Nam châm hoạt động như thế nào?

Hi Huế, đây là một câu hỏi thú vị! Mình sẽ cố trả lời chi tiết hết sức, dựa trên những gì mình hiểu được về nam châm:

• Trong vật lý, ở tầng mức rất rất nhỏ, mọi vật chất trên thế giới của chúng ta đều có cấu tạo từ các nguyên tử. Mỗi nguyên tử lại bao gồm các hạt proton, neutron và electron. Đối với câu hỏi này, electron đóng vai trò chủ chốt.
• Các electron trong nguyên tử, ngoài việc quay xung quanh hạt nhân (chính là proton + neutron) thì còn tự quay quanh trục của nó (tương tự chuyển động tự quay quanh trục của Trái Đất - và tiện đây, bản thân Trái Đất là một "cục" nam châm khổng lồ). Chính chuyển động tự quay của các electron đã tạo ra từ tính cho chúng, trong khi chuyển động của chúng quanh hạt nhân nguyên tử tạo ra từ tính cho toàn bộ nguyên tử đó.

• Nhưng vậy thì có phải toàn bộ các nguyên tử trên Trái Đất đều sở hữu từ tính? Không, nếu vậy thì ngay cả gỗ, nhựa hay vải vóc cũng có thể bị nam châm hút rồi! Tùy thuộc vào cấu tạo của nguyên tử, cụ thể hơn là số lượng các electron chuyển động xung quanh hạt nhân cùng hay ngược chiều nhau. Trong hình dưới đây là cấu tạo nguyên tử của nguyên tố Helium (He) - 2 electron trong nguyên tử này cùng chuyển động xung quanh hạt nhân, nhưng trái chiều nhau. Chính điều này đã triệt tiêu từ tính của toàn bộ nguyên tử. Do vậy, Helium cuối cùng không phải một nguyên tố có từ tính.

• Để một nguyên tố có từ tính, trong cấu tạo của mỗi nguyên tử của nó cần phải có thật nhiều các electron chuyển động xung quanh hạt nhân theo cùng một chiều. Như vậy thì từ tính của nguyên tử đó mới không bị triệt tiêu. Một nguyên tử có càng nhiều electron chuyển động cùng chiều thì từ tính của nguyên tử đó càng mạnh. Các nguyên tố như sắt (Fe), cobalt (Co) & nickel (Ni) chính là những nguyên tố có từ tính mạnh nhất, do các electron của chúng không tự triệt tiêu từ tính lẫn nhau khi chuyển động. Đây cũng là lý do tại sao các chất này chịu ảnh hưởng rõ rệt nhất từ nam châm.
• Dựa trên nguyên tắc đó, các nam châm có "sức hút" mạnh nhất hiện nay thường được chế tạo từ Neodymium (Nd) - một nguyên tố có từ tính cực kỳ mạnh, với 7 electron chuyển động cùng chiều quanh hạt nhân trong mỗi nguyên tử (đây là một con số rất đáng kể!) - cùng nhiều nguyên tố kim loại hiếm khác...

• Ngoài ra, nam châm không chỉ hút các chất được cấu tạo từ sắt, cobalt hay nickel. Một vài "chất thuận từ" (paramagnetic materials) - nghĩa là những chất có từ tính tương đối mạnh, như nhôm (Al), platinium (Pt) hay manganese (Mn)...cũng có thể bị từ tính hóa bởi các nam châm. Các electron của những nguyên tố này tuy không triệt tiêu từ tính của nhau (vì số electron chuyển động theo một chiều trong nguyên tử không bằng số electron chuyển động theo chiều ngược lại) nhưng chúng không chuyển động cùng chiều nhau. Các bạn hãy quan sát hình sau:

• Các nguyên tố thuận từ (Paramagnetic) thường có các electron chuyển động hỗn loạn hơn so với các nguyên tố có từ tính mạnh (Ferromagnetic). Tuy nhiên sau khi tiếp xúc với nam châm, các electron trong các nguyên tử có thể được định hướng (vì chúng cùng bị hút/đẩy theo một chiều nào đó bởi các cực của nam châm) trở nên cùng chiều với nhau, và tạo nên từ tính cho nguyên tố đó. Đây cũng là lý do tại sao chúng ta có hiện tượng sau:

• Trong hình trên, những chiếc kẹp giấy (vốn không có từ tính), sau khi tiếp xúc với nam châm đã bị nhiễm từ tính của nó. Thế là tuy nam châm không trực tiếp tiếp xúc, những chiếc kẹp giấy này vẫn có thể hút dính lẫn nhau. Từ tính này của kẹp giấy, tuy nhiên, thường sẽ không kéo dài. Sau khi chuyển động quay của các electron của chúng bị mất định hướng từ nam châm và trở nên hỗn loạn trở lại, từ tính của chúng cũng sẽ mất đi.

Xin chia sẻ đôi dòng như vậy. :)))