Lực giữa các nam châm: Lực hút, lực đẩy và từ trường

Đặt hai nam châm thanh lên các xe có ma sát nhỏ. Hướng cực bắc của một nam châm về phía cực nam của nam châm kia, rồi thả chúng ra. Chúng lăn lại gần nhau. Xoay một nam châm để cực bắc đối diện với cực bắc, và chúng lăn ra xa nhau.

Nghe có vẻ đơn giản: các cực khác tên hút nhau, các cực cùng tên đẩy nhau. Nhưng quy tắc đó chỉ là cách ghi nhớ nhanh. Điều hữu ích trong HSC là giải thích được vì sao những lực đó xuất hiện. Để làm được điều đó, bạn cần nghĩ về từ trường do mỗi nam châm tạo ra và cách nam châm kia phản ứng với từ trường đó.

Trước khi đọc tiếp, hãy dự đoán điều này: nếu cực bắc của một nam châm đối diện với cực nam của một nam châm khác, lực hút có chỉ xảy ra giữa hai cực gần nhau nhất đó không?

Không hẳn. Mọi phần của một nam châm đều tương tác với từ trường do nam châm kia tạo ra. Các cực ở gần nhau thường chi phối kết quả vì từ trường mạnh hơn khi ở gần nam châm hơn.

01Bắt đầu với các cực

Một nam châm thanh có hai đầu gọi là cực bắc và cực nam.

Nếu đưa hai cực lại gần nhau:

Từ đó ta có quy tắc quen thuộc:

Các cực khác tên hút nhau. Các cực cùng tên đẩy nhau.

Quy tắc này dự đoán đúng hướng của lực, nhưng vẫn chưa giải thích cơ chế. Để làm điều đó, chúng ta cần đến từ trường.

02Nam châm làm thay đổi không gian xung quanh nó

Nam châm không cần chạm vào một nam châm khác mới có thể tác động lên nó. Nam châm tạo ra một từ trường trong không gian xung quanh.

Bạn có thể hình dung từ trường bằng các đường sức từ. Ở bên ngoài một nam châm thanh, các mũi tên hướng từ cực bắc về phía cực nam.

Các đường sức từ cho chúng ta biết hai điều hữu ích:

• mũi tên cho biết hướng của từ trường tại điểm đó
• các đường được vẽ gần nhau hơn biểu thị từ trường mạnh hơn

Bản thân các đường này không phải là những sợi vật chất thực sự nằm trong không gian. Chúng là một cách biểu diễn từ trường bằng sơ đồ.

Điều này đáng ghi nhớ. Một cách giải thích phổ biến nói rằng các đường sức từ “kéo” các nam châm lại gần nhau giống như dây cao su bị kéo căng. Cách hình dung đó có thể giúp bạn tưởng tượng hình dạng của từ trường, nhưng đó không phải là điều thực sự xảy ra. Không có những sợi dây từ tính nối các nam châm với nhau.

03Một nam châm chịu tác động của từ trường từ nam châm khác như thế nào

Hãy tưởng tượng nam châm A nằm trên bàn. Nó tạo ra một từ trường xung quanh mình.

Bây giờ đưa nam châm B lại gần.

Nam châm B đang nằm trong từ trường của nam châm A. Các cực của nam châm B phản ứng với từ trường ngoài đó. Nam châm A cũng tương tự vì nó đang nằm trong từ trường của nam châm B.

Một mô hình ban đầu hữu ích là:

• cực bắc có xu hướng bị đẩy theo hướng của từ trường
• cực nam có xu hướng bị đẩy theo hướng ngược với từ trường

Nam châm thanh thực luôn có cả hai cực, vì vậy cách hình dung theo “từng cực riêng lẻ” này là một mô hình, chứ không phải khẳng định rằng có các cực từ cô lập nằm bên trong nam châm. Mục đích của mô hình là giúp chúng ta theo dõi các lực tác dụng lên hai đầu nam châm.

Giờ đây, chúng ta có thể giải thích lực hút và lực đẩy thay vì chỉ ghi nhớ chúng.

04Vì sao các cực khác tên hút nhau

Giả sử cực bắc của nam châm A đối diện với cực nam của nam châm B.

Từ trường của A gần đầu cực bắc hướng ra xa cực bắc của A. Cực nam gần đó của nam châm B phản ứng theo hướng ngược với từ trường này, vì vậy nó bị kéo về phía A.

Đồng thời, từ trường của B tạo ra một lực tương ứng lên A.

Kết quả là các nam châm gia tốc về phía nhau.

Ngoài ra còn có các tương tác khác. Cực bắc của A tương tác với cả hai cực của B, và cực nam của A cũng vậy.

Vậy tại sao mọi thứ không triệt tiêu lẫn nhau?

Khoảng cách rất quan trọng. Từ trường mạnh hơn nhiều khi ở gần một cực so với khi ở xa nó. Khi các cực khác tên đối diện nhau, tương tác hút giữa hai cực gần nhau chi phối các tương tác có liên quan đến những cực ở xa hơn.

Kết quả là có một hợp lực hút.

05Vì sao các cực cùng tên đẩy nhau

Bây giờ xoay nam châm bên phải lại để cực bắc đối diện với cực bắc.

Gần khe giữa hai nam châm, từ trường do hai cực bắc tạo ra đều hướng ra xa các cực tương ứng. Dạng từ trường không thể tiếp tục đi thẳng từ cực bắc này vào cực bắc kia như trường hợp giữa cực bắc và cực nam.

Thay vào đó, từ trường uốn cong ra xa vùng giữa chúng.

Mỗi cực bắc ở gần nhau chịu một lực hướng ra xa nam châm kia.

Một lần nữa, cả bốn cực đều góp phần vào tổng tương tác. Các cực nam ở xa vẫn có ảnh hưởng. Nhưng lực đẩy giữa hai cực bắc gần nhau mạnh hơn các lực hút liên quan đến những cực ở xa hơn.

Vì vậy, kết quả tổng thể là một hợp lực đẩy.

Lập luận tương tự cũng áp dụng khi cực nam đối diện với cực nam.

06Sơ đồ từ trường cho biết hướng, chứ không phải là hình ảnh của lực

Học sinh thường nhầm lẫn hai khái niệm khác nhau:

• từ trường, tồn tại xung quanh một nam châm
• lực từ, tác dụng lên một vật thích hợp khác được đặt trong từ trường đó

Từ trường có thể tồn tại ngay cả khi không có vật nào ở gần để chịu lực.

Hãy hình dung giống như một người tạo ra bầu không khí cực kỳ khó xử tại một bữa tiệc. Bầu không khí đó có thể đã tồn tại trước khi bất kỳ ai khác bước vào phòng. Phép so sánh này có giới hạn vì từ trường là một trường vật lý có thể đo được, chứ không phải một tâm trạng, nhưng sự phân biệt này rất hữu ích: từ trường là trạng thái của không gian, còn lực là điều mà một vật khác chịu vì nó nằm trong từ trường đó.

Điều này cũng có nghĩa là bạn nên tránh nói: “Từ trường chính là lực.” Không phải vậy.

Từ trường giúp xác định lực.

07Nam châm có thể quay cũng như chuyển động tịnh tiến

Cho đến giờ, chúng ta đã xếp các nam châm thẳng hàng một cách gọn gàng. Các câu hỏi thực tế không phải lúc nào cũng thuận tiện như vậy.

Đặt một nam châm thanh nhỏ nằm ngang theo phương vuông góc gần cực bắc của một nam châm lớn hơn.

Bạn dự đoán điều gì xảy ra trước tiên?

Nam châm nhỏ không chỉ đơn giản trượt thẳng về phía hoặc ra xa nam châm lớn. Hai cực của nó chịu các lực theo những hướng khác nhau, có thể tạo ra một tác dụng làm quay. Nam châm có xu hướng quay cho đến khi hướng của nó phù hợp hơn với từ trường xung quanh.

Đó chính xác là điều kim la bàn thực hiện.

Đầu tìm bắc của la bàn chỉ xấp xỉ theo hướng của từ trường cục bộ.

08Từ trường không phải lúc nào cũng tạo cho nam châm một hợp lực đẩy theo một hướng

Đây là một dự đoán tinh tế hơn.

Giả sử một nam châm thanh nhỏ nằm trong một từ trường đều xấp xỉ, nghĩa là từ trường về cơ bản có cùng độ lớn và hướng trên toàn bộ nam châm. Ban đầu, nam châm thanh nằm ngang theo phương vuông góc với từ trường.

Nam châm có chuyển động trên mặt bàn không?

Không nhất thiết.

Hai đầu bắc và nam của nó có thể chịu các lực tạo ra tác dụng làm quay nhưng phần lớn triệt tiêu nhau về hợp lực tịnh tiến. Vì vậy, nam châm có thể quay mà tâm khối lượng không gia tốc đáng kể.

Trong một từ trường đều lý tưởng và hoàn toàn đồng nhất, một lưỡng cực từ có thể chịu mô-men lực làm nó thẳng hàng với từ trường nhưng không chịu hợp lực.

Điều này cho thấy một quan niệm sai phổ biến:

“Nếu một vật ở trong từ trường, từ trường chắc chắn phải đẩy nó đi đâu đó.”

Từ trường không tự động tạo ra một hợp lực tịnh tiến. Kết quả phụ thuộc vào vật, hướng của nó và việc từ trường có thay đổi từ vị trí này sang vị trí khác hay không.

Gần một nam châm thanh thực, từ trường không đều rõ rệt, đặc biệt là gần các cực. Sự biến thiên đó góp phần tạo ra lực hút hoặc lực đẩy tổng hợp mà chúng ta quan sát được giữa các nam châm ở gần nhau.

09Vì sao quy tắc đơn giản về các cực lại hiệu quả đến vậy

Với hai nam châm thanh thông thường, bạn thường có thể bắt đầu bằng cách xét các cực đối diện nhau:

• các cực khác tên đối diện nhau gợi ý lực hút
• các cực cùng tên đối diện nhau gợi ý lực đẩy

Nhưng một lời giải thích tốt hơn đi theo chuỗi sau:

Mỗi nam châm tạo ra một từ trường -> nam châm kia được đặt trong từ trường đó -> các lực tác dụng lên những phần khác nhau của nam châm -> các lực này kết hợp để tạo ra một hợp lực và đôi khi là tác dụng làm quay.

Cách này giúp bạn suy luận về những cách sắp xếp không quen thuộc thay vì phụ thuộc vào một câu khẩu quyết đã học thuộc.

Một lưu ý nữa: cực bắc và cực nam của nam châm không giống với điện tích dương và điện tích âm. Các từ “hút” và “đẩy” xuất hiện trong cả hai chủ đề, nhưng điện tích và cực từ là những khái niệm vật lý khác nhau. Với một nam châm thanh thông thường, bạn không thu được một cực bắc cô lập chỉ bằng cách cắt nam châm làm đôi. Bạn thu được các nam châm nhỏ hơn, mỗi nam châm đều có cực bắc và cực nam.

10Đọc sơ đồ từ trường

Khi một câu hỏi thi cho bạn sơ đồ từ trường, hãy đọc nó một cách có hệ thống.

Trước tiên, xác định hướng của các mũi tên. Ở bên ngoài một nam châm thanh thông thường, chúng đi từ cực bắc về phía cực nam.

Tiếp theo, quan sát khoảng cách giữa các đường. Một vùng có các đường sít nhau hơn biểu thị từ trường mạnh hơn.

Sau đó, hãy hỏi vật nào được đặt trong từ trường. Một la bàn, một nam châm khác, một hạt mang điện đang chuyển động và một dây dẫn có dòng điện không phản ứng theo cùng một cách.

Đối với một nam châm thanh khác, hãy nhớ rằng cả hai cực đều quan trọng. Một cực có thể bị hút trong khi cực kia bị đẩy, và chuyển động cuối cùng phụ thuộc vào tác dụng tổng hợp.

Bước cuối cùng này thường là điều tạo nên sự khác biệt giữa một lời giải thích tốt và câu “bắc và nam hút nhau”.

11Câu hỏi và lời giải

Câu hỏi 1

Hai nam châm thanh nằm trên một bề mặt ngang nhẵn. Cực nam của nam châm A đối diện với cực bắc của nam châm B.

Nêu chuyển động ban đầu của các nam châm khi được thả ra và giải thích bằng từ trường.

Lời giải 1

Ban đầu, các nam châm gia tốc về phía nhau.

Mỗi nam châm tạo ra một từ trường, vì vậy mỗi nam châm đều nằm trong từ trường do nam châm kia tạo ra. Các cực gần nhất là hai cực khác tên, nam và bắc, nên các lực tác dụng lên các đầu ở gần nhau hướng về phía nhau.

Vì các cực này ở gần nhau hơn so với những cặp cực khác, tương tác hút giữa chúng mạnh hơn. Do đó, tác dụng tổng hợp của các tương tác tạo ra một hợp lực hút.

Điểm dễ mắc sai lầm là dừng lại ở câu “các cực khác tên hút nhau”. Câu đó dự đoán đúng chuyển động, nhưng một lời giải thích vật lý đầy đủ phải xác định các từ trường cho phép hai nam châm tương tác mà không cần tiếp xúc.

Câu hỏi 2

Hai nam châm thanh giống hệt nhau được xếp trên cùng một đường thẳng với các cực bắc đối diện nhau.

Một học sinh nói: “Sẽ không có hợp lực vì mỗi cực bắc cũng bị hút bởi cực nam ở đầu xa của nam châm kia.”

Giải thích vì sao học sinh này không đúng.

Lời giải 2

Các nam châm chịu một hợp lực đẩy vì lực đẩy giữa hai cực bắc ở gần nhau mạnh hơn các lực hút liên quan đến các cực nam ở xa hơn.

Mọi cực đều tham gia vào tương tác, vì vậy ý kiến của học sinh rằng các cực ở xa cũng có ảnh hưởng là hợp lý. Sai lầm nằm ở chỗ giả định rằng tất cả các tương tác đó đều mạnh như nhau.

Từ trường mạnh hơn khi ở gần nam châm hơn. Hai cực bắc đối diện nhau có khoảng cách nhỏ nhất, vì vậy tương tác đẩy giữa chúng chi phối. Các lực hút liên quan đến những cực ở đầu xa tác dụng qua khoảng cách lớn hơn và yếu hơn.

Do đó, tác dụng tổng hợp là lực đẩy, chứ không phải hợp lực bằng không.

Câu hỏi 3

Một nam châm thanh nằm ngang với cực bắc ở bên phải. Một la bàn rất nhỏ được đặt ngay bên phải cực bắc đó.

Ban đầu, đầu tìm bắc của la bàn sẽ chỉ theo hướng nào? Giải thích lập luận của bạn.

Lời giải 3

Đầu tìm bắc của la bàn chỉ xấp xỉ sang bên phải, ra xa cực bắc của nam châm thanh.

Ở bên ngoài một nam châm thanh, từ trường hướng ra xa cực bắc và về phía cực nam. Tại một điểm ngay bên phải cực bắc, từ trường cục bộ vì thế hướng xấp xỉ sang phải.

Kim la bàn bản thân cũng là một nam châm nhỏ. Đầu tìm bắc của nó quay về phía hướng của từ trường cục bộ, nên nó chỉ sang phải.

Quy tắc hữu ích ở đây không chỉ đơn giản là “bắc đẩy bắc”. La bàn chủ yếu có thể tự do quay, vì vậy việc đọc hướng của từ trường cục bộ cho dự đoán rõ ràng nhất.

Câu hỏi 4

Một nam châm thanh nhỏ được đặt gần một nam châm thanh lớn hơn nhiều. Ban đầu, nam châm nhỏ vuông góc với từ trường cục bộ.

Một học sinh dự đoán rằng nó phải lập tức chuyển động về phía hoặc ra xa nam châm lớn vì “nam châm chỉ có thể hút hoặc đẩy nhau”.

Giải thích điều gì khác có thể xảy ra.

Lời giải 4

Nam châm nhỏ có thể vừa quay vừa chuyển động tịnh tiến vì các lực từ tác dụng lên hai đầu của nó có thể tạo ra tác dụng làm quay.

Cực bắc và cực nam của nam châm nhỏ phản ứng khác nhau với từ trường ngoài. Vì các lực này tác dụng tại những điểm khác nhau trên nam châm, chúng có thể tạo ra mô-men lực làm nam châm quay.

Khi quay, nam châm có xu hướng tiến đến một hướng thẳng hàng với từ trường cục bộ.

Vì từ trường của nam châm lớn cũng không đều, nam châm nhỏ có thể đồng thời chịu một hợp lực và chuyển động. Do đó, chuyển động chính xác có thể bao gồm cả quay và tịnh tiến.

Quan niệm sai ở đây là xem nam châm như một điểm duy nhất chỉ có thể bị “hút” hoặc “đẩy”. Nam châm thanh có kích thước trong không gian, vì vậy các lực tác dụng lên hai đầu của nó cũng có thể làm nó quay.

Câu hỏi 5

Một nam châm thanh nhỏ được đặt ở giữa một từ trường đều lý tưởng. Ban đầu, trục của nó tạo một góc với từ trường.

Một học sinh lập luận:

“Có từ trường, nên nam châm phải gia tốc xuyên qua vùng đó.”

Đánh giá nhận định này.

Lời giải 5

Nhận định này không đúng. Trong một từ trường đều lý tưởng, nam châm có thể quay mà không chịu hợp lực tịnh tiến.

Từ trường có cùng độ lớn và hướng trên toàn bộ nam châm. Vì vậy, các lực liên quan đến hai cực của nam châm có thể kết hợp để tạo ra tác dụng làm quay đồng thời triệt tiêu nhau về hợp lực tác dụng lên tâm khối lượng của nam châm.

Nam châm có xu hướng quay cho đến khi hướng từ của nó thẳng hàng với từ trường ngoài, nhưng tâm của nó không nhất thiết phải gia tốc xuyên qua vùng đó.

Điều này khác với trường hợp gần một nam châm thanh, nơi từ trường ngoài không đều. Ở đó, một phần của nam châm thứ hai có thể nằm trong từ trường mạnh hơn phần khác, cho phép xuất hiện một hợp lực.

Ý chính là sự tồn tại của từ trường tự nó không đảm bảo sẽ có một hợp lực.

Câu hỏi 6

Hai nam châm thanh giống hệt nhau có các cực bắc đối diện nhau. Một người vẽ các đường sức từ đi thẳng từ một cực bắc qua khe giữa hai nam châm vào cực bắc kia, với các mũi tên chỉ từ trái sang phải.

Giải thích điều gì sai trong hình vẽ và mô tả dạng từ trường được mong đợi.

Lời giải 6

Hình vẽ không đúng vì các đường sức từ không đi trực tiếp từ một cực bắc vào một cực bắc khác.

Ở bên ngoài một nam châm thanh thông thường, các đường sức từ đi ra từ cực bắc và đi vào cực nam. Vì vậy, tại cả hai cực bắc đối diện nhau, hướng từ trường đều hướng ra ngoài khỏi bề mặt của chúng.

Trong vùng giữa hai nam châm, các thành phần từ trường do hai nam châm tạo ra ngược hướng nhau. Các đường sức từ uốn cong ra xa vùng trung tâm thay vì nối trực tiếp cực bắc này với cực bắc kia.

Tại đúng điểm giữa của hai cực bắc giống hệt nhau và được bố trí đối xứng hoàn hảo, các thành phần từ trường có thể triệt tiêu nhau. Điều đó không có nghĩa là hai nam châm không chịu lực đẩy tổng thể. Mỗi nam châm là một vật có kích thước hữu hạn và chiếm một vùng không gian mà trong đó từ trường của nam châm kia không đều, và các lực tổng hợp vẫn tạo ra một tương tác đẩy tổng thể.

Đó là lý do sơ đồ từ trường nên được đọc như một bản đồ của từ trường tại nhiều vị trí, chứ không phải như những sợi vật chất nối cực này với cực kia.

12Ý tưởng này dẫn đến đâu tiếp theo

Khi bạn phân biệt được từ trường với lực từ, một số ý tưởng học sau này sẽ trở nên dễ hiểu hơn nhiều.

Từ trường có thể làm kim la bàn quay vì la bàn là một lưỡng cực từ nhỏ. Từ trường có thể tác dụng lực lên các hạt mang điện đang chuyển động và các dây dẫn có dòng điện vì điện tích chuyển động phản ứng với từ trường. Sau đó, từ trường biến thiên có thể được liên hệ với hiện tượng cảm ứng điện từ.

Vì vậy, ý tưởng hữu ích không chỉ đơn thuần là “các cực khác tên hút nhau”.

Mà là một nam châm tạo ra từ trường trong toàn bộ không gian xung quanh nó, và một hệ từ khác phản ứng với từ trường tại vị trí của nó. Hút, đẩy và quay là những kết quả quan sát được khác nhau của cùng một tương tác đó.