Điện Từ Trường Là Gì ?

Có một mối liên hệ chắc chắn, giữa hướng dòng điện trong dây dẫn và hướng của từ trường xung quanh dây đó. Mối quan hệ này, có thể được minh họa bằng quy tắc bàn tay trái. Quy tắc này cho biết rằng khi bạn cầm một dây dẫn mang dòng điện bằng tay trái và ngón tay cái hướng theo chiều dòng điện chảy, thì các ngón tay khác quấn quanh dây sẽ chỉ theo hướng của các đường từ trường (đường sức từ |  magnetic lines of force). Bản vẽ thể hiện cách áp dụng quy tắc bàn tay trái để xác định hướng của từ trường xung quanh dây dẫn.

Hãy nhớ rằng quy tắc bàn tay trái dựa trên lý thuyết electron của dòng điện (chiều từ âm sang dương) và được sử dụng để xác định hướng của các đường sức (đường lực, đường từ trường | lines of force) trong trường điện từ (electromagnetic field).

Có thể dễ dàng chứng minh thông qua một thí nghiệm rằng: có một từ trường tồn tại xung quanh một dây dẫn mang dòng điện. Bạn chỉ cần nối một sợi dây đồng nặng vào một công tắc và một cục pin khô. Sau đó, uốn cong dây đồng để tự đỡ (theo phương thẳng đứng) và sau đó, đặt luồn nó qua một lỗ trên một tấm nhựa trong suốt, được giữ ở tư thế nằm ngang. Khi bạn đóng công tắc, các mảnh sắt – có khả năng tự sắp xếp theo các đường sức trong từ trường – được rải lên mặt nhựa trong suốt. Miếng nhựa sẽ được gõ nhẹ để các mảnh sắt dễ dàng rơi vào vị trí mong muốn hơn.

Nếu bạn thực hiện thí nghiệm này, bạn sẽ nhìn thấy rằng các mảnh sắt tự sắp xếp thành các vòng tròn đồng tâm, cho thấy rằng các đường sức từ (magnetic lines of force) tạo thành một hình tròn xung quanh dây dẫn. Để chứng minh rằng hình tròn thực sự là do từ trường tạo ra, bạn có thể tắt công tắc và trải đều các mảnh sắt trên bề mặt nhựa trong suốt, sau đó lặp lại thí nghiệm. Mỗi khi dòng điện trong mạch chạy qua, các mảnh sắt sẽ tự sắp xếp để thể hiện từ trường (magnetic field).

• (Iron filings indicate circular pattern of magnetic field): Mạt sắt vẽ chỉ ra mẫu hình tròn của từ trường
• (A switch): Một công tắc
• (Dry cell battery): Pin Khô
• (Iron filings): Mạt sắt
• (Lucite): Nhựa lucite trong suốt
• (Heavy copper wire): Dây đồng (nặng) dày

Để chứng minh hướng của từ trường xung quanh dây dẫn mang dòng điện bằng thí nghiệm, ta có thể sử dụng kim la bàn thay vì mạt sắt.

Kim la bàn chính là một thanh nam châm nhỏ sẽ tự căn chỉnh theo các đường sức trong từ trường. Từ thí nghiệm trước, ta biết rằng từ trường có hình tròn. Do đó, kim la bàn luôn được đặt nằm vuông góc với dây dẫn mang dòng điện.

Nếu loại bỏ mạt sắt và đặt kim la bàn trên tấm nhựa lucite cách dây dẫn khoảng 2 inch (tương đương khoảng 5 cm), ta có thể dò theo hướng của từ trường xung quanh dây dẫn. Khi không có dòng điện chạy qua, phần đầu cực Bắc của kim la bàn sẽ chỉ về cực Bắc từ trường của Trái Đất. Khi dòng điện chạy qua dây dẫn, kim la bàn tự căn chỉnh vuông góc với bán kính vẽ từ dây dẫn. Nếu kim la bàn di chuyển quanh dây dẫn, nó luôn giữ góc vuông với nó. Điều này chứng tỏ từ trường xung quanh dây dẫn là hình tròn.

Bằng cách sử dụng quy tắc bàn tay trái, ta có thể kiểm tra hướng của từ trường được kim la bàn chỉ ra. Hướng của các ngón tay quấn quanh dây dẫn sẽ trùng khớp với hướng của cực Bắc của kim la bàn.

Nếu dòng điện chạy qua dây dẫn bị đảo ngược, kim la bàn sẽ chỉ theo hướng ngược lại, cho thấy rằng hướng của từ trường đã đảo ngược. Việc sử dụng quy tắc bàn tay trái sẽ chứng minh điều này.

Chú Thích

• (Magnetic field): Từ trường
• (Checking direction of magnetic field, using N S compass and left – hand rule): Kiểm tra hướng của trường từ, sử dụng la bàn NS và quy tắc bàn tay trái
• (compass): La bàn
• (Current-carrying conductor): Dây dẫn có dòng điện

Từ Trường Xung Quanh Một Cuộn Dây【Magnetic Fields around a Coil】

Từ trường xung quanh một cuộn dây đóng vai trò cực kỳ quan trọng trong nhiều thiết bị điện. Khi dòng điện chạy qua một cuộn dây (coil), nó tạo ra một từ trường, tương tự như một nam châm. Khi một đoạn dây dẫn dài được uốn cong thành một vòng, các đường lực từ trường xung quanh dây dẫn sẽ rời khỏi một bên của vòng và đi vào từ phía bên kia. Như vậy, vòng dây mang dòng điện sẽ có hai cực, một cực Bắc và một cực Nam. Cực Bắc nằm ở phía mà các đường lực từ trường rời khỏi vòng dây, còn cực Nam nằm ở phía mà chúng nhập đi vào vòng dây.

Nếu bạn muốn làm cho từ trường của vòng dây mạnh hơn, bạn có thể tạo dây thành một cuộn dây có nhiều vòng như trong hình. Khi đó, tất cả các trường từ của mỗi vòng dây sẽ kết hợp lại với nhau và tạo thành một từ trường mạnh mẽ bên trong và bên ngoài cuộn dây. Trong khoảng trống giữa các vòng, các đường lực từ trường (lines of force) sẽ đối lập và hủy bỏ lẫn nhau. Cuộn dây này sẽ hoạt động như một nam châm cực mạnh, với cực Bắc nằm ở điểm cuối mà các đường lực từ trường rời khỏi cuộn dây.

Chú Thích

• (Magnetic fields around a loop and coil): Từ trường xung quanh vòng dây, và cuộn dây

Quy tắc bàn tay trái cũng áp dụng cho cuộn dây để xác định hướng của từ trường. Khi bạn quấn các ngón tay của bàn tay trái quanh cuộn dây theo hướng dòng điện chảy, thì ngón cái sẽ hướng về phía cực Bắc của cuộn dây.

Thêm nhiều vòng vào cuộn dây mang dòng điện sẽ làm tăng số lượng đường từ (đường sức | lines of force), biến nó thành một nam châm mạnh hơn. Gia tăng dòng điện cũng làm tăng cường từ trường. Nam châm điện mạnh có cuộn dây nhiều vòng và dòng điện lớn tuỳ theo kích thước dây cho phép.

Khi so sánh các cuộn dây sử dụng cùng một lõi hoặc các loại lõi tương tự, ta sử dụng một đơn vị gọi là “ampere-turn” (ampe vòng). Đơn vị này được tính bằng tích của dòng điện (ampere) và số vòng dây.

Chú Thích

• (Increasing turns increases field strength): Tăng số vòng, làm cho từ trường mạnh hơn
• (Increasing current increases field strength): Tăng dòng điện, làm cho từ trường mạnh hơn

Mặc dù cường độ của trường từ (từ trường) của nam châm điện tăng lên khi sử dụng cả dòng điện lớn và nhiều vòng để tạo thành cuộn dây, nhưng những yếu tố này thường không đủ để tập trung trường từ (từ trường), đến mức đủ để sử dụng trong một thiết bị thực tế. Để tăng mật độ từ trường, người ta đặt một lõi sắt vào bên trong cuộn dây. Bởi vì lõi sắt cung cấp ít sự cản trở hơn cho các đường từ (đường sức | lines of force) so với không khí, nên mật độ từ trường (từ thông) trong lõi sắt tăng lên đáng kể.

Chú Thích

• (Adding an iron core greatly increases flux density): Chèn thêm một lõi sắt làm tăng đáng kể mật độ từ thông (từ trường)

Bạn có thể chỉ ra trường từ (từ trường) xung quanh một cuộn dây mang dòng điện bằng cách lấy một đoạn dây và uốn nó thành một cuộn dây được luồn qua một số lỗ trên một miếng nhựa Lucite.