TỪ TÍNH: TÍNH CHẤT TỪ ​​CỦA VẬT LIỆU, CÔNG DỤNG - VẬT LÝ - 2025

Từ tính hay năng lượng từ trường là một chuyển động có bản chất liên quan đến lực và có khả năng tạo ra lực hút hoặc lực đẩy điện trong một số tải chất nhất định. Nam châm là nguồn từ tính nổi tiếng.

Bên trong chúng có những tương tác được chuyển thành sự hiện diện của từ trường, ví dụ như tác động của chúng lên các mảnh sắt hoặc niken nhỏ.

Màu sắc tuyệt đẹp của Cực quang là do các hạt vũ trụ phát ra năng lượng khi chúng bị lệch hướng bởi từ trường Trái đất. Nguồn: Pixabay.

Từ trường của một nam châm trở nên có thể nhìn thấy được khi nó được đặt dưới một tờ giấy có mạt sắt rải trên đó. Các hồ sơ được định hướng ngay lập tức dọc theo các đường trường, tạo ra hình ảnh hai chiều của trường.

Một nguồn nổi tiếng khác là dây dẫn dòng điện; Nhưng không giống như nam châm vĩnh cửu, từ tính biến mất khi dòng điện dừng lại.

Bất cứ khi nào một từ trường xảy ra ở đâu đó, một số đặc vụ phải làm việc. Năng lượng đầu tư vào quá trình này được lưu trữ trong từ trường được tạo ra và sau đó có thể được coi là năng lượng từ trường.

Việc tính toán bao nhiêu năng lượng từ trường được lưu trữ trong trường phụ thuộc vào trường và dạng hình học của thiết bị hoặc vùng mà nó được tạo ra.

Các cuộn cảm hoặc cuộn dây là những nơi tốt để làm điều này, tạo ra năng lượng từ trường giống như cách năng lượng điện được lưu trữ giữa các bản của tụ điện.

Lịch sử và khám phá

Ứng dụng cũ

Truyền thuyết được Pliny kể về Hy Lạp cổ đại nói về Magnes chăn cừu, người cách đây hơn 2000 năm đã tìm thấy một khoáng chất bí ẩn có khả năng thu hút các mảnh sắt, chứ không phải các vật liệu khác. Nó là magnetit, một oxit sắt có đặc tính từ tính mạnh.

Lý do cho lực hút từ trường vẫn bị che giấu trong hàng trăm năm. Tốt nhất, nó được cho là do các sự kiện siêu nhiên. Mặc dù không phải vì lý do này, nhưng các ứng dụng thú vị đã được tìm thấy cho nó, chẳng hạn như la bàn.

La bàn do người Trung Quốc phát minh sử dụng từ tính của chính Trái đất để hướng dẫn người dùng trong quá trình điều hướng.

Nghiên cứu khoa học đầu tiên

Việc nghiên cứu các hiện tượng từ trường đã có một bước tiến vượt bậc nhờ William Gilbert (1544 - 1603). Nhà khoa học người Anh thời Elizabeth này đã nghiên cứu từ trường của một nam châm hình cầu và kết luận rằng Trái đất phải có từ trường riêng.

Từ nghiên cứu của mình về nam châm, ông cũng nhận ra rằng ông không thể có được các cực từ riêng biệt. Khi một nam châm bị cắt đôi, nam châm mới cũng có cả hai cực.

Tuy nhiên, phải đến đầu thế kỷ 19, các nhà khoa học mới nhận ra sự tồn tại của mối quan hệ giữa dòng điện và từ tính.

Hans Christian Oersted (1777 - 1851), sinh ra ở Đan Mạch, vào năm 1820, đã có ý tưởng cho dòng điện đi qua một vật dẫn điện và quan sát tác động của nó lên la bàn. La bàn sẽ chệch hướng, và khi dòng điện ngừng chảy, la bàn sẽ lại hướng về phía bắc như bình thường.

Hiện tượng này có thể được xác minh bằng cách đưa la bàn đến gần một trong các dây cáp ra khỏi ắc quy ô tô, trong khi bộ khởi động đang được vận hành.

Tại thời điểm đóng mạch, kim sẽ bị lệch có thể quan sát được, vì pin của ô tô có thể cung cấp dòng điện đủ cao để la bàn bị lệch.

Bằng cách này, rõ ràng là các điện tích chuyển động là thứ làm phát sinh từ tính.

Điều tra hiện đại

Vài năm sau các thí nghiệm của Oersted, nhà nghiên cứu người Anh Michael Faraday (1791 - 1867) đã đánh dấu một cột mốc quan trọng khác khi phát hiện ra rằng các từ trường thay đổi lần lượt làm phát sinh dòng điện.

Cả hai hiện tượng, điện và từ, có liên quan chặt chẽ với nhau, cái này sinh ra cái kia. Chúng được kết hợp lại bởi đệ tử của Faraday, James Clerk Maxwell (1831 - 1879), trong các phương trình mang tên ông.

Các phương trình này chứa đựng và tóm tắt lý thuyết điện từ và có giá trị ngay cả trong vật lý tương đối tính.

Tính chất từ ​​của vật liệu

Tại sao một số vật liệu thể hiện tính chất từ ​​tính hoặc có được từ tính dễ dàng? Chúng ta biết rằng từ trường là do các điện tích chuyển động, do đó bên trong nam châm phải có dòng điện vô hình làm phát sinh từ tính.

Mọi vật chất đều chứa các electron quay quanh hạt nhân nguyên tử. Electron có thể được so sánh với Trái đất, nó có chuyển động tịnh tiến quanh Mặt trời và chuyển động quay trên trục của chính nó.

Vật lý cổ điển quy các chuyển động tương tự cho electron, mặc dù phép loại suy không hoàn toàn chính xác. Tuy nhiên, điểm mấu chốt là cả hai đặc tính của electron khiến nó hoạt động giống như một vòng lặp nhỏ tạo ra từ trường.

Đó là spin của điện tử đóng góp nhiều nhất vào từ trường của nguyên tử. Trong nguyên tử có nhiều electron, chúng được xếp thành từng cặp và có spin trái dấu. Do đó, từ trường của chúng triệt tiêu lẫn nhau. Đây là những gì xảy ra trong hầu hết các vật liệu.

Tuy nhiên, có một số khoáng chất và hợp chất có một electron chưa ghép đôi. Theo cách này, từ trường thuần không bằng không. Điều này tạo ra một mômen từ, một vectơ có độ lớn là tích của dòng điện và diện tích của mạch.

Các mômen từ liền kề tương tác với nhau và hình thành các vùng gọi là miền từ, trong đó nhiều spin được sắp xếp theo cùng một hướng. Từ trường tạo ra rất mạnh.

Tính sắt từ, thuận từ và nghịch từ

Vật liệu có chất lượng này được gọi là sắt từ. Chúng là một số ít: sắt, niken, coban, gadolini và một số hợp kim giống nhau.

Phần còn lại của các nguyên tố trong bảng tuần hoàn thiếu các hiệu ứng từ rất rõ rệt này. Chúng thuộc loại thuận từ hoặc nghịch từ.

Trên thực tế, tính nghịch từ là một thuộc tính của tất cả các vật liệu, chúng chịu lực đẩy nhẹ khi có từ trường bên ngoài. Bismuth là nguyên tố có tính khử từ nổi bật nhất.

Mặt khác, thuận từ bao gồm một phản ứng từ có cường độ thấp hơn so với sắt từ nhưng hấp dẫn như nhau. Các chất thuận từ là nhôm, không khí và một số oxit sắt như goethit.

Sử dụng năng lượng từ trường

Từ tính là một phần của các lực cơ bản của tự nhiên. Vì con người cũng là một phần của nó, họ thích nghi với sự tồn tại của các hiện tượng từ tính, cũng như phần còn lại của sự sống trên hành tinh. Ví dụ, một số loài động vật sử dụng từ trường Trái đất để định hướng địa lý.

Trên thực tế, người ta tin rằng các loài chim thực hiện cuộc di cư dài ngày của mình là nhờ não của chúng sở hữu một loại la bàn hữu cơ cho phép chúng nhận thức và sử dụng trường địa từ.

Trong khi con người thiếu một chiếc la bàn như thế này, thay vào đó họ có khả năng sửa đổi môi trường theo nhiều cách hơn phần còn lại của vương quốc động vật. Vì vậy, các thành viên của loài chúng ta đã sử dụng từ tính để làm lợi thế của họ từ thời điểm người chăn cừu Hy Lạp đầu tiên phát hiện ra đá tảng.

Một số ứng dụng của năng lượng từ trường

Từ đó có nhiều ứng dụng của từ tính. Ở đây có một ít:

- La bàn nói trên, sử dụng địa từ trường của Trái đất để định hướng địa lý.

- Màn hình cũ cho ti vi, máy tính và máy hiện sóng, dựa trên ống tia âm cực, sử dụng cuộn dây tạo ra từ trường. Chúng có nhiệm vụ làm chệch hướng chùm tia điện tử để nó chạm vào những vị trí nhất định trên màn hình, do đó hình thành hình ảnh.

- Khối phổ, được sử dụng để nghiên cứu các loại phân tử khác nhau và với nhiều ứng dụng trong hóa sinh, tội phạm học, nhân chủng học, lịch sử và các ngành khác. Chúng sử dụng điện trường và từ trường để làm lệch hướng các hạt mang điện theo quỹ đạo phụ thuộc vào tốc độ của chúng.

- Lực đẩy từ trường, trong đó lực từ đẩy một tia nước biển (chất dẫn điện tốt) về phía sau, do đó theo định luật thứ ba của Newton, một chiếc xe hoặc thuyền nhận được một xung lực về phía trước.

- Chụp cộng hưởng từ, một phương pháp không xâm lấn để thu được hình ảnh bên trong cơ thể người. Về cơ bản, nó sử dụng một từ trường rất mạnh và phân tích phản ứng của các hạt nhân hydro (proton) có trong các mô, có đặc tính spin đã nói ở trên.

Những ứng dụng này đã được thành lập, nhưng trong tương lai, người ta tin rằng từ tính cũng có thể chống lại các bệnh như ung thư vú, thông qua kỹ thuật tăng thân nhiệt, tạo ra nhiệt cảm ứng từ tính.

Ý tưởng là tiêm chất lỏng magnetite trực tiếp vào khối u. Nhờ nhiệt tạo ra từ dòng điện cảm ứng, các hạt sắt sẽ trở nên đủ nóng để tiêu diệt các tế bào ác tính.

Ưu điểm và nhược điểm

Khi bạn nghĩ về việc sử dụng một dạng năng lượng nhất định, nó đòi hỏi sự chuyển đổi của nó thành một dạng chuyển động nào đó như của tuabin, thang máy hoặc xe cộ chẳng hạn; hoặc nó được chuyển hóa thành năng lượng điện để bật một số thiết bị: điện thoại, tivi, máy ATM và những thứ tương tự.

Năng lượng là một cường độ với nhiều biểu hiện có thể được thay đổi theo nhiều cách. Có thể khuếch đại năng lượng của nam châm nhỏ để nó chuyển động liên tục hơn đồng xu mấy đồng?

Để có thể sử dụng được, năng lượng phải mạnh mẽ và đến từ một nguồn rất dồi dào.

Năng lượng sơ cấp và thứ cấp

Những năng lượng như vậy được tìm thấy trong tự nhiên, từ đó các loại năng lượng khác được tạo ra. Chúng được gọi là năng lượng chính:

- Năng lượng mặt trời.

- Năng lượng nguyên tử.

- Năng lượng địa nhiệt.

- Năng lượng gió.

- Năng lượng sinh khối.

- Năng lượng từ nhiên liệu hóa thạch và khoáng sản.

Năng lượng thứ cấp, chẳng hạn như điện và nhiệt, được tạo ra từ những năng lượng này. Năng lượng từ trường ở đây là ở đâu?

Điện và từ không phải là hai hiện tượng riêng biệt. Trên thực tế, cả hai cùng được gọi là hiện tượng điện từ. Miễn là một trong số chúng tồn tại, cái còn lại sẽ tồn tại.

Nơi nào có năng lượng điện thì ở một dạng nào đó sẽ có năng lượng từ trường. Nhưng đây là năng lượng thứ cấp, đòi hỏi sự biến đổi trước của một số năng lượng sơ cấp.

Đặc điểm của năng lượng sơ cấp và thứ cấp

Ưu điểm hoặc nhược điểm của việc sử dụng một số loại năng lượng được xác lập theo nhiều tiêu chí. Chúng bao gồm việc sản xuất nó dễ dàng và rẻ như thế nào, cũng như mức độ ảnh hưởng tiêu cực đến môi trường và con người.

Một điều quan trọng cần ghi nhớ là năng lượng biến đổi nhiều lần trước khi chúng có thể được sử dụng.

Có bao nhiêu biến đổi phải xảy ra để tạo ra nam châm dính danh sách mua sắm vào cửa tủ lạnh? Có bao nhiêu chiếc để chế tạo một chiếc ô tô điện? Chắc chắn là đủ.

Và năng lượng từ trường hay điện từ sạch đến mức nào? Có những người tin rằng việc tiếp xúc liên tục với các trường điện từ có nguồn gốc từ con người gây ra các vấn đề về sức khỏe và môi trường.

Hiện nay có rất nhiều nghiên cứu dành riêng cho việc nghiên cứu ảnh hưởng của các lĩnh vực này đối với sức khỏe và môi trường, nhưng theo các tổ chức quốc tế uy tín, cho đến nay vẫn chưa có bằng chứng kết luận rằng chúng có hại.

Ví dụ về năng lượng từ trường

Một thiết bị dùng để chứa năng lượng từ trường được gọi là cuộn cảm. Nó là một cuộn dây được hình thành bằng cách quấn dây đồng với đủ số vòng, và nó hữu ích trong nhiều mạch điện để hạn chế dòng điện và ngăn nó thay đổi đột ngột.

Cuộn dây đồng. Nguồn: Pixabay.

Bằng cách cho dòng điện lưu thông qua các vòng của cuộn dây, một từ trường được tạo ra bên trong nó.

Nếu dòng điện thay đổi thì đường sức từ cũng vậy. Những thay đổi này tạo ra một dòng điện theo chiều ngược lại với chúng, theo định luật cảm ứng Faraday-Lenz.

Khi dòng điện tăng hoặc giảm đột ngột, cuộn dây chống lại nó, do đó nó có thể có tác dụng bảo vệ mạch điện.

Năng lượng từ trường của cuộn dây

Năng lượng từ trường được lưu trữ trong từ trường được tạo ra trong phần thể tích được giới hạn bởi các vòng của cuộn dây, sẽ được ký hiệu là U _B và phụ thuộc vào:

- Cường độ từ trường B.

- Diện tích tiết diện của cuộn dây A.

- Chiều dài của cuộn dây l.

- Độ từ thẩm của chân không μ _o.

Nó được tính như sau:

Phương trình này có giá trị trong bất kỳ vùng không gian nào có từ trường. Nếu biết thể tích V của vùng này, độ từ thẩm của nó và cường độ của trường, có thể tính được nó sở hữu bao nhiêu năng lượng từ trường.

Bài tập đã giải quyết

Từ trường bên trong một cuộn dây chứa đầy không khí có đường kính 2,0 cm và dài 26 cm là 0,70 T. Năng lượng tích trữ trong trường này là bao nhiêu?

Giải pháp

Các giá trị số được thay thế trong phương trình trước đó, chú ý chuyển đổi các giá trị sang đơn vị của Hệ thống quốc tế.

1. Giancoli, D. 2006. Vật lý: Các nguyên tắc với ứng dụng. Phiên bản thứ sáu. Sảnh Prentice. 606-607.
2. Wilson, JD 2011. Vật lý 12. Pearson. 135-146.