Nam châm là một vật quá đỗi thân thuộc trong cuộc sống hàng ngày của con người. Chúng có khả năng hút sắt, thép non và đẩy một nam châm khác nếu cùng cực. Để tìm hiểu chi tiết hơn về nam châm là gì? Cách phân loại nam châm vĩnh cửu và các ứng dụng của nó trong cuộc sống, hãy cùng LabVIETCHEM theo dõi chi tiết nội dung bài viết dưới đây nhé.
Nam châm là gì?
Nam châm là gì? Nguồn gốc lịch sử của nam châm
Nam châm là một vật liệu hoặc vật thể tạo ra từ trường với 2 cực là Bắc và Nam. Từ trường này tuy vô hình nhưng lại chịu trách nhiệm tạo ra một lực kéo các vật liệu sắt từ, thép non, hút hoặc đẩy các nam châm khác theo nguyên tắc “cùng cực thì đẩy nhau, khác cực thì hút nhau”.
Trước năm 800 TCN, người Hy Lạp cổ đại đã tìm thấy một loại đá lạ lung màu đen. Tuy nhiên, có lẽ ở thời điểm này, họ vẫn chưa phát hiện ra khả năng quay về hướng Bắc của nó. Đến khoảng 300 năm sau, người Trung Quốc đã tìm ra loại đá này ở Magnesi, đồng thời cũng phát hiện ra khả năng của nó. Họ đã đặt tên cho nó là Magnetite, tức nam châm.
Nguyên lý hoạt động của nam châm
Nam châm đã tạo ra từ trường và chính từ trường đã giúp nó có khả năng hút những vật được làm bằng kim loại. Từ tính của nam châm chủ yếu bắt nguồn từ sự vận động của các hạt điện trong đó. Ở trong sắt, các hạt điện từ này có thể tự do chuyển động và sắp xếp tự phát trong một phạm vi nhỏ. Điều này đồng nghĩa với việc, trong một vùng nguyên tử nhỏ, các hạt điện tử có thể duy trì phương hướng tự vận động một cách giống nhau và hình thành nên một vùng từ tự phát nhỏ.
Mỗi nam châm đều có 2 cực là Bắc [N – North] và Nam [S – South]. Nếu đặt 2 nam châm cùng cực gần nhau, chúng sẽ đẩy nhau ra xa và ngược lại, nếu đặt 2 nam châm khác cực gần nhau, chúng sẽ hút nhau.
Mỗi nam châm đều có 2 cực Bắc và Nam
Các kim loại như đồng, chì, nhôm,…không bị nhiễm từ trường của nam châm nên không thể sinh ra từ tính. Chính vì vậy, nam châm không thể hút những kim loại này.
Nam châm có những loại nào?
Hiện nay, nam châm được chia ra thành 3 loại chính, cụ thể như sau:
1. Nam châm tạm thời
Là loại nam châm được hoạt động với nguyên lý hút các vật liệu sắt từ khi đang ở trong một từ trường mạnh. Tuy nhiên, khi đã mất đi từ tính thì từ trường của chúng cũng sẽ biến mất.
2. Nam châm điện
Nam châm điện là loại dụng cụ tạo từ trường hoặc một nguồn sản sinh từ trường hoạt động nhờ từ trường sinh ra bởi cuộn dây có dòng điện lớn chạy qua. Nó được phát minh vào năm 1825 bởi nhà điện học người Anh là William Sturgeon [1783-1850].
Nam châm điện gồm hai phần là cuộn dây xoắn tạo từ trường được quấn quanh cùng với lõi sắt dẫn [khuếch đại] từ. Khi cho dòng điện chạy qua, lõi sắt bị từ hóa và cảm ứng từ sinh ra đủ mạnh để hút được vật liệu từ, nhưng khi ngắt dòng điện, từ trường của lõi cũng sẽ biến mất. Đặc biệt, chúng ta có thể điều chỉnh cảm ứng từ bằng cách điều chỉnh dòng điện chạy qua cuộn dây.
3. Nam châm vĩnh cửu
Nam châm vĩnh cửu là loại nam châm phổ biến nhất hiện nay, được làm từ vật liệu từ hóa và tạo ra được một từ trường ổn định mang tính vĩnh viễn.
Từ trường của nam châm vĩnh cửu ổn định và vĩnh viễn
Tùy vào vật liệu chế tạo cũng như cách thức làm ra mà nam châm vĩnh cửu được chia thành nhiều loại khác nhau, cụ thể như sau:
3.1. Phân loại theo vật liệu chế tạo
Oxit sắt
Là loại nam châm vĩnh cửu đầu tiên được con người sử dụng từ thời cổ đại dưới dạng “đá nam châm”. Chúng có sẵn trong tự nhiên nhưng có từ tính rất kém nên ngày nay, nó không còn được sử dụng nữa.
Thép cacbon
Ra đời sau oxit sắt và chủ yếu được sử dụng trong khoảng thời gian từ thế kỷ 18 đến giữa thế kỷ 20. Vì có từ tính kém bởi lực kháng từ rất thấp nên hiện nay, loại nam châm này cũng không được dùng nữa.
Nam châm AlNiCo
Được làm từ vật liệu từ cứng như hợp kim của nhôm, niken, côban và một số phụ gia khác như đồng, titan…. Loại này tuy có từ dư cao, khoảng 1,2 - 1,5 T nhưng lực kháng từ lại thấp, chỉ khoảng 1 kOe, hơn nữa, giá thành lại khá cao nên hiện nay, nó ít được sử dụng.
Ferrite từ cứng
Được làm từ các ferit từ cứng như ferit Ba, Sr… là các vật liệu dạng gốm. Loại nam châm này khá dễ chế tạo, gia công, giá rẻ và có độ bền cao nên được sử dụng khá nhiều hiện nay. Tuy nhiên, nhược điểm của nó là có độ từ thấp, lực kháng từ chỉ khoảng 3 - 6 kOe.
Nam châm đất hiếm
Nam châm đất hiếm là gì?
Được làm từ các vật liệu từ cứng là hợp kim hoặc hợp chất của các kim loại đất hiếm và kim loại chuyển tiếp. Chúng được chia là 3 loại chính sau:
Nam châm nhiệt độ cao SmCo
Được chế tạo từ hợp chất ban đầu là SmCo5 bởi tiến sĩ Karl J. Strnat của U.S. Air Force Materials Laboratory [Mỹ] vào năm 1966. Loại nam châm này có tích năng lượng từ cực đại là 18 MGOe. Đến năm 1972, Karl J. Strnat lại tiếp tục phát minh ra hợp chất Sm2Co17 có tích năng lượng từ cực đại lên tới 30 MGOe. Nhờ cấu trúc dạng lá đặc biệt mà nam châm SmCo có nhiệt độ Curie rất cao, lên tới 1100 độ C và có lực kháng từ cực lớn. Chúng chủ yếu được sử dụng trong các ứng dụng nhiệt độ cao như động cơ phản lực.
Nam châm NdFeB
Được chế tạo từ hợp chất R2Fe14B, trong đó R là ký hiệu của các nguyên tố đất hiếm. Chúng có cấu trúc tinh thể kiểu tứ giác với lực kháng từ lớn [> 10 kOe] và từ độ bão hòa rất cao. Vì vậy, đây là loại nam châm vĩnh cửu mạnh nhất hiện nay. Tuy nhiên, nó lại không chịu được nhiệt độ cao và vì chứa nhiều các nguyên tố đất hiếm đắt tiền nên giá thành của loại nam châm này khá cao. Bởi vậy, dù là loại mạnh nhất nhưng nam châm đất hiếm không được sử dụng nhiều nhất.
Nam châm tổ hợp Nano
Là loại nam châm có cấu trúc tổ hợp nhờ liên kết trao đổi đàn hồi giữa các hạt của 2 pha từ cứng và từ mềm ở kích thước nanomet. Các pha từ cứng chỉ chiếm tỉ phần thấp sẽ cung cấp lực kháng từ lớn còn pha từ mềm sẽ cung cấp từ độ lớn. Theo tính toán lý thuyết, lượng từ tích trữ của loại nam châm này lớn gấp 3 lần so với nam châm mạnh nhất hiện nay là NdFeB. Tuy nhiên, thực tế lại không phải như vậy và chúng chỉ là sản phẩm đang trong giai đoạn sản xuất thử nghiệm.
3.2. Phân loại theo phương pháp chế tạo
Nam châm đẳng hướng
Là loại nam châm được tạo ra bằng phương pháp ép đẳng tĩnh và không dùng các phương pháp định hướng ban đầu.
Nam châm dị hướng
Là loại nam châm được tạo ra bằng phương pháp ép đẳng tĩnh và được định hướng trong quá trình ép bằng từ trường. Nhờ đó, các hạt đơn domen trong vật liệu bị định hướng theo chiều của từ trường, giúp nó dễ dàng từ hóa theo phương định hướng.
Nam châm kết dính
Là loại nam châm được tạo ra bằng phương pháp nghiền thành bột mịn rồi trộn với keo kết dính như epoxy và ép lại trong từ trường định hướng. Keo giúp kết dính và đông cứng sự định hướng của các hạt.
Nam châm thiêu kết
Là loại nam châm được tạo ra bằng phương pháp thiêu kết các bột kim loại được nghiền mịn và ép khuôn. Phương pháp này giúp tạo ra hợp chất có thành phần hợp phức xác định với tính chất từ của hợp chất đó.
Một số vai trò của nam châm trong cuộc sống hàng ngày
- Trong hệ thống âm thanh: Nam châm giúp hỗ trợ tạo ra âm thanh cho loa.
- Trong thiết kế thời trang: Được sử dụng làm nút để đóng mở nắp túi, ví,..
Nút đóng mở túi, ví có chứa nam châm
- Ngoài ra, nó cũng được ứng dụng trong rất nhiều sản phẩm văn phòng, nội thất, đồ gia dụng, các món đồ chơi, đồ giảng dạy, thành phần trong động cơ mini, chuông báo động, máy phát điện gió,….
Trên đây là một số chia sẻ của LabVIETCHEM về nam châm. Hy vọng rằng, qua bài viết này, các bạn đã biết được nam châm là gì? Phân loại, cách thức phân loại của nam châm vĩnh cửu. Để xem thêm nhiều bài viết hay, các bạn vui lòng truy cập vào website labvietchem.com.vn và theo dõi nhé.