từ đó thực chất là một cực Nam theo quy ước nam châm, vì chỉ cực khác tên mới hút nhau. Kim nhẹ, quay tự do nên nằm dọc đường sức từ.
Đường sức từ bên trong nam châm đi theo chiều nào?
Bên ngoài nam châm, đường sức từ đi ra từ cực Bắc và vào cực Nam. Bên trong nam châm, chúng đi từ cực Nam sang cực Bắc, nên mỗi đường sức là một đường cong khép kín, không có điểm đầu và điểm cuối như đường sức điện.
Quy tắc nắm tay phải cho dây thẳng và cho ống dây khác nhau thế nào?
Với dây thẳng, ngón cái chỉ chiều dòng điện và bốn ngón khum chỉ chiều đường sức. Với ống dây, bốn ngón khum theo chiều dòng điện trong các vòng dây và ngón cái chỉ chiều đường sức trong lòng ống. Vai trò của ngón cái và bốn ngón đổi cho nhau.
Vì sao lõi nam châm điện làm bằng sắt non mà không bằng thép?
Sắt non bị nhiễm từ mạnh khi có dòng điện và mất từ tính gần như ngay khi ngắt điện, nên bật tắt được. Thép sau khi nhiễm từ vẫn giữ lại từ tính, phù hợp làm nam châm vĩnh cửu nhưng không hợp với nam châm điện cần nhả ra.
Nam châm có hút được nhôm và đồng không?
Nam châm hầu như không hút nhôm, đồng, nhựa hay gỗ. Nó hút mạnh sắt, thép, niken, coban và một số hợp kim. Một số loại inox không bị hút hoặc bị hút yếu vì thành phần hợp kim khác nhau, nên thử thực tế bằng nam châm tủ lạnh là cách kiểm nhanh.
Học sinh có thể làm thí nghiệm Ơ-xtét ở nhà không?
Phần dòng điện sinh ra từ trường nên xem qua mô phỏng, video bài giảng hoặc làm ở phòng thí nghiệm có giáo viên, vì nối tắt pin để có dòng lớn làm pin và dây nóng lên. Ở nhà, các thí nghiệm với nam châm, kẹp giấy và la bàn là an toàn và đủ để quan sát từ trường.