27.1 Từ tính

Ít nhất 2.500 năm trước, người ta đã nhận thấy những mảnh quặng sắt bị từ hóa gần thành Magnesia, nay là Manisa ở miền tây Thổ Nhĩ Kỳ. Các mảnh ấy là nam châm vĩnh cửu. Nam châm vĩnh cửu tác dụng lực lên nhau và lên những vật bằng sắt chưa bị từ hóa. Một thanh sắt chạm vào nam châm tự nhiên cũng có thể bị từ hóa. Khi được đặt nổi trên nước hoặc treo tự do tại trung điểm, thanh sắt ấy thường nằm theo hướng bắc–nam. Kim la bàn thông thường cũng là một mẩu sắt đã bị từ hóa.

Khi một thanh nam châm được tự do quay, một đầu hướng về phía bắc. Đầu ấy gọi là cực bắc, kí hiệu N, đầu kia là cực nam, kí hiệu S. Hai cực khác tên hút nhau, còn hai cực cùng tên đẩy nhau.

Hai thanh nam châm hút nhau khi hai cực khác tên đối diện và đẩy nhau khi hai cực cùng tên đối diện

Chú thích:

• (a) Hai cực khác tên hút nhau. ((a) Opposite poles attract.)
• (b) Hai cực cùng tên đẩy nhau. ((b) Like poles repel.)

Hình 27.1: Hai cực khác tên hút nhau, còn hai cực cùng tên đẩy nhau.

Một vật có chứa sắt nhưng chưa bị từ hóa sẽ bị hút về phía cả cực N lẫn cực S của nam châm. Cánh cửa thép của tủ lạnh là một ví dụ quen thuộc. Ta mô tả tương tác bằng cách nói rằng nam châm tạo ra trong không gian xung quanh, rồi vật thứ hai phản ứng với từ trường đó. Kim la bàn có xu hướng định hướng theo từ trường tại vị trí của nó.

Nam châm hút một vật chứa sắt dù vật đó chưa bị từ hóa

Hình 27.2: Cả hai cực của nam châm thanh đều hút vật chứa sắt chưa bị từ hóa, chẳng hạn chiếc đinh.

Trái Đất cũng là một nam châm. Cực địa lí bắc nằm gần cực từ nam của Trái Đất, vì vậy cực N của kim la bàn hướng về phía bắc địa lí. Trục từ của Trái Đất không song song hoàn toàn với trục địa lí, tức trục quay. Độ lệch giữa hướng kim la bàn và hướng bắc địa lí thay đổi theo vị trí, được gọi là độ từ thiên. Tại phần lớn bề mặt Trái Đất, còn nghiêng lên hoặc xuống so với phương ngang. Góc nghiêng ấy gọi là độ từ khuynh. Ở các cực từ, từ trường thẳng đứng.

Các đường sức từ của Trái Đất có dạng gần giống từ trường của một nam châm thanh

Chú thích:

• Cực địa lý Bắc (trục quay của Trái Đất). (North geographic pole (earth’s rotation axis))
• Cực địa từ Bắc thực ra là cực Nam từ, nên hút cực Bắc của kim la bàn. (The geomagnetic north pole is actually a magnetic south (S) pole—it attracts the N pole of a compass.)
• Kim la bàn. (Compass)
• Đường sức từ cho biết hướng mà kim la bàn sẽ chỉ tại mỗi vị trí. (Magnetic field lines show the direction a compass would point at a given location.)
• Từ trường Trái Đất có dạng tương tự từ trường của một nam châm thanh, dù thực chất do các dòng điện trong lõi tạo ra. (The earth’s magnetic field has a shape similar to that produced by a simple bar magnet (although actually it is caused by electric currents in the core).)
• Trục từ của Trái Đất lệch khỏi trục địa lý. (The earth’s magnetic axis is offset from its geographic axis.)
• Cực địa lý Nam. (South geographic pole)
• Cực địa từ Nam thực ra là cực Bắc từ. (The geomagnetic south pole is actually a magnetic north (N) pole.)

Hình 27.3: Trục từ lệch khỏi trục quay của Trái Đất, còn các đường sức biểu diễn hướng mà kim la bàn chỉ tại mỗi vị trí. do trong lõi nóng chảy tạo ra và có thể đảo chiều hoàn toàn theo những khoảng thời gian không đều, vào cỡ ${10}^4$ đến ${10}^6$ năm.

Các đường trong Hình 27.3 là . Chúng chỉ hướng mà kim la bàn sẽ quay tới. Ta cũng có thể xác định hướng của tại một điểm bằng hướng lực mà từ trường tác dụng lên cực bắc của kim la bàn đặt tại điểm đó. Mục 27.2 sẽ đưa ra cách định nghĩa có tính cơ bản hơn cho cả hướng lẫn độ lớn của từ trường.

Cực từ và điện tích

Khái niệm cực từ thoạt nhìn giống khái niệm : Cực N và S có vẻ tương ứng với điện tích dương và âm. Nhưng phép so sánh này có giới hạn. Điện tích dương hoặc âm có thể tồn tại riêng lẻ, còn chưa có bằng chứng thực nghiệm về một cực từ cô lập. Các cực từ luôn xuất hiện thành cặp.

Bẻ đôi một nam châm thanh tạo ra hai nam châm nhỏ, mỗi nam châm đều có cực N và cực S

Chú thích:

• Khác với điện tích, các cực từ luôn xuất hiện thành cặp và không thể tách riêng. (In contrast to electric charges, magnetic poles always come in pairs and can’t be isolated.)
• Bẻ đôi một nam châm… (Breaking a magnet in two ...)
• Việc bẻ nam châm tạo ra hai nam châm nhỏ, không tạo ra hai cực từ tách biệt. (... yields two magnets, not two isolated poles.)

Hình 27.4: Mỗi phần của thanh nam châm bị bẻ đôi đều có cực N và cực S, kể cả khi hai phần không bằng nhau. Phần nhỏ hơn có từ tính yếu hơn.

Nếu bẻ đôi một thanh nam châm, mỗi đầu mới đều trở thành một cực của thanh nam châm nhỏ hơn. Vì vậy, việc chia nhỏ nam châm không cô lập được riêng cực N hoặc cực S. Hạt chỉ mang một cực từ, nếu tồn tại, được gọi là đơn cực từ. Nhiều cuộc tìm kiếm đơn cực từ đã được tiến hành, nhưng đến nay vẫn chưa tìm thấy.

Từ tính bắt nguồn từ điện tích chuyển động

Năm 1820, nhà khoa học Đan Mạch Hans Christian Ørsted phát hiện rằng trong dây dẫn làm lệch kim la bàn. Những khảo sát tương tự được André Ampère tiến hành tại Pháp. Vài năm sau, Michael Faraday ở Anh và Joseph Henry ở Hoa Kỳ phát hiện rằng chuyển động của nam châm gần một vòng dây dẫn có thể làm xuất hiện dòng điện trong vòng.

Kim la bàn lệch khi đặt gần dây dẫn có dòng điện

Chú thích:

• (a) Khi dây không có dòng điện, kim la bàn chỉ hướng Bắc. ((a) When the wire carries no current, the compass needle points north.)
• (b) Khi dây có dòng điện, kim la bàn lệch. Chiều lệch phụ thuộc vào chiều dòng điện. ((b) When the wire carries a current, the compass needle deflects. The direction of deflection depends on the direction of the current.)

Hình 27.5: Trong thí nghiệm Ørsted, qua dây làm lệch kim la bàn đặt phía trên dây.

Ngày nay ta hiểu lực giữa hai vật ở các tình huống trên bắt nguồn chủ yếu từ tương tác giữa các electron đang chuyển động trong nguyên tử. Hai vật vẫn tương tác điện, nhưng lực điện giữa chúng yếu hơn nhiều vì mỗi vật trung hòa điện. Bên trong một vật đã bị từ hóa, chuyển động của một số electron nguyên tử có sự phối hợp. Trong vật chưa bị từ hóa, các chuyển động ấy không phối hợp theo cùng một hướng. Mục 27.7 sẽ tiếp tục phân tích cách chuyển động vi mô của giải thích tương tác giữa nam châm và vật bằng sắt.

Tương tác điện và tương tác từ gắn bó chặt chẽ với nhau. Các nguyên lí thống nhất của điện từ học sẽ được kết tinh ở các phương trình Maxwell trong những chương sau, tương tự như cách các tổng kết cơ học.

Ứng dụng sinh học: Tôm hùm gai và la bàn từ

Tôm hùm gai vùng Caribe (Panulirus argus) có hệ thần kinh tương đối đơn giản nhưng rất nhạy với . Nó có một chiếc la bàn bên trong cơ thể, nhờ đó phân biệt được bốn hướng đông, tây, nam và bắc. Tôm hùm gai còn cảm nhận được những khác biệt nhỏ trong từ trường Trái Đất giữa các địa điểm, có thể dùng chúng để hỗ trợ định hướng.

Tôm hùm gai cảm nhận từ trường để hỗ trợ định hướng

Khả năng cảm nhận hướng và biến thiên nhỏ của Trái Đất góp phần định hướng của loài này.

Bài tập: Tự kiểm tra mục 27.1

Giả sử cắt bỏ phần được tô xám của kim la bàn trong Hình 27.5a, bỏ phần ấy đi, khoan một lỗ ở phần màu đỏ còn lại rồi đặt phần đỏ lên trục quay tại tâm la bàn. Khi cho chạy qua dây như trong Hình 27.5b, phần kim còn lại có quay không?

Lời giải

Có. Khi cắt một nam châm thành các phần nhỏ, mỗi phần đều có một cực N và một cực S như Hình 27.4. Do đó, phần màu đỏ vẫn là một nam châm nhỏ và có thể quay theo tác dụng của trong dây.

Tài liệu tham khảo

Young & Freedman, University Physics with Modern Physics, ấn bản 15, mục 27.1, trang 878–880.