Từ Trường Từ Dòng Điện
Một điện tích chuyển động tạo ra một từ trường xung quanh nó, vậy nên bất kỳ dây dẫn nào mang dòng điện đều được bao quanh bởi các đường sức từ hình tròn. Nếu bạn uốn dây đó thành một cuộn, các đường sức từ mỗi vòng cộng lại bên trong tạo thành một từ trường mạnh, đồng nhất chạy dọc chiều dài cuộn dây. Thêm nhiều vòng dây hơn, hoặc đẩy nhiều dòng điện hơn qua nó, từ trường bên trong sẽ mạnh hơn.
Công thức
B = μ₀ · N · I / L
- B — từ trường (T): độ mạnh của từ trường bên trong cuộn dây
- μ₀ — độ từ thẩm chân không (T·m/A): một hằng số cố định xác định một dòng điện tạo ra từ trường mạnh đến mức nào
- N — số vòng dây (turns): có bao nhiêu vòng dây tạo thành cuộn dây
- I — dòng điện (A): bao nhiêu điện tích chảy qua dây mỗi giây
- L — chiều dài (m): chiều dài của cuộn dây mà các vòng được cuộn quanh
Ví dụ đã giải
Một cuộn dây (solenoid) có 500 vòng dây cuộn quanh chiều dài 0,5 mét, mang dòng điện 2 ampe. Độ mạnh từ trường bên trong là bao nhiêu?
- N = 500 vòng
- I = 2 A
- L = 0.5 m
- B = μ₀ · N · I / L
- B = (4π × 10⁻⁷ T·m/A) · 500 · 2 A / 0.5 m
B = 8π × 10⁻⁴ T
Tự kiểm tra
Solenoid giờ có 1000 vòng thay vì 500, với cùng dòng điện và chiều dài. Từ trường bên trong sẽ thế nào?
- Đáp án đúng: Tăng gấp đôi thành 16π × 10⁻⁴ T
- Giảm còn một nửa, 4π × 10⁻⁴ T
- Không đổi ở 8π × 10⁻⁴ T
Đúng! B tỉ lệ với N, nên tăng gấp đôi số vòng tăng gấp đôi từ trường: 4π×10⁻⁷ × 1000 × 2 A / 0.5 m = 16π × 10⁻⁴ T.
Xung quanh một dây thẳng đơn mang dòng điện, không có cuộn dây liên quan, các đường sức từ tạo thành hình dạng gì?
- Một từ trường đồng nhất như bên trong cuộn dây
- Các đường thẳng chạy dọc theo dây
- Đáp án đúng: Các vòng tròn bao quanh dây
Chính xác — một dây thẳng mang dòng điện được bao quanh bởi các vòng từ trường hình tròn, theo quy tắc bàn tay phải.
Bạn thấy điều này ở đâu
Cần cẩu ở bãi phế liệu thả xuống một cuộn dây, bật dòng điện, và nhấc bổng một chiếc xe — tắt dòng điện và chiếc xe rơi xuống. Không có dòng điện thì không có từ tính, có từ tính trọn vẹn bất cứ khi nào cần: chuông cửa, máy quét MRI, và cần cẩu bãi phế liệu đều là cùng một thiết bị, một cuộn solenoid mà từ trường của nó được bạn điều khiển bằng một công tắc.
Những sai lầm phổ biến
Thứ nhất, hình dạng của từ trường: quanh một sợi dây thẳng, các đường sức từ tạo thành những vòng tròn quấn quanh dây — không phải đường thẳng, không phải từ trường đồng nhất; từ trường đồng nhất mạnh chỉ xuất hiện bên trong một cuộn dây. Thứ hai, quy luật tỉ lệ: B = μ₀ · N · I / L tăng theo số vòng và dòng điện, nên tăng từ 500 lên 1000 vòng ở cùng dòng điện làm từ trường bên trong tăng đúng gấp đôi. Dòng điện mới là thứ tạo ra từ trường — lõi sắt chỉ tập trung nó lại mà thôi.
Nó liên kết như thế nào
Đây là bước ngoặt từ điện sang từ của chương điện từ học: định luật Coulomb và điện dung nói về các điện tích đứng yên, còn ở đây điện tích chuyển động — dòng điện — khuấy lên một từ trường quanh chính nó. Lực Lorentz, bài tiếp theo, khép kín vòng lặp: những từ trường đó đẩy lại bất kỳ điện tích chuyển động nào khác đi ngang qua.