Từ tính là một lớp các hiện tượng vật lý được trung gian bởi từ trường. Dòng điện và momen từ cơ bản của các hạt cơ bản làm phát sinh từ trường, từ trường này tác dụng lên dòng điện và momen từ khác.
Tất cả các vật liệu đều bị ảnh hưởng ở một mức độ nào đó bởi từ trường. Hiệu ứng quen thuộc nhất là trên nam châm vĩnh cửu, có momen từ liên tục do hiện tượng sắt từ gây ra.
Trong bài đăng này, chúng tôi sẽ đề cập đến:
- Sức mạnh của lực từ
- Lực từ liên quan đến dòng điện như thế nào?
- Vật liệu nào chịu ảnh hưởng của lực từ?
- Ví dụ về lực từ trong hành động
- Lực từ được mô tả như thế nào?
- Loại trường nào có liên quan đến lực từ?
- Có phải tất cả các vật thể đều có lực từ?
- Mối quan hệ giữa lực từ và bề mặt dẫn điện là gì?
- Mối quan hệ giữa Lực từ và Độ lớn của Vận tốc của một Vật thể là gì?
- Lịch sử hấp dẫn của nam châm
- Khám phá thế giới hấp dẫn của từ tính
- Khám phá Từ trường trong Vật liệu
- Nam châm điện: Một thiết bị mạnh mẽ chạy bằng điện
- Lưỡng cực từ: Các khối xây dựng của từ tính
- Kết luận
Sức mạnh của lực từ
Lực từ là lực tác dụng lên hạt mang điện chuyển động trong từ trường. Đó là lực vuông góc với vận tốc của hạt mang điện và từ trường. Lực này được mô tả bằng phương trình lực Lorentz, phát biểu rằng lực (F) tác dụng lên điện tích (q) chuyển động với vận tốc (v) trong từ trường (B) được cho bởi phương trình F = qvBsinθ, trong đó θ là góc giữa vận tốc của điện tích và từ trường.
Lực từ liên quan đến dòng điện như thế nào?
Lực từ có quan hệ mật thiết với dòng điện. Khi một dòng điện chạy qua một dây dẫn, nó sẽ tạo ra một từ trường xung quanh dây dẫn. Từ trường này có thể tác dụng lực lên các vật thể khác khi có mặt nó. Độ lớn và hướng của lực phụ thuộc vào cường độ và hướng của từ trường.
Vật liệu nào chịu ảnh hưởng của lực từ?
Lực từ có thể ảnh hưởng đến một số lượng lớn vật liệu, bao gồm:
- Vật liệu từ tính như sắt, thép và niken
- Vật liệu dẫn điện như đồng và nhôm
- Electron di động trong vật dẫn
- Các hạt tích điện trong plasma
Ví dụ về lực từ trong hành động
Một số ví dụ về lực từ đang hoạt động bao gồm:
- Nam châm hút hoặc đẩy nhau
- Miếng dán dính vào tủ lạnh hoặc cửa vì chúng được gắn nam châm
- Thanh thép bị nam châm mạnh hút
- Dây dẫn có dòng điện bị lệch trong từ trường
- Chuyển động ổn định của kim la bàn do từ trường của Trái đất
Lực từ được mô tả như thế nào?
Lực từ được mô tả bằng đơn vị newton (N) và tesla (T). Tesla là đơn vị cường độ từ trường, và nó được định nghĩa là lực tác dụng lên một dây dẫn mang dòng điện một ampe đặt trong một từ trường đều một tesla. Lực từ tác dụng lên một vật bằng tích của cường độ từ trường và điện tích của vật.
Loại trường nào có liên quan đến lực từ?
Lực từ có liên quan đến trường điện từ. Trường điện từ là một loại trường được tạo ra bởi sự hiện diện của các điện tích và dòng điện. Từ trường là một thành phần của trường điện từ và nó được tạo ra bởi chuyển động của các điện tích.
Có phải tất cả các vật thể đều có lực từ?
Không phải tất cả các đối tượng kinh nghiệm lực lượng từ. Chỉ những vật mang điện tích hoặc mang dòng điện mới chịu tác dụng của lực từ. Các vật không có điện tích thuần và không mang dòng điện sẽ không chịu tác dụng của lực từ.
Mối quan hệ giữa lực từ và bề mặt dẫn điện là gì?
Khi một bề mặt dẫn điện được đặt trong từ trường, các electron trong bề mặt đó sẽ chịu một lực do từ trường. Lực này sẽ làm cho các electron chuyển động, tạo ra dòng điện trên bề mặt. Ngược lại, dòng điện sẽ tạo ra một từ trường tương tác với từ trường ban đầu, khiến bề mặt chịu một lực.
Mối quan hệ giữa Lực từ và Độ lớn của Vận tốc của một Vật thể là gì?
Lực từ tác dụng lên vật tỉ lệ thuận với độ lớn vận tốc của vật. Một vật chuyển động càng nhanh thì lực từ sẽ càng mạnh.
Lịch sử hấp dẫn của nam châm
- Từ “nam châm” xuất phát từ từ “magnes” trong tiếng Latinh, dùng để chỉ một loại đá đặc biệt được tìm thấy ở Thổ Nhĩ Kỳ trên Núi Ida.
- Người Trung Quốc cổ đại đã phát hiện ra nam châm, là nam châm tự nhiên làm từ oxit sắt, hơn 2,000 năm trước.
- Nhà khoa học người Anh William Gilbert đã xác nhận những quan sát trước đó về tính chất của nam châm vào cuối thế kỷ 16, bao gồm cả sự tồn tại của các cực từ.
- Nhà khoa học người Hà Lan Christian Oersted đã phát hiện ra mối quan hệ giữa điện và từ vào năm 1820.
- Nhà vật lý người Pháp Andre Ampere đã mở rộng công trình của Oersted, nghiên cứu mối quan hệ giữa điện và từ và phát triển khái niệm về từ trường.
Phát triển nam châm vĩnh cửu
- Trong những năm đầu tiên của từ học, các nhà nghiên cứu quan tâm đến việc tạo ra những nam châm mạnh hơn và mạnh hơn.
- Vào những năm 1930, các nhà nghiên cứu tại Sumitomo đã phát triển một hợp kim sắt, nhôm và niken để tạo ra nam châm có mật độ năng lượng cao hơn bất kỳ vật liệu nào trước đó.
- Vào những năm 1980, các nhà nghiên cứu tại Viện Hàn lâm Khoa học ở Moscow đã giới thiệu một loại nam châm mới làm từ hợp chất của neodymium, sắt và boron (NdFeB), đây là loại nam châm mạnh nhất về mặt công nghệ hiện nay.
- Các nam châm hiện đại có thể tạo ra từ trường với cường độ lên tới 52 mega-Gauss-oersted (MGOe), rất lớn so với 0.5 MGOe do đá nam châm tạo ra.
Vai trò của nam châm trong sản xuất năng lượng
- Nam châm đóng một vai trò quan trọng trong việc tạo ra điện, đặc biệt là sản xuất điện từ tua-bin gió và đập thủy điện.
- Nam châm cũng được sử dụng trong động cơ điện, được tìm thấy trong mọi thứ, từ ô tô đến đồ gia dụng.
- Mối quan tâm đến nam châm phát sinh từ khả năng tạo ra từ trường, có thể được sử dụng để tạo ra năng lượng điện.
Tương lai của nam châm
- Các nhà khoa học đang nghiên cứu các vật liệu mới và sự phát triển của từ tính, bao gồm cả việc sử dụng các hợp kim và kim loại đất hiếm.
- Nam châm mới là một loại nam châm mới mạnh hơn bất kỳ loại nam châm nào trước đây và có khả năng cách mạng hóa lĩnh vực từ tính.
- Khi sự hiểu biết của chúng ta về nam châm tiếp tục được mở rộng, chúng sẽ đóng một vai trò ngày càng quan trọng trong các xã hội công nghệ tiên tiến.
Khám phá thế giới hấp dẫn của từ tính
Từ tính là một thuộc tính mà một số vật liệu sở hữu, cho phép chúng thu hút hoặc đẩy lùi các vật liệu khác. Các loại từ tính bao gồm:
- Tính nghịch từ: Loại từ tính này có trong tất cả các vật liệu và được gây ra bởi sự chuyển động của các electron trong vật liệu. Khi một vật liệu được đặt trong từ trường, các electron trong vật liệu sẽ tạo ra một dòng điện chống lại từ trường. Điều này dẫn đến hiệu ứng lực đẩy yếu, thường không đáng chú ý.
- Thuận từ: Loại từ này cũng có trong tất cả các vật liệu, nhưng nó yếu hơn nhiều so với nghịch từ. Trong vật liệu thuận từ, momen từ của các electron không thẳng hàng, nhưng chúng có thể được sắp thẳng hàng bởi một từ trường bên ngoài. Điều này làm cho vật liệu bị từ trường hút yếu.
- Sắt từ: Loại từ tính này quen thuộc nhất và là điều mà hầu hết mọi người nghĩ đến khi nghe thấy từ “nam châm”. Vật liệu sắt từ bị nam châm hút mạnh và có thể duy trì tính chất từ tính của chúng ngay cả sau khi từ trường bên ngoài bị loại bỏ. Điều này là do các mô men từ của các electron trong vật liệu được sắp xếp theo cùng một hướng, tạo ra một từ trường mạnh.
Khoa học đằng sau từ tính
Từ tính được tạo ra bởi chuyển động của điện tích, chẳng hạn như điện tử, trong vật liệu. Từ trường do các điện tích này tạo ra có thể được mô tả như một tập hợp các đường sức tạo thành từ trường. Cường độ của từ trường thay đổi tùy thuộc vào số lượng điện tích có mặt và mức độ mà chúng được xếp thẳng hàng.
Cấu trúc của vật liệu cũng đóng một vai trò trong tính chất từ tính của nó. Ví dụ, trong vật liệu sắt từ, momen từ của các phân tử được sắp xếp theo cùng một hướng, tạo ra từ trường mạnh. Trong các vật liệu nghịch từ, các momen từ được định hướng ngẫu nhiên, dẫn đến hiệu ứng lực đẩy yếu.
Tầm quan trọng của việc hiểu về từ tính
Từ tính là một tính chất quan trọng của vật chất có nhiều ứng dụng thực tế. Một số cách mà từ tính được sử dụng bao gồm:
- Động cơ điện và máy phát điện: Các thiết bị này sử dụng từ trường để tạo ra chuyển động hoặc tạo ra điện.
- Lưu trữ từ tính: Từ trường được sử dụng để lưu trữ dữ liệu trên ổ cứng và các loại phương tiện lưu trữ từ tính khác.
- Hình ảnh y tế: Hình ảnh cộng hưởng từ (MRI) sử dụng từ trường để tạo ra hình ảnh chi tiết của cơ thể.
- Bay từ trường: Từ trường có thể được sử dụng để nâng các vật thể lên, có ứng dụng trong vận chuyển và sản xuất.
Hiểu về từ tính cũng rất quan trọng đối với các nhà khoa học và kỹ sư làm việc với vật liệu. Bằng cách hiểu các tính chất từ tính của vật liệu, họ có thể thiết kế các vật liệu có tính chất từ tính cụ thể cho các ứng dụng khác nhau.
Khám phá Từ trường trong Vật liệu
Cường độ của từ trường được xác định bằng đơn vị ampe trên mét (A/m). Cường độ của từ trường có liên quan đến mật độ của từ thông, là số lượng đường sức từ đi qua một khu vực nhất định. Hướng của từ trường được xác định bởi một vectơ chỉ hướng của lực từ tác dụng lên một điện tích dương chuyển động trong trường.
Vai trò của dây dẫn trong từ trường
Vật liệu dẫn điện, chẳng hạn như đồng hoặc nhôm, có thể bị ảnh hưởng bởi từ trường. Khi một dòng điện chạy qua một dây dẫn, một từ trường được tạo ra vuông góc với hướng của dòng điện. Đây được gọi là quy tắc bàn tay phải, trong đó ngón tay cái chỉ theo hướng của dòng điện và các ngón tay cuộn lại theo hướng của từ trường.
Các loại vật liệu từ tính cụ thể
Có hai loại vật liệu từ cụ thể: sắt từ và thuận từ. Vật liệu sắt từ, chẳng hạn như sắt, niken và coban, có từ trường mạnh và có thể bị từ hóa. Vật liệu thuận từ, chẳng hạn như nhôm và bạch kim, có từ trường yếu và không dễ bị từ hóa.
Nam châm điện: Một thiết bị mạnh mẽ chạy bằng điện
Nam châm điện là một loại nam châm được tạo ra bằng cách cho dòng điện chạy qua dây dẫn. Dây thường được quấn quanh lõi làm bằng sắt hoặc vật liệu từ tính khác. Nguyên tắc đằng sau một nam châm điện là khi một dòng điện chạy qua một dây dẫn, nó sẽ tạo ra một từ trường xung quanh dây dẫn. Bằng cách quấn dây vào một cuộn dây, từ trường được tăng cường và nam châm thu được mạnh hơn nhiều so với nam châm vĩnh cửu thông thường.
Nam châm điện được điều khiển như thế nào?
Cường độ của nam châm điện có thể dễ dàng kiểm soát bằng cách thay đổi cường độ dòng điện chạy qua nó. Bằng cách tăng hoặc giảm cường độ dòng điện, từ trường có thể yếu đi hoặc mạnh lên. Các cực của nam châm điện thậm chí có thể đảo ngược bằng cách đảo ngược dòng điện. Điều này làm cho nam châm điện rất hữu ích trong nhiều ứng dụng.
Một số thí nghiệm thú vị với nam châm điện là gì?
Nếu bạn quan tâm đến khoa học đằng sau nam châm điện, có rất nhiều thí nghiệm thú vị mà bạn có thể thử ở nhà. Dưới đây là một vài ý tưởng:
- Tạo một nam châm điện đơn giản bằng cách quấn một sợi dây quanh một chiếc đinh và nối nó với một cục pin. Xem bạn có thể nhặt được bao nhiêu chiếc kẹp giấy bằng nam châm điện của mình.
- Xây dựng một động cơ đơn giản sử dụng nam châm điện và pin. Bằng cách lật cực của pin, bạn có thể làm cho động cơ quay theo hướng ngược lại.
- Sử dụng một nam châm điện để tạo ra một máy phát điện đơn giản. Bằng cách quay một cuộn dây bên trong từ trường, bạn có thể tạo ra một lượng điện nhỏ.
Nhìn chung, sự tồn tại của nam châm điện nhờ vào tính hữu dụng của nó vì nó có thể dễ dàng điều khiển bằng điện, khiến nó trở thành một thành phần quan trọng trong nhiều thiết bị và ứng dụng.
Lưỡng cực từ: Các khối xây dựng của từ tính
Các lưỡng cực từ là các khối xây dựng cơ bản của từ tính. Chúng là đơn vị từ tính nhỏ nhất và bao gồm các nam châm nhỏ gọi là electron. Những electron này có mặt trong các phân tử của vật liệu và có khả năng tạo ra từ trường. Một lưỡng cực từ chỉ đơn giản là một vòng dòng điện bao gồm các điện tích dương và âm.
Chức năng của các lưỡng cực từ
Các lưỡng cực từ đóng vai trò tích cực trong cấu trúc và chức năng của nhiều hợp chất. Chúng thường có mặt trong dây và mạch điển hình, và sự hiện diện của chúng có liên quan trực tiếp đến cường độ từ trường. Cường độ từ trường được cho bởi diện tích của vòng dây và dòng điện chạy qua nó.
Tầm quan trọng của các lưỡng cực từ trong khoa học y tế
Các lưỡng cực từ có rất nhiều tầm quan trọng trong khoa học y tế. Chúng được sử dụng để tạo ra các nam châm cực nhỏ có thể dùng để chẩn đoán và điều trị các tình trạng y tế khác nhau. Việc sử dụng các lưỡng cực từ trong khoa học y tế được gọi là chụp cộng hưởng từ (MRI). MRI là một kỹ thuật y khoa lành mạnh và an toàn, sử dụng các lưỡng cực từ để tạo ra hình ảnh bên trong cơ thể.
Kết luận
Vì vậy, từ tính có nghĩa là thứ gì đó thu hút hoặc đẩy lùi nam châm. Đó là một lực liên quan đến điện và từ tính. Bạn có thể dùng nó để giữ đồ trên tủ lạnh hoặc làm kim la bàn chỉ hướng bắc. Vì vậy, đừng ngại sử dụng nó! Nó không phức tạp như nó có vẻ. Chỉ cần nhớ các quy tắc và bạn sẽ ổn thôi.
Tôi là Joost Nusselder, người sáng lập Tools Doctor, nhà tiếp thị nội dung và là cha. Tôi thích dùng thử thiết bị mới và cùng với nhóm của mình, tôi đã tạo các bài viết chuyên sâu trên blog kể từ năm 2016 để giúp những độc giả trung thành với các công cụ và mẹo chế tạo.
