Hiện tượng từ tính trong vật lý - lịch sử, ví dụ và sự thật thú vị
Từ tính và điện
Ứng dụng thực tế đầu tiên của nam châm là ở dạng một miếng thép nhiễm từ nổi trên một phích cắm trong nước hoặc dầu. Trong trường hợp này, một đầu của nam châm luôn chỉ hướng bắc và đầu kia hướng nam. Đó là la bàn đầu tiên được sử dụng bởi các thủy thủ.
Cách đây rất lâu, vài thế kỷ trước thời đại của chúng ta, mọi người đã biết rằng một chất nhựa - hổ phách, nếu được cọ xát bằng len, sẽ có khả năng thu hút các vật nhẹ trong một thời gian: mảnh giấy, sợi chỉ, lông tơ. Hiện tượng này được gọi là điện ("electron" có nghĩa là "hổ phách" trong tiếng Hy Lạp). Sau này người ta nhận thấy rằng nhiễm điện do ma sát có thể không chỉ hổ phách, mà còn các chất khác: thủy tinh, que sáp, v.v.
Trong một thời gian dài, người ta không thấy có mối liên hệ nào giữa hai hiện tượng tự nhiên khác thường—từ trường và điện học. Chỉ có một dấu hiệu bên ngoài dường như là phổ biến - tính chất thu hút: một nam châm hút sắt và một thanh thủy tinh được cọ xát với những mẩu giấy vụn.Đúng vậy, nam châm hoạt động liên tục và vật nhiễm điện sau một thời gian sẽ mất đi các đặc tính của nó, nhưng cả hai đều "thu hút".
Nhưng bây giờ, vào cuối thế kỷ 17, người ta nhận thấy rằng tia chớp — một hiện tượng điện — va chạm gần các vật thể bằng thép có thể làm chúng bị từ hóa. Vì vậy, chẳng hạn, một lần những con dao thép nằm trong hộp gỗ bị nhiễm từ trước sự ngạc nhiên khó tả của chủ nhân, sau khi sét đánh vào hộp và làm vỡ nó.
Theo thời gian, ngày càng có nhiều trường hợp như vậy được quan sát. Tuy nhiên, điều này vẫn không đưa ra lý do để nghĩ rằng có một mối liên hệ chặt chẽ giữa điện và từ. Một kết nối như vậy chỉ được thiết lập khoảng 180 năm trước. Sau đó, người ta quan sát thấy rằng kim nam châm của la bàn bị lệch ngay khi một sợi dây được đặt gần nó, dọc theo đó một dòng điện chạy.
Gần như cùng lúc, các nhà khoa học đã phát hiện ra một hiện tượng khác không kém phần nổi bật. Hóa ra sợi dây mà dòng điện chạy qua có khả năng hút các phoi sắt nhỏ về phía mình. Tuy nhiên, đáng để dừng dòng điện trong dây, vì mùn cưa ngay lập tức rơi ra và dây mất đi đặc tính từ tính.
Cuối cùng, một tính chất khác của dòng điện đã được phát hiện, xác nhận mối liên hệ giữa điện và từ. Hóa ra là một cây kim thép đặt ở giữa một cuộn dây có dòng điện chạy qua (cuộn dây như vậy được gọi là điện từ) bị từ hóa giống như khi được cọ xát với nam châm tự nhiên.
Nam châm điện và công dụng của chúng
Từ kinh nghiệm với một cây kim thép và được sinh ra nam châm điện… Bằng cách đặt một thanh sắt mềm vào giữa cuộn dây thay vì kim, các nhà khoa học đã tin chắc rằng khi có dòng điện chạy qua cuộn dây, thanh sắt sẽ có được đặc tính của nam châm và khi dòng điện dừng lại, nó sẽ mất đi đặc tính này . Đồng thời, người ta nhận thấy rằng càng nhiều vòng dây trong cuộn dây điện từ thì nam châm điện càng mạnh.
Dưới tác dụng của nam châm chuyển động, trong cuộn dây xuất hiện dòng điện
Lúc đầu, nam châm điện dường như chỉ là một thiết bị vật lý buồn cười. Mọi người không nghi ngờ rằng trong tương lai gần nó sẽ tìm thấy ứng dụng rộng rãi nhất, làm cơ sở cho nhiều thiết bị và máy móc (xem — Ứng dụng thực tế của hiện tượng cảm ứng điện từ).
Nguyên lý hoạt động của rơle điện từ
Sau khi xác định rằng dòng điện tạo ra tính chất từ tính của dây, các nhà khoa học đã đặt câu hỏi: liệu có mối quan hệ nghịch đảo giữa điện và từ không? Ví dụ, liệu một nam châm mạnh đặt bên trong một cuộn dây có tạo ra dòng điện chạy qua cuộn dây đó không?
Thật vậy, nếu trong ống dây xuất hiện dòng điện dưới tác dụng của nam châm đứng yên thì điều này hoàn toàn mâu thuẫn định luật bảo toàn năng lượng… Theo định luật này, để có được dòng điện, cần phải tiêu tốn năng lượng khác sẽ chuyển hóa thành năng lượng điện. Khi một dòng điện được tạo ra với sự trợ giúp của nam châm, năng lượng tiêu hao trong chuyển động của nam châm được chuyển thành năng lượng điện.
Nghiên cứu hiện tượng từ tính
Trở lại giữa thế kỷ XIII, các nhà quan sát tò mò nhận thấy rằng các kim nam châm của la bàn tương tác với nhau: các đầu chỉ cùng hướng thì đẩy nhau và các đầu chỉ theo hướng khác thì hút.
Thực tế này đã giúp các nhà khoa học giải thích hoạt động của la bàn. Người ta cho rằng quả địa cầu là một cục nam châm khổng lồ và các đầu của kim la bàn ngoan cố quay đúng hướng, bởi vì chúng bị đẩy bởi một cực từ của Trái đất và bị hút bởi một cực khác. Giả định này hóa ra là đúng.
Trong nghiên cứu về hiện tượng từ tính, mạt sắt nhỏ, dính vào nam châm với bất kỳ lực nào, đã giúp ích rất nhiều. Trước hết, người ta nhận thấy rằng hầu hết mùn cưa dính vào hai vị trí cụ thể trên nam châm hay còn gọi là các cực của nam châm. Hóa ra mọi nam châm luôn có ít nhất hai cực, một trong số đó được gọi là cực bắc (C) và cực kia (S).
Các mạt sắt chỉ vị trí của các đường sức từ trong không gian xung quanh nam châm
Trong nam châm dạng thanh, các cực của nó thường nằm ở hai đầu của thanh. Một bức tranh đặc biệt sống động hiện ra trước mắt những người quan sát khi họ cho rằng rắc mạt sắt lên kính hoặc giấy, bên dưới có đặt một nam châm. Các phoi nằm sát nhau trong các cực của nam châm. Sau đó, ở dạng những đường mỏng—các hạt sắt liên kết với nhau—chúng kéo dài từ cực này sang cực kia.
Nghiên cứu sâu hơn về hiện tượng từ tính cho thấy rằng các lực từ đặc biệt hoạt động trong không gian xung quanh nam châm, hay như người ta nói, từ trường… Hướng và cường độ của lực từ được biểu thị bằng các mạt sắt nằm phía trên nam châm.
Các thí nghiệm với mùn cưa đã dạy rất nhiều. Ví dụ, một miếng sắt tiếp cận cực của một nam châm. Nếu đồng thời tờ giấy có mùn cưa bị rung nhẹ, thì kiểu mùn cưa bắt đầu thay đổi. Các đường sức từ trở nên như thể có thể nhìn thấy được. Chúng truyền từ cực của nam châm sang miếng sắt và trở nên dày hơn khi miếng sắt tiến về phía cực. Đồng thời, lực mà nam châm hút miếng sắt về phía nó cũng tăng lên.
Ở đầu nào của thanh sắt của nam châm điện là cực bắc được hình thành khi có dòng điện chạy qua cuộn dây và ở cực nam là cực nào? Dễ dàng xác định được bằng chiều của dòng điện trong cuộn dây. Dòng điện (dòng điện tích âm) được biết là chảy từ cực âm của nguồn sang cực dương.
Biết được điều này và nhìn vào cuộn dây của nam châm điện, người ta có thể hình dung được dòng điện sẽ chạy theo chiều nào trong các vòng quay của nam châm điện. Ở đầu nam châm điện, nơi dòng điện sẽ chuyển động tròn theo chiều kim đồng hồ, một cực bắc được hình thành và ở đầu kia của dải, nơi dòng điện di chuyển ngược chiều kim đồng hồ, một cực nam. Nếu bạn thay đổi hướng của dòng điện trong cuộn dây của nam châm điện, các cực của nó cũng sẽ thay đổi.
Người ta còn quan sát thấy rằng cả nam châm vĩnh cửu và nam châm điện đều hút mạnh hơn nhiều nếu chúng không ở dạng thanh thẳng mà bị uốn cong sao cho các cực đối diện của chúng lại gần nhau.Trong trường hợp này, không phải một cực hút mà là hai cực, bên cạnh đó, các đường sức từ ít phân tán hơn trong không gian — chúng tập trung giữa các cực.
Khi vật sắt bị hút dính vào cả hai cực, nam châm móng ngựa gần như ngừng tiêu tán các đường sức vào không gian. Điều này rất dễ nhận thấy với cùng một loại mùn cưa trên giấy. Các đường sức từ trước đây kéo dài từ cực này sang cực kia giờ đi xuyên qua vật sắt bị hút, như thể chúng đi qua sắt dễ hơn là đi qua không khí.
Nghiên cứu cho thấy rằng đây thực sự là trường hợp. Một khái niệm mới đã xuất hiện - Tính thấm từ, biểu thị một giá trị cho biết đường sức từ đi qua bất kỳ chất nào dễ dàng hơn bao nhiêu lần so với đi qua không khí. Sắt và một số hợp kim của nó có độ từ thẩm cao nhất. Điều này giải thích tại sao trong số các kim loại, sắt bị nam châm hút nhiều nhất.
Một kim loại khác, niken, được phát hiện có tính thấm từ thấp hơn. Và ít bị nam châm hút hơn. Một số chất khác đã được tìm thấy có độ thấm từ lớn hơn không khí và do đó bị nam châm hút.
Nhưng tính chất từ của các chất này được thể hiện rất yếu. Do đó, tất cả các thiết bị điện và máy móc, trong đó nam châm điện hoạt động theo cách này hay cách khác, cho đến ngày nay không thể thiếu sắt hoặc không có hợp kim đặc biệt bao gồm sắt.
Đương nhiên, người ta đã chú ý nhiều đến việc nghiên cứu sắt và các tính chất từ tính của nó gần như ngay từ khi bắt đầu kỹ thuật điện.Đúng vậy, các tính toán khoa học nghiêm ngặt trong lĩnh vực này chỉ có thể thực hiện được sau khi các nghiên cứu của nhà khoa học người Nga Alexander Grigorievich Stoletov, được thực hiện vào năm 1872. Ông phát hiện ra rằng tính thấm từ của mỗi miếng sắt không phải là hằng số. cô ấy đang thay đổi cho mức độ từ hóa của mảnh này.
Phương pháp kiểm tra tính chất từ của sắt do Stoletov đề xuất có giá trị lớn và được các nhà khoa học và kỹ sư sử dụng trong thời đại chúng ta. Một nghiên cứu sâu hơn về bản chất của các hiện tượng từ tính chỉ có thể thực hiện được sau khi lý thuyết về cấu trúc của vật chất được phát triển.
Sự hiểu biết hiện đại về từ tính
Bây giờ chúng ta biết rằng mọi nguyên tố hóa học được tạo thành từ các nguyên tử - các hạt phức tạp nhỏ bất thường. Ở tâm nguyên tử là hạt nhân mang điện dương. Electron, hạt mang điện tích âm, xoay quanh nó. Số lượng electron không giống nhau đối với các nguyên tử của các nguyên tố hóa học khác nhau. Ví dụ, một nguyên tử hydro chỉ có một electron quay quanh hạt nhân của nó, trong khi một nguyên tử uranium có tới 92.
Bằng cách cẩn thận quan sát các hiện tượng điện khác nhau, các nhà khoa học đã đi đến kết luận rằng dòng điện trong dây dẫn không gì khác hơn là chuyển động của các electron. Bây giờ hãy nhớ rằng một từ trường luôn phát sinh xung quanh một dây dẫn trong đó có dòng điện chạy qua, tức là các electron chuyển động.
Suy ra từ trường luôn xuất hiện ở nơi có sự chuyển động của các electron, hay nói cách khác, sự tồn tại của từ trường là hệ quả của sự chuyển động của các electron.
Câu hỏi đặt ra: trong bất kỳ chất nào, các electron không ngừng quay quanh hạt nhân nguyên tử của chúng, tại sao trong trường hợp này mỗi chất không tạo thành từ trường xung quanh chính nó?
Khoa học hiện đại đưa ra câu trả lời sau đây cho điều này. Mỗi electron không chỉ có một điện tích. Nó cũng có đặc tính của một nam châm, nó là một nam châm nguyên tố nhỏ, do đó, từ trường do các electron tạo ra khi chúng chuyển động quanh hạt nhân được thêm vào từ trường của chính chúng.
Trong trường hợp này, từ trường của hầu hết các nguyên tử, gấp lại, bị phá hủy hoàn toàn, được hấp thụ. Và chỉ trong một vài nguyên tử—sắt, niken, coban, và ở mức độ thấp hơn nhiều ở các nguyên tử khác—từ trường trở nên không cân bằng, và các nguyên tử là những cục nam châm nhỏ. Những chất này được gọi là sắt từ ("Ferrum" có nghĩa là sắt).
Nếu các nguyên tử của các chất sắt từ được sắp xếp ngẫu nhiên, thì từ trường của các nguyên tử khác nhau hướng theo các hướng khác nhau cuối cùng sẽ triệt tiêu lẫn nhau. Nhưng nếu bạn xoay chúng sao cho các từ trường cộng lại—và đó là những gì chúng ta làm trong quá trình từ hóa—các từ trường sẽ không còn triệt tiêu nữa mà cộng lại với nhau.
Toàn bộ cơ thể (một miếng sắt) sẽ tạo ra một từ trường xung quanh chính nó, nó sẽ trở thành một nam châm. Tương tự như vậy, khi các electron chuyển động theo một hướng, ví dụ như xảy ra với dòng điện chạy trong dây dẫn, thì từ trường của từng electron sẽ cộng thành từ trường tổng.
Đổi lại, các electron bị mắc kẹt trong từ trường bên ngoài luôn tiếp xúc với từ trường bên ngoài. Điều này cho phép chuyển động của các electron được điều khiển bằng từ trường.
Tất cả những điều trên chỉ là sơ đồ gần đúng và rất đơn giản. Trong thực tế, các hiện tượng nguyên tử xảy ra trong dây dẫn và vật liệu từ phức tạp hơn.
Khoa học về nam châm và các hiện tượng từ - từ học - rất quan trọng đối với kỹ thuật điện hiện đại.Một đóng góp to lớn cho sự phát triển của ngành khoa học này là của nhà từ học Nikolay Sergeevich Akulov, người đã khám phá ra một định luật quan trọng được cả thế giới biết đến với tên gọi "định luật Akulov". Định luật này cho phép xác định trước các tính chất quan trọng của kim loại như tính dẫn điện, dẫn nhiệt, v.v., thay đổi như thế nào trong quá trình từ hóa.
Nhiều thế hệ các nhà khoa học đã làm việc để thâm nhập vào bí ẩn của hiện tượng từ tính và đưa những hiện tượng này phục vụ nhân loại. Ngày nay, hàng triệu nam châm và nam châm điện đa dạng nhất hoạt động vì lợi ích của con người trong các máy móc và thiết bị điện khác nhau. Họ giải phóng con người khỏi lao động chân tay nặng nhọc, và đôi khi họ là những đầy tớ không thể thiếu.
Tham khảo các bài viết thú vị và hữu ích khác về nam châm và ứng dụng của chúng:
Nam châm vĩnh cửu - loại, tính chất, tương tác của nam châm
Việc sử dụng nam châm vĩnh cửu trong kỹ thuật điện và năng lượng