Lực điện từ là gì? Giải thích chi tiết

Khám phá lực điện từ không chỉ là hành trình tiếp cận với một trong những nguyên lý cơ bản của vũ trụ mà còn là cơ hội để hiểu sâu sắc về sức mạnh ẩn chứa sau mỗi thiết bị điện tử mà chúng ta sử dụng hàng ngày.

Bài viết này mở ra cánh cửa vào thế giới của lực điện từ, giúp bạn khám phá bí ẩn và ứng dụng của nó trong cuộc sống cũng như trong công nghệ hiện đại.

Khái niệm về lực điện từ 

Khái niệm

Lực điện từ là lực tác động lên một điện tích di chuyển trong một từ trường. Nó được xác định bởi cả cường độ của từ trường và tốc độ của điện tích cũng như hướng di chuyển của nó so với từ trường.

Lực này cũng có thể được coi là kết quả của sự tương tác giữa từ trường và dòng điện do chuyển động của các điện tích tạo ra.

Công thức

Công thức cơ bản cho lực điện từ là một phần của công thức lực Lorentz, được biểu diễn như sau: F=q(v×B)

Trong đó:

• F là lực điện từ (Newton, N)

• q là điện tích (Coulomb, C)

• v là vận tốc của điện tích (mét trên giây, m/s)

• B là cảm ứng từ trường (Tesla, T)

• Dấu × biểu diễn tích có hướng (tích vectơ) giữa vận tốc và cảm ứng từ

Ví dụ:

• Khi đặt một đoạn dây dẫn có dòng điện chạy qua trong từ trường của nam châm, ta thấy dây dẫn bị lệch khỏi vị trí ban đầu. Lực làm cho dây dẫn bị lệch chính là lực điện từ.
• Động cơ điện hoạt động dựa trên nguyên tắc tác dụng của lực điện từ.
• Máy phát điện cũng hoạt động dựa trên nguyên tắc tác dụng của lực điện từ.

Cách xác định chiều của lực điện từ

Để xác định chiều của lực điện từ, chúng ta thường sử dụng quy tắc bàn tay phải, một công cụ trực quan giúp xác định hướng của lực điện từ trong một từ trường khi có dòng điện chạy qua. Quy tắc này áp dụng cho các tình huống nơi dòng điện và từ trường đều được xác định rõ ràng, và bạn muốn tìm hướng của lực Lorentz (lực điện từ) tác động lên dòng điện đó.

Bước 1: Đưa bàn tay phải của bạn ra sao cho ngón cái, ngón trỏ, và ngón giữa tạo thành ba hướng vuông góc với nhau. Mỗi ngón tay sẽ đại diện cho một vector khác nhau trong tình huống này.

Bước 2: Hãy hướng ngón trỏ của bạn theo hướng của từ trường (B). Trong hầu hết các trường hợp, đây sẽ là hướng từ nam châm Bắc đến nam châm Nam.

Bước 3: Hãy duỗi ngón giữa ra sao cho nó vuông góc với ngón trỏ và hãy hướng nó theo hướng của dòng điện (I hoặc v, nếu đang xem xét một điện tích di chuyển). Trong trường hợp của một dây dẫn, đây sẽ là hướng mà dòng điện chạy qua dây.

Bước 4: Ngón cái của bạn giờ đây sẽ chỉ ra hướng của lực điện từ (F). Khi bạn đã định hình ngón trỏ và ngón giữa đúng cách, ngón cái sẽ tự động chỉ ra hướng lực Lorentz tác động lên điện tích hoặc dòng điện trong từ trường.

Quy tắc bàn tay phải rất hữu ích trong việc hình dung các tương tác trong từ trường, đặc biệt là trong các ứng dụng vật lý và kỹ thuật, như trong việc thiết kế động cơ điện, máy phát điện và các thiết bị sử dụng tương tác từ điện. Việc áp dụng quy tắc này giúp dễ dàng xác định được hướng lực mà không cần nhớ các công thức phức tạp.

Lực điện từ biểu diễn trong thuyết tương đối

Trong thuyết tương đối, lực điện từ được biểu diễn bằng công thức lực Lorentz:

F = q(E + v x B)

Trong đó:

• F là lực điện từ (N)
• q là điện tích của hạt (C)
• E là cường độ điện trường (V/m)
• v là vận tốc của hạt (m/s)
• B là cảm ứng từ (T)

Công thức này thể hiện rằng lực điện từ là tổng hợp của hai lực:

• Lực điện: F_e = qE, do điện trường tác dụng lên hạt mang điện.
• Lực từ: F_m = q(v x B), do từ trường tác dụng lên hạt mang điện chuyển động.

Ứng dụng của lực điện từ

Lực điện từ có nhiều ứng dụng quan trọng trong đời sống và khoa học kỹ thuật, bao gồm:

• Động cơ điện: Lực điện từ được sử dụng để tạo ra chuyển động trong động cơ điện. Khi dòng điện chạy qua cuộn dây đặt trong từ trường, sẽ tạo ra lực điện từ làm cho cuộn dây quay. Động cơ điện được sử dụng trong nhiều thiết bị như quạt điện, máy giặt, máy điều hòa, xe điện, v.v.
• Máy phát điện: Máy phát điện hoạt động dựa trên nguyên tắc cảm ứng điện từ. Khi cuộn dây quay trong từ trường, sẽ xuất hiện suất điện động cảm ứng trong cuộn dây. Máy phát điện được sử dụng để tạo ra điện năng, cung cấp cho sinh hoạt và sản xuất.
• Loa: Loa hoạt động dựa trên nguyên tắc biến đổi năng lượng điện thành năng lượng âm thanh. Khi dòng điện chạy qua cuộn dây đặt trong từ trường, sẽ tạo ra lực điện từ làm cho màng loa rung động, tạo ra âm thanh.
• Rơle điện từ: Rơle điện từ là một thiết bị sử dụng lực điện từ để đóng hoặc ngắt mạch điện. Rơle điện từ được sử dụng trong nhiều thiết bị điện như contactor, aptomat, v.v.
• Máy biến áp: Máy biến áp hoạt động dựa trên nguyên tắc cảm ứng điện từ. Khi dòng điện xoay chiều chạy qua cuộn dây sơ cấp, sẽ tạo ra từ trường biến thiên. Từ trường biến thiên này sẽ cảm ứng ra suất điện động trong cuộn dây thứ cấp. Máy biến áp được sử dụng để thay đổi điện áp của dòng điện xoay chiều.
• Tàu điện từ: Tàu điện từ sử dụng lực điện từ để tạo ra lực đẩy, giúp tàu di chuyển. Tàu điện từ có thể di chuyển với tốc độ cao và không gây ô nhiễm môi trường.

Ngoài ra, lực điện từ còn được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác như y học, viễn thông, công nghiệp, v.v.

Nhìn lại chặng đường khám phá lực điện từ, chúng ta có thể thấy rõ giá trị to lớn mà lý thuyết này mang lại cho cả thế giới tự nhiên và thế giới công nghệ. Qua bài viết này, hy vọng bạn đã có cái nhìn sâu sắc hơn về lực điện từ và cảm hứng để ứng dụng kiến thức này vào đời sống thực tiễn.