Từ trường

Nam châm là vật liệu hoặc vật thể tạo ra một từ trường. Từ trường này không thấy được bằng mắt thường nhưng là nguyên nhân của đặc tính nổi bật nhất của nam châm: nó tạo ra lực kéo các vật liệu từ tính khác (như sắt), và hút (hoặc đẩy) các nam châm khác.

Nam châm vĩnh cửu là vật thể làm từ vật liệu đã được từ hóa, tạo ra từ trường ổn định của chính nó. Một ví dụ phổ biến là nam châm tủ lạnh dùng để giữ ghi chú trên cửa tủ lạnh. Vật liệu có thể được từ hóa, và những vật liệu bị nam châm hút mạnh mẽ được gọi là sắt từ (hoặc ferrimagnetic). Chúng bao gồm các nguyên tố như sắt, nickel và cobalt, cùng với hợp kim của chúng, một số hợp kim kim loại đất hiếm và một số khoáng chất tự nhiên như lodestone. Mặc dù chỉ các vật liệu sắt từ (và sắt từ) mới bị nam châm hút đủ mạnh để được coi là từ tính, nhưng tất cả các chất khác cũng phản ứng yếu với từ trường do các loại từ tính khác.

Vật liệu sắt từ có thể được phân loại thành hai nhóm: vật liệu từ tính 'mềm' như sắt ủ, có khả năng từ hóa nhưng không giữ từ trường lâu dài, và vật liệu từ tính 'cứng'. Nam châm vĩnh cửu được làm từ các vật liệu sắt từ 'cứng' như alnico và ferrite, được xử lý đặc biệt trong từ trường mạnh trong quá trình chế tạo để định hình cấu trúc vi tinh thể bên trong, làm cho chúng rất khó bị khử từ. Để khử từ một nam châm đã bão hòa, cần áp dụng một từ trường cụ thể, và ngưỡng này phụ thuộc vào khả năng kháng từ của vật liệu. Vật liệu 'cứng' có khả năng kháng từ cao, trong khi vật liệu 'mềm' có khả năng kháng từ thấp. Sức mạnh tổng thể của một nam châm được đo bằng mômen từ của nó hoặc tổng từ thông mà nó tạo ra. Sức mạnh cục bộ của từ tính trong vật liệu được đo bằng từ hóa của nó.

Nam châm điện được tạo ra từ một cuộn dây có thể hoạt động như một nam châm khi dòng điện đi qua, nhưng không còn tác dụng từ khi dòng điện ngừng. Thông thường, cuộn dây được quấn quanh lõi làm từ vật liệu sắt từ 'mềm' như thép carbon, giúp tăng cường đáng kể từ trường do cuộn dây tạo ra.

Tên gọi và ý nghĩa

Từ Nam Châm (南針) xuất phát từ Chỉ Nam Châm (指南針), nghĩa là 'Kim chỉ Nam' hay đầy đủ hơn là 'cây kim chỉ về phía Nam'. Khi kim bị nhiễm từ và treo tự do, nó sẽ chỉ về hướng Nam nhờ vào lực từ của Trái Đất. Đây chính là ứng dụng cơ bản của la bàn. Ngày nay, từ 'Kim chỉ Nam' thường dùng với nghĩa đen là la bàn và nghĩa bóng là 'sự hướng dẫn đúng đắn và hợp lý', trong khi 'Nam Châm' thường được dùng để chỉ vật có từ trường và khả năng hút các vật liệu sắt từ.

Khám phá và phát triển

Người xưa đã khám phá từ tính qua đá từ (hoặc đá từ tính), là những mảnh quặng sắt tự nhiên bị từ hóa. Từ magnet đã được mượn từ tiếng Latin magnetum nghĩa là 'cục nam châm', và từ tiếng Hy Lạp μαγνῆτις [λίθος] (Magnetis [lithos]) có nghĩa là '[đá] từ Magnesia', một vùng ở Hy Lạp cổ đại nơi tìm thấy các lodestone từ tính. Lodestone, khi treo lơ lửng có thể quay, là những la bàn từ tính đầu tiên. Những mô tả sớm nhất về nam châm và các tính chất của chúng đến từ Hy Lạp, Ấn Độ và Trung Quốc khoảng 2500 năm trước. Pliny the Elder đã ghi chép lại các đặc tính của lodestone và mối liên hệ của chúng với sắt trong tác phẩm Naturalis Historia của ông.

Vào thế kỷ 12 và 13 sau Công nguyên, la bàn từ tính đã được áp dụng để xác định phương hướng trong hàng hải ở Trung Quốc, Châu Âu, Bán đảo Ả Rập và nhiều khu vực khác.

Ứng dụng vật lý

Từ trường

Mật độ từ thông (hay còn gọi là từ trường B hoặc chỉ đơn giản là từ trường, thường ký hiệu là B) là một trường vectơ. Vectơ từ trường B tại một điểm cụ thể trong không gian có hai thuộc tính chính:

1. Hướng của nó, tương đương với hướng của kim la bàn.
2. Độ mạnh của nó (hay còn gọi là sức mạnh), tỷ lệ thuận với mức độ mạnh mẽ mà kim la bàn chỉ theo hướng đó.

Trong hệ đơn vị SI, cường độ của từ trường B được đo bằng đơn vị tesla.

Mômen từ

Khoảnh khắc từ của nam châm (còn gọi là mômen lưỡng cực từ và thường được ký hiệu là μ) là một vectơ thể hiện tính chất từ tính tổng thể của nam châm. Đối với một thanh nam châm, hướng của mô men từ chỉ từ cực nam đến cực bắc của nam châm, và độ lớn phản ánh sức mạnh và khoảng cách giữa các cực này. Trong hệ đơn vị SI, mô men từ được đo bằng A · m² (ampe mét bình phương).

Một nam châm không chỉ tạo ra từ trường của riêng nó mà còn tương tác với các từ trường khác xung quanh. Độ mạnh của từ trường mà nam châm tạo ra tại bất kỳ điểm nào tỷ lệ thuận với cường độ mô men từ của nó. Khi nam châm được đặt vào một từ trường bên ngoài, do một nguồn khác tạo ra, nó sẽ trải qua một mô-men xoắn khiến mô men từ của nó hướng song song với từ trường. Độ lớn của mô-men xoắn này tỷ lệ thuận với mô men từ và từ trường bên ngoài. Một nam châm cũng có thể bị đẩy theo các hướng khác nhau tùy thuộc vào vị trí và hướng của nó và nguồn từ trường. Nếu từ trường đồng nhất, nam châm sẽ không chịu lực tổng hợp, mặc dù nó vẫn chịu mô-men xoắn.

Một dây dẫn có dạng vòng tròn với diện tích A và mang dòng điện cường độ I sẽ tạo ra mô-men từ bằng IA.

Từ hóa

Từ hóa của một vật liệu từ tính là giá trị cục bộ của mô men từ trên mỗi đơn vị thể tích, thường ký hiệu là M, với đơn vị A/m. Đây là một trường vectơ, khác với một vectơ đơn lẻ (như mô men từ), vì các khu vực khác nhau trong một nam châm có thể được từ hóa với các hướng và cường độ khác nhau (như các miền từ). Một thanh nam châm chất lượng tốt có thể có mô men từ với cường độ 0,1 A • m² và thể tích 1 cm³, tức là 1×10⁻⁶ m³, do đó cường độ từ hóa trung bình là 100.000 A/m. Sắt có thể đạt từ hóa khoảng một triệu ampe mỗi mét, giải thích tại sao nam châm sắt rất hiệu quả trong việc tạo ra từ trường.

Mô hình nam châm

Có hai mô hình chính về nam châm: mô hình cực từ và mô hình dòng nguyên tử.

Dù thuận tiện khi nghĩ rằng nam châm có các cực từ bắc và nam riêng biệt, khái niệm về cực không nên được hiểu theo nghĩa đen: đây chỉ là cách diễn tả hai đầu khác nhau của nam châm. Nam châm không có các phần cực bắc hoặc cực nam riêng biệt ở hai đầu. Nếu một thanh nam châm bị cắt thành hai mảnh, nỗ lực tách rời các cực bắc và nam sẽ chỉ tạo ra hai thanh nam châm mới, mỗi thanh vẫn mang cả hai cực bắc và nam. Tuy nhiên, phương pháp mô hình cực từ vẫn được các nhà nghiên cứu nam châm chuyên nghiệp áp dụng để thiết kế nam châm vĩnh cửu.

Trong phương pháp này, sự phân kỳ của từ hóa ∇ · M trong một nam châm và thành phần bình thường của bề mặt M · n được coi như sự phân bố của các đơn cực từ. Đây chỉ là một công cụ toán học và không có nghĩa là có các đơn cực thực sự trong nam châm. Nếu biết phân phối cực từ, mô hình cực có thể được sử dụng để tính toán từ trường H. Bên ngoài nam châm, trường B tỷ lệ với H, trong khi bên trong nam châm phải cộng thêm từ hóa vào H. Một mở rộng của phương pháp này cho phép áp dụng lý thuyết về từ hóa nội tại trong các lý thuyết về sắt từ.

Phân cực

Cực bắc của nam châm được xác định là điểm mà khi nam châm được treo tự do, nó chỉ về phía cực Bắc của Trái Đất (các cực từ và địa lý không hoàn toàn trùng khớp, dẫn đến sự khác biệt về từ tính). Do các cực đối diện (bắc và nam) hút nhau, nên cực từ Bắc thực sự là cực nam của từ trường Trái Đất. Trong thực tế, để xác định cực bắc và nam của nam châm, không nhất thiết phải dựa vào từ trường của Trái Đất. Một phương pháp khác là so sánh nó với một nam châm điện, nơi có thể xác định cực của nó bằng quy tắc bàn tay phải. Các đường sức từ của nam châm thường được xem là xuất phát từ cực bắc và quay trở lại ở cực nam.

Vật liệu từ tính

Thuật ngữ nam châm thường chỉ các vật thể tạo ra từ trường liên tục của riêng chúng, ngay cả khi không có từ trường bên ngoài. Chỉ một số loại vật liệu nhất định mới có khả năng này. Hầu hết các vật liệu khác chỉ tạo ra từ trường khi có sự tác động của từ trường bên ngoài, hiện tượng này được gọi là từ tính. Có nhiều loại từ tính khác nhau và mọi vật liệu đều thể hiện ít nhất một trong số chúng.

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

• Sắt từ và ferrimagnetic là các vật liệu từ tính thường thấy; chúng bị hút bởi một nam châm mạnh và có khả năng giữ từ hóa, trở thành nam châm vĩnh cửu. Ví dụ điển hình là nam châm tủ lạnh truyền thống. Vật liệu ferrimagnetic, như ferrites và magnetite, tương tự nhưng yếu hơn sắt từ. Sự khác biệt giữa vật liệu sắt từ và sắt liên quan đến cấu trúc vi mô của chúng, như được giải thích trong từ học.
• Các chất thuận từ, như bạch kim, nhôm và oxy, bị hút với lực yếu khi gần hai cực nam châm. Lực hút này yếu hơn hàng trăm nghìn lần so với sắt từ, do đó chỉ có thể phát hiện bằng dụng cụ nhạy cảm hoặc nam châm cực mạnh. Nước từ có từ tính do các hạt sắt từ nhỏ lơ lửng trong chất lỏng, nhưng thường được xem là thuận từ vì chúng không thể bị nhiễm từ.
• Nghịch từ là các chất bị đẩy lùi bởi cả hai cực của nam châm. So với chất thuận từ và sắt từ, các chất nghịch từ như carbon, đồng, nước và nhựa bị đẩy mạnh hơn bởi nam châm. Độ thấm của các chất nghịch từ nhỏ hơn chân không. Tất cả các chất không thuộc loại từ tính khác là nghịch từ; hầu hết các chất đều vậy. Mặc dù lực từ một nam châm thông thường quá yếu để cảm nhận, nhưng bằng nam châm siêu dẫn cực mạnh, các vật thể nghịch từ như mảnh chì và thậm chí con chuột có thể được nâng lên trong không khí. Các chất siêu dẫn đẩy từ trường ra ngoài và có tính từ tính rất mạnh.

Có nhiều loại từ tính khác nhau, chẳng hạn như kính xoay, màng từ siêu việt, từ siêu thuận, và các vật liệu từ siêu đặc biệt.