Tại sao nam châm có hai cực bắc và cực nam?

Buzz

Nội dung bài viết

Nam châm là một trong những bí ẩn sâu sắc nhất của vật lý, và dù con người đã sử dụng chúng hàng nghìn năm nhưng các nhà khoa học vẫn đang nghiên cứu về cách thức hoạt động của chúng.

Xem thêm

Đọc tóm tắt

- Nam châm là bí ẩn của vật lý, được sử dụng từ hàng nghìn năm.
- Cắt nam châm thành nhiều mảnh vẫn giữ từ tính và cực Bắc, cực Nam.
- Electron tạo từ trường nhỏ, khi ghép đôi có thể tạo thành từ trường lớn.
- Nam châm vĩnh cửu được tạo ra bằng điện, sử dụng trong nghiên cứu và y tế.
- Trái Đất có từ trường, nam châm hướng về Cực Bắc thực sự là cực Nam.
- Các cực từ tạo ra các đường sức từ, có thể quan sát bằng thí nghiệm đơn giản.
- Electron và proton có cực từ, thách thức cho các định luật vật lý hiện tại.

Nam châm là một trong những bí ẩn sâu sắc nhất của vật lý, và dù con người đã sử dụng chúng hàng nghìn năm nhưng các nhà khoa học vẫn đang nghiên cứu về cách thức hoạt động của chúng.

Bạn đã bao giờ tự hỏi điều gì sẽ xảy ra nếu bạn cắt một nam châm làm hai? Bạn có thể nghĩ rằng bạn sẽ có hai mảnh kim loại không có từ tính, nhưng thực tế không phải như vậy.

Dù bạn cắt nam châm thành nhiều mảnh thì mỗi mảnh vẫn giữ được từ tính và sẽ có cực bắc và cực nam. Những nam châm nhỏ này sẽ tương tác với nhau giống như một nam châm lớn.

Hiện tượng này làm cho nam châm trở thành một công cụ không thể thiếu trong cuộc sống. Bạn có thể dùng chúng để trang trí tủ lạnh hoặc khám phá bên trong cơ thể. Sức mạnh kỳ diệu của nam châm giúp chúng ta làm điều đó.

Để giải thích điều này, chúng ta cần hiểu nam châm được làm từ gì. Mọi vật chất, bao gồm cả nam châm, đều được cấu tạo từ nguyên tử. Trong mỗi nguyên tử, các electron tạo ra từ trường rất nhỏ, được gọi là 'spin'. Nếu các 'spin' này cùng hướng, vật liệu trở thành từ tính.

'Spin' của electron là một khái niệm trừu tượng. Kỹ thuật chưa bao giờ nhìn thấy 'spin' của electron vì nó quá nhỏ để có thể quan sát bằng mắt thường. Tuy nhiên, các nhà khoa học biết rằng electron có từ trường vì họ đã đo được nó. Các electron này quay tạo ra từ trường.

Khi điều kiện cho phép, các electron sẽ ghép đôi sao cho spin của chúng triệt tiêu nhau, làm cho tổng từ tính của nguyên tử là 0. Tuy nhiên, ở một số nguyên tố như sắt, điều này không xảy ra vì số lượng electron và cách chúng định vị xung quanh hạt nhân có thể dẫn đến việc mỗi nguyên tử sắt có một electron không ghép cặp, tạo ra một từ trường nhỏ.

Trong các vật liệu không từ tính, các từ trường riêng lẻ này hướng theo các hướng ngẫu nhiên khác nhau. Ở trạng thái này, chúng hầu như triệt tiêu lẫn nhau nên vật liệu nhìn chung không có từ tính. Tuy nhiên, trong điều kiện thích hợp, từ trường nhỏ có thể thẳng hàng và hướng về cùng một hướng, kết hợp lại để tạo thành từ trường lớn hơn, biến vật liệu sắt thành nam châm.

Nhiều nam châm được sử dụng trong cuộc sống hàng ngày là nam châm vĩnh cửu, chẳng hạn như nam châm trên tủ lạnh. Trong những vật liệu này, từ trường của nhiều nguyên tử đã được liên kết vĩnh viễn bởi một lực bên ngoài nào đó, giống như chúng được đặt trong một từ trường mạnh hơn.

Thông thường, từ trường mạnh hơn được tạo ra bằng điện. Điện và từ trường có mối liên hệ cơ bản với nhau vì từ trường được tạo ra bởi sự chuyển động của các điện tích. Đó là lý do tại sao các electron quay có từ trường và các nhà khoa học có thể sử dụng điện để tạo ra những nam châm cực mạnh. Chạy dòng điện qua cuộn dây sẽ tạo ra một từ trường rất mạnh tồn đọng trong thời gian dòng điện chạy qua. Những nam châm điện này thường được sử dụng trong nghiên cứu vật lý và trong các thiết bị y tế như máy chụp cộng hưởng từ (MRI).

Trái Đất cũng có một từ trường riêng, đó là cơ chế hoạt động của kim la bàn. Các nhà khoa học xác định rằng Cực Bắc của nam châm là điểm cực Bắc của Trái Đất mà nam châm sẽ hướng tới nếu quay tự do. Tuy nhiên, theo mặt kỹ thuật, điều này có nghĩa là Cực Bắc của Trái Đất thực sự là cực nam từ vì các cực đối lập sẽ hút nhau.

Theo quy ước vật lý, các đường sức từ chạy ra từ cực Bắc của nam châm và vào cực Nam của nam châm, tạo thành một vòng khép kín. Bạn có thể quan sát hiện tượng này bằng cách tiến hành một thí nghiệm đơn giản sử dụng một số mạt sắt nhỏ và một nam châm. Đặt nam châm lên một tờ giấy và rắc mạt sắt lên đó. Bạn sẽ thấy các mạt sắt được sắp xếp theo các đường sức từ, tạo thành hình vẽ rất thú vị. Đây là cách hoạt động của từ tính của nam châm.

Các nhà khoa học cũng đã khám phá ra các sắp xếp khác của các cực từ, bao gồm cả các cực tứ cực, trong đó các cực từ Bắc và Nam được sắp xếp thành một hình vuông. Tuy nhiên, vẫn còn một mục tiêu là chưa có ai phát hiện ra đơn cực từ.

Electron và proton đều là các hạt cực điện mang điện tích dương hoặc âm. Tuy nhiên, các electron (và các hạt khác) có hai cực từ và không thể chia nhỏ hơn nữa do chúng là các hạt cơ bản. Sự khác biệt trong cách các hạt tương tác điện và từ đã thách thức nhiều nhà vật lý. Khám phá này có thể sẽ đặt ra thách thức cho các định luật vật lý hiện tại của chúng ta.

Nam châm là một trong những bí ẩn sâu sắc nhất của vật lý, và mặc dù con người đã sử dụng chúng hàng nghìn năm nhưng các nhà khoa học vẫn đang tìm hiểu những điều mới về cách hoạt động của chúng. Có lẽ một ngày nào đó chúng ta sẽ khám phá ra tất cả bí mật của nam châm.

Tham khảo: Zhihu

Nội dung được phát triển bởi đội ngũ Mytour với mục đích chăm sóc khách hàng và chỉ dành cho khích lệ tinh thần trải nghiệm du lịch, chúng tôi không chịu trách nhiệm và không đưa ra lời khuyên cho mục đích khác.

Nếu bạn thấy bài viết này không phù hợp hoặc sai sót xin vui lòng liên hệ với chúng tôi qua email [email protected]

Các câu hỏi thường gặp

Tại sao khi cắt nam châm thành nhiều mảnh, mỗi mảnh vẫn giữ từ tính?

Khi bạn cắt nam châm, mỗi mảnh sẽ vẫn giữ từ tính và có cực Bắc và cực Nam riêng. Điều này xảy ra vì từ tính là thuộc tính của nguyên tử và sẽ tự động tái lập trong mỗi mảnh sau khi cắt.

Làm thế nào nam châm tạo ra từ trường mạnh mẽ?

Nam châm tạo ra từ trường mạnh mẽ khi các electron trong nguyên tử cùng hướng, tạo ra một từ trường nhỏ. Nếu nhiều nguyên tử đồng hướng, từ trường tổng hợp sẽ lớn hơn, biến vật liệu thành nam châm vĩnh cửu.

Nam châm vĩnh cửu hoạt động như thế nào trong đời sống hàng ngày?

Nam châm vĩnh cửu, như trên tủ lạnh, hoạt động bằng cách sử dụng từ trường đã được liên kết vĩnh viễn giữa các nguyên tử. Từ trường này được tạo ra nhờ lực bên ngoài như từ trường mạnh hơn hoặc điện.

Nam châm và điện có mối quan hệ gì với nhau?

Điện và từ trường có mối liên hệ chặt chẽ. Khi dòng điện chạy qua cuộn dây, từ trường mạnh được tạo ra, tạo thành nam châm điện. Các nam châm điện này rất mạnh và thường được dùng trong các thiết bị như máy chụp cộng hưởng từ (MRI).

Cực Bắc của nam châm thực chất là gì?

Cực Bắc của nam châm thực sự là cực Nam từ của Trái Đất, vì các cực đối lập hút nhau. Khi quay tự do, nam châm sẽ hướng về cực Bắc Trái Đất, mà kỹ thuật gọi là cực Nam từ.

Tại sao không thể tìm thấy đơn cực từ trong tự nhiên?

Đơn cực từ chưa bao giờ được phát hiện trong tự nhiên vì các hạt cơ bản như electron và proton luôn mang hai cực từ. Điều này thách thức các định lý vật lý hiện tại và có thể là một bí ẩn chưa giải đáp.