Khái niệm từ trường là nền tảng để hiểu từ tính và các ứng dụng của nó trong vật lý. Từ trường là một trường vô hình xung quanh nam châm tác dụng lực lên các nam châm hoặc vật liệu từ tính khác, chẳng hạn như sắt. Trường này cho phép các nam châm hút hoặc đẩy nhau mà không cần chạm vào.
Từ trường là trường vectơ mô tả tác dụng của từ trường lên các điện tích chuyển động, dòng điện và vật liệu từ tính. Từ trường được tạo ra bởi dòng điện, có thể là dòng điện vĩ mô trong dây dẫn hoặc dòng điện cực nhỏ liên kết với các electron trong quỹ đạo nguyên tử. Từ trường tại bất kỳ điểm nào được xác định bởi cả hướng và độ lớn (hoặc cường độ); như vậy nó là một trường vectơ.
Từ trường có thể được hình dung bằng cách sử dụng các đường sức từ. Những đường này bắt đầu ở cực bắc của nam châm và kết thúc ở cực nam. Mật độ của các đường này biểu thị cường độ của từ trường: các đường càng gần thì từ trường càng mạnh. Các đường sức từ không bao giờ cắt nhau.
Cường độ và hướng của từ trường được mô tả bằng một vectơ. Vectơ này được ký hiệu là \(\vec{B}\) , trong đó \(B\) biểu thị độ lớn của từ trường và mũi tên chỉ hướng. Đơn vị của cường độ từ trường trong Hệ đơn vị quốc tế (SI) là Tesla (T).
Từ trường do một điện tích chuyển động \(q\) chuyển động với vận tốc \(\vec{v}\) trong từ trường được mô tả bởi định luật lực Lorentz, được tính bằng:
\( \vec{F} = q(\vec{v} \times \vec{B}) \)trong đó \(\vec{F}\) là lực tác dụng lên điện tích, \(q\) là điện tích, \(\vec{v}\) là vận tốc của điện tích và \(\vec{B}\) là vectơ từ trường. Ký hiệu \(\times\) biểu thị tích chéo, có nghĩa là lực vuông góc với cả vận tốc của điện tích và từ trường.
Từ trường được tạo ra bởi các điện tích chuyển động. Ví dụ, dòng điện chạy qua dây tạo ra từ trường xung quanh dây. Quy tắc bàn tay phải giúp xác định hướng của từ trường xung quanh một dây dẫn mang dòng điện: nếu bạn chỉ ngón tay cái của bàn tay phải theo hướng của dòng điện, các ngón tay của bạn sẽ cong theo hướng của từ trường.
Bản thân Trái đất hoạt động giống như một nam châm khổng lồ có từ trường. Từ trường của Trái Đất giống như một thanh nam châm có đường sức từ kéo dài từ Cực Nam từ đến Cực Bắc từ. Từ trường của Trái đất bảo vệ hành tinh khỏi gió mặt trời bằng cách làm chệch hướng các hạt tích điện.
Từ tính hiện diện trong nhiều khía cạnh của cuộc sống hàng ngày. Từ la bàn sử dụng từ trường Trái đất để điều hướng, đến dải từ trên thẻ tín dụng và thậm chí cả công nghệ y tế như Chụp cộng hưởng từ (MRI), sử dụng từ trường mạnh để tạo ra hình ảnh bên trong cơ thể.
Một trong những ứng dụng quan trọng nhất của từ trường trong công nghệ là trong nam châm điện. Bằng cách quấn một sợi dây quanh một miếng sắt và cho dòng điện chạy qua sợi dây đó, một từ trường mạnh sẽ được tạo ra. Nguyên lý này được sử dụng trong động cơ điện và máy phát điện.
Từ trường có thể được quan sát và nghiên cứu thông qua một số thí nghiệm đơn giản. Ví dụ, rắc mạt sắt xung quanh một nam châm sẽ làm lộ ra đường sức của từ trường. Mỗi giũa sẽ trở thành một nam châm nhỏ và tự sắp xếp dọc theo đường sức của từ trường, thể hiện rõ ràng hướng và cường độ của trường.
Từ trường là một khía cạnh cơ bản của vật lý có ảnh hưởng đến nhiều khía cạnh của thế giới tự nhiên và công nghệ. Từ quy mô vĩ mô của từ trường Trái đất bảo vệ sự sống khỏi gió mặt trời, đến quy mô vi mô của các nguyên tử góp phần tạo nên tính chất từ của vật liệu, từ trường đóng một vai trò quan trọng. Hiểu từ trường và ứng dụng của chúng không chỉ cung cấp cái nhìn sâu sắc về hoạt động của vũ trụ mà còn cho phép tiến bộ công nghệ có tác động đáng kể đến cuộc sống hàng ngày của chúng ta.
