TỪ TÍNH: VẬT LIỆU, ỨNG DỤNG, VÍ DỤ - VẬT LÝ - 2026

Từ tính là một trong những câu trả lời là vật chất có từ trường bên ngoài. Nó có đặc điểm là ngược chiều hoặc ngược chiều với từ trường này và thông thường, trừ khi nó là phản ứng từ trường duy nhất của vật liệu, cường độ của nó là yếu nhất.

Khi tác dụng đẩy là tác dụng duy nhất mà vật liệu tác động lên nam châm, vật liệu đó được coi là nghịch từ. Nếu các hiệu ứng từ khác chiếm ưu thế, tùy thuộc vào nó là gì, nó sẽ được coi là thuận từ hoặc sắt từ.

Một mảnh bitmut, một vật liệu nghịch từ. Nguồn: Pixabay.

Sebald Brugmans được ghi nhận vào năm 1778 với tài liệu tham khảo đầu tiên về lực đẩy giữa bất kỳ cực nào của nam châm và một mảnh vật liệu, đặc biệt rõ ràng trong các nguyên tố như bitmut và antimon.

Sau đó, vào năm 1845, Michael Faraday đã nghiên cứu kỹ hơn hiệu ứng này và kết luận rằng nó là thuộc tính cố hữu của mọi vật chất.

Vật liệu nghịch từ và phản ứng của chúng

Hành vi từ tính của bitmut và antimon, và những chất khác như vàng, đồng, heli, và các chất như nước và gỗ, khác rất nhiều so với lực hút từ mạnh nổi tiếng mà nam châm tác dụng lên sắt, niken hoặc coban.

Mặc dù nói chung là một phản ứng cường độ thấp, khi đối mặt với một từ trường bên ngoài đủ cường độ, bất kỳ vật liệu nghịch từ nào, thậm chí là vật chất hữu cơ sống, đều có khả năng trải qua một từ hóa ngược lại rất đáng chú ý.

Bằng cách tạo ra từ trường mạnh tới 16 Tesla (đã có 1 Tesla được coi là khá mạnh), các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm nam châm trường cao Nijmegen ở Amsterdam, Hà Lan đã có thể hút dâu tây, pizza và ếch từ tính vào những năm 1990.

Nó cũng có thể đẩy một nam châm nhỏ giữa các ngón tay của một người, nhờ vào từ tính và từ trường đủ mạnh. Bản thân từ trường tạo ra một lực từ có khả năng hút một nam châm nhỏ bằng lực và bạn có thể cố gắng làm cho lực này bù cho trọng lượng, tuy nhiên nam châm nhỏ không ổn định lắm.

Ngay sau khi nó trải qua độ dịch chuyển nhỏ nhất, lực do nam châm lớn tác dụng sẽ hút nó nhanh chóng. Tuy nhiên, khi ngón tay của con người nằm giữa nam châm, nam châm nhỏ sẽ ổn định và bay lên giữa ngón cái và ngón trỏ của người đó. Điều kỳ diệu là do hiệu ứng đẩy gây ra bởi tính từ tính của các ngón tay.

Nguồn gốc của phản ứng từ trong vật chất là gì?

Nguồn gốc của hiện tượng nghịch từ, là phản ứng cơ bản của bất kỳ chất nào đối với tác động của từ trường bên ngoài, nằm ở chỗ các nguyên tử được tạo thành từ các hạt hạ nguyên tử có điện tích.

Các hạt này không tĩnh và chuyển động của chúng có nhiệm vụ tạo ra từ trường. Tất nhiên, vật chất có đầy đủ chúng, và bạn luôn có thể mong đợi một số loại phản ứng từ trong bất kỳ vật liệu nào, không chỉ các hợp chất sắt.

Electron chịu trách nhiệm chính cho các đặc tính từ của vật chất. Trong một mô hình rất đơn giản, có thể giả định rằng hạt này quay quanh hạt nhân nguyên tử với chuyển động tròn đều. Điều này đủ để electron hoạt động như một dòng điện vòng nhỏ có khả năng tạo ra từ trường.

Sự từ hóa từ hiệu ứng này được gọi là từ hóa quỹ đạo . Nhưng electron có một đóng góp bổ sung vào từ tính của nguyên tử: mômen động lượng nội tại.

Một phép tương tự để mô tả nguồn gốc của mômen động lượng nội tại là giả sử rằng electron có chuyển động quay quanh trục của nó, một tính chất được gọi là spin.

Là một chuyển động và là một hạt tích điện, spin cũng góp phần vào cái gọi là từ hóa spin .

Cả hai đóng góp đều làm phát sinh từ tính ròng hoặc kết quả, tuy nhiên điều quan trọng nhất chính là do quay. Các proton trong hạt nhân, mặc dù có điện tích và spin, nhưng không đóng góp đáng kể vào sự từ hóa của nguyên tử.

Trong vật liệu nghịch từ, độ từ hóa kết quả bằng 0, vì đóng góp của cả mômen quỹ đạo và mômen quay của mômen quay đều bị triệt tiêu. Thứ nhất vì định luật Lenz và thứ hai vì các electron trong các obitan được thành lập thành từng cặp có spin ngược dấu và các vỏ chứa đầy một số electron chẵn.

Từ tính trong vật chất

Hiệu ứng nghịch từ phát sinh khi quỹ đạo từ hóa chịu ảnh hưởng của từ trường bên ngoài. Từ hóa thu được do đó được ký hiệu là M và là một vectơ.

Bất kể trường hướng đến đâu, phản ứng nghịch từ sẽ luôn là lực đẩy nhờ định luật Lenz, định luật này nói rằng dòng điện cảm ứng chống lại bất kỳ sự thay đổi nào của từ thông qua vòng dây.

Nhưng nếu vật liệu có chứa một loại từ hóa vĩnh cửu nào đó, phản ứng sẽ là lực hút, chẳng hạn như trường hợp của thuận từ và sắt từ.

Để định lượng các hiệu ứng được mô tả, chúng ta hãy xem xét một từ trường ngoài H , đặt trên một vật liệu đẳng hướng (các tính chất của nó giống nhau tại bất kỳ điểm nào trong không gian), trong đó có một từ hóa M bắt nguồn . Như vậy, bên trong một cảm ứng từ tạo B , như là kết quả của sự tương tác xảy ra giữa H và M .

Tất cả các đại lượng này là vector. B và M tỷ lệ với H , là độ từ thẩm của vật liệu μ và độ cảm từ χ, các hằng số tỷ lệ tương ứng, cho biết phản ứng cụ thể của chất đối với ảnh hưởng từ bên ngoài là gì:

B = μ H

Độ từ hóa của vật liệu cũng sẽ tỷ lệ với H :

M = χ H

Các phương trình trên là hợp lệ trong hệ thống cgs. Cả B , H và M có cùng kích thước, mặc dù đơn vị khác nhau. Đối với B , gauss được sử dụng trong hệ thống này và đối với H, biểu tượng được sử dụng. Lý do của việc này là để phân biệt trường được áp dụng bên ngoài với trường được tạo ra bên trong vật liệu.

Trong Hệ thống quốc tế, là hệ thống thường được sử dụng, phương trình đầu tiên có vẻ ngoài hơi khác:

B = μ _hoặc μ _r H

μ _o là độ từ thẩm của không gian trống, tương đương với 4π x 10-7 Tm / A (Teslameter / Ampe) và μ _r là độ từ thẩm tương đối của môi trường liên quan đến chân không, không có thứ nguyên.

Xét về độ cảm từ χ, là đặc tính thích hợp nhất để mô tả tính chất nghịch từ của vật liệu, phương trình này được viết như sau:

B = (1 + χ) μ _hoặc H

Với μ _r = 1 + χ

Trong Hệ thống Quốc tế, B được biểu thị bằng Tesla (T), trong khi H được biểu thị bằng Ampe / mét, một đơn vị từng được cho là được gọi là Lenz, nhưng cho đến nay vẫn được giữ nguyên về đơn vị cơ bản.

Trong những vật liệu mà χ là âm, chúng được coi là nghịch từ. Và đó là một thông số tốt để đặc trưng cho các chất này, vì χ trong chúng có thể được coi là một giá trị không đổi không phụ thuộc vào nhiệt độ. Đây không phải là trường hợp của các vật liệu có nhiều phản ứng từ hơn.

Thông thường χ có thứ tự từ -10 ^-6 đến -10 ^-5 . Chất siêu dẫn được đặc trưng bởi có χ = -1 và do đó từ trường bên trong bị hủy bỏ hoàn toàn (hiệu ứng Meisner).

Chúng là những vật liệu nghịch từ hoàn hảo, trong đó nghịch từ không còn là một phản ứng yếu, và trở nên đủ mạnh để bay các vật thể, như đã mô tả ở phần đầu.

Ứng dụng: từ tính-não và xử lý nước

Các sinh vật được tạo ra từ nước và chất hữu cơ, phản ứng của chúng với từ tính nói chung là yếu. Tuy nhiên, từ tính, như chúng ta đã nói, là một phần nội tại của vật chất, bao gồm cả chất hữu cơ.

Các dòng điện nhỏ lưu thông bên trong con người và động vật chắc chắn tạo ra hiệu ứng từ trường. Tại thời điểm này, trong khi người đọc theo dõi những từ này bằng mắt của mình, các dòng điện nhỏ lưu thông trong não cho phép anh ta truy cập và giải thích thông tin.

Từ hóa yếu xảy ra trong não có thể phát hiện được. Kỹ thuật này được gọi là kỹ thuật điện não đồ, sử dụng các thiết bị dò gọi là SQUID (Thiết bị giao thoa lượng tử siêu dẫn) để phát hiện các từ trường rất nhỏ, theo thứ tự ^10-15 T.

SQUID có khả năng định vị các nguồn hoạt động của não với độ chính xác cao. Một phần mềm có nhiệm vụ thu thập dữ liệu thu được và chuyển nó thành bản đồ chi tiết về hoạt động của não bộ.

Từ trường bên ngoài có thể ảnh hưởng đến não theo một cách nào đó. Bao nhiêu? Một số nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng một từ trường khá mạnh, khoảng 1 T, có khả năng ảnh hưởng đến thùy đỉnh, làm gián đoạn một phần hoạt động của não trong những khoảnh khắc ngắn ngủi.

Mặt khác, những người khác, trong đó những người tình nguyện đã dành 40 giờ bên trong một nam châm tạo ra cường độ 4 T, đã ra đi mà không phải chịu bất kỳ tác động tiêu cực nào có thể quan sát được. Ít nhất là Đại học Ohio, đã chỉ ra rằng cho đến nay không có rủi ro khi ở trong các trường 8 T.

Một số sinh vật như vi khuẩn có thể kết hợp các tinh thể nhỏ của magnetit và sử dụng chúng để định hướng trong từ trường của Trái đất. Magnetite cũng được tìm thấy trong các sinh vật phức tạp hơn như ong và chim, những người sẽ sử dụng nó cho mục đích tương tự.

Có khoáng chất từ ​​tính trong cơ thể con người không? Đúng vậy, magnetit đã được tìm thấy trong não người, mặc dù người ta vẫn chưa biết nó ở đó với mục đích gì. Người ta có thể suy đoán rằng đây là một kỹ năng không còn được dùng nữa.

Về xử lý nước, căn cứ vào thực tế là các chất cặn lắng về cơ bản là chất nghịch từ. Từ trường mạnh có thể được sử dụng để loại bỏ cặn canxi cacbonat, thạch cao, muối và các chất khác gây ra độ cứng trong nước và tích tụ trong đường ống và bình chứa.

Đây là một hệ thống có nhiều ưu điểm để bảo vệ môi trường và giữ cho đường ống hoạt động tốt trong thời gian dài và chi phí thấp.

Người giới thiệu

1. Eisberg, R. 1978. Vật lý lượng tử. Limusa. 557-577.
2. Còn trẻ, Hugh. 2016. Vật lý đại học của Sears-Zemansky với Vật lý hiện đại. 14 Ed. Pearson. 942
3. Zapata, F. (2003). Nghiên cứu các khoáng chất liên quan đến giếng dầu Guafita 8x thuộc mỏ Guafita (Apure State) sử dụng phép đo Độ nhạy từ và Quang phổ của Mossbauer. Luận văn cấp bằng. Đại học Trung ương Venezuela.