Nam châm là gì? 

Nam châm (magnet) là một vật liệu hoặc vật thể tạo ra từ trường. Từ trường này là vô hình nhưng là nguyên nhân tạo nên tính chất nổi bật nhất của nam châm: lực hút lên các vật liệu sắt từ, như sắt, thép, niken, coban… và hút hoặc đẩy các nam châm khác.

Nam châm vĩnh cửu là một vật thể được làm từ vật liệu đã được từ hóa và tạo ra từ trường bền của riêng nó. Ví dụ thường gặp là nam châm dán tủ lạnh dùng để giữ những tờ giấy ghi chú trên cửa tủ lạnh. Những vật liệu có thể bị từ hóa – và cũng là những vật liệu bị hút mạnh bởi nam châm – được gọi là vật liệu sắt từ (hoặc ferri từ).

Tính chất vật lý của nam châm

Từ trường

Mật độ từ thông (còn gọi là trường từ B hoặc chỉ đơn giản là từ trường, thường được ký hiệu là B) là một trường vectơ. Vectơ từ trường B tại một điểm nhất định trong không gian được xác định bởi hai đặc tính:

• Hướng của nó, theo hướng của kim la bàn chỉ.
• Độ lớn của nó (còn gọi là cường độ), tỷ lệ thuận với độ mạnh của kim la bàn theo hướng đó.

Trong hệ SI, cường độ từ trường B được tính bằng tesla (T).

Mô men từ

Mô men từ của nam châm (còn gọi là mô men lưỡng cực từ và thường được ký hiệu là μ) là một vectơ đặc trưng cho các tính chất từ ​​tổng thể của nam châm.

Đối với một thanh nam châm, hướng của mô men từ chỉ từ từ cực nam (S) của nam châm đến cực bắc (N) của nó và độ lớn liên quan đến độ mạnh và khoảng cách giữa 2 cực này. Trong hệ SI, mô men từ được biểu thị bằng A·m² (ampe nhân mét vuông).

Từ hóa

Độ từ hóa của vật liệu đã được từ hóa là giá trị cục bộ của mô men từ trên mỗi đơn vị thể tích, thường được ký hiệu là M, với đơn vị là A/m. Nó là một trường vectơ, chứ không chỉ là một vectơ (như mô men từ), bởi vì các vùng khác nhau trong nam châm có thể bị từ hóa với các hướng và cường độ khác nhau (ví dụ, do các miền từ, xem bên dưới).

Một thanh nam châm tốt có thể có độ lớn mômen từ 0,1 A·m² và thể tích 1 cm³ (tức 1×10−6 m³), do đó độ từ hóa trung bình là 100.000 A/m. Sắt có thể có độ từ hóa khoảng 1.000.000 A/m. Giá trị lớn như vậy giải thích tại sao nam châm sắt lại hiệu quả trong việc tạo ra từ trường mạnh đến vậy.

Mô hình nam châm

Có hai mô hình khác nhau cho nam châm: cực từ và dòng điện nguyên tử.

Tính phân cực (Cực tính)

Cực bắc của nam châm được định nghĩa là cực mà khi nam châm được treo tự do, hướng về Cực Bắc từ của Trái Đất ở Bắc Cực (cực từ và cực địa lý không trùng nhau, xem ở phần độ lệch từ).

Vì các cực trái dấu hút nhau, Cực Bắc Từ thực chất là cực nam của từ trường Trái Đất. Trên thực tế, để biết cực nào của nam châm là cực bắc và cực nào là cực nam, không nhất thiết phải sử dụng từ trường Trái Đất.

Vật liệu từ tính

Thuật ngữ nam châm thường được dùng để chỉ các vật thể tự tạo ra từ trường duy trì ngay cả khi không có từ trường ngoài tác động. Chỉ một số loại vật liệu nhất định mới có khả năng này.

Tuy nhiên, hầu hết các vật liệu đều tạo ra từ trường khi có từ trường bên ngoài tác dụng – hiện tượng này được gọi là từ tính. Có nhiều loại từ tính và tất cả các vật liệu đều thể hiện ít nhất một dạng của từ tính.

Hành vi từ tính tổng thể của một vật liệu có thể rất khác nhau, tùy thuộc vào cấu trúc của vật liệu, đặc biệt là cấu hình electron của nó. Một số dạng hành vi từ tính đã được quan sát thấy ở các vật liệu khác nhau, bao gồm:

• Vật liệu sắt từ và ferri từ: đây là những vật liệu thường được coi là có từ tính; chúng bị nam châm hút đủ mạnh để có thể cảm nhận được lực hút. Những vật liệu này là những vật liệu duy nhất có thể duy trì từ tính và trở thành nam châm, ví dụ phổ biến là nam châm tủ lạnh.
• Vật liệu thuận từ, chẳng hạn như bạch kim (platinum), nhôm và oxy, bị hút yếu vào một trong hai cực của nam châm. Lực hút này yếu hơn hàng trăm nghìn lần so với vật liệu sắt từ, vì vậy nó chỉ có thể được phát hiện bằng cách sử dụng các thiết bị nhạy cảm hoặc sử dụng nam châm cực mạnh.
• Vật liệu nghịch từ: có nghĩa là bị đẩy bởi cả hai cực. So với vật liệu thuận từ và sắt từ, vật liệu nghịch từ, chẳng hạn như carbon, đồng, nước và nhựa, thậm chí còn bị nam châm đẩy yếu hơn. Độ từ thẩm của vật liệu nghịch từ nhỏ hơn độ từ thẩm của chân không.

Công dụng phổ biến của nam châm

• Phương tiện ghi từ: Băng VHS chứa một cuộn băng từ. Thông tin tạo nên hình ảnh và âm thanh được mã hóa trên lớp phủ từ tính của băng.
• Thẻ tín dụng, thẻ ghi nợ và thẻ ATM: Tất cả các loại thẻ này đều có một dải từ ở một mặt. Dải từ này mã hóa thông tin để liên hệ với tổ chức tài chính của cá nhân và kết nối với tài khoản của họ.
• Các loại tivi đời cũ (không phải màn hình phẳng) và màn hình máy tính cỡ lớn đời cũ: Màn hình tivi và máy tính chứa ống tia âm cực (cathode) sử dụng nam châm điện để dẫn các electron đến màn hình.
• Cảm biến: Nam châm vĩnh cửu là linh kiện hữu ích để chế tạo cảm biến từ nhằm phát hiện chuyển động, độ dịch chuyển, vị trí,…
• Loa và micrô: Hầu hết loa sử dụng nam châm vĩnh cửu và cuộn dây dẫn điện để chuyển đổi năng lượng điện (tín hiệu) thành năng lượng cơ học (chuyển động tạo ra âm thanh).
• Đàn guitar điện sử dụng bộ thu từ để chuyển đổi rung động của dây đàn guitar thành dòng điện, sau đó có thể được khuếch đại. Điều này khác với nguyên lý hoạt động của loa và micro động vì các rung động được cảm nhận trực tiếp bởi nam châm, và không sử dụng màng loa.
• Động cơ điện và máy phát điện: Một số động cơ điện hoạt động dựa trên sự kết hợp giữa nam châm điện và nam châm vĩnh cửu, và giống như loa, chúng chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng cơ học. Máy phát điện thì ngược lại: nó chuyển đổi năng lượng cơ học thành năng lượng điện bằng cách di chuyển một dây dẫn qua từ trường.
• Y học: Bệnh viện sử dụng phương pháp chụp cộng hưởng từ (MRI) để phát hiện các vấn đề trong các cơ quan của bệnh nhân mà không cần phẫu thuật xâm lấn.
• Hóa học: Các nhà hóa học sử dụng cộng hưởng từ hạt nhân (NMR) để xác định các hợp chất tổng hợp.
• La bàn: La bàn (hay la bàn của thủy thủ) là một kim chỉ từ tính có thể tự do căn chỉnh với từ trường, phổ biến nhất là từ trường của Trái Đất.
• Nghệ thuật: Các tấm nam châm vinyl có thể được dán vào tranh vẽ, ảnh chụp và các vật dụng trang trí khác, cho phép chúng được gắn vào tủ lạnh và các bề mặt kim loại khác.
• Các dự án khoa học: Nhiều chủ đề thí nghiệm dựa trên nam châm, bao gồm lực đẩy của dây dẫn có dòng điện, tác động của nhiệt độ và động cơ sử dụng nam châm.
• Đồ chơi: Với khả năng chống lại lực hấp dẫn ở cự ly gần, nam châm thường được sử dụng trong đồ chơi trẻ em, chẳng hạn như Bánh xe Không gian Nam châm và Levitron, mang lại hiệu ứng thú vị.
• Nam châm có thể được sử dụng để làm đồ trang sức: Vòng cổ và vòng tay có thể có móc cài từ tính, hoặc có thể được chế tạo hoàn toàn từ một chuỗi nam châm và hạt sắt liên kết với nhau.
• Nhặt vật dụng kim loại: Nam châm có thể hút các vật dụng từ tính (đinh sắt, kim bấm, đinh ghim, kẹp giấy) quá nhỏ, quá khó với tới hoặc quá mỏng để ngón tay có thể cầm nắm.
• Tách kim loại: Nam châm có thể được sử dụng trong các hoạt động thu gom phế liệu và cứu hộ để tách kim loại từ tính (sắt, coban và niken) khỏi kim loại không từ tính (nhôm, hợp kim màu,…).
• Nam châm được sử dụng trong các ngành công nghiệp chế biến, đặc biệt là sản xuất thực phẩm, để loại bỏ các tạp chất kim loại khỏi vật liệu đi vào quy trình (nguyên liệu thô) hoặc phát hiện khả năng nhiễm bẩn ở cuối quy trình và trước khi đóng gói.
• Vận tải đệm từ, hay còn gọi là maglev, là một hình thức vận tải treo, dẫn hướng và đẩy các phương tiện (đặc biệt là tàu hỏa) bằng lực điện từ. Việc loại bỏ lực cản lăn giúp tăng hiệu suất. Tốc độ tối đa được ghi nhận của tàu đệm từ là 581 km/h (361 dặm/giờ).
• Thiết bị an toàn: Nam châm có thể được sử dụng như một thiết bị an toàn cho một số kết nối cáp. Ví dụ, dây nguồn của một số máy tính xách tay có từ tính để ngăn ngừa hư hỏng cổng kết nối do vô tình bị vấp phải.

Cách từ hóa vật liệu sắt từ

Vật liệu sắt từ có thể được từ hóa theo các cách sau:

• Nung nóng vật thể cao hơn nhiệt độ Curie, để vật thể nguội đi trong từ trường và đập mạnh khi nguội. Đây là phương pháp hiệu quả nhất và tương tự như các quy trình công nghiệp được sử dụng để tạo ra nam châm vĩnh cửu.
• Đặt vật phẩm trong từ trường ngoài sẽ khiến nó giữ lại một phần từ tính khi được lấy ra. Rung động đã được chứng minh là làm tăng hiệu ứng này. Các vật liệu chứa sắt được căn chỉnh thẳng hàng với từ trường Trái Đất và chịu tác động của rung động (ví dụ: khung băng tải) đã được chứng minh là có từ tính dư đáng kể.
• Chà xát: Một nam châm có sẵn được di chuyển từ đầu này sang đầu kia của vật phẩm nhiều lần theo cùng một hướng (phương pháp 1 điểm chạm) hoặc hai nam châm được di chuyển ra ngoài từ tâm của vật phẩm (phương pháp chạm kép).
• Dòng điện: Từ trường được tạo ra bằng cách cho dòng điện chạy qua cuộn dây có thể khiến các miền thẳng hàng. Khi tất cả các miền đã thẳng hàng, việc tăng dòng điện sẽ không làm tăng từ tính.