Vì sao nam châm hút sắt còn nhôm thì không

98. Vì sao nam châm hút được sắt?

Nam châm là đá hút sắt, bạn đã chơi với nó lần nào chưa? Dùng nam châm có thể hút được đồ vật làm bằng sắt như đinh, kim v.v., rất là thú vị.

Vì sao nam châm có thể hút được sắt nhỉ? Cái đó phải giải thích từ kết cấu phân tử của vật chất trở đi.

Mọi vật chất đều do phân tử cấu thành cả. Phân tử do nguyên tử hợp thành, nguyên tử lại do hạt nhân nguyên tử và electron hợp thành. Electron không ngừng tự quay trong nguyên tử và quay xung quanh hạt nhân nguyên tử. Hai loại chuyển động đó của electron đều có thể sinh ra từ tính. Song, trong đại đa số vật chất, hướng chuyển động của electron không giống nhau, lộn xộn, lung tung. Điều đó làm cho hiệu ứng từ tính của nội bộ vật chất triệt tiêu lẫn nhau. Vì vậy, trong tình trạng bình thường, phần lớn các vật chất không thể hiện từ tính.

Còn nam châm thì không phải như vậy. Nói chung nam châm do nguyên liệu sắt từ như sắt, coban, niken hoặc ferit v.v. làm thành. Từ tính của nam châm bắt nguồn chủ yếu từ sự tự quay của electron. Trong chất sắt từ, sự tự quay của electron có thể tự phát sắp xếp ở phạm vi nhỏ, tức là mọi electron trong nguyên tử ở trong phạm vi nhỏ đó đều giữ được hướng tự quay như nhau, hình thành một vùng từ hoá nhỏ tự phát. Loại vùng từ hoá tự phát này gọi là miền từ (đômen từ). Kích thước của miền từ không giống nhau. Tóm lại, mỗi miền từ chiếm thể tích khoảng 109 cm3, chứa khoảng 1015 nguyên tử. Vì hướng từ tính của tất cả nguyên tử trong một miền từ đều đồng nhất, kết quả của sự xếp chồng là từ tính tăng cường lẫn nhau. Một miền từ tương đương với một "nam châm nhỏ", cục nam châm là do một lượng lớn "nam châm nhỏ" như vậy hợp thành.

Trước khi từ hoá, hướng từ tính của mọi miền từ trong nội bộ nguyên liệu sắt từ không giống nhau, không phối hợp với nhau, hướng nào cũng có. Kết quả là các từ trường khác hướng triệt tiêu lẫn nhau, đối với bên ngoài vẫn là không thể hiện từ tính. Tuy nhiên, sau khi đặt vào từ trường mạnh bên ngoài, chúng liền sắp xếp lại theo hướng của từ trường. Chúng ta nói chất sắt từ đã bị từ hoá. Nó liền biến thành một cục nam châm. Nhưng, ở những vật liệu khác khi đặt trong từ trường, các electron trong nguyên tử không tuân "mệnh lệnh" mà "xếp hàng ngay ngắn", vẫn chuyển động hỗn độn. Đó là các vật liệu phi từ tính như đồng, nhôm, chì v.v. Ở đó các electron lại giống như một đám trẻ con không vâng lời, cho dù có đặt vào một từ trường bên ngoài mạnh hơn nữa, chúng vẫn vận động lộn xộn theo ý mình. Cho nên những vật liệu ấy không thể từ hoá, cũng tức là không có từ tính.

Sở dĩ nam châm hút được sắt là vì nam châm có từ tính. Khi ở gần sắt, từ trường của nam châm liền làm cho cục sắt bị từ hoá. Giữa các cực khác nhau của nam châm và cục sắt sinh ra lực hút, cục sắt liền "dính" chặt vào nam châm. Song các kim loại như đồng, nhôm, chì v.v. không thể bị từ trường của nam châm từ hoá, không sinh ra được từ tính, vì vậy nam châm đành bất lực đối với chúng.

Nam châm vĩnh cửu mà chúng ta thường gặp có hai loại: nam châm nhân tạo và nam châm thiên nhiên. Nam châm nhân tạo được chế tạo bằng cách đặt nguyên liệu có tính sắt từ vào trong từ trường, làm cho nó từ hoá. Sau khi rút bỏ từ trường bên ngoài, điện tử trong nguyên liệu có tính sắt từ vẫn duy trì "hàng lối chỉnh thể", thể hiện từ tính rất mạnh đối với bên ngoài. Còn nam châm thiên nhiên là một loại đá quặng sắt trong thiên nhiên, dưới tác động từ hoá của từ trường Trái Đất, nó có mang từ tính vĩnh cửu.

Từ khoá: Nam châm; Miền từ; Từ hoá; Nam châm nhân tạo; Nam châm thiên nhiên.

Tác phẩm, tác giả, nguồn

• Tác phẩm: 10 vạn câu hỏi vì sao về vật lý
• Dịch giả: Nguyễn Văn Mậu
• Nhà xuất bản Giáo dục Việt Nam
• Nguồn: tve-4u

Lúc còn nhỏ, có lẽ bạn nào cũng được chơi cục nam châm bởi nó có một đặc tính thú vị mà bất kỳ đứa trẻ nào cũng thích. Nam châm có thể nhận ra và hút nhau từ khoảng cách rất xa, hoặc nó có thể đẩy nhau chạy quanh mặt phẳng mà chẳng hề chạm vào nhau. Vậy cục nam châm có nguyên lý hoạt động như thế nào? Tại sao nó có thể hút được sắt? Có thể nhiều bạn đã tìm hiểu sơ qua là nó có "từ tính" nên hút được, nhưng nguyên lý cụ thể như thế nào thì chưa rõ. Vậy hãy đọc bài viết này, các bạn sẽ chỉ mất vài phút nhưng chắc chắn sẽ biết rõ được bản chất của nam châm.

Trước tiên chúng ta đi tìm hiểu về nguồn gốc của từ tính. Vậy thì lực hút có từ đâu mà ra? Như các bạn đã biết, nguyên tử có các hạt mang điện tích âm (-) được gọi là electron. Các hạt electron này nó chuyển động xung quanh hạt nhân của nguyên tử. Đồng thời các hạt electron này có thể tự quay quanh bản thân mình.

Bản thân electron là hạt mang điện tích, mà nó lại có khả năng tự quay nên nó tạo ra một lực từ. Lực từ này rất nhỏ, tuy nhiên mỗi nguyên tử có rất nhiều electron, và mỗi đồ vật chúng ta tiếp xúc hàng ngày thì chứa một số lượng "siêu nhiều" các nguyên tử.

Ví dụ 1 kg sắt sẽ có 1,08 x 1025 nguyên tử, mà mỗi nguyên tử lại có 26 electron, như vậy mỗi 1 kg sắt đạt tới 280 triệu tỷ tỷ hạt electron.

Chính vì có số lượng "khổng lồ" như vậy mà lực từ của các electron hợp lại thì sẽ tạo ra một lực rất mạnh. Bạn để ý, một cục nam châm to bằng bàn tay có thể nâng được đến vài kg sắt. Đến đây bạn sẽ thắc mắc, tại sao các electron nào cũng có thể tự quay và có lực từ? Tại sao có những chất lại tạo ra lực hút (như nam châm)? Tại sao lại có những chất không tạo ra được lực hút, ngược lại còn bị hút (như sắt)? Tại sao có những chất chẳng tạo ra lực hút, cũng chẳng bị hút (như vàng, nhôm, đồng)?Vấn đề chính là nằm ở sự sắp xếp các electron trong các nguyên tử khác nhau, sự sắp xếp của các nguyên tử trong các chất khác nhau. Khi có những sự khác nhau này thì các lực có thể hợp lại với nhau tạo ra một lực lớn hơn, nhưng cũng có thể tự triệt tiêu nhau khiến lực tổng hợp trở lên rất bé hoặc là bằng 0.

Cụ thể như sau, trong cục nam châm, các nguyên tử có lực từ rất mạnh. Mà các nguyên tử lại cùng được sắp xếp theo một hướng, nên lực giữa các nguyên tử sẽ hợp lại với nhau tạo thành một lực từ khổng lồ, lực từ khổng lồ này sẽ có 2 cực và tạo ra xung quanh nó một từ trường cũng rất mạnh. Khi 2 cục nam châm gần nhau, cùng chiều thì nó sẽ đẩy nhau, khác chiều nó sẽ hút nhau.

Trái đất cũng như một cục nam châm nên nó cũng có 2 cực. Nhờ sự tác động giữa cực của trái đất với cực của cục nam châm mà người ta có thể xác định được hướng bắc, hướng nam và tạo ra cái "la bàn" ngày nay.

Đối với sắt, cũng là một loại nguyên tố mà các electron trong nguyên tử "hoà hợp" với nhau. Nhờ đó mà lực từ của nguyên tử được tổng hợp từ các electron là một lực khá lớn. tuy nhiên các nguyên tử sắt thì lại được sắp xếp "lung tung" theo các hướng khác nhau. Do đó, xét tổng thể thì lực giữa các nguyên tử lại triệt tiêu nhau. Vì vậy sắt không có lực từ, nó không hút và cũng không đẩy được các chất khác.

Tuy nhiên, điều thú vị sẽ xảy ra khi chúng ta đưa một cục sắt vào một từ trường đủ mạnh (ví dụ như từ trường của một cục nam châm) thì lực từ của cục nam châm sẽ tác động lên lực từ của mỗi nguyên tử sắt, bắt nó phải xoay lại cùng một hướng. Khi các nguyên tử sắt quay theo cùng 1 hướng với từ trường của nam châm thì lực từ của chúng sẽ hợp lại với nhau, tạo ra một lực rất lớn, và lực từ này có thể tương tác và hút nhau.

Khi nhấc cục nam châm ra, thì một phần các nguyên tử sắt sẽ lại chuyển động lung tung không theo một hướng chung nào cả, tuy nhiên vẫn còn một phần các nguyên tử khác vẫn chuyển động theo cùng một hướng và nó vẫn tạo ra được một lực từ lớn. Nếu bạn đưa một thanh sắt khác lại gần, có thể bạn vẫn sẽ thấy 2 thanh sắt hút nhau. Người ta gọi đó là hiện tượng "nhiễm từ" hoặc "giữ từ".

Các nguyên tố như nhôm, vàng, đồng thì lực từ của các nguyên tử là rất yếu. Nếu có đưa nam châm lại gần thì các electron vẫn chuyển động hỗn loạn, không theo định hướng của từ trường bên ngoài. Vì vậy nó không tổng hợp lực để tạo ra một lực lớn hơn và tương tác với lực của nam châm. Vậy cho nên nó không bị nam châm hút.

Như vậy, cách hoạt động của cục nam châm rất đơn giản. Đó chính là sự tổng hợp hoặc triệt tiêu lực từ của các nguyên tử. Mà lực từ của các nguyên tử thì được tổng hợp dựa trên lực từ của các electron có trong nguyên tử. Nếu nung nóng nam châm đến một nhiệt độ cực cao thì các nguyên tử sẽ chuyển động mạnh một cách hỗn loạn và mất hết từ tính. Đó cũng là lý do tại sao khi nam châm bị nung nóng thì sẽ không hút được sắt nữa.