Từ trường và đường sức từ

Nam châm có hai cực: cực Bắc (N) và cực Nam (S). Nếu để một thanh nam châm quay tự do, cực Bắc của nó chỉ về phía Bắc địa lí. Hai cực cùng tên đẩy nhau, hai cực khác tên hút nhau. Cắt đôi một nam châm không tách được hai cực: mỗi nửa lại có đủ hai cực.

Nam châm hút sắt, niken, côban và các hợp kim của chúng. Ngoài nam châm, dây dẫn có dòng điện cũng tác dụng lực lên nam châm và lên dây dẫn có dòng điện khác. Thí nghiệm của Ơ-xtét (Oersted): đặt kim nam châm song song với dây dẫn rồi cho dòng điện chạy qua, kim bị lệch; ngắt dòng điện, kim trở về vị trí cũ.

Các lực tác dụng từ xa nói trên được truyền qua từ trường. Từ trường là dạng vật chất tồn tại xung quanh nam châm và xung quanh dòng điện (điện tích chuyển động). Biểu hiện của từ trường: nó tác dụng lực từ lên nam châm hoặc lên dòng điện đặt trong nó.

Muốn biết ở một điểm có từ trường hay không, ta đặt một kim nam châm nhỏ (kim nam châm thử) vào điểm ấy: nếu có lực từ tác dụng thì kim bị lệch khỏi vị trí ban đầu và sẽ nằm yên theo một phương xác định.

Để "nhìn" từ trường, ta vẽ đường sức từ: đường mà tiếp tuyến tại mỗi điểm trùng với hướng của từ trường tại điểm đó; chiều của đường là hướng từ trường. Đặt kim nam châm thử tại một điểm của đường sức, kim nằm dọc theo tiếp tuyến, cực Bắc chỉ theo chiều đường sức.

Tính chất của đường sức từ:

• Qua mỗi điểm chỉ vẽ được một đường sức; các đường sức không cắt nhau.
• Đường sức từ là những đường cong khép kín (không có điểm đầu, điểm cuối).
• Bên ngoài nam châm, đường sức đi ra từ cực Bắc, vào cực Nam; bên trong nam châm đường sức đi từ cực Nam sang cực Bắc để khép kín.
• Nơi từ trường mạnh thì đường sức dày, nơi từ trường yếu thì thưa.

Rắc mạt sắt lên tấm bìa đặt trên nam châm rồi gõ nhẹ: mỗi hạt mạt sắt bị nhiễm từ thành một kim nam châm nhỏ nên tự xếp dọc theo hướng từ trường. Hình ảnh các đường mạt sắt gọi là từ phổ. Từ phổ cho thấy hình dạng của đường sức từ và độ dày thưa của chúng, nhưng không cho biết chiều; muốn biết chiều, đặt kim nam châm thử vào.

Từ trường mà hướng và độ mạnh như nhau tại mọi điểm gọi là từ trường đều: đường sức là những đường thẳng song song, cách đều nhau. Từ trường đều gần đúng ở khoảng giữa hai cực của nam châm hình chữ U, hoặc bên trong ống dây dài (bài sau). Ở gần hai đầu của nam châm thẳng, từ trường không đều: đường sức cong và dày hơn gần cực.

Kim la bàn luôn chỉ gần đúng hướng Bắc – Nam vì Trái Đất là một nam châm khổng lồ. Từ cực của Trái Đất gần cực địa lí nhưng không trùng: cực từ gần cực Bắc địa lí lại là cực Nam từ của Trái Đất, nên nó hút cực Bắc của kim la bàn. Từ trường Trái Đất yếu, cỡ $5\cdot10^{-5}\,\text{T}$ (bài 4 sẽ nói rõ đơn vị).