Từ kế là thiết bị đo độ mạnh và hướng của từ trường, đơn vị thường dùng là microtesla (µT) hoặc nanotesla (nT). Từ trường Trái Đất ở mặt đất mạnh khoảng 25–65 µT tuỳ nơi, và chiếc điện thoại thông minh nào cũng có sẵn một từ kế ba trục đủ nhạy để thấy con số đó. Ở đầu kia của thang đo, từ kế trong trạm địa từ và vệ tinh bắt được những dao động nhỏ hơn một phần nghìn từ trường Trái Đất, đủ để vẽ bản đồ lòng đất, theo dõi bão từ và tìm dấu vết lò nung cổ dưới ruộng.
Từ trường đo bằng đơn vị gì
Đơn vị SI của cảm ứng từ là tesla (T), mang tên Nikola Tesla. Một tesla là rất lớn: máy chụp cộng hưởng từ (MRI) ở bệnh viện thường chạy 1,5 hoặc 3 T. Đời sống hằng ngày dùng các bậc nhỏ hơn:
- microtesla (µT): một phần triệu tesla. Từ trường Trái Đất và hầu hết số đọc trên điện thoại tính bằng đơn vị này.
- nanotesla (nT): một phần tỉ tesla. Giới địa vật lý dùng đơn vị này; trong tài liệu cũ còn gọi là "gamma".
- gauss (G): đơn vị cũ hệ CGS, 1 G = 100 µT. Nam châm tủ lạnh vài chục đến cả trăm gauss ở sát bề mặt; máy đo EMF bình dân hay dùng milligauss (mG), với 1 mG = 0,1 µT.
Từ trường là một vectơ: có độ lớn và hướng. Từ kế ba trục đo ba thành phần theo ba phương vuông góc, rồi máy tính ra độ lớn tổng và hướng.
Các loại từ kế: từ con chip trong túi đến phòng thí nghiệm
| Loại | Nguyên lý vắn tắt | Độ nhạy cỡ | Dùng ở đâu |
|---|---|---|---|
| Hiệu ứng Hall | Từ trường làm lệch dòng điện trong bán dẫn, sinh ra hiệu điện thế nhỏ | Vài phần mười µT trở lên | Điện thoại, cảm biến tốc độ, công tắc |
| Từ trở (AMR, TMR) | Điện trở của màng vật liệu từ thay đổi theo từ trường | Phần mười đến phần trăm µT | Điện thoại, la bàn điện tử, ô tô |
| Fluxgate (cổng từ) | Lõi từ được kích bão hoà liên tục; từ trường ngoài làm lệch tín hiệu | Dưới 1 nT | Trạm địa từ, vệ tinh, khảo sát địa chất |
| Tiến động proton | Đo tần số tiến động của proton trong chất lỏng giàu hydro, tỉ lệ đúng với từ trường | Dưới 1 nT, đo độ lớn tuyệt đối | Khảo sát từ trên đất liền, biển |
| Bơm quang học | Dùng laser và hơi nguyên tử kiềm (xesi, kali), đo tần số cộng hưởng | Phần trăm nT trở xuống | Khảo sát hàng không, khảo cổ, nghiên cứu |
| SQUID | Vòng siêu dẫn có mối nối Josephson, làm lạnh sâu | Cỡ femtotesla | Đo từ trường của não (MEG), nghiên cứu vật liệu |
Khoảng cách từ con chip trong điện thoại đến SQUID là chừng chín, mười bậc độ lớn. Từ trường do hoạt động thần kinh của não tạo ra chỉ cỡ vài chục đến vài trăm femtotesla, nhỏ hơn từ trường Trái Đất hàng trăm triệu lần, vì thế phép đo MEG phải làm trong phòng chắn từ đặc biệt.
Từ kế trong điện thoại: làm được gì, không làm được gì
Từ kế điện thoại sinh ra chủ yếu để làm la bàn và giúp bản đồ biết bạn đang quay mặt hướng nào. Nhưng nó cũng là một dụng cụ đo thật. Ứng dụng miễn phí phyphox do Đại học RWTH Aachen (Đức) phát triển cho phép xem trực tiếp ba trục từ trường bằng µT và ghi lại thành đồ thị.
Vài phép thử dễ làm:
- Đặt điện thoại nằm yên trên bàn gỗ, xa đồ điện: độ lớn tổng sẽ vào khoảng vài chục µT, gần giá trị từ trường Trái Đất ở nơi bạn ở. Ở Việt Nam, gần xích đạo từ, con số thường quanh 40–45 µT.
- Đưa máy lại gần loa, nam châm tủ lạnh, ốp lưng có nam châm: số vọt lên hàng trăm, hàng nghìn µT. Đây là lý do la bàn điện thoại chỉ sai khi lắp ốp nam châm hoặc để gần loa.
- Đi dọc dầm thép, lan can sắt: số dao động rõ. Thép bị từ hoá nhẹ và còn bẻ cong đường sức từ Trái Đất quanh nó.
Những gì từ kế điện thoại không làm được:
- Không đo sóng vô tuyến (wifi, 4G, 5G). Sóng điện từ tần số cao nằm ngoài khả năng của nó hoàn toàn. Các ứng dụng "đo sóng điện từ" chỉ dùng từ kế thì thực chất đo từ trường tĩnh.
- Không đo được từ trường xoay chiều 50 Hz một cách tin cậy, vì tốc độ lấy mẫu và bộ lọc của chip không thiết kế cho việc đó.
- Không phải dụng cụ chính xác tuyệt đối. Chip có độ lệch không (offset) đáng kể, phần mềm phải liên tục tự bù.
Vì sao la bàn điện thoại bắt bạn vẽ hình số 8
Bên trong điện thoại có loa, cuộn dây, khung kim loại, linh kiện sắt từ. Chúng cộng thêm một từ trường cố định vào số đo (gọi là nhiễu "sắt cứng") và làm méo từ trường Trái Đất đi qua máy (nhiễu "sắt mềm"). Khi bạn xoay máy theo mọi hướng, phần mềm thấy các số đo lẽ ra phải nằm trên một mặt cầu nhưng lại bị lệch tâm, méo thành hình bầu dục; nó tính ra phần lệch và trừ đi. Động tác "vẽ số 8" chỉ là cách nhanh để cho máy nhìn đủ các hướng.
Người làm khảo sát từ chuyên nghiệp gặp đúng vấn đề này ở cỡ lớn hơn: máy bay khảo sát phải bay những vòng hiệu chỉnh để trừ từ trường của chính thân máy bay, còn người đi khảo sát bộ thì tháo hết chìa khoá, điện thoại, giày đinh ra khỏi người.
Dị thường từ: khi lòng đất tự khai
Trong địa vật lý, "dị thường từ" là thuật ngữ chính thức: phần chênh giữa từ trường đo được và từ trường "bình thường" theo mô hình. Nguồn gây dị thường là đá và đất chứa khoáng vật từ tính, chủ yếu là magnetit.
- Thăm dò khoáng sản: thân quặng sắt tạo dị thường hàng nghìn nT. Dị thường từ Kursk ở Nga là ví dụ kinh điển, mạnh đến mức làm la bàn lệch rõ.
- Đáy đại dương: các dải dị thường từ chạy song song hai bên sống núi giữa đại dương, ghi lại các lần từ trường Trái Đất đảo cực, là một trong những bằng chứng then chốt cho thuyết kiến tạo mảng.
- Khảo cổ: đất sét nung (lò gốm, bếp lửa, gạch) giữ lại từ tính khi nguội; hào, hố chứa đất mặt giàu chất hữu cơ cũng khác đất xung quanh vài nT. Kéo từ kế độ nhạy cao chạy theo lưới trên ruộng, nhà khảo cổ có được bản đồ di tích chôn vùi trước khi đào nhát cuốc nào.
Đây là ví dụ đẹp về "bất thường" theo nghĩa khoa học: không có gì huyền bí, chỉ là phần số đo lệch khỏi mức nền, và chính phần lệch đó mang thông tin.
Trạm địa từ: canh từ trường Trái Đất ngày đêm
Từ trường Trái Đất không đứng yên. Nó thay đổi chậm qua nhiều năm (cực từ trôi dần), dao động hằng ngày vài chục nT theo dòng điện trong tầng điện ly bị Mặt Trời đốt nóng, và rung mạnh vài trăm nT trong những trận bão từ khi gió Mặt Trời ập đến.
Các trạm địa từ trên khắp thế giới ghi liên tục ba thành phần từ trường bằng từ kế fluxgate, kèm phép đo tuyệt đối định kỳ. Nhiều trạm chia sẻ dữ liệu qua mạng lưới INTERMAGNET. Việt Nam có các đài địa từ do Viện Vật lý Địa cầu (Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam) vận hành, trong đó có đài Phú Thụy ở Hà Nội và đài Đà Lạt. Dữ liệu này giúp tính chỉ số bão từ, cập nhật mô hình từ trường toàn cầu mà điện thoại và hàng hải dùng, và cảnh báo nguy cơ cho lưới điện, vệ tinh, định vị.
Để trạm đo chính xác, chung quanh phải "sạch từ": không đường ray, không nhà thép, không xe cộ qua lại gần. Một chiếc xe tải chạy ngang cách vài chục mét cũng đủ in dấu lên đồ thị.
Tự làm nhà địa từ học nghiệp dư
Bạn có thể đặt một chiếc điện thoại cũ nằm yên cố định ở góc nhà, xa đồ điện, chạy phyphox ghi từ trường suốt nhiều giờ. Những ngày yên tĩnh, đường đồ thị gần như phẳng, chỉ trôi vì nhiệt độ làm chip lệch. Khi có bão từ mạnh, như đợt bão từ cấp cao nhất tháng 5 năm 2024 khiến cực quang xuất hiện ở những vĩ độ thấp bất thường, từ trường dao động hàng trăm nT, đủ lớn để về nguyên tắc một chip điện thoại đặt yên có thể bắt được, dù nó thô hơn từ kế ở trạm thật rất nhiều. Gần xích đạo như Việt Nam, dao động nhỏ hơn vùng vĩ độ cao, nên đừng thất vọng nếu không thấy gì.
Muốn so với số liệu thật, vào trang dữ liệu của INTERMAGNET hoặc trung tâm thời tiết không gian của NOAA để xem chỉ số Kp những ngày đó.
Câu hỏi thường gặp
Từ kế là gì?
Từ kế là thiết bị đo độ mạnh và hướng của từ trường, thường tính bằng microtesla hoặc nanotesla. Có nhiều loại, từ con chip Hall trong điện thoại tới từ kế fluxgate ở trạm địa từ và SQUID đo từ trường của não.
Từ trường Trái Đất mạnh bao nhiêu?
Ở mặt đất, từ trường Trái Đất mạnh khoảng 25–65 µT, yếu nhất ở vùng Nam Đại Tây Dương và mạnh nhất gần các cực từ. Ở Việt Nam con số thường vào khoảng 40–45 µT.
Điện thoại có từ kế không, xem ở đâu?
Hầu hết điện thoại thông minh có từ kế ba trục để làm la bàn. Có thể xem số đo trực tiếp bằng µT qua ứng dụng như phyphox, đặt máy nằm yên xa đồ điện để thấy giá trị từ trường Trái Đất.
Từ kế điện thoại có đo được sóng wifi, 4G không?
Không. Từ kế chỉ đo từ trường tĩnh và biến đổi chậm, hoàn toàn không cảm nhận được sóng vô tuyến tần số cao. Ứng dụng "đo sóng điện từ" chỉ dựa vào từ kế thì thực chất đang đo từ trường tĩnh.
Dị thường từ là gì?
Dị thường từ là phần chênh giữa từ trường đo được và từ trường bình thường theo mô hình, do đá, quặng hoặc đất nung chứa khoáng vật từ tính gây ra. Nhà địa chất dùng nó để tìm quặng, nhà khảo cổ dùng để tìm lò nung và hào cổ chôn dưới đất.
