Cảm ứng từ là đại lượng vật lý đặc trưng cho độ mạnh yếu của từ trường tại một điểm trong không gian. Cảm ứng từ có thể được tạo ra bởi các nguồn từ như nam châm, dòng điện, hay các vật chất từ tính. Cảm ứng từ có ảnh hưởng đến các vật mang điện tích hay dòng điện, gây ra các hiện tượng như lực từ, suất điện động cảm ứng, hay hiệu ứng Hall.
Trong bài viết này, hãy cùng Thuonghieuviet tìm hiểu về cách xác định cảm ứng từ trong các trường hợp khác nhau, cũng như một số ứng dụng của hiện tượng cảm ứng từ trong thực tế.
Định nghĩa và đơn vị của cảm ứng từ
Theo định nghĩa, cảm ứng từ tại một điểm trong không gian là thương số giữa lực từ tác dụng lên một đoạn dây dẫn mang dòng điện vuông góc với đường cảm ứng từ tại điểm đó và tích của cường độ dòng điện và chiều dài đoạn dây dẫn. Công thức tính cảm ứng từ là:
Trong đó:
- B là cảm ứng từ, đơn vị là tesla (T).
- F là lực từ, đơn vị là newton (N).
- I là cường độ dòng điện, đơn vị là ampe (A).
- l là chiều dài đoạn dây dẫn, đơn vị là mét (m).
Có thể hiểu rằng, cảm ứng từ cho biết lực tác dụng lên mỗi mét của một dây dẫn mang một ampe dòng điện. Cảm ứng từ có thể được biểu diễn bởi các vectơ có phương song song với hướng của lực từ và có độ lớn bằng giá trị của cảm ứng từ. Các vectơ này được gọi là các vectơ cảm ứng từ.
Cách xác định cảm ứng từ do nam châm tạo ra
Nam châm là một nguồn từ quan trọng trong tự nhiên. Nam châm có hai cực: cực bắc và cực nam. Các nam châm có tính chất thu hút và đẩy lẫn nhau: các cực giống nhau sẽ đẩy nhau, các cực khác nhau sẽ thu hút nhau. Nam châm tạo ra một trường từ xung quanh mình, được gọi là trường nam châm. Trường nam châm có thể được biểu diễn bởi các đường sức từ, là các đường cong liên tục không giao nhau, có hướng từ cực bắc ra cực nam của nam châm. Các vectơ cảm ứng từ sẽ song song và tiếp tuyến với các đường sức từ.
Để xác định cảm ứng từ do nam châm tạo ra, ta có thể sử dụng một số công thức sau:
- Nếu nam châm có hình trụ hoặc hình tròn xoay, ta có công thức:
Trong đó:
- B là cảm ứng từ tại một điểm cách nam châm một khoảng r, đơn vị là tesla (T).
- μ0 là độ thấm từ của chân không, bằng 4π×10−7 henry trên mét (H/m).
- M là từ lượng của nam châm, đơn vị là ampe mét (A.m).
- Nếu nam châm có hình thanh, ta có công thức:
Trong đó:
- B là cảm ứng từ tại một điểm cách nam châm một khoảng z theo phương trục của nam châm, đơn vị là tesla (T).
- μ0 là độ thấm từ của chân không, bằng 4π×10−7 henry trên mét (H/m).
- M là từ lượng của nam châm, đơn vị là ampe mét (A.m).
- R là bán kính của nam châm, đơn vị là mét (m).
Cách xác định cảm ứng từ do dòng điện tạo ra
Dòng điện là sự chuyển động có hướng của các điện tích trong một môi trường dẫn điện. Dòng điện có thể được tạo ra bởi các nguồn điện như pin, acquy, hay máy phát điện. Dòng điện cũng tạo ra một trường từ xung quanh mình, được gọi là trường dòng điện. Trường dòng điện cũng có thể được biểu diễn bởi các đường sức từ và các vectơ cảm ứng từ.
Để xác định cảm ứng từ do dòng điện tạo ra, ta có thể sử dụng một số công thức sau:
- Nếu dòng điện chạy trong một dây dẫn thẳng dài, ta có công thức:
Trong đó:
- B là cảm ứng từ tại một điểm cách dây dẫn một khoảng r theo phương vuông góc với dây dẫn, đơn vị là tesla (T).
- μ0 là độ thấm từ của chân không, bằng 4π×10−7 henry trên mét (H/m).
- I là cường độ dòng điện trong dây dẫn, đơn vị là ampe (A).
- Nếu dòng điện chạy trong một khung dây hình tròn hoặc hình elip, ta có công thức:
Trong đó:
- B là cảm ứng từ tại tâm của khung dây, đơn vị là tesla (T).
- μ0 là độ thấm từ của chân không, bằng 4π×10−7 henry trên mét (H/m).
- N là số vòng dây của khung dây, không có đơn vị.
- I là cường độ dòng điện trong khung dây, đơn vị là ampe (A).
- R là bán kính của khung dây hình tròn hoặc bán trục lớn của khung dây hình elip, đơn vị là mét (m).
- Nếu dòng điện chạy trong một ống dây hình trụ hoặc hình elip, ta có công thức:
Cách xác định cảm ứng từ do vật chất từ tính tạo ra
Vật chất từ tính là những vật chất có khả năng phản ứng với trường từ, tức là có thể bị thu hút hay đẩy bởi nam châm. Có ba loại vật chất từ tính chính: từ tính, cận từ tính và dị từ tính. Mỗi loại vật chất có một đặc tính riêng về cách xác định cảm ứng từ do chúng tạo ra.
- Vật chất từ tính là những vật chất có thể trở thành nam châm khi bị tác động bởi trường từ.
Ví dụ như sắt, niken, coban, hay các hợp kim của chúng. Vật chất từ tính có thể được biểu diễn bởi các nguyên tử hoặc các miền từ, là những vùng nhỏ trong vật chất có các điện tử xoay quanh nhân theo cùng một hướng, tạo ra một từ lượng riêng. Khi không có trường từ bên ngoài, các miền từ của vật chất từ tính sắp xếp ngẫu nhiên, làm cho tổng từ lượng của vật chất bằng không. Khi có trường từ bên ngoài, các miền từ sẽ xoay theo hướng của trường từ, làm cho tổng từ lượng của vật chất khác không. Do đó, vật chất từ tính sẽ tạo ra một trường từ riêng, gọi là trường từ nội. Trường này sẽ cộng hưởng với trường từ bên ngoài, làm cho cảm ứng từ trong vật chất tăng lên.
- Vật chất cận từ tính là những vật chất có thể bị thu hút yếu bởi nam châm khi bị tác động bởi trường từ.
Ví dụ như nhôm, magie, platin, hay oxy. Vật chất cận từ tính không có miền từ riêng, mà chỉ có các điện tử xoay quanh nhân theo các hướng khác nhau. Khi không có trường từ bên ngoài, các điện tử này sẽ hủy nhau, làm cho tổng từ lượng của vật chất bằng không. Khi có trường từ bên ngoài, các điện tử này sẽ xoay theo hướng ngược lại với trường từ, làm cho tổng từ lượng của vật chất khác không. Do đó, vật chất cận từ tính sẽ tạo ra một trường từ riêng, gọi là trường phản ứng. Trường này sẽ ngược hướng với trường từ bên ngoài, làm cho cảm ứng từ trong vật chất giảm đi.
Một số ứng dụng của hiện tượng cảm ứng từ trong thực tế
Hiện tượng cảm ứng từ có nhiều ứng dụng trong thực tế, trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Dưới đây là một số ví dụ:
- Trong công nghiệp, cảm ứng từ được sử dụng để sản xuất điện năng bằng cách sử dụng các máy phát điện.
Máy phát điện là thiết bị chuyển đổi năng lượng cơ học thành năng lượng điện bằng cách sử dụng nguyên lý suất điện động cảm ứng. Suất điện động cảm ứng là hiện tượng xuất hiện một điện áp trong một dây dẫn khi dây dẫn chuyển động trong một trường từ. Máy phát điện thường sử dụng một nam châm để tạo ra trường từ và một cuộn dây để tạo ra suất điện động cảm ứng. Khi nam châm hoặc cuộn dây quay, suất điện động cảm ứng sẽ thay đổi theo chu kỳ, tạo ra một dòng điện xoay chiều.
- Trong y học, cảm ứng từ được sử dụng để chẩn đoán và điều trị các bệnh lý liên quan đến não bộ bằng cách sử dụng kỹ thuật từ khuếch đại não (Magnetic Resonance Imaging – MRI) và kích thích từ qua da (Transcranial Magnetic Stimulation – TMS).
MRI là kỹ thuật sử dụng trường từ để tạo ra hình ảnh chi tiết của các mô và cơ quan trong cơ thể. MRI hoạt động dựa trên nguyên lý rằng các nguyên tử hydro trong nước và các chất hữu cơ có moment từ riêng. Khi bị tác động bởi một trường từ mạnh, các nguyên tử hydro sẽ căn chỉnh theo hướng của trường từ. Khi bị kích thích bởi một xung sóng vô tuyến, các nguyên tử hydro sẽ chuyển sang một trạng thái kích thích cao hơn và phát ra sóng vô tuyến khi quay trở lại trạng thái ban đầu. Sóng vô tuyến này sẽ được thu nhận bởi một máy thu và xử lý thành hình ảnh. MRI có thể phân biệt được các loại mô khác nhau trong cơ thể do chúng có tỷ lệ hydro khác nhau.
TMS là kỹ thuật sử dụng trường từ để kích thích hoặc ức chế hoạt động của các tế bào thần kinh trong não bộ. TMS hoạt động dựa trên nguyên lý rằng khi một trường từ thay đổi nhanh chóng, nó sẽ tạo ra một suất điện động cảm ứng trong một vùng không gian. Suất điện động này có thể gây ra một dòng điện trong não bộ, làm cho các tế bào thần kinh phóng thích các chất truyền dẫn thần kinh. TMS có thể được sử dụng để nghiên cứu chức năng của các vùng não khác nhau, hay để điều trị các bệnh như trầm cảm, Parkinson, hay đau nửa đầu.
- Trong giáo dục, cảm ứng từ được sử dụng để minh họa và giải thích các hiện tượng vật lý liên quan đến từ trường và dòng điện. Có nhiều thiết bị và thí nghiệm đơn giản có thể được sử dụng để mô phỏng và đo lường cảm ứng từ, như la bàn, nam châm, dây dẫn, ampe kế, volt kế, hay nam châm kim loại. Các thiết bị và thí nghiệm này giúp cho học sinh có thể quan sát và hiểu được các nguyên lý cơ bản của cảm ứng từ, như hướng và độ lớn của cảm ứng từ do nam châm hay dòng điện tạo ra, hay ảnh hưởng của cảm ứng từ lên các vật chất từ tính hay các vật mang điện tích hay dòng điện.
- Trong nghệ thuật, cảm ứng từ được sử dụng để tạo ra các tác phẩm nghệ thuật có tính sáng tạo và độc đáo bằng cách sử dụng các vật liệu từ tính hay các thiết bị phát ra trường từ. Có nhiều nghệ sĩ đã sử dụng cảm ứng từ để tạo ra các tác phẩm nghệ thuật độc đáo, như Sachiko Kodama, một nghệ sĩ Nhật Bản, đã sử dụng một loại chất lỏng từ tính gọi là ferrofluid để tạo ra các hình dạng động và biến đổi theo trường từ, hay Bruce Shapiro, một nghệ sĩ Mỹ, đã sử dụng một máy điều khiển bằng máy tính để di chuyển một nam châm dưới một lớp cát để tạo ra các họa tiết đẹp mắt.
Kết luận
Cảm ứng từ là đại lượng vật lý đặc trưng cho độ mạnh yếu của từ trường tại một điểm trong không gian. Hiểu biết về cảm ứng từ giúp cho chúng ta có thể khám phá và tận dụng được những khả năng tiềm ẩn của trường từ trong cuộc sống.
Thuonghieuviet hi vọng bài viết này hữu ích với bạn và giúp bạn biết Cách Xác Định Cảm Ứng Từ!