Thỉnh thoảng chúng tôi đã chơi với nam châm. Dưới đây là một nỗ lực để giải thích những điều cơ bản đằng sau hoạt động bí mật bên trong của nam châm bí ẩn.
Nam châm là bất kỳ vật liệu hoặc vật thể nào tạo ra từ trường. Từ trường này chịu trách nhiệm cho tính chất của nam châm: một lực kéo vào các vật liệu sắt từ khác và thu hút hoặc đẩy lùi các nam châm khác. Một nam châm vĩnh cửu là một vật thể được làm từ một vật liệu được từ hóa và tạo ra từ trường bền bỉ của chính nó. Các vật liệu có thể bị từ hóa, bị hút mạnh bởi nam châm, được gọi là sắt từ. Mặc dù vật liệu sắt từ là những vật liệu duy nhất bị hút bởi nam châm đủ mạnh để thường được coi là từ tính, tất cả các chất khác phản ứng yếu với từ trường.
Một số sự thật về nam châm bao gồm:
- cực bắc của nam châm chỉ vào cực bắc địa từ (một cực nam từ) nằm ở Canada phía trên Vòng Bắc Cực.
- cực bắc đẩy lùi cực bắc
- cực nam đẩy lùi cực nam
- cực bắc thu hút cực nam
- cực nam thu hút cực bắc
- lực hút hoặc lực đẩy thay đổi ngược với bình phương khoảng cách
- cường độ của nam châm thay đổi ở các vị trí khác nhau trên nam châm
- nam châm mạnh nhất ở cực của chúng
- nam châm thu hút mạnh mẽ thép, sắt, niken, coban, gadolinium
- nam châm hơi thu hút oxy lỏng và các vật liệu khác
- nam châm đẩy nhẹ nước, carbon và boron
Các cơ chế làm thế nào để nam châm hoạt động thực sự phá vỡ đến cấp độ nguyên tử. Khi dòng điện chạy trong dây, từ trường được tạo ra xung quanh dây. Hiện tại chỉ đơn giản là một loạt các electron chuyển động, và các electron chuyển động tạo ra một từ trường. Đây là cách nam châm điện được chế tạo để hoạt động.
Xung quanh hạt nhân của nguyên tử có các electron. Các nhà khoa học từng nghĩ rằng họ có quỹ đạo tròn, nhưng đã phát hiện ra rằng mọi thứ phức tạp hơn nhiều. Trên thực tế, các mẫu của electron trong một trong các quỹ đạo này có tính đến các phương trình sóng Schroedinger. Các electron chiếm một số vỏ nhất định bao quanh hạt nhân của nguyên tử. Những vỏ này đã được đặt tên chữ K, L, M, N, O, P, Q. Họ cũng đã được đặt tên số, chẳng hạn như 1,2,3,4,5,6,7 (nghĩ rằng cơ học lượng tử). Trong lớp vỏ, có thể tồn tại các lớp con hoặc quỹ đạo, với các tên chữ cái như s, p, d, f. Một số quỹ đạo này trông giống như hình cầu, một số giống như đồng hồ cát, vẫn còn những cái khác giống như hạt cườm. Vỏ K chứa quỹ đạo s được gọi là quỹ đạo 1s. Vỏ L chứa một quỹ đạo s và p được gọi là quỹ đạo 2s và 2p. Vỏ M chứa một quỹ đạo s, p và d được gọi là quỹ đạo 3s, 3p và 3d. Mỗi lớp vỏ N, O, P và Q chứa một quỹ đạo s, p, d và f được gọi là 4s, 4p, 4d, 4f, 5s, 5p, 5d, 5f, 6s, 6p, 6d, 6f, 7s, 7p, 7d và 7f quỹ đạo. Các quỹ đạo này cũng có các quỹ đạo phụ khác nhau. Mỗi chỉ có thể chứa một số lượng điện tử nhất định. Tối đa 2 electron có thể chiếm một quỹ đạo phụ trong đó một electron có spin lên, cái còn lại có spin xuống. Không thể có hai electron có spin trong cùng một quỹ đạo phụ (hiệu trưởng loại trừ Pauli). Ngoài ra, khi bạn có một cặp electron trong quỹ đạo phụ, từ trường kết hợp của chúng sẽ triệt tiêu lẫn nhau. Nếu bạn bối rối, bạn không cô đơn. Nhiều người bị lạc ở đây và chỉ thắc mắc về nam châm thay vì nghiên cứu thêm.
Khi bạn nhìn vào các kim loại sắt từ, thật khó để biết tại sao chúng lại khác nhau tạo thành các nguyên tố bên cạnh chúng trên bảng tuần hoàn. Người ta thường chấp nhận rằng các nguyên tố sắt từ có mô men từ lớn do các electron không ghép đôi trong quỹ đạo bên ngoài của chúng. Sự quay tròn của electron cũng được cho là tạo ra từ trường phút. Các trường này có hiệu ứng gộp, vì vậy khi bạn có được một loạt các trường này với nhau, chúng sẽ thêm vào các trường lớn hơn.
Để kết thúc mọi thứ, nam châm hoạt động như thế nào? Các nguyên tử của vật liệu sắt từ có xu hướng có từ trường riêng được tạo ra bởi các electron quay quanh chúng. Các nhóm nhỏ nguyên tử có xu hướng tự định hướng theo cùng một hướng. Mỗi nhóm này được gọi là một miền từ tính. Mỗi miền có cực bắc và cực nam riêng. Khi một miếng sắt không bị từ hóa, các miền sẽ không cùng hướng, nhưng sẽ được chỉ theo các hướng ngẫu nhiên triệt tiêu lẫn nhau và ngăn bàn ủi có cực bắc hoặc nam hoặc là nam châm. Nếu bạn giới thiệu dòng điện (từ trường), các miền sẽ bắt đầu thẳng hàng với từ trường bên ngoài. Áp dụng càng nhiều hiện tại, số lượng tên miền được căn chỉnh càng cao. Khi từ trường bên ngoài trở nên mạnh hơn, ngày càng nhiều miền sẽ xếp hàng với nó. Sẽ có một điểm mà tất cả các miền trong sắt được liên kết với từ trường bên ngoài (bão hòa), bất kể từ trường được tạo ra mạnh hơn bao nhiêu. Sau khi từ trường bên ngoài được loại bỏ, các vật liệu từ mềm sẽ trở lại các miền định hướng ngẫu nhiên; tuy nhiên, vật liệu từ cứng sẽ giữ cho hầu hết các miền của chúng thẳng hàng, tạo ra một nam châm vĩnh cửu mạnh mẽ. Vì vậy, có bạn có nó.
Chúng tôi đã viết nhiều bài viết về nam châm cho Tạp chí Vũ trụ. Ở đây, một bài viết về nam châm thanh, và ở đây, một bài viết về siêu nam châm.
Nếu bạn thích thêm thông tin về nam châm, hãy xem một số thí nghiệm thú vị với nam châm và ở đây, Liên kết đến một bài viết về siêu nam châm của Wise Geek.
Chúng tôi cũng đã ghi lại toàn bộ tập phim Thiên văn học đúc tất cả về Từ tính. Nghe ở đây, Tập 42: Từ tính ở mọi nơi.
Nguồn:
Đam mê khôn ngoan
Wikipedia: Nam châm
Wikipedia: Ferromagnetism
