Nam châm

I.Tổng quát :

Lịch sử:

Vào một lúc nào đó trước năm 800 TCN, người Hy Lạp tìm thấy một loại đá lạ lung màu đen. Có lẽ Thales người thành Mietus, về sau đã viết về việc hút kim loại của loại đá lạ này, nhưng xem chừng người Hy Lạp chưa khám phá ra khả năng quay về phương bắc của nó.

Người Trung Hoa đã khám phá ra điều này khoảng 300 năm sau. Vùng đất mà người ta tìm thấy loại đá này lần đầu là Magnesi nên người ta lấy nó mà đặt tên cho loại đá này ( Magnetite), và cho bất cứ cái gì có đặc tính giống như nó (Magnet-nam châm).

Khái niệm

Nam châm là một nguồn từ có hai cực: Bắc và Nam, và một từ trường tạo từ các đường từ đi từ cực Bắc (N) đến cực Nam (S).

nam châm chữ U

Sự tương tác của các cực từ cũng giống như tương tác giữa các điện tử: các cực cùng loại đẩy nhau và các cực khác loại hút nhau.

Tuy nhiên, có một sự khác nhau cơ bản giữa cực từ và điện tử là các cực từ bao giờ cũng xuất hiện thành từng cặp có cùng cường độ và khác loại. Nếu bẻ gãy một đầu cực của nó thì phần còn lại vẫn là một thanh nam châm với đầy đủ hai cực => Ta không thể tách cực Bắc và cực Nam của một thanh nam châm ra khỏi nhau cho dù thanh nam châm đã trở nên vô cùng nhỏ.

Trong cuộc sống hằng ngày, có thể nhận ra nam châm là các vật có khả năng hút và đẩy vật bằng sắt hay thép non. Trong từ học, nam châm là một vật có khả năng sinh một lực dùng để hút hay đẩy một từ vật hay một vật có độ cảm từ cao khi nằm gần nam châm. Lực phát sinh từ nam châm gọi là từ lực.

II. Các loại nam châm

1) Nam châm điện :

sơ đồ 1 nam châm điện đầu tiên

• Nguồn gốc :

Nam châm điện lần đầu tiên được phát minh bởi nhà điện học người Anh William Sturgeon (1783-1850) vào năm 1825. Nam châm điện của Sturgeon là một lõi sắt non hình móng ngựa có một số vòng dây điện cuốn quanh. Khi cho dòng điện sinh ra bởi một pin nhỏ chạy qua, lõi sắt bị từ hóa và cảm ứng từ sinh ra đủ mạnh để hút lên được một hộp sắt nặng 7 ounce. Khi ngắt dòng điện, từ trường của lõi cũng biến mất

• Khái niệm :

Nam châm điện là một dụng cụ tạo từ trường hay một nguồn sản sinh từ trường hoạt động nhờ từ trường sinh ra bởi cuộn dây có dòng điện lớn chạy qua. Cảm ứng từ của nam châm điện được dẫn và tạo thành lớn nhờ việc sử dụng một lõi dẫn từ làm bằngvật liệu từ mềm có độ từ thẩm lớn và cảm ứng từ bão hòa cao. Khác với nam châm vĩnh cửu có cảm ứng từ cố định, nam châm điện có cảm ứng từ có thể thay đổi được nhờ việc điều khiển dòng điện chạy qua cuộn dây.

► Các loại nam châm điện :

Cuộn dây: Một dây dẩn điện với vài vòng quấn

Vòng dây : Một dòng tròn dẩn điện với vài nhiều vòng quấn

► Cấu tạo :

Nam châm điện gồm hai phần là cuộn dây tạo từ trường và lõi dẫn (khuếch đại) từ.

2) Nam châm vĩnh cửu:

• Khái niệm :

Nam châm vĩnh cửu là các vật được cấu tạo từ các vật liệu từ cứng có khả năng giữ từ tính không bị mất

• Phân loại theo vật liệu :

☼ Oxit sắt:

Là loại nam châm vĩnh cửu đầu tiên của loài người được sử dụng dưới dạng các "đá nam châm", được sử dụng từ thời cổ đại, có ngay trong tự nhiên nhưng khi khoa học kỹ thuật phát triển loại này không còn được sử dụng do từ tính rất kém.

☼ Thép cácbon:

Là loại nam vĩnh cửu được sử dụng từ thế kỷ 18 đến giữa thế kỷ 20 với khả năng cho từ dư tới hơn 1 T, nhưng lực kháng từ rất thấp nên từ tính cũng dễ bị mất. Lại nam châm này hầu như không còn được sử dụng hiện nay.

☼ Nam châm AlNiCo:

Là loại nam châm được chế tạo từ vật liệu từ cứng là hợp kim của nhôm, niken, côban và một số các phụ gia khác như đồng,titan..., là loại nam châm cho từ dư cao (tới 1,2-1,5 T) nhưng có lực kháng từ chỉ xung quanh 1 kOe, đồng thời giá thành cũng khá cao nên hiện nay tỉ lệ sử dụng ngày càng giảm dần (chỉ còn không đầy 10% thị phần sử dụng).

☼ Ferrite từ cứng:

Là loại nam châm vĩnh cửu được chế tạo từ các ferit từ cứng (ví dụ ferit Ba, Sr..) là các vật liệu dạng gốm. Nam châm ferit có ưu điểm là rất dễ chế tạo, gia công, giá thành rẻ và độ bền cao. Tuy nhiên, vì đây là nhóm các vật liệu feri từ đồng thời có hàm lượng ôxy cao nên có từ độ khá thấp, có lực kháng từ từ 3 đến 6 kOe, có khả năng cho tích năng lượng từ cực đại lớn nhất không quá 6 MGOe. Loại nam châm này hiện nay chiếm tới hơn 50% thị phần sử dụng nam châm vĩnh cửu do những ưu điểm về giá thành cực rẻ, khả năng chế tạo, gia công và độ bền.

☼ Nam châm đất hiếm:

Là loại nam châm vĩnh cửu được tạo ra từ các vật liệu từ cứng là các hợp kim hoặc hợp chất của các kim loại đất hiếm và kim loại chuyển tiếp.

☼ Nam châm nhiệt độ cao SmCo:

Là hệ các nam châm vĩnh cửu được chế tạo từ hợp chất ban đầu là SmCo₅ được phát minh năm 1966 bởi tiến sĩ Karl J. Strnat của U.S. Air Force Materials Laboratory (Mỹ) có tích năng lượng từ cực đại 18 MGOe, sau đó Karl J. Strnat lại phát minh ra hợp chất Sm₂Co₁₇ có tích năng lượng từ tới 30 MGOe vào năm 1972. Hệ nam châm SmCo có nhiệt độ Curie rất cao (có thể đạt tới 1100^oC) và có lực kháng từ cực lớn (tới vài chục kOe) nhờ cấu trúc dạng lá đặc biệt. Nhờ có nhiệt độ Curie cao và lực kháng từ lớn nên được sử dụng trong các ứng dụng nhiệt độ cao (ví dụ trong động cơ phản lực...).

☼ Nam châm NdFeB:

Là hệ các nam châm dựa trên hợp chất R₂Fe₁₄B (R là ký hiệu chỉ các nguyên tố đất hiếm ví dụ như Nd, Pr...) có cấu trúc tinh thểkiểu tứ giác với lực kháng từ lớn (hơn 10 kOe) và từ độ bão hòa rất cao (tới 1,56 T) nên là loại nam châm vĩnh cửu mạnh nhất hiện nay với khả năng cho tích năng lượng từ tới 64 MGOe (tính toán theo lý thuyết) và hiện nay đã xuất hiện loại nam châm Nd₂Fe₁₄B có tích năng lượng từ 57 MGOe. Tuy nhiên, loại nam châm này lại không thể sử dụng ở nhiệt độ cao do có nhiệt độ Curie chỉ 312^oC. Nam châm Nd₂Fe₁₄B lần đầu tiên được phát minh năm 1983 bởi R. Sagawa (Nhật Bản).

Điểm yếu chung của các nam châm đất hiếm là có giá thành cao (do chứa nhiều các nguyên tố đất hiếm đắt tiền), có độ bền kém (do các nguyên tố đất hiếm có tính ôxy hóa rất cao). Vì những điểm yếu này mà nam châm đất hiếm tuy là loại mạnh nhất nhưng vẫn không phải là loại được sử dụng nhiều nhất (đứng sau nam châm ferit).

☼ Nam châm tổ hợp nano:

Là loại nam châm mới ra đời từ đầu thập kỷ 90 của thế kỷ 20, là loại nam châm có cấu trúc tổ hợp của 2 pha từ cứng và từ mềm ở kích thước nanomet. Các pha từ cứng (chiếm tỉ phần thấp) cung cấp lực kháng từ lớn, pha từ mềm cung cấp từ độ lớn. Tính chất tổ hợp này có được là nhờ liên kết trao đổi đàn hồi giữa các hạt pha từ cứng và từ mềm ở kích thước nanomet. Loại nam châm này được tính toán có khả năng cho tích năng lượng từ khổng lồ hơn 3 lần so với nam châm mạnh nhất hiện nay là NdFeB nhưng thực nghiệm mới chỉ đạt được rất nhỏ so với lý thuyết và các sản phẩm thực nghiệm mới trong giai đoạn sản xuất thử nghiệm.

• Phân loại theo phương pháp chế tạo:

☼ Nam châm đẳng hướng (Isotropic magnets):

Là nam châm vĩnh cửu được chế tạo bằng cách ép đẳng tĩnh mà không sử dụng các phương pháp định hướng ban đầu (từ trường...).

☼ Nam châm dị hướng (Anisotropic magnets):

Là nam châm được định hướng trong quá trình ép đẳng tĩnh bằng từ trường. Khi đó, các hạt đơn đômen trong vật liệu sẽ bị định hướng theo chiều từ trường, tạo nên khả năng dễ dàng từ hóa theo phương định hướng.

☼ Nam châm kết dính:

Là các nam châm được chế tạo bằng cách nghiền thành bột mịn, sau đó trộn với keo kết dính (ví dụ epoxy) và ép trong từ trường định hướng. Các keo vừa có tác dụng kết dính, lại vừa có tác dụng đông cứng sự định hướng của các hạt.

☼ Nam châm thiêu kết:

Là nam châm được chế tạo bằng cách thiêu kết các bột kim loại được nghiền mịn và ép khuôn. Việc thiêu kết nhằm tạo ra hợp chất có thành phần hợp phức xác định với tính chất từ của hợp chất đó.

___________________

‼ Tại sao nam châm chỉ hút sắt mà ko hút nhôm, đồng, gang, thép...:

Đa số vật chất đều do các phân tử cấu tạo thành, phân tử do các nguyên tử tạo nên, nguyên tử lại do các nhân nguyên tử và các hạt điện cấu tạo thành. Các hạt điện liên tục vận động trong nguyên tử và xoay chuyển xung quanh hạt nhân nguyên tử, hai loại vận động này sẽ sinh ra từ tính. Nhưng, trong đa số các vật chất, phương thức vận động của các hạt điện là hoàn toàn khác nhau và rất hỗn loạn, điều này làm cho hiệu ứng từ bên trong các vật chất tự triệt tiêu lẫn nhau. Vì vậy, trong trường hợp bình thường, các vật chất đều không có từ tính.

Còn nam châm lại khác. Nam châm thường được làm từ các nguyên liệu sắt từ như sắt, coban, nikken hoặc sắt oxit… Từ tính của nam châm chủ yếu bắt nguồn từ sự vận động của các hạt điện. trong chất sắt từ, các hạt điện tử có thể tự chuyển động và sắp xếp một cách tự phát trong phạm vi nhỏ, tức là trong phạm vi nguyên tử nhỏ bé, các hạt điện tử có thể duy trì phương hướng tự vận động giống nhau và hình thành nên một vùng từ tự phát nhỏ. Vùng từ tự phát này gọi là loại từ. Loại từ có độ lớn nhỏ khác nhau, mỗi loại từ chiếm khoảng 10-9 cm khối và chứa khoảng 1015 nguyên tử. Do phương hướng từ tính của các hạt điện tử trong một loại từ là giống nhau nên các từ tính tăng cường lẫn nhau. Một loại từ tương đương với một nam châm nhỏ, thể nam châm chính là do một số lượng lớn các nam châm nhỏ như vậy tạo thành.

Trước khi nhiễm từ, phương hướng từ tính của các loại từ bên trong nam châm là khác nhau, chúng hướng về mọi phía, kết quả là các từ trường có phương khác nhau sẽ triệt tiêu lẫn nhau và không thể hiện từ tính ra bên ngoài. Tuy nhiên, khi đã được tăng thêm từ trường bên ngoài vào, chúng sẽ lần lượt sắp xếp men theo hướng từ trường, được gọi là nam châm nhiễm điện và trở thành một miếng nam châm. Các hạt điện trong các chất không phải là sắt như đồng, nhôm, chì… mặc dù đã tăng từ trường bên ngoài, nhưng chúng vẫn không chịu sắp xếp theo trật tự mà vận động một cách hỗn loạn, vì vậy những vật chất này không bị nhiễm từ và cũng không có từ tính. 

Nam châm có thể hút sắt chính là do nam châm có từ tính. Khi gần miếng sắt, từ trường của nam châm sẽ làm cho miếng sắt bị nhiễm từ, giữa nam châm và miếng sắt có cực từ khác nhau nên sẽ tạo ra lực hút, miếng sắt sẽ dính chặt vào miếng nam châm. Còn các kim loại khác như đồng, nhôm, chì… lại không bị từ trường của nam châm làm cho nhiễm từ và không sinh ra từ tính, vì vậy, nam châm không thể hút được những kim loại này.

Nam châm vĩnh cửu mà chúng ta thường thấy có hai loại: nam châm nhân tạo và nam châm tự nhiên. Nam châm nhân tạo là do con người để một số nguyên liệu từ tính vào trong từ trường nhằm làm cho nó bị nhiễm từ, sao cho khi từ trường ở môi trường bên ngoài phân tán dần đi, các hạt điện trong nguyên liệu sắt từ tính vẫn được giữ nguyên, sắp xếp có trật tự, nhờ đó sẽ xuất hiện một từ tính bên ngoài rất mạnh. Còn nam châm tự nhiên là một loại quặng sắt trong tự nhiên, nó có từ tính vĩnh cửu dưới sự nhiễm từ của từ trường trái đất.

Cực nam - cực bắc

Cũng như Trái Đất, nam châm cũng có 2 cực là cực bắc và cực nam, tuy nhiên lại không trùng với 2 cực địa lý.

Từ cực Bắc có toạ độ 700 Vĩ Bắc Và 960 Kinh Tây, trên lãnh thổ Canada, cách cực Bắc địa lý 800 km.

Từ cực Nam có toạ độ 730 Vĩ Nam và 1560 Kinh Đông ở vùng Nam cực, cách cực Nam địa lý 1000 km

Sự tái tạo lại cực của nam châm:

ở phần trên, ta đã biết nam châm được cấu tạo từ các hạt mang từ tính, mỗi hạt đó đều có 2 cực, được sắp xếp xen kẽ nhau. Cực nam của mỗi hạt quay về 1 phía tạo nên cực nam của nam châm. Cực bắc của mỗi hạt quay về 1 phía tạo nên cực bắc của nam châm.

Màu đỏ là cực bắc

Màu xanh là cực nam

Do sự sắp xếp đó, nên khi bẻ thanh nam châm, nên cái phần bị bẻ gãy lại tiếp tục chia cực bắc và nam