Nam châm là vật có khả năng hút sắt và tương tác với nam châm khác. Từ trường là không gian xung quanh nam châm — nơi ta có thể cảm nhận lực từ. Hãy bắt đầu bằng những quan sát quen thuộc.
Trái Đất là một nam châm khổng lồ
Trong vật lý
Kim nam châm la bàn
Trong đời thường
La bàn chỉ phương Bắc–Nam
Trái Đất có từ trường. Kim nam châm tự do luôn quay về hướng Bắc–Nam vì nó chịu tác dụng của từ trường Trái Đất — đó là cơ sở của la bàn.
Từ trường được biểu diễn bằng đường sức từ. Ở bên ngoài nam châm, các đường sức từ đi ra từ cực Bắc và đi vào cực Nam. Nơi đường sức dày đặc thì từ trường mạnh.
Thí nghiệm tương tác — hãy làm theo từng bước
- 1Đặt nam châm lên mặt phẳng và rắc mạt sắt xung quanh.
- 2Gõ nhẹ tấm phẳng: các mạt sắt sắp xếp thành những đường cong nối hai cực.
- 3Quan sát: đường sức từ tập trung dày nhất ở hai cực — đó là nơi từ trường mạnh nhất.
- 4Đổi cực của nam châm và nhận xét hướng các đường sức từ.
Từ trường của nam châm thẳng
- Cực Bắc (N)
- Cực Nam (S)
- Đường sức từ (N → S)
- Cực Bắc
- Đỏ (N)
- Cực Nam
- Xanh (S)
- Chiều đường sức (ngoài)
- N → S
Kéo thanh trượt để thấy từ trường mạnh lên thì các đường sức lan xa hơn. Hai cực cùng tên đẩy nhau, khác tên hút nhau.
Hai cực khác tên
- Hút nhau mạnh
- Đường sức từ nối liền hai cực
Hai cực cùng tên
- Đẩy nhau
- Đường sức từ "đẩy" ra và uốn cong lên
Suy nghĩ một chút
Vì sao một kim nam châm nhỏ treo tự do luôn nằm theo hướng Bắc–Nam?
Từ trường quanh em
Từ trường có mặt ở khắp nơi, từ chiếc la bàn đến cánh cửa tủ lạnh.
La bàn chỉ hướng Bắc–Nam
Kim nam châm trong la bàn đặt tự do sẽ quay đến khi trục của nó trùng với từ trường Trái Đất. Vì từ trường Trái Đất hướng theo Bắc–Nam, kim luôn chỉ hai hướng đó — giúp ta định hướng khi đi rừng, đi biển.
Lý thuyết của bài: Kim nam châm định hướng theo từ trường ngoài.
Nam châm hút đinh sắt, kẹp giấy nhưng không hút đồng, nhôm
Nam châm chỉ hút mạnh các vật liệu từ (sắt, thép, coban, niken). Đồng và nhôm không phải vật liệu từ nên hầu như không bị hút. Đó là lí do nam châm gắn trên tủ lạnh hút được cửa sắt mà không hút vỏ nhựa.
Lý thuyết của bài: Lực từ chỉ tác dụng lên vật liệu từ.
Cánh cửa tủ lạnh tự đóng khít
Gioăng cửa tủ lạnh có gắn dải nam châm (hoặc vật liệu từ). Cửa sắt của tủ bị nam châm hút nên tự khép kín, giữ hơi lạnh không thoát ra ngoài. Đây là ứng dụng trực tiếp của lực hút giữa nam châm và sắt.
Lý thuyết của bài: Nam châm hút sắt tạo lực giữ cửa.
Hai nam châm bị đẩy/hút tùy theo cực đối diện
Khi đặt hai nam châm lại gần, cực cùng tên đẩy nhau, khác tên hút nhau. Vì vậy nếu đặt sai chiều, hai nam châm "cự lại" không dính được — đó là quy tắc tương tác giữa hai cực từ.
Lý thuyết của bài: Cùng cực đẩy, khác cực hút.
Từ phổ quan sát bằng mạt sắt
Rắc mạt sắt quanh nam châm, các hạt sắt bị từ hoá và sắp xếp theo đường sức từ, hiện ra hình "từ phổ". Nơi đường sức dày (gần hai cực) thì từ trường mạnh, mạt sắt bám đậm hơn.
Lý thuyết của bài: Đường sức từ càng dày thì từ trường càng mạnh.
Vì sao các đường sức từ luôn khép kín và có quy ước chiều như vậy?
Trực giác:Từ trường là "lực từ nhìn thấy được". Ta không thể quan sát trực tiếp nó, nên dùng đường sức từ làm công cụ mô tả: vẽ những đường để thấy chỗ nào mạnh, chỗ nào yếu và hướng của lực.
- 1Đặt một kim nam châm thử nhỏ ở nhiều điểm quanh nam châm. Ở mỗi điểm, kim chỉ một hướng xác định — hướng của từ trường tại đó.
- 2Nối các kim nhỏ lại theo hướng chúng chỉ, ta được các đường cong — gọi là đường sức từ. Mỗi điểm chỉ có một hướng, nên đường sức không cắt nhau.
- 3Quan sát sự sắp xếp của mạt sắt cho thấy các đường này đi ra từ cực Bắc và đi vào cực Nam (bên ngoài nam châm) — đó là quy ước chiều.
- 4Vì nam châm không thể có một cực riêng lẻ, đường sức không có điểm bắt đầu hay kết thúc: chúng liên tục, khép kín (bên trong nam châm chạy từ Nam sang Bắc).
- 5Nơi nào mật độ đường sức dày hơn thì nhiều kim bị ảnh hưởng hơn, nghĩa là từ trường mạnh hơn — cho ta cách đọc độ mạnh của từ trường.
Ý nghĩa: Đường sức từ là cách "vẽ" từ trường: chiều ra Bắc vào Nam ở bên ngoài, khép kín toàn phần, không cắt nhau, và dày đặc nơi từ trường mạnh. Đây là công cụ trực quan hóa cho mọi bài về từ trường.