Nam châm hoạt động thế nào? Cực, electron và vì sao sắt dính

Từ tính quy về electron, theo Phòng thí nghiệm Từ trường Cao Quốc gia (National High Magnetic Field Laboratory, MagLab). Mọi nam châm đều có cực bắc và cực nam, các cực trái dấu hút nhau, còn các cực cùng dấu đẩy nhau.

1. Điểm chung của mọi nam châm

MagLab liệt kê vài đặc tính mà mọi nam châm đều có:

• Mọi nam châm đều có cực bắc và cực nam.
• Các cực trái dấu hút nhau, các cực cùng dấu đẩy nhau. Bắc kéo nam; bắc đẩy bắc.
• Mọi nam châm đều được bao quanh bởi một từ trường. Theo quy ước, các đường sức từ đi ra xa cực bắc và hướng về cực nam.

Bản thân Trái Đất là một nam châm khổng lồ. MagLab giải thích rằng các nhà khoa học tin từ trường Trái Đất đến từ các dòng đối lưu trong lõi ngoài lỏng của hành tinh, vốn chủ yếu là sắt. Đây gọi là geodynamo (động lực địa từ).

2. Tất cả quy về electron

Theo MagLab, mọi từ tính quy về electron theo một trong hai cách:

1. Electron chuyển động. Dòng điện, tức dòng electron chạy qua dây dẫn, luôn tạo ra từ trường. Nam châm điện hoạt động theo cách này.
2. Electron quay (spin). Trong nam châm vĩnh cửu như cái trên tủ lạnh nhà bạn, từ tính đến từ spin của electron. Mỗi electron hoạt động như một nam châm nhỏ có cực bắc và cực nam riêng, và trục của nó có thể hướng theo một trong hai hướng có thể.

3. Vì sao đa số vật không có từ tính

Nếu mỗi electron là một nam châm nhỏ, tại sao không phải vật nào cũng có từ tính?

MagLab giải thích rằng ở đa số vật liệu, các nguyên tử được sắp xếp sao cho hướng từ của electron này triệt tiêu hướng từ của electron khác. Tất cả những nam châm nhỏ ấy hướng ngược nhau, và tác dụng cộng lại thành ra không còn gì để bạn nhận thấy.

4. Điều làm sắt đặc biệt: các đômen từ

Sắt và vài chất khác thì khác. Nguyên tử của chúng tụ lại thành những vùng nhỏ gọi là đômen từ (magnetic domains). Bên trong mỗi đômen, các electron có cùng hướng từ.

Vậy tại sao cây đinh sắt thường không phải nam châm? Vì bản thân các đômen hướng theo nhiều hướng khác nhau, nên xét tổng thể chúng vẫn triệt tiêu nhau.

Đặt cây đinh đó vào từ trường, các đômen bắt đầu xếp thẳng hàng cùng hướng. MagLab mô tả kết quả đơn giản: nam châm vĩnh cửu là vật mà mọi đômen đều xếp cùng một hướng.

Những vật liệu hành xử như vậy gọi là sắt từ (ferromagnetic). MagLab lưu ý chỉ có bốn nguyên tố là sắt từ ở nhiệt độ phòng và có thể bị nhiễm từ vĩnh viễn: sắt, niken, coban và gadolini. Nguyên tố thứ năm, dysprosi, chỉ trở thành sắt từ ở nhiệt độ thấp. Nhôm không có trong danh sách đó, nên nam châm trượt khỏi lon nước ngọt bằng nhôm. Ngược lại, cửa tủ lạnh là một trong những nam châm tạm thời hằng ngày mà MagLab liệt kê trong hoạt động lớp học của họ.

5. Nam châm vĩnh cửu và nam châm tạm thời

Nam châm vĩnh cửu giữ từ tính mà không cần nguồn điện nào. Bạn không thể tắt chúng. MagLab nêu nam châm gốm và alnico, hợp kim của nhôm, niken và coban, là hai loại phổ biến.

Nam châm tạm thời chỉ hoạt động như nam châm khi đang ở trong từ trường. Sắt non hành xử như vậy, và MagLab lưu ý đó là lý do nó được dùng làm nam châm tạm thời trong các thiết bị như điện thoại và động cơ điện.

Bạn có thể thấy điều này bằng kẹp giấy. Trong một hoạt động lớp học của MagLab, một chiếc kẹp giấy chạm vào nam châm tự trở thành nam châm và có thể giữ chiếc kẹp thứ hai. Kéo hai chiếc kẹp ra nhẹ nhàng, chúng vẫn dính nhau một lúc vì các electron của chúng còn được sắp xếp. Thả chúng xuống bàn, cú sốc làm xáo trộn trật tự đó và từ tính mất đi.

6. Nam châm mất lực hút như thế nào

"Vĩnh cửu" không có nghĩa là mãi mãi. MagLab mô tả hai cách chính để khử từ một nam châm:

• Nhiệt. Thêm nhiệt là thêm năng lượng làm xáo trộn sự sắp xếp. Nhiệt độ mà tại đó nam châm không còn giữ được từ trường gọi là điểm Curie (Curie point).
• Va đập. Một cú đập mạnh, chẳng hạn bằng búa, có thể làm các đômen đã xếp thẳng hàng bị lệch.

Nam châm bền bao lâu tùy thuộc vật liệu. MagLab lưu ý sắt nguyên chất chỉ giữ từ tính vài phút, trong khi nhiều hợp kim sắt giữ từ tính lâu hơn nhiều.

7. Nam châm điện: nam châm có công tắc bật

Năm 1819, Hans Christian Ørsted nhận thấy kim la bàn quay khi ở gần một sợi dây có dòng điện. MagLab giải thích lý do: dòng điện luôn sinh ra từ trường vòng quanh dây.

Một sợi dây thẳng tạo từ trường yếu. MagLab mô tả cách làm cho nó mạnh hơn:

1. Cuộn dây lại. Quấn dây thành các vòng gộp các từ trường riêng thành một từ trường mạnh hơn nhiều. Cuộn dây như vậy gọi là solenoid, và từ trường của nó tăng tỉ lệ với số vòng. Mười vòng cho từ trường gấp khoảng 10 lần một vòng.
2. Thêm lõi sắt. Các đômen của sắt xếp theo từ trường của cuộn dây và tăng cường nó đáng kể mà không tốn thêm điện.
3. Tăng dòng điện. Công suất qua cuộn dây càng lớn thì từ trường càng mạnh.

Tắt dòng điện, từ trường biến mất.

8. Nam châm mạnh cỡ nào?

Các nhà khoa học đo cường độ từ trường bằng tesla và gauss, trong đó 1 tesla bằng 10.000 gauss. MagLab đưa ra vài so sánh:

Nam châm điện có thể đạt mức cao hơn nhiều so với nam châm vĩnh cửu, vì vậy các phòng thí nghiệm nghiên cứu và máy chụp MRI ở bệnh viện dựa vào chúng.

9. Điểm chính

• Mọi nam châm đều có cực bắc và cực nam; các cực trái dấu hút nhau và các cực cùng dấu đẩy nhau.
• Từ tính đến từ electron, hoặc chảy thành dòng điện hoặc quay tại chỗ.
• Ở đa số vật liệu, các nam châm electron triệt tiêu nhau; ở sắt và vài kim loại khác, chúng xếp thẳng hàng trong các đômen.
• Nam châm vĩnh cửu là vật liệu có mọi đômen cùng một hướng; nhiệt hoặc cú đập mạnh có thể làm chúng xáo trộn.
• Nam châm điện là cuộn dây mang dòng điện, thường có lõi sắt, và tắt khi dòng điện ngừng.