1. Từ trường tồn tại ở đâu?
Từ trường tồn tại ở nhiều nơi trong vũ trụ, bao gồm quanh các hành tinh, các ngôi sao và các thiên hà. Trong vũ trụ, từ trường có vai trò quan trọng trong việc hình thành và phát triển của các thiên thể như sao, hành tinh, thiên hà và các hiện tượng không gian như cơn bão mặt trời hay cực quang.
Từ trường là môi trường năng lượng đặc biệt, sinh ra quanh các điện tích chuyển động hoặc do sự biến thiên của điện trường hoặc có nguồn gốc từ các mômen lưỡng cực từ như nam châm. Từ trường gây ra lực từ tác động lên các vật có từ tính đặt trong nó. Từ trường có thể được miêu tả bằng các đường sức từ, là những đường cong kín mà tại mỗi điểm, hướng của chúng trùng với hướng của cảm ứng từ tại điểm đó. Cảm ứng từ là một đại lượng vector, có thể được đo bằng đơn vị tesla (T) trong hệ SI. Cảm ứng từ của dòng điện thẳng, dây dẫn khép kín hay nam châm vĩnh cữu có thể được tính toán bằng các công thức khoa học đã được phát hiện và chứng minh.
* Từ trường của Trái Đất:
Từ trường của Trái Đất là trường từ được tạo ra do tính chất từ của vật chất Trái Đất hợp thành. Từ trường này tồn tại từ trong lòng Trái Đất đến không gian rộng lớn bao quanh Trái Đất. Nguyên nhân gây ra từ trường có thể được giải thích theo thuyết geodynamo, một học thuyết cho rằng dòng điện sinh ra từ sự đối lưu của kim loại nóng chảy trong lõi Trái Đất là nguồn gốc của từ trường. Từ trường Trái Đất được coi như một lưỡng cực từ trường, với một cực gần cực bắc địa lý và cực kia gần cực nam địa lý. Độ lớn của từ trường Trái Đất tại bề mặt của nó nằm trong khoảng từ 25 đến 65 microtesla (0,25 đến 0,65 gauss). Từ trường Trái Đất có vai trò quan trọng trong việc bảo vệ Trái Đất khỏi các tia có nguồn gốc ngoài hành tinh, như gió mặt trời và các tia bức xạ vũ trụ.
* Từ trường của các thiên hà:
Từ trường của các thiên hà là một hiện tượng vật lý phức tạp, chưa được giải thích hoàn toàn bởi các nhà khoa học. Một số giả thuyết cho rằng từ trường của các thiên hà có nguồn gốc từ những biến thiên lượng tử rất nhỏ, sau Vụ Nổ Lớn, khi các thiên hà bắt đầu hình thành bằng các co cụm và hợp nhất từ các biến thiên lượng tử nhỏ ban đầu. Một số giả thuyết khác cho rằng từ trường của các thiên hà được tăng cường bởi các quá trình nội bộ trong thiên hà, như sự chuyển động của plasma, sự kết hợp của electron và hạt nhân, hay sự phát xạ của các ngôi sao. Từ trường của các thiên hà có ảnh hưởng đến cấu trúc và tiến hóa của chúng, cũng như đến sự phân bố và tương tác của các vật chất trong vũ trụ.
* Từ trường của các ngôi sao:
Từ trường của các ngôi sao được tạo ra bởi sự đối lập giữa nhiệt độ và áp suất trong lõi sao, gây ra hiện tượng đối lưu và quay động của chất khí nóng chảy. Từ trường của các ngôi sao là một hiện tượng vật lý đặc biệt, có nguồn gốc từ những vùng bên trong sao nơi xảy ra những sự đối lưu tuần hoàn. Chuyển động của các plasma đối lưu này có chức năng giống như một máy phát điện (dynamo), tạo ra từ trường mở rộng ra bên ngoài ngôi sao. Từ trường của các ngôi sao có thể dao động rất lớn, từ vài gauss cho đến hàng trăm triệu gauss, tùy thuộc vào loại sao và giai đoạn phát triển của nó. Một số loại sao đặc biệt có từ trường rất mạnh được gọi là sao từ, có thể có từ trường lên đến 10^11^ tesla (hay 10^15^ gauss). Từ trường của các ngôi sao có ảnh hưởng đến nhiều quá trình vật lý khác nhau, như sự phát xạ bức xạ điện từ, sự tạo thành và phân hủy các vật chất xung quanh sao, hay sự biến đổi hình dạng và cấu trúc của sao.
* Từ trường của hố đen:
Hố đen là một vùng không-thời gian có trường hấp dẫn cực mạnh, đến nỗi không một vật chất, bức xạ và ánh sáng nào có thể thoát ra khỏi nó. Hố đen được tạo ra khi tâm của một ngôi sao rất lớn sụp đổ vào chính nó, hoặc khi một khối lượng vật chất rất lớn bị nén vào một không gian rất nhỏ. Từ trường của hố đen phụ thuộc vào sự quay quanh trục và khối lượng của nó. Khi hố đen quay, nó tạo ra một hiệu ứng kéo dài không-thời gian xung quanh nó, gọi là hiệu ứng Lense-Thirring. Hiệu ứng này làm thay đổi hướng của các vật chất và bức xạ xung quanh hố đen. Từ trường của hố đen cũng có thể tạo ra các chùm hạt và bức xạ năng lượng cao phóng ra ở hai cực, do tác động của từ trường của ngôi sao ban đầu. Từ trường của hố đen là một trong những yếu tố quan trọng để hiểu về cấu trúc và hoạt động của hố đen.
* Từ trường của các thiết bị nhân tử hợp:
Các thiết bị nhân tử hợp là các máy phát điện sử dụng quá trình hợp nhân để tạo ra năng lượng điện. Để thực hiện quá trình hợp nhân, các thiết bị nhân tử hợp cần tạo ra một từ trường mạnh để giữ chặt các ion nóng trong một vòng lặp hình bánh rán (tokamak). Từ trường này được tạo ra bằng cách dùng các dây dẫn điện quấn quanh tokamak và đưa vào một dòng điện lớn. Từ trường này có thể đạt đến hàng triệu gauss, trong khi từ trường của Trái Đất chỉ khoảng 0,5 gauss. Từ trường của các thiết bị nhân tử hợp giúp tạo ra một điều kiện cần thiết để xảy ra phản ứng hợp nhân, đó là nhiệt độ và áp suất cao. Khi các ion nóng va chạm với nhau trong từ trường, chúng có thể vượt qua lực đẩy từ và hợp lại thành các nguyên tử mới, giải phóng năng lượng và các hạt khác. Quá trình này được gọi là hợp nhân nhiệt hạch.
2. Từ trường không tồn tại ở đâu?
Từ trường tồn tại ở nhiều nơi trong vũ trụ, như quanh các hành tinh, sao, thiên hà, lỗ đen, hay trong các thiết bị nhân tử hợp hay MRI. Tuy nhiên, từ trường không tồn tại ở một số nơi đặc biệt, chẳng hạn như:
– Trong một không gian hoàn toàn chân không, không có bất kỳ vật chất nào có tính từ hoặc dòng điện để tạo ra từ trường.
– Trong một vùng không gian có từ trường đều và không đổi, không có sự thay đổi của từ trường theo thời gian hay không gian để tạo ra sự khác biệt từ trường.
– Trong một vùng không gian có từ trường biến đổi theo cấp số nhân, tức là càng xa nguồn từ càng yếu đi rất nhanh, từ trường có thể coi là bằng không khi khoảng cách đủ lớn.
Những ví dụ trên là những trường hợp lý thuyết, trong thực tế khó có thể tìm thấy một nơi hoàn toàn không có từ trường. Từ trường luôn có sự biến đổi và phức tạp do ảnh hưởng của nhiều nguồn từ khác nhau. Từ trường cũng có thể bị biến dạng bởi các vật chất có tính từ khác nhau, như kim loại hay chất lỏng. Từ trường là một hiện tượng vật lý quan trọng và thú vị, giúp chúng ta hiểu rõ hơn về thế giới xung quanh và áp dụng vào nhiều lĩnh vực khoa học và công nghệ.
3. Cách nhận biết từ trường:
Từ trường không thể nhìn thấy bằng mắt thường, nhưng có thể nhận biết bằng một số cách sau:
– Sử dụng kim từ: Kim từ là một nam châm nhỏ có thể quay tự do trong không gian. Khi đặt kim từ trong từ trường, kim từ sẽ hướng theo đường sức từ của từ trường. Đường sức từ là đường chỉ hướng và chiều của lực từ tác dụng lên kim từ. Các đường sức từ luôn bắt đầu từ cực Bắc và kết thúc ở cực Nam của nam châm.
– Sử dụng sắt bột: Sắt bột là các hạt sắt nhỏ có tính từ. Khi rải sắt bột lên một tấm giấy đặt trên nam châm, sắt bột sẽ sắp xếp theo các đường sức từ của nam châm. Các đường sức từ càng gần nhau thì càng có nhiều sắt bột.
– Sử dụng la bàn: La bàn là một kim từ được gắn vào một vòng tròn có chia vạch các hướng Đông, Tây, Nam, Bắc. Khi đặt la bàn trong từ trường, kim la bàn sẽ chỉ hướng của đường sức từ tại điểm đó. Nếu xoay la bàn quanh nam châm, kim la bàn sẽ xoay theo và cho thấy hình dạng của từ trường xoáy.
Từ trường có nhiều loại khác nhau, như từ trường đều, từ trường xoáy, hay từ trường Trái Đất. Từ trường có nhiều ứng dụng quan trọng trong cuộc sống, như máy phát điện, máy biến áp, máy quét MRI, hay la bàn.
