Vì từ trường không thể nhận biết được bằng các giác quan, các nhà vật lí đã đưa ra khái niệm đường sức từ để hình dung về sự phân bố và chiều của từ trường trong không gian. Cụ thể, ta có thể thực hiện theo hai cách phổ biến sau:

1. Sử dụng mạt sắt: Khi rắc mạt sắt lên một tấm nhựa hoặc kính đặt trên một nam châm, các mạt sắt (vốn là những nam châm nhỏ) sẽ tự sắp xếp thành các đường cong nối từ cực Bắc (N) sang cực Nam (S) của nam châm. Những đường này chính là hình ảnh trực quan của các đường sức từ.
2. Sử dụng kim nam châm: Khi di chuyển một kim nam châm nhỏ trong từ trường, kim nam châm sẽ luôn định hướng theo phương của từ trường tại điểm đó. Bằng cách nối các vị trí của kim nam châm, ta vẽ được đường sức từ.

Kết luận: Để hình dung ra từ trường, ta sử dụng khái niệm đường sức từ. Đường sức từ là những đường vẽ trong không gian sao cho tiếp tuyến với chúng tại mỗi điểm trùng với phương của vectơ cảm ứng từ $\vec{B}$ tại điểm đó. Trong trường hợp tàu đệm từ, sự tương tác giữa các đường sức từ của nam châm điện trên ray và dưới thân tàu tạo ra lực đẩy (hoặc hút) đủ mạnh để nâng toàn bộ con tàu lên khỏi mặt ray, loại bỏ ma sát lăn và cho phép tàu đạt tốc độ cực cao.

Dưới đây là phương án thí nghiệm chi tiết để chứng minh hiện tượng này:

1. Mục đích thí nghiệm

Chứng minh rằng giữa một dây dẫn có dòng điện và một nam châm tồn tại lực tương tác (lực từ).

2. Dụng cụ thí nghiệm

• Một nguồn điện một chiều (Pin hoặc bộ nguồn DC).
• Một đoạn dây dẫn (có thể dùng dây đồng cứng để dễ quan sát chuyển động).
• Một nam châm vĩnh cửu (nam châm thẳng).
• Công tắc điện, dây nối.
• Giá đỡ để cố định hai đầu dây dẫn sao cho đoạn giữa có thể dao động tự do.

3. Các bước tiến hành

Bước 1: Lắp mạch điện gồm nguồn điện, công tắc và đoạn dây dẫn. Cố định hai đầu dây dẫn trên giá đỡ sao cho đoạn dây ở giữa treo lơ lửng hoặc đặt trên một bề mặt ma sát thấp.

Bước 2: Đóng công tắc để cho dòng điện chạy qua dây dẫn.

Bước 3: Đưa nam châm lại gần đoạn dây dẫn (đặt nam châm phía dưới hoặc phía trên dây dẫn).

Bước 4: Quan sát hiện tượng xảy ra với đoạn dây dẫn.

Bước 5: Thay đổi chiều dòng điện (đảo cực nguồn điện) hoặc đảo cực của nam châm và quan sát lại.

4. Sơ đồ minh họa thí nghiệm

5. Giải thích và Kết luận

Giải thích:
- Khi dòng điện chạy qua dây dẫn, xung quanh dây dẫn xuất hiện một từ trường hình tròn đồng tâm.
- Nam châm vĩnh cửu cũng tạo ra một từ trường riêng.
- Khi đặt nam châm gần dây dẫn, hai từ trường này tương tác với nhau, tạo ra một lực từ (lực Ampere) tác dụng lên đoạn dây dẫn, làm cho dây dẫn bị đẩy ra xa hoặc hút lại gần nam châm tùy thuộc vào chiều của dòng điện và cực của nam châm.

Kết luận: Thí nghiệm cho thấy khi ở gần nhau, một đoạn dây dẫn có dòng điện và một nam châm tác dụng lực lên nhau. Điều này chứng tỏ dòng điện sinh ra từ trường và tương tác với từ trường của nam châm.

Để thanh nam châm treo có thể quay xung quanh trục trùng với dây treo mà không chạm vào nó, ta thực hiện như sau:

1. Nguyên lý thực hiện: Ta sử dụng một thanh nam châm thứ hai đưa lại gần một trong hai đầu của thanh nam châm đang treo. Tùy vào cực của nam châm thứ hai mà ta có hai trường hợp tương tác:

• Trường hợp hút: Đưa cực khác tên của nam châm thứ hai lại gần đầu thanh nam châm treo. Đầu thanh nam châm treo sẽ bị hút về phía nam châm thứ hai.
• Trường hợp đẩy: Đưa cực cùng tên của nam châm thứ hai lại gần đầu thanh nam châm treo. Đầu thanh nam châm treo sẽ bị đẩy ra xa nam châm thứ hai.

2. Cách làm cho nam châm quay: Để thanh nam châm treo quay xung quanh trục dây treo, ta di chuyển nam châm thứ hai theo một quỹ đạo tròn xung quanh trục treo. Khi đó, lực từ (hút hoặc đẩy) sẽ liên tục thay đổi hướng, tạo ra một mô-men lực không đổi làm cho thanh nam châm treo quay theo (hoặc quay ngược lại) hướng di chuyển của nam châm thứ hai.

Kết luận: Bằng cách di chuyển nam châm thứ hai xung quanh trục treo, ta tạo ra lực từ tác dụng lên đầu nam châm treo, khiến nó quay quanh trục dây treo.

Để giải thích vì sao mạt sắt trong thí nghiệm lại được sắp xếp thành hình dạng nhất định, ta lập luận theo các bước sau:

1. Tính chất của mạt sắt: Sắt là một chất sắt từ. Khi đặt trong một từ trường ngoài (ví dụ như từ trường do nam châm tạo ra), các miền từ tính trong mỗi mạt sắt sẽ tự sắp xếp lại, khiến mỗi mạt sắt trở thành một nam châm nhỏ với hai cực Bắc và Nam.

2. Tác dụng của lực từ: Trong từ trường, mỗi mạt sắt (nam châm nhỏ) sẽ chịu tác dụng của mômen lực từ, làm cho nó quay cho đến khi trục của mạt sắt trùng với hướng của đường sức từ $\vec{B}$ tại điểm đó.

3. Sự hình thành hình dạng: Vì có rất nhiều mạt sắt được rắc trên bề mặt, các mạt sắt này sẽ nối đuôi nhau, sắp xếp song song và bám sát theo các đường cong của từ trường. Kết quả là chúng tạo thành các đường vân rõ rệt.

Kết luận: Các mạt sắt sắp xếp thành hình dạng nhất định vì chúng tự định hướng theo các đường sức từ. Do đó, hình dạng của các mạt sắt chính là hình ảnh trực quan hóa của đường sức từ trong không gian xung quanh nam châm.

Để xác định cực từ của kim nam châm dựa vào Hình 1.6, ta lập luận như sau:

1. Bản chất của kim nam châm: Kim nam châm là một nam châm vĩnh cửu có hình kim, có hai cực là cực Bắc (N) và cực Nam (S).
2. Tác dụng của từ trường: Khi đặt kim nam châm trong từ trường Trái Đất, lực từ sẽ tác dụng lên hai cực của kim, tạo ra một momen lực làm kim quay cho đến khi đạt trạng thái cân bằng. Ở trạng thái cân bằng, trục của kim nam châm sẽ trùng với phương của đường sức từ tại vị trí đó.
3. Hướng của kim: Theo quy ước và thực nghiệm, cực Bắc (N) của kim nam châm luôn hướng theo chiều của vectơ cảm ứng từ $\vec{B}$ (hướng từ cực Nam sang cực Bắc của từ trường).
4. Kết luận từ hình vẽ: Trong Hình 1.6, mũi tên chỉ hướng bắc của từ trường Trái Đất chính là hướng của vectơ cảm ứng từ $\vec{B}$. Do đó, đầu kim nam châm chỉ cùng hướng với mũi tên này là cực Bắc (N), và đầu kim chỉ ngược hướng với mũi tên là cực Nam (S).

Đáp số: Đầu kim nam châm chỉ theo hướng mũi tên là cực Bắc (N), đầu ngược lại là cực Nam (S).

Lời giải chi tiết:

1. Hiện tượng quan sát được:

Khi gõ nhẹ vào thành hộp mica, các mạt sắt không phân bố ngẫu nhiên mà tự sắp xếp thành những đường cong nối liền từ cực Bắc (N) sang cực Nam (S) của thanh nam châm. Các mạt sắt tập trung dày đặc nhất ở hai đầu cực của nam châm và thưa dần khi ra xa.

2. Giải thích bản chất vật lí:

• Thanh nam châm tạo ra một từ trường trong không gian xung quanh nó.
• Mỗi hạt mạt sắt nhỏ có thể coi là một nam châm siêu nhỏ với hai cực. Khi đặt trong từ trường của thanh nam châm lớn, chúng chịu tác dụng của lực từ, khiến chúng quay và định hướng sao cho trục của mạt sắt trùng với hướng của đường sức từ tại điểm đó.
• Khi gõ nhẹ vào thành hộp, ma sát giữa các mạt sắt và đáy hộp giảm đi, cho phép chúng tự do xoay và di chuyển để đạt trạng thái cân bằng theo hướng của từ trường.

3. Kết luận:

Kết quả của thí nghiệm cho thấy hình ảnh trực quan về các đường sức từ của nam châm thẳng. Những đặc điểm quan trọng rút ra là: đường sức từ là những đường cong khép kín, đi ra từ cực Bắc và đi vào cực Nam, mật độ đường sức càng dày thì từ trường tại đó càng mạnh (đó là lý do mạt sắt tập trung nhiều nhất ở hai đầu cực).

Để vẽ đường sức từ xung quanh một thanh nam châm, ta có thể thực hiện và lập luận theo các bước sau:

1. Phương pháp thực hiện: Sử dụng một kim nam châm nhỏ (một la bàn nhỏ). Đặt kim nam châm tại một điểm bất kỳ xung quanh thanh nam châm. Kim nam châm sẽ tự quay và dừng lại theo hướng của từ trường tại điểm đó (cực Bắc của kim nam châm sẽ chỉ chiều của đường sức từ). Bằng cách di chuyển kim nam châm đến nhiều điểm khác nhau và nối các vị trí cực Bắc của kim, ta vẽ được các đường sức từ.

2. Đặc điểm của đường sức từ xung quanh thanh nam châm:

• Chiều: Bên ngoài thanh nam châm, đường sức từ luôn đi từ cực Bắc (N) sang cực Nam (S).
• Hình dạng: Các đường sức từ là những đường cong khép kín. Càng gần hai cực, các đường sức từ càng dày, cho thấy từ trường tại đây mạnh nhất.
• Tính chất: Các đường sức từ không bao giờ cắt nhau.

Kết luận: Hình vẽ trên mô phỏng chính xác sự phân bố từ trường xung quanh một thanh nam châm thẳng, trong đó các đường sức từ tạo thành những cung tròn khép kín nối từ cực Bắc sang cực Nam.

Để xác định cực từ của thanh nam châm trong Hình 1.16, ta thực hiện lập luận theo các bước sau:

1. Quan sát đặc điểm đường sức từ: Trong hình vẽ, các đường sức từ được biểu diễn bằng các đường cong có mũi tên chỉ hướng.
2. Phân tích chiều mũi tên: Ta thấy các mũi tên của đường sức từ xuất phát từ đầu bên trái của thanh nam châm, uốn cong ra phía ngoài và đi vào đầu bên phải của thanh nam châm.
3. Áp dụng lý thuyết: Theo quy ước, đầu mà đường sức từ đi ra là cực Bắc (N), và đầu mà đường sức từ đi vào là cực Nam (S).

Kết luận: Đầu bên trái của thanh nam châm là cực Bắc (N) và đầu bên phải của thanh nam châm là cực Nam (S).