Bạn đã bao giờ tự hỏi điều gì sẽ xảy ra nếu bạn cưa một nửa nam châm chưa? Bạn có thể nghĩ rằng mình sẽ có được hai miếng kim loại không có từ tính, giống như cắt một quả táo, nhưng điều đó không đúng.
Cho dù bạn cắt nam châm thành bao nhiêu mảnh thì mỗi mảnh vẫn có từ tính và sẽ có cực bắc và cực nam . Những nam châm nhỏ này sẽ hút hoặc đẩy nhau giống như một nam châm lớn.
Hiện tượng kỳ diệu này khiến nam châm trở thành công cụ không thể thiếu trong đời sống con người. Bạn có thể sử dụng chúng để trang trí tủ lạnh hoặc sử dụng chúng để khám phá bên trong cơ thể. Sức mạnh kì diệu nào của nam châm đã giúp chúng làm được điều này?
Nam châm là công cụ không thể thiếu trong đời sống con người. (Hình minh họa).
Để trả lời câu hỏi này, trước tiên chúng ta phải hiểu nam châm được làm từ gì. Mọi vật chất, kể cả nam châm, đều được cấu tạo từ các nguyên tử. Trong mọi nguyên tử, hạt nhân được bao quanh bởi một hoặc nhiều electron mang điện tích âm. Mỗi electron này tạo ra từ trường vi mô riêng, cái mà các nhà khoa học gọi là “spin”. Nếu từ trường đủ nhỏ hướng cùng chiều thì bản thân vật liệu sẽ trở thành từ tính.
“Spin” của electron là một khái niệm trừu tượng. Về mặt kỹ thuật, chưa ai từng nhìn thấy spin của electron – nó quá nhỏ để có thể nhìn thấy dưới kính hiển vi. Nhưng các nhà vật lý biết rằng các electron có từ trường vì họ đã đo được nó. Một cách để tạo ra trường này là quay các electron.
“Spin” của electron là một khái niệm trừu tượng. (Hình minh họa).
Khi có thể, các electron ghép đôi sao cho spin của chúng triệt tiêu lẫn nhau, làm cho tổng từ tính của nguyên tử bằng không. Nhưng ở một số nguyên tố, chẳng hạn như sắt, điều này không xảy ra. Số lượng electron và cách chúng định vị xung quanh hạt nhân có thể dẫn đến việc mỗi nguyên tử sắt có một electron chưa ghép cặp, tạo ra một từ trường nhỏ.
Trong các vật liệu không có từ tính, các từ trường riêng lẻ này hướng theo các hướng ngẫu nhiên khác nhau. Ở trạng thái này, chúng gần như triệt tiêu lẫn nhau nên vật liệu nói chung không có từ tính. Nhưng trong những điều kiện thích hợp, từ trường hạ nguyên tử cực nhỏ có thể thẳng hàng và hướng về cùng một hướng. Những từ trường rất nhỏ này kết hợp với nhau để tạo ra từ trường lớn hơn, do đó vật liệu sắt có thể trở thành nam châm.
Trái đất cũng có từ trường riêng. (Hình minh họa).
Nhiều loại nam châm dùng trong đời sống hàng ngày như nam châm tủ lạnh đều là nam châm vĩnh cửu . Ở những vật liệu này, từ trường của nhiều nguyên tử trong vật liệu đã được liên kết vĩnh viễn bởi một ngoại lực nào đó – như thể chúng được đặt trong một từ trường mạnh hơn.
Thông thường, từ trường mạnh hơn được tạo ra bằng điện. Điện và từ về cơ bản có liên quan với nhau vì từ trường được tạo ra bởi sự chuyển động của các điện tích. Đó là lý do tại sao các electron quay có từ trường nhưng các nhà khoa học cũng có thể sử dụng điện để tạo ra nam châm cực mạnh. Chạy đủ dòng điện qua cuộn dây sẽ tạo ra một từ trường rất mạnh tồn tại trong suốt thời gian dòng điện chạy qua. Những nam châm điện này thường được sử dụng trong nghiên cứu vật lý. Chúng cũng được sử dụng trong các công cụ y tế như máy chụp cộng hưởng từ (MRI).
Thông thường, từ trường mạnh hơn được tạo ra bằng điện. (Hình minh họa).
Trái đất cũng có từ trường riêng – đây là cách hoạt động của kim la bàn. Các nhà khoa học định nghĩa Cực Bắc của nam châm là điểm cuối của Cực Bắc của Trái đất mà nó sẽ hướng tới nếu nam châm quay tự do. Nhưng về mặt kỹ thuật, Gregory Scott Boebinger, giám đốc Phòng thí nghiệm từ trường quốc gia ở Tallahassee, Florida, và hiện là giáo sư vật lý tại Đại học bang Florida, giải thích, điều này có nghĩa là cực từ phía bắc của Trái đất, Trái đất thực sự là cực từ phía nam vì các cực đối diện nhau hút nhau. nhau.
Trong quy ước vật lý, các đường sức từ chạy từ cực bắc của nam châm và đi vào cực nam của nó, tạo thành một vòng khép kín. Bạn có thể quan sát hiện tượng này bằng cách tiến hành một thí nghiệm đơn giản sử dụng một số mạt sắt nhỏ và một nam châm. Đặt nam châm lên một tờ giấy và rắc một ít mạt sắt lên tờ giấy. Bạn sẽ thấy các mạt sắt được sắp xếp dọc theo các đường sức từ, tạo thành một hình mẫu. Đây là hình dung về từ tính của nam châm.
Nam châm là một trong những bí ẩn sâu sắc nhất của vật lý. (Hình minh họa).
Các nhà vật lý cũng đã khám phá ra những cách sắp xếp khác của các cực từ, bao gồm cả tứ cực, trong đó sự kết hợp của các cực từ bắc và nam được sắp xếp thành một hình vuông. Nhưng có một mục tiêu vẫn còn khó nắm bắt: chưa ai phát hiện ra đơn cực từ.
Electron và proton là các đơn cực điện và chúng đều mang điện tích dương hoặc điện tích âm. Nhưng các electron (và các hạt khác) có hai cực từ. Vì là hạt cơ bản nên chúng không thể bị chia nhỏ thêm nữa. Sự khác biệt giữa cách các hạt hành xử về mặt điện và từ tính đã khiến nhiều nhà vật lý tò mò. Khám phá của nó sẽ thách thức các định luật vật lý mà chúng ta hiểu hiện nay.
Nam châm là một trong những bí ẩn sâu sắc nhất của vật lý và mặc dù con người đã sử dụng chúng hàng nghìn năm nhưng các nhà khoa học vẫn đang tìm hiểu những điều mới về cách chúng hoạt động. Có lẽ một ngày nào đó chúng ta sẽ khám phá ra hết bí mật của họ.
- Một nhà toán học vừa công bố một phát minh chưa từng có: Tạo ra lực hấp dẫn
- Tổng hợp những hiện tượng bí ẩn nhất chưa có lời giải đáp
- Nam châm lớn nhất thế giới có thể nâng tàu sân bay
