Từ hóa là một đại lượng vectơ mô tả trạng thái từ của vật liệu và được định nghĩa là lượng mômen từ lưỡng cực trên một đơn vị thể tích. Một vật liệu từ tính - ví dụ như sắt hoặc niken - có thể được coi là được tạo thành từ nhiều nam châm nhỏ gọi là lưỡng cực.
Thông thường các lưỡng cực này, lần lượt có các cực từ bắc và nam, được phân bố với một mức độ rối loạn nhất định trong thể tích của vật liệu. Sự rối loạn này ít xảy ra hơn ở các vật liệu có từ tính mạnh như sắt và nhiều hơn ở những vật liệu khác có từ tính ít rõ ràng hơn.
Hình 1. Các lưỡng cực từ được sắp xếp ngẫu nhiên bên trong vật liệu. Nguồn: F. Zapata.
Tuy nhiên, bằng cách đặt vật liệu ở giữa từ trường bên ngoài, chẳng hạn như từ trường được tạo ra trong điện từ, các lưỡng cực được định hướng theo trường và vật liệu có thể hoạt động như một nam châm (Hình 2).
Hình 2. Đặt một vật liệu chẳng hạn như một miếng sắt chẳng hạn, bên trong một điện từ có dòng điện I chạy qua, từ trường của vật liệu này sẽ căn chỉnh các lưỡng cực trong vật liệu. Nguồn: F. Zapata.
Gọi M là vectơ từ hóa, được xác định là:
Bây giờ, cường độ từ hóa trong vật liệu, sản phẩm của việc ngâm trong trường bên ngoài H , tỷ lệ với điều này, do đó:
M ∝ H
Hằng số tỉ lệ phụ thuộc vào vật liệu, nó được gọi là độ cảm từ và được ký hiệu là χ:
M = χ. H
Đơn vị của M trong Hệ thống quốc tế là ampe / mét, giống như đơn vị của H , do đó χ là không thứ nguyên.
Quỹ đạo và mômen từ quay
Từ tính phát sinh từ các điện tích chuyển động, do đó để xác định từ tính của nguyên tử, chúng ta phải tính đến chuyển động của các hạt mang điện cấu thành nó.
Hình 3. Chuyển động của êlectron xung quanh hạt nhân góp phần tạo ra từ tính bằng mômen từ quỹ đạo. Nguồn: F. Zapata.
Bắt đầu với electron, được coi là quay quanh hạt nhân nguyên tử, nó giống như một vòng lặp cực nhỏ (mạch kín hay vòng dòng kín). Chuyển động này góp phần tạo nên từ tính của nguyên tử nhờ vectơ mômen từ quỹ đạo m, có độ lớn là:
Trong đó I là cường độ dòng điện và A là diện tích được bao bởi vòng dây. Do đó, đơn vị của m trong Hệ Quốc tế (SI) là amps x mét vuông.
Vectơ m vuông góc với mặt phẳng của vòng lặp, như trong Hình 3, và được chỉ dẫn theo quy tắc ngón tay cái bên phải.
Ngón cái hướng theo chiều dòng điện và bốn ngón còn lại quấn quanh vòng dây, hướng lên trên. Mạch nhỏ này tương đương với một nam châm thanh, như trong Hình 3.
Mômen từ quay
Ngoài mômen từ quỹ đạo, electron hoạt động như thể nó đang tự quay. Nó không xảy ra chính xác theo cách này, nhưng kết quả là như nhau, vì vậy đây là một đóng góp khác cần được tính đến cho mômen từ trường của nguyên tử.
Trên thực tế, mômen từ spin mạnh hơn mômen quỹ đạo và chịu trách nhiệm chính cho từ tính thuần của một chất.
Hình 4. Mômen từ spin là mômen đóng góp nhiều nhất vào từ hóa thuần của vật liệu. Nguồn: F. Zapata.
Các mômen quay sắp xếp theo sự hiện diện của từ trường bên ngoài và tạo ra hiệu ứng thác, liên tiếp căn chỉnh với các mômen lân cận.
Không phải tất cả các vật liệu đều thể hiện tính chất từ tính. Đó là do các điện tử có spin trái dấu tạo thành các cặp và triệt tiêu mômen từ spin tương ứng của chúng.
Chỉ khi cái nào chưa được ghép nối thì mới có một phần đóng góp vào tổng mômen từ. Do đó, chỉ những nguyên tử có số electron lẻ mới có cơ hội nhiễm từ.
Các proton trong hạt nhân nguyên tử cũng đóng góp một phần nhỏ vào tổng mômen từ của nguyên tử, vì chúng cũng có spin và do đó là mômen từ liên kết.
Nhưng điều này lại phụ thuộc nghịch vào khối lượng, và khối lượng của proton lớn hơn nhiều so với electron.
Ví dụ
Bên trong một cuộn dây, có dòng điện chạy qua, một từ trường đều được tạo ra.
Và như được mô tả trong hình 2, khi đặt một vật liệu ở đó, các mômen từ của nó sẽ phù hợp với trường của cuộn dây. Hiệu ứng ròng là tạo ra từ trường mạnh hơn.
Máy biến áp, thiết bị tăng hoặc giảm điện áp xoay chiều, là một ví dụ điển hình. Chúng bao gồm hai cuộn dây, cuộn dây chính và cuộn dây thứ cấp, quấn trên một lõi sắt mềm.
Hình 5. Trong lõi của máy biến áp xảy ra hiện tượng từ hóa thuần. Nguồn: Wikimedia Commons.
Dòng điện thay đổi chạy qua cuộn sơ cấp làm thay đổi luân phiên các đường sức từ trong lõi, từ đó tạo ra dòng điện trong cuộn thứ cấp.
Tần số của dao động như nhau, nhưng độ lớn khác nhau. Bằng cách này, có thể thu được điện áp cao hơn hoặc thấp hơn.
Thay vì quấn các cuộn dây vào lõi sắt đặc, tốt hơn là đặt một miếng kim loại phủ vecni lên trên.
Nguyên nhân là do sự hiện diện của dòng điện xoáy bên trong lõi, có tác dụng làm nóng nó quá mức, nhưng dòng điện gây ra trong các tấm lại thấp hơn, và do đó sự phát nóng của thiết bị được giảm thiểu.
Bộ sạc không dây
Điện thoại di động hoặc bàn chải đánh răng điện có thể được sạc bằng cảm ứng từ, được gọi là sạc không dây hoặc sạc cảm ứng.
Nó hoạt động theo cách sau: có một đế hoặc trạm sạc, có một cuộn dây điện từ hoặc cuộn dây chính, qua đó một dòng điện thay đổi được chạy qua. Một cuộn dây (thứ cấp) khác được gắn vào tay cầm chổi than.
Đến lượt mình, dòng điện trong cuộn sơ cấp tạo ra dòng điện trong cuộn dây của tay cầm khi bàn chải được đặt vào trạm sạc và điều này sẽ đảm nhận việc sạc pin cũng nằm trong tay cầm.
Cường độ dòng điện cảm ứng tăng lên khi đặt một lõi vật liệu sắt từ, có thể là sắt vào cuộn dây chính.
Để cuộn sơ cấp phát hiện sự gần nhau của cuộn thứ cấp, hệ thống phát ra tín hiệu ngắt quãng. Sau khi nhận được phản hồi, cơ chế được mô tả sẽ được kích hoạt và dòng điện bắt đầu được tạo ra mà không cần dây cáp.
Ferrofluids
Một ứng dụng thú vị khác của các đặc tính từ của vật chất là ferrofluid. Chúng bao gồm các hạt từ cực nhỏ của hợp chất ferit, lơ lửng trong môi trường lỏng, có thể là chất hữu cơ hoặc thậm chí là nước.
Các hạt được phủ một chất ngăn cản sự kết tụ của chúng, và do đó vẫn phân bố trong chất lỏng.
Ý tưởng là khả năng chảy của chất lỏng được kết hợp với từ tính của các hạt ferit, bản thân chúng không có từ tính mạnh, nhưng có được từ hóa khi có trường bên ngoài, như đã mô tả ở trên.
Từ hóa thu được biến mất ngay sau khi trường bên ngoài được rút đi.
Ferrofluids ban đầu được NASA phát triển để huy động nhiên liệu trong tàu vũ trụ mà không có trọng lực, tạo ra xung lực với sự trợ giúp của từ trường.
Hiện tại, ferrofluid có nhiều ứng dụng, một số vẫn đang trong giai đoạn thử nghiệm, chẳng hạn như:
- Giảm ma sát lên bộ giảm âm của loa và tai nghe (tránh hiện tượng dội âm).
- Cho phép tách các vật liệu có tỷ trọng khác nhau.
- Đóng vai trò như các vòng đệm trên trục của ổ cứng và đẩy lùi bụi bẩn.
- Là một phương pháp điều trị ung thư (trong giai đoạn thử nghiệm). Ferrofluid được tiêm vào tế bào ung thư và một từ trường được áp dụng để tạo ra các dòng điện nhỏ. Nhiệt tạo ra bởi những thứ này sẽ tấn công các tế bào ác tính và tiêu diệt chúng.
Người giới thiệu
- Tạp chí Vật lý Brazil. Ferrofluids: Tính chất và ứng dụng. Được khôi phục từ: sbfisica.org.br
- Figueroa, D. (2005). Loạt bài: Vật lý cho Khoa học và Kỹ thuật. Tập 6. Điện từ học. Biên tập bởi Douglas Figueroa (USB). 215-221.
- Giancoli, D. 2006. Vật lý: Các nguyên tắc với ứng dụng. Ed Prentice Hall thứ 6. 560-562.
- Kirkpatrick, L. 2007. Vật lý: Cái nhìn về thế giới. Phiên bản rút gọn thứ 6. Học tập Cengage. 233.
- Shipman, J. 2009. Giới thiệu về Khoa học Vật lý. Học tập Cengage. 206-208.