Từ Tính Là Gì ?

Nam Châm Tự Nhiên【Natural Magnets】

Vào thời cổ đại xa xưa, người Hy Lạp đã phát hiện ra một loại đá đặc biệt, ban đầu họ tìm thấy ở gần thành phố Magnesia ở Tiểu Á (Asia Minor), có khả năng kéo (hút) và giữ các mảnh sắt. Loại đá này thực chất là một loại quặng sắt được gọi là “magnetite”, và khả năng kéo (hút) của nó được gọi là từ tính (magnetism). Các loại đá chứa quặng có lực hút này được gọi là nam châm tự nhiên.

Trước đây, Nam châm tự nhiên hiếm khi được sử dụng tới, cho đến khi người ta phát hiện ra rằng một nam châm được gắn sao cho có thể quay tự do, thì nó sẽ luôn quay sao cho một mặt của nó chỉ về hướng bắc. Những mảnh đá từ tính (magnetite) lơ lửng trên một sợi dây được gọi là đá nam châm (lodestones), nghĩa là đá dẫn đường (leadingstones), và đã được người Trung Quốc sử dụng để làm la bàn thô sơ khi đi du hành trên sa mạc hơn 2.000 năm trước. Và cũng từ những nam châm tự nhiên đó, các thủy thủ đã chế tạo ra những chiếc la bàn thô sơ sử dụng trong các chuyến thám hiểm đầu tiên của mình.

Chính Trái Đất là một nam châm tự nhiên lớn, và sự di chuyển của một nam châm tự nhiên luôn quay hướng về phía bắc, là do từ tính (từ trường) của Trái Đất.

Chú Thích

• (North): “Bắc”; “北”
• (South): “Nam”; “南”

Nam Châm Vĩnh Cửu【Permanent Magnets】

Trong quá trình sử dụng nam châm tự nhiên, người ta đã phát hiện ra rằng: một miếng sắt bị xoa với một nam châm tự nhiên sẽ trở nên từ tính (từ hóa, nhiễm từ | magnetized) và tạo ra một nam châm nhân tạo (artificial magnet). Các nam châm nhân tạo cũng có thể được tạo ra bằng cách sử dụng điện và các vật liệu khác ngoài sắt cũng có thể được sử dụng để tạo ra những nam châm mạnh hơn. Hợp kim chứa niken và coban tạo ra những nam châm tốt nhất và thường được sử dụng trong những nam châm mạnh.

Ngày nay, nhiều nam châm mạnh và rẻ tiền được chế tạo bằng cách nhúng các hạt sắt hoặc hợp kim vào gốm hoặc nhựa. Một lợi thế lớn của các loại nam châm này là chúng có thể được chế tạo dễ dàng ở hầu hết mọi hình dạng hoặc kích thước mong muốn.

Chú Thích

• (Iron Magnet): Nam châm làm từ sắt
• (Steel Alloy Magnet): Nam châm làm từ hợp kim thép

Sắt dễ bị nhiễm từ hơn các vật liệu khác nhưng cũng dễ mất từ ​​tính, nên nam châm bằng sắt mềm gọi là nam châm tạm thời. Còn những nam châm làm bằng hợp kim thép giữ từ tính (giữ lực hút) trong thời gian dài và được gọi là nam châm vĩnh cửu.

Trong nam châm, hiệu ứng từ tính thường tập trung ở hai điểm, thường là ở hai đầu của nam châm. Những điểm này gọi là cực của nam châm – một là cực Bắc, một là cực Nam. Cực Bắc nằm ở đầu của nam châm mà nếu bạn để nam châm có thể xoay tự do, nó sẽ chỉ về phía Bắc. Còn cực Nam nằm ở phía đầu đối diện.

Nam châm được chế tạo với nhiều hình dạng, kích cỡ, độ bền và cường độ mạnh là khác nhau. Nam châm vĩnh cửu thường được làm bằng một thanh hợp kim thép, thẳng với các cực ở hai đầu, hoặc uốn cong theo hình chữ “U” móng ngựa quen thuộc với các cực ở hai phía đối diện của lỗ hở.

Bản Chất Của Vật Liệu Từ Tính【The Nature of Magnetic Materials】

Từ tính (Magnetism) là một đặc tính chỉ được thể hiện ở một số loại vật liệu, ví dụ như sắt, coban, niken và các hợp kim có chứa các vật liệu này. Hai câu hỏi bạn có thể đặt ra là (1) tại sao chỉ một số vật liệu có đặc tính – từ tính và (2) tại sao những vật liệu này phải được từ hóa (magnetized) để trở thành nam châm? Bạn có thể có câu trả lời cho những câu hỏi này bằng cách xem điều gì xảy ra khi bạn lấy một thanh nam châm và bẻ nó thành từng mảnh.

Nếu làm như vậy, bạn sẽ thấy rằng mỗi mảnh đều là một nam châm, nhưng tất nhiên là nó sẽ yếu hơn nhiều so với lúc ban đầu. Nếu bạn làm điều tương tự (bẻ), với một thanh không nhiễm từ (không nhiễm từ tính | unmagnetized) làm từ cùng loại vật liệu, bạn sẽ thu được những mảnh vật liệu không nhiễm từ nhỏ. Tuy nhiên, nếu bạn có thể bẻ thanh này thành những mảnh rất rất nhỏ – chỉ gồm vài triệu triệu nguyên tử, thì bạn sẽ thấy rằng những mảnh rất rất nhỏ này đối với cả thanh được từ hóa (magnetized) và thanh không bị từ hóa (unmagnetized) đều có đặc tính (tính chất) từ tính.

Các nhà vật lý cho chúng ta biết rằng các electron quay quanh hạt nhân nguyên tử tạo ra trường từ tính (từ trường | magnetic field) trong tất cả các nguyên tử. Trong hầu hết các vật liệu, các electron đi theo các hướng khác nhau và trường từ của chúng triệt tiêu nhau, nên các nguyên tử riêng lẻ không có trường từ tính (từ trường) tổng toàn phần. Ngay cả hầu hết các nguyên tử có số electron lẻ đều không có từ tính (nonmagnetic), vì các nguyên tử này được sắp xếp thành nhóm khoảng một triệu triệu nguyên tử gọi là miền (domain) và các nguyên tử này được sắp xếp ngẫu nhiên nên không có từ trường tổng (mặc dù một nguyên tử cá nhân, có số electron lẻ có thể có từ tính). Trong vật liệu từ tính, các nguyên tử không hoàn toàn đối lập nhau trên quỹ đạo của chúng, trên thực tế, chúng cộng thêm nhau, do đó mỗi miền (domain) đều có từ tính (từ trường) mạnh. Trong vật liệu từ tính không bị nhiễm từ tính, các miền này được sắp xếp định hướng ngẫu nhiên, làm cho các trường từ (từ trường) của mỗi miền chỉ hướng ở mọi hướng và không tạo ra có trường từ tính (từ trường) tổng. Tuy nhiên, khi chúng ta vuốt xoa vật liệu, bằng một nam châm khác hoặc bằng các phương tiện khác, chúng ta sắp xếp tất cả các miền (domain) theo một hướng, các trường từ tính (từ trường) cộng lại với nhau và thanh trở thành từ tính (từ trường).

Chú Thích

• (Unmagnetized Random Orientation): Sự Sắp xếp ngẫu nhiên, chưa có từ tính
• (Magnetized Organized Orientation): Sự Sắp xếp có tổ chức, có từ tính

Từ đó, ta thấy rằng một nam châm vĩnh cửu là nam châm mà các miền từ tính vẫn giữ nguyên sắp xếp sau khi đã được sắp xếp một lần; và một nam châm tạm thời là nam châm mà các miền, lại trở về sắp xếp ngẫu nhiên ban đầu sau khi nguồn từ, đã được loại bỏ.

Từ Trường (Trường Từ Tính)【Magnetic Fields】

Từ trường (magnetic field) và lực từ trường (magnetic forces), giống như trường tĩnh điện (electrostatic fields) và lực tĩnh điện (electrostatic forces), là không nhìn thấy và chỉ có thể quan sát được thông qua những hiệu ứng chúng tạo ra. Mặc dù không thấy được, nhưng sự tương tác của các từ trường với nhau và với dây dẫn di chuyển qua chúng là một trong những điều quan trọng nhất trong điện học, vì các hiệu ứng này chúng được sử dụng để tạo ra hầu hết năng lượng điện mà chúng ta sử dụng và cung cấp năng lượng, có thể tạo ra từ điện.

Từ trường của một nam châm có thể được giải thích tốt nhất là các đường sức vô hình (đường lực vô hình) rời khỏi nam châm tại một điểm và đi vào nam châm tại một điểm khác. Những đường sức vô hình này được gọi là đường sức (flux line) và hình dạng diện tích khu vực mà chúng chiếm giữ được gọi là mẫu đường sức (từ thông | flux pattern). Số lượng dòng từ thông (đường sức) trên một đơn vị diện tích được gọi là mật độ từ thông (flux density). Khi mật độ từ thông được đo bằng số dòng trên centimet vuông, chúng ta sử dụng đơn vị “mật độ từ thông” gọi là “gauss”, được đặt theo tên của một nhà vật lý thế kỷ 18, người đã nghiên cứu về từ tính. Những điểm mà hầu hết các đường sức từ đi ra hoặc đi vào nam châm được gọi là các cực. Mạch từ (magnetic circuit) là con đường đi của các đường sức từ (magnetic lines of force) di chuyển qua.

Chú Thích

• (The Magnetic Field): “Từ trường”; “Trường từ tính”; “Trường từ”
• (Line Of Force): “Đường lực”; “Đường lực từ”; “Đường lực vô hình”; “Đường sức”; “Đường sức từ”

Bạn có thể hình dung từ trường xung quanh nam châm bằng cách sử dụng các mạt sắt vì các mạt sắt sẽ bị từ hóa trong từ trường của nam châm và sau đó tự sắp xếp dọc theo các đường sức (lines of force). Nếu bạn đặt một tờ giấy hoặc nhựa lên trên một nam châm rồi rắc mạt sắt lên trên đó, bạn sẽ thấy rằng các mạt sắt sẽ tự sắp xếp thành một chuỗi các đường không cắt nhau và kết thúc ở các cực của nam châm. Nồng độ (Mức độ tập trung) của các mạt sắt sẽ cho biết cường độ (độ mạnh yếu) của từ trường tại các điểm khác nhau xung quanh nam châm.

• (Magnetic Field By Means Of Iron Filings): Vẽ ra từ trường, bằng cách sử dụng bột sắt
• (Iron flings): “Bột sắt”; “Mạt sắt”
• (Magnets): Nam châm
• (Perspex): Một loại nhựa dẻo trong suốt
• (How The Iron Filings Arrange Themselves): Cách các hạt sắt tự xếp thành hàng

Nếu bạn đặt hai nam châm lại gần nhau với các cực Bắc quay mặt vào nhau, bạn sẽ cảm thấy một lực đẩy giữa các cực. Đưa các cực Nam lại gần nhau cũng sẽ tạo ra lực đẩy, nhưng nếu cực Bắc được đưa lại gần cực Nam thì sẽ tồn tại lực hút. Về mặt này, các cực từ (magnetic poles), rất giống các điện tích tĩnh (static charges). Các điện tích hoặc cực cùng loại thì đẩy nhau và các điện tích hoặc cực khác nhau thì hút nhau. Định luật lực đẩy và lực hút giống như định luật đối với điện tích (electric charges) – “nghĩa là lực đẩy hoặc lực hút tỷ lệ thuận với độ mạnh của các cực và tỷ lệ nghịch với khoảng cách giữa chúng”.

Tác dụng hút và đẩy nhau của các cực từ, là do từ trường xung quanh nam châm tạo ra. Như đã giải thích, từ trường vô hình được biểu diễn bằng các đường sức (đường lực) đi ra khỏi nam châm ở cực Bắc và đi vào nam châm ở cực Nam. Bên trong nam châm, các đường sức đi từ cực Nam đến cực Bắc sao cho đường sức là liên tục và không bị đứt đoạn.

Một đặc điểm của các đường sức từ là chúng đẩy nhau, không bao giờ cắt nhau hay hợp nhất. Nếu hai từ trường được đặt gần nhau, như được minh họa bằng cách đặt hai nam châm bên dưới, thì từ trường sẽ không kết hợp mà sẽ biến đổi theo dạng từ thông bị biến dạng. Lưu ý rằng các đường sức không giao (cắt) nhau.

Không có chất cách điện nào được biết đến cho các đường sức từ. Người ta đã phát hiện ra rằng các đường từ thông (flux line) sẽ đi qua mọi vật liệu. Vì vậy, hầu hết các vật liệu, ngoại trừ vật liệu từ tính, không có tác động ảnh hưởng đến từ trường. Chất dẫn điện, chất cách điện, không khí hoặc thậm chí chân không không ảnh hưởng đến từ trường. Tuy nhiên, chúng sẽ đi qua một số vật liệu dễ dàng hơn so với các vật liệu khác. Điều này cho phép tập trung đường lực từ tính ở nơi cần và bỏ qua chúng, xung quanh một khu vực hoặc thiết bị.

Trước đó, bạn đã được biết rằng các đường lực từ tính (Magnetic lines of force) sẽ đi qua một số vật liệu dễ dàng hơn. Những vật liệu này có sự chống cản từ tính tương đối thấp. Ngược lại, những vật liệu khác sẽ không đi qua dễ dàng và có sự chống cản từ tính tương đối cao.

Các đường sức từ (Magnetic lines of force) đi theo đường ít cản trở nhất; ví dụ, chúng di chuyển qua sắt dễ dàng hơn qua không khí. Vì không khí có điện trở lớn hơn sắt, nồng độ từ trường trong sắt trở nên lớn hơn (so với không khí) vì cản trở ít hơn. Nói cách khác, việc bổ sung sắt vào mạch từ (dòng đường đi của từ trường | magnetic circuit), sẽ tập trung từ trường đang sử dụng.

Chú Thích

• (effect of a soft iron bar in a magnetic field): Tác dụng của thanh sắt mềm trong từ trường

Các đường sức từ hoạt động giống như những sợi dây cao su bị kéo căng. Hình vẽ tiếp sẽ theo cho thấy lý do tại sao điều này đúng, đặc biệt là ở gần khe hở không khí. Lưu ý rằng một số đường sức cong hướng ra ngoài qua khe hở khi di chuyển từ cực Bắc sang cực Nam. Đường cong hướng ra ngoài này, hay hiệu ứng kéo dãn, là do lực đẩy của mỗi đường sức từ, từ các đường lân cận. Tuy nhiên, các đường sức có xu hướng chống lại hiệu ứng kéo giãn và do đó giống như dây cao su khi bị căng.

Chú Thích

• (Unlike Poles Attract): Các cực trái dấu hút nhau
• (Air Gap): khe hở (khoảng không) trong không khí
• (Lines of force): Đường lực từ

Như đã đề cập, các đường sức từ có xu hướng đẩy nhau. Bằng cách theo dõi mô hình từ thông của hai nam châm có cùng cực với nhau trong sơ đồ bên dưới, có thể thấy tại sao đặc tính này tồn tại.

Sự tương tác giữa hai nam châm là do đường lực từ không thể giao nhau. Vì vậy, các đường lực này sẽ lệch hướng và di chuyển cùng một hướng giữa các mặt cực của hai nam châm. Với các đường lực từ hướng như vậy, chúng có xu hướng đẩy lùi lẫn nhau, khiến nam châm đẩy lùi nhau.