Sự từ hóa của vật liệu sắt từ: Vật lý HSC

Đưa cực bắc của một nam châm lại gần một chiếc đinh sắt thông thường. Chiếc đinh không phải là nam châm vĩnh cửu, nhưng nó vẫn chuyển động về phía nam châm. Bây giờ lật nam châm lại và đưa cực nam của nó đến gần cùng chiếc đinh đó. Chiếc đinh lại bị hút.

Hãy dự đoán điều gì sẽ xảy ra nếu chiếc đinh thực sự không có các cực từ riêng. Tại sao một đầu của nam châm không đẩy nó ra?

Câu trả lời là nam châm làm thay đổi chiếc đinh. Từ trường của nam châm sắp xếp lại cấu trúc từ bên trong sắt, tạm thời biến chiếc đinh thành một nam châm. Để hiểu điều này xảy ra như thế nào, chúng ta cần xem xét bên trong một vật liệu sắt từ.

01Bắt đầu với các miền từ

Sắt chứa một số lượng khổng lồ các mômen từ ở cấp độ nguyên tử, chủ yếu liên quan đến electron. Trong một vật liệu sắt từ, tương tác giữa các nguyên tử lân cận khiến nhiều mômen từ này cùng định hướng với nhau.

Thông thường, chúng không tạo thành một khối duy nhất được định hướng hoàn toàn giống nhau trên toàn bộ vật thể. Thay vào đó, vật liệu được chia thành các vùng gọi là miền từ.

Bên trong một miền từ, nhiều mômen từ hướng gần như cùng một phía. Một miền từ lân cận có thể hướng theo một phía khác.

Hãy hình dung vài nhóm bạn bè tại một bữa tiệc. Mọi người trong mỗi nhóm đều nhìn gần như cùng một hướng, nhưng các nhóm khác nhau lại quay về những phía khác nhau trong căn phòng. Khi nhìn từ trên xuống, toàn bộ đám đông không có một hướng chung rõ rệt.

Một miền từ có phần giống với một nhóm như vậy.

Tuy nhiên, phép so sánh này không còn đúng ở một điểm quan trọng. Các miền từ không phải là những nam châm thanh tí hon đang trôi nổi và quay cả khối như những vật thể hoàn chỉnh. Hành vi của chúng bắt nguồn từ các mômen từ của electron, và sự từ hóa có thể thay đổi thông qua các quá trình bao gồm sự dịch chuyển của ranh giới giữa các miền từ và sự quay của hướng từ hóa bên trong các miền.

Đối với Vật lý HSC, mô hình hình dung hữu ích là:

• trong một miền từ, nhiều mômen từ được định hướng cùng nhau;
• các miền từ khác nhau có thể hướng theo các phía khác nhau;
• các hiệu ứng từ của chúng có thể phần lớn triệt tiêu nhau;
• một từ trường ngoài có thể làm thay đổi sự cân bằng giữa chúng.

Điểm cuối cùng giải thích hiện tượng của chiếc đinh.

02Không bị từ hóa không có nghĩa là không có cấu trúc từ

Một miếng sắt chưa bị từ hóa vẫn chứa các miền từ.

“Chưa bị từ hóa” có nghĩa là không có sự định hướng tổng thể đáng kể trên toàn bộ vật thể. Các hiệu ứng từ của những miền hướng theo các phía khác nhau phần lớn triệt tiêu nhau.

Sự phân biệt này rất dễ bị bỏ qua.

Một vật thể sắt từ chưa bị từ hóa không phải là một vật liệu mà trong đó mọi mômen từ nguyên tử bằng cách nào đó đã biến mất. Cấu trúc từ vẫn tồn tại. Nó chỉ có rất ít định hướng tổng thể.

Một bản tóm tắt hữu ích là:

03Từ trường ngoài tác động như thế nào

Giả sử một thanh sắt ban đầu chưa bị từ hóa được đặt trong một từ trường ngoài hướng sang phải.

Trước khi từ trường được đặt vào, các miền từ hướng theo nhiều phía. Khi từ trường xuất hiện, những cấu hình định hướng gần hơn với từ trường ngoài trở nên thuận lợi hơn về mặt năng lượng.

Ở cấp độ HSC, chúng ta có thể mô tả kết quả là các miền từ trở nên định hướng mạnh hơn theo từ trường ngoài.

Chính xác hơn, quá trình này có thể bao gồm sự dịch chuyển của các vách miền để những miền có hướng thuận lợi phát triển, cũng như sự quay của hướng từ hóa bên trong các miền.

Kết quả là xuất hiện độ từ hóa tổng theo hướng của từ trường ngoài.

Quá trình này được gọi là từ hóa cảm ứng khi sự từ hóa được tạo ra bởi một từ trường ngoài.

Đừng nhầm cách dùng từ “cảm ứng” này với cảm ứng điện từ. Ở đây không cần có từ thông biến thiên hay suất điện động cảm ứng. Chúng ta đang nói về việc một từ trường làm thay đổi trạng thái từ của một vật liệu.

04Tại sao một miếng sắt chưa bị từ hóa lại bị hút bởi cả hai cực

Quay lại với chiếc đinh.

Giả sử cực bắc của một nam châm vĩnh cửu tiến lại gần chiếc đinh. Từ trường của nam châm khiến các miền từ trong đinh sắp xếp lại.

Đầu gần cực bắc nhất hình thành một cực nam hiệu dụng. Đầu xa hơn hình thành một cực bắc hiệu dụng.

Lúc này, các cực trái dấu nằm gần nhau nhất, nên chiếc đinh bị hút.

Lật nam châm vĩnh cửu lại. Hướng từ hóa cảm ứng trong chiếc đinh cũng đảo chiều. Đầu gần cực nam nhất trở thành cực bắc hiệu dụng.

Một lần nữa, các cực gần nhau nhất là các cực trái dấu, nên chiếc đinh bị hút.

Điều này dẫn đến một quy tắc quan trọng khi làm bài thi:

Một vật thể sắt từ chưa bị từ hóa có thể bị hút bởi bất kỳ cực nào của nam châm vì từ trường ngoài gây ra một sự từ hóa thuận lợi trong vật thể.

Đây là lý do chỉ riêng lực hút không chứng minh rằng vật thể vốn đã là một nam châm.

Lực đẩy là bằng chứng mạnh hơn nhiều. Một miếng sắt từ mềm ban đầu chưa bị từ hóa không có sẵn một cực cùng dấu cố định để đẩy nam châm thử của bạn; sự từ hóa của nó sắp xếp lại để đáp ứng với từ trường ngoài.

Nếu bạn cần ôn lại mối quan hệ giữa các cực và từ trường, hãy xem Lực giữa các nam châm: Lực hút, lực đẩy và từ trường.

05Điều gì xảy ra khi từ trường ngoài biến mất?

Bây giờ hãy đưa ra dự đoán tiếp theo.

Giả sử bạn lần lượt đặt một thanh sắt và một thanh thép vào cùng một từ trường mạnh. Cả hai đều bị từ hóa. Sau đó bạn tắt từ trường.

Liệu cả hai thanh đều phải trở lại trạng thái chưa bị từ hóa ban đầu hay không?

Không.

Một số vật liệu sắt từ mất phần lớn sự định hướng tổng khi từ trường ngoài bị loại bỏ. Những vật liệu khác giữ lại một phần đáng kể.

Sự từ hóa còn lại sau khi từ trường ngoài bị loại bỏ được gọi là độ từ hóa còn lại, hay từ hóa dư.

Đây là sự phân biệt cơ bản giữa nam châm tạm thời và nam châm vĩnh cửu.

Vật liệu từ mềm

Vật liệu từ mềm tương đối dễ từ hóa và cũng tương đối dễ khử từ.

Các miền từ của nó phản ứng dễ dàng với từ trường ngoài, nhưng phần lớn sự định hướng tổng biến mất khi từ trường đó bị loại bỏ.

Sắt mềm là ví dụ đơn giản hóa tiêu chuẩn.

Điều này khiến vật liệu từ mềm hữu ích trong những trường hợp bạn muốn có từ tính khi có dòng điện, nhưng chỉ muốn còn lại rất ít độ từ hóa sau đó. Lõi nam châm điện là một ví dụ rõ ràng.

Một solenoid có dòng điện chạy qua tạo ra từ trường. Đặt một lõi sắt từ mềm phù hợp bên trong nó sẽ làm tăng mạnh đáp ứng từ. Bạn có thể ôn lại chính từ trường này trong Từ trường bên trong solenoid: Giải thích Vật lý HSC.

Vật liệu từ cứng

Vật liệu từ cứng chống lại những thay đổi trong trạng thái từ của nó mạnh hơn.

Sau khi bị từ hóa, một lượng đáng kể sự định hướng của các miền từ có thể vẫn còn khi từ trường ngoài bị loại bỏ. Do đó, vật thể tiếp tục tạo ra từ trường riêng của nó.

Đây là cách một vật liệu sắt từ có thể trở thành nam châm vĩnh cửu.

“Từ cứng” ở đây nói đến hành vi từ tính, chứ không đơn giản là vật liệu có cảm giác cứng về mặt cơ học khi bạn chạm vào nó.

06Tại sao một phần sự định hướng vẫn còn?

Mô hình miền từ đơn giản cho rằng từ trường ngoài khuyến khích các miền từ định hướng theo nó. Nhưng nếu đó là toàn bộ câu chuyện, ta có thể nghĩ rằng khi loại bỏ từ trường, cấu hình ban đầu sẽ ngay lập tức được khôi phục.

Các vật liệu sắt từ thực tế có những cấu trúc bên trong có thể cản trở chuyển động của vách miền. Các khuyết tật, ranh giới hạt và những đặc điểm khác có thể khiến cấu trúc miền khó trở lại trạng thái trước đó.

Bạn có thể hình dung các vách miền như đang cố di chuyển trên một sàn nhà gồ ghề thay vì trên mặt băng không ma sát. Từ trường ngoài đẩy chúng đến những vị trí mới, nhưng khi lực đẩy biến mất, một số vách bị mắc lại.

Phép so sánh này hữu ích để hiểu độ từ hóa còn lại, nhưng nó không phải là một mô hình cơ học chính xác. Không có gì thực sự đang cọ xát trên một mặt sàn. Sự “mắc lại” biểu thị các rào cản năng lượng bên trong vật liệu.

Các rào cản này càng mạnh thì càng khó đảo ngược sự từ hóa.

Một đại lượng đo mức độ một vật liệu từ chống lại quá trình khử từ là lực kháng từ. Các vật liệu dùng làm nam châm vĩnh cửu thường có lực kháng từ lớn hơn nhiều so với vật liệu từ mềm.

Bạn không cần hình dung rằng vật liệu từ cứng có “nhiều miền từ hơn” hay có “những nam châm tí hon mạnh hơn”. Điểm khác biệt then chốt là cấu trúc từ của chúng thay đổi dễ dàng đến mức nào.

07Sự từ hóa có tính ghi nhớ

Điều này dẫn đến một kết quả rất quan trọng: trạng thái từ của một vật thể sắt từ có thể phụ thuộc vào lịch sử của nó.

Hai miếng vật liệu từ giống hệt nhau có thể đang chịu cùng một từ trường tại thời điểm hiện tại nhưng vẫn hành xử khác nhau vì chúng đã đi đến từ trường đó thông qua những trình tự từ hóa khác nhau.

Giả sử một thanh thép từ cứng đã được từ hóa mạnh về phía phải. Sau đó từ trường ngoài bị loại bỏ. Một độ từ hóa đáng kể hướng sang phải vẫn còn.

Bây giờ đặt một từ trường nhỏ hướng sang trái.

Một học sinh có thể dự đoán rằng bất kỳ từ trường hướng trái nào cũng ngay lập tức đảo chiều từ hóa. Điều đó không xảy ra. Nếu từ trường ngược quá yếu, nó có thể chỉ làm giảm độ từ hóa hiện có thay vì đảo ngược hoàn toàn.

Cần có một từ trường ngược đủ mạnh để vượt qua khả năng chống lại sự thay đổi trạng thái từ của vật liệu.

“Tính ghi nhớ” từ này là một phần của hiện tượng gọi là từ trễ.

Đối với bài hướng dẫn này, chỉ cần nắm hệ quả chính sau:

Độ từ hóa cuối cùng không chỉ phụ thuộc vào từ trường đang được đặt vào, mà còn phụ thuộc vào những từ trường mà vật liệu đã trải qua trước đó.

08Từ hóa cảm ứng và từ hóa còn lại không phải là hai cách giải thích đối lập

Học sinh đôi khi xem đây là hai quá trình hoàn toàn khác nhau:

• từ hóa cảm ứng xảy ra trong sắt;
• từ hóa còn lại xảy ra trong thép.

Cách hiểu đó quá đơn giản.

Cả hai đều liên quan đến những thay đổi trong cấu trúc miền từ.

“Từ hóa cảm ứng” mô tả sự từ hóa được tạo ra bởi một từ trường ngoài.

“Từ hóa còn lại” mô tả phần còn lại sau khi từ trường ngoài đó bị loại bỏ.

Một vật liệu từ cứng có thể trước tiên có được sự từ hóa cảm ứng rồi giữ lại phần lớn sự từ hóa đó. Một vật liệu từ mềm cũng có thể bị từ hóa mạnh khi từ trường hiện diện, nhưng chỉ giữ lại rất ít sau đó.

Vì vậy, hãy đặt hai câu hỏi riêng biệt:

1. Điều gì xảy ra khi từ trường ngoài được đặt vào?
2. Điều gì còn lại sau khi từ trường bị loại bỏ?

Sự phân biệt này giúp giải quyết rất nhiều câu hỏi về miền từ.

09Đảo chiều từ trường không giống với khử từ

Giả sử một nam châm thép vĩnh cửu có hướng từ hóa sang phải. Bạn đặt nó bên trong một solenoid và tạo ra một từ trường mạnh hướng sang trái.

Nếu từ trường ngược đủ mạnh, nó có thể đảo ngược sự từ hóa của thanh.

Bây giờ tắt từ trường.

Bạn đã khử từ thanh đó chưa?

Không nhất thiết. Có thể bạn chỉ vừa tạo ra một nam châm vĩnh cửu hướng theo chiều ngược lại.

Đây là lý do quá trình khử từ phức tạp hơn việc “đặt vào một từ trường ngược”.

Một phương pháp sử dụng từ trường xoay chiều có độ lớn được giảm dần. Vật liệu liên tục bị từ hóa theo các hướng luân phiên, nhưng mỗi lần đảo chiều lại yếu hơn lần trước. Sự định hướng tổng còn lại dần dần giảm xuống cho đến khi vật liệu chỉ còn rất ít độ từ hóa tổng.

Biên độ giảm dần là yếu tố then chốt.

Một từ trường xoay chiều lớn nếu bị tắt đột ngột có thể để lại một độ từ hóa đáng kể tương ứng với phần cuối cùng của chu kỳ.

10Quan niệm sai lầm dễ mắc: bản thân các miền từ là các cực bắc và nam

Người ta thường vẽ mỗi miền từ bằng một mũi tên. Điều đó có thể khiến ta tưởng rằng mỗi miền là một nam châm thanh tí hon, cứng, với một đầu được gắn nhãn bắc và một đầu được gắn nhãn nam.

Hình dung đó chỉ hữu ích đến một mức độ nhất định.

Mũi tên biểu thị hướng từ hóa của miền. Nó giúp chúng ta theo dõi hiệu ứng từ kết hợp của nhiều mômen từ nguyên tử.

Khi một vật liệu bị từ hóa, chúng ta không sắp xếp các hạt bắc vi mô vĩnh viễn sang một phía và các hạt nam sang phía còn lại. Các cực quan sát được của toàn bộ vật thể phát sinh từ sự từ hóa tổng thể của nó.

Điều này cũng giải thích tại sao cắt một nam châm thanh không thể tách riêng cực bắc khỏi cực nam. Mỗi mảnh có sự từ hóa riêng và do đó hình thành các đầu bắc và nam riêng.

11Câu hỏi và lời giải

Câu hỏi 1

Một thanh sắt ban đầu chưa bị từ hóa được đặt gần cực bắc của một nam châm thanh.

a. Cực từ nào được cảm ứng ở đầu thanh sắt gần nam châm thanh nhất?

b. Lực nào tác dụng giữa thanh sắt và nam châm thanh?

c. Điều gì xảy ra với phần lớn độ từ hóa của thanh nếu nó là sắt mềm và nam châm thanh được đưa ra xa?

Lời giải 1

Đầu gần nam châm nhất trở thành một cực nam hiệu dụng, nên thanh bị hút về phía cực bắc. Nếu thanh là sắt mềm, phần lớn độ từ hóa cảm ứng biến mất khi từ trường ngoài bị loại bỏ.

Ban đầu, sắt chứa các miền từ có sự từ hóa phần lớn triệt tiêu nhau. Từ trường của nam châm thanh làm thay đổi cách sắp xếp miền, khiến thanh có một độ từ hóa tổng.

Đầu gần nhất mang cực tính trái dấu với cực ở gần của nam châm thanh, tạo ra lực hút.

Sai lầm dễ mắc là cho rằng một thanh chưa bị từ hóa không thể có các cực được cảm ứng vì nó “không có từ tính”. Thực ra nó có chứa các mômen từ và các miền từ; nó chỉ bắt đầu với độ từ hóa tổng rất nhỏ.

Khi từ trường ngoài bị loại bỏ, cấu trúc miền của sắt mềm thay đổi tương đối dễ dàng, nên thanh chỉ giữ lại rất ít sự định hướng cảm ứng.

Câu hỏi 2

Có hai thanh X và Y trông giống hệt nhau. X là sắt mềm chưa bị từ hóa. Y là thép từ cứng đã được từ hóa mạnh từ trước.

Một học sinh đưa cực bắc của một nam châm thử yếu đến gần một đầu của X và quan sát thấy lực hút. Thực hiện phép thử tương tự ở một đầu của Y cũng cho lực hút.

Học sinh kết luận rằng cả hai thanh đều chưa bị từ hóa.

Hãy giải thích tại sao bằng chứng này chưa đủ, và mô tả một phép thử từ có thể phân biệt thanh thép đã bị từ hóa với thanh sắt mềm chưa bị từ hóa theo mô hình miền từ tiêu chuẩn của HSC.

Lời giải 2

Lực hút không chứng minh rằng một thanh chưa bị từ hóa. Quan sát hữu ích để phân biệt là lực đẩy: hãy thử cả hai đầu của mỗi thanh bằng cả hai cực của nam châm thử yếu. Thanh thép đã bị từ hóa có thể tạo ra lực đẩy giữa các cực cùng dấu, trong khi thanh sắt mềm ban đầu chưa bị từ hóa được dự đoán sẽ bị hút vì sự từ hóa của nó được cảm ứng bởi từ trường thử.

Lập luận của học sinh sai vì lực hút có thể xuất phát từ hai nguyên nhân.

Đối với X, nam châm thử gây ra sự từ hóa cảm ứng trong sắt mềm. Bất kể cực nào tiến lại gần, đầu gần của X đều hình thành cực tính trái dấu, vì vậy xảy ra lực hút.

Đối với Y, thanh đã có độ từ hóa còn lại. Nếu cực bắc thử tình cờ tiến lại gần đầu nam của Y, lực hút cũng xảy ra.

Vì vậy, một lực hút không thể cho ta biết cơ chế nào đã tạo ra nó.

Lực đẩy thì khác. Nếu cực bắc của nam châm thử được đưa đến gần đầu bắc của một nam châm thép từ cứng đủ ổn định, các cực cùng dấu sẽ đẩy nhau. Lặp lại phép thử ở cả hai đầu và với cả hai cực thử sẽ cho thấy cực tính cố định của Y.

Cách suy luận dễ mắc là dùng “hút một nam châm” làm định nghĩa của một nam châm. Điều đó không đúng vì vật liệu sắt từ có thể bị hút thông qua từ hóa cảm ứng ngay cả khi ban đầu chúng chưa bị từ hóa.

Giả thiết ở đây là nam châm thử đủ yếu để không làm đảo ngược đáng kể độ từ hóa còn lại của Y.

Câu hỏi 3

Một thanh thép từ cứng được từ hóa mạnh sao cho hướng từ hóa của nó chỉ sang phải. Từ trường từ hóa được loại bỏ.

Sau đó, một từ trường ngoài thứ hai được đặt vào theo hướng sang trái, nhưng nó yếu hơn từ trường cần thiết để đảo ngược phần lớn độ từ hóa còn lại của thanh. Từ trường yếu hơn này cũng được loại bỏ.

Một học sinh lập luận:

“Từ trường cuối cùng hướng sang trái, nên bây giờ thanh chắc chắn phải là một nam châm vĩnh cửu hướng sang trái.”

Học sinh có nhất thiết đúng không? Hãy giải thích trạng thái cuối cùng có thể có của thanh bằng các miền từ và lịch sử từ của nó.

Lời giải 3

Không. Với điều kiện đã nêu, thanh vẫn có thể tiếp tục bị từ hóa theo hướng sang phải, mặc dù độ từ hóa còn lại của nó có thể yếu hơn trước.

Ban đầu, từ trường mạnh hướng sang phải tạo ra một sự định hướng miền tổng đáng kể sang phải. Vì thanh là thép từ cứng, phần lớn sự định hướng đó vẫn còn khi từ trường đầu tiên bị loại bỏ.

Từ trường hướng trái được đặt vào sau đó làm cho sự từ hóa hướng trái trở nên thuận lợi. Nó có thể làm dịch chuyển một số vách miền hoặc quay một phần hướng từ hóa ra khỏi hướng ban đầu.

Tuy nhiên, đề bài cho biết từ trường ngược này quá yếu để đảo ngược phần lớn độ từ hóa còn lại. Các rào cản bên trong chống lại sự thay đổi.

Do đó, sau khi từ trường yếu hơn hướng trái bị loại bỏ, thanh vẫn có thể có độ từ hóa tổng hướng sang phải:

\[ \text{độ từ dư ban đầu hướng sang phải} \;-\; \text{sự đảo chiều một phần} \;>\; 0 \]

Biểu thức này mang tính khái niệm chứ không phải một phương trình số. Nó nói rằng mức thay đổi do từ trường ngược gây ra chưa đủ lớn để vượt qua độ từ hóa tổng đang tồn tại.

Cách suy luận dễ mắc là cho rằng hướng của một vật liệu sắt từ chỉ được xác định bởi từ trường được đặt vào gần đây nhất. Điều đó bỏ qua hiện tượng từ trễ. Vật liệu từ cứng có tính ghi nhớ: trạng thái cuối cùng của chúng phụ thuộc vào trạng thái từ trước đó cũng như từ trường được đặt vào sau này.

Câu hỏi 4

Một thanh thép từ cứng được từ hóa mạnh từ trái sang phải rồi được lấy ra khỏi từ trường từ hóa.

Nó được cắt chính xác làm đôi, tạo thành hai mảnh A và B. Mảnh A được để nguyên. Mảnh B được đưa qua một quá trình khử từ khiến các miền của nó có độ định hướng tổng gần bằng không.

Một học sinh đưa ra hai nhận định:

1. “Việc cắt thanh sẽ tách các cực ban đầu của nó, nên A chỉ chứa cực nam và B chỉ chứa cực bắc.”
2. “Sau khi B bị khử từ, một nam châm vĩnh cửu sẽ không còn tác dụng lực từ lên nó.”

Hãy xác định điều sai trong từng nhận định. Sau đó dự đoán cách các mảnh A và B hành xử khi cực bắc của một nam châm vĩnh cửu được đưa lại gần chúng.

Lời giải 4

Cả hai nhận định đều sai. Sau khi bị cắt, mảnh A vẫn là một nam châm nhỏ hơn có cả đầu nam và đầu bắc, và ban đầu mảnh B cũng vậy. Sau khi B bị khử từ, nó có rất ít độ từ hóa còn lại nhưng vẫn có thể bị nam châm vĩnh cửu hút thông qua từ hóa cảm ứng.

Trước khi cắt, độ từ hóa tổng của thanh hướng từ trái sang phải.

Việc cắt thanh không tách riêng các cực từ. Sự từ hóa bên trong mỗi mảnh còn lại tạo ra các cực từ mới tại các bề mặt vừa được cắt.

Vì vậy, mỗi nửa trở thành một nam châm hoàn chỉnh:

• A có các đầu nam và bắc riêng;
• B có các đầu nam và bắc riêng.

Lập luận sai thứ nhất coi các cực bắc và nam như những chất riêng biệt được chứa ở hai đầu đối diện. Không phải như vậy. Các cực là hệ quả của sự từ hóa của vật thể.

Mảnh A vẫn được giữ ở trạng thái từ hóa. Vì vậy, đưa một cực bắc thử đến gần A có thể gây ra lực hút hoặc lực đẩy tùy theo đầu nào của A được tiếp cận.

Sau đó mảnh B được khử từ. Các miền của nó có rất ít sự định hướng tổng, nên nó không còn hoạt động như một nam châm vĩnh cửu mạnh.

Nhưng “không còn bị từ hóa vĩnh viễn” không có nghĩa là “không thể đáp ứng với một từ trường”. B vẫn là vật liệu sắt từ.

Khi cực bắc của nam châm vĩnh cửu tiến lại gần B, từ trường gây ra sự từ hóa cảm ứng trong B. Đầu gần của nó trở thành cực nam hiệu dụng, tạo ra lực hút.

Lập luận sai thứ hai nhầm lẫn giữa độ từ hóa còn lại và độ cảm từ. Khử từ loại bỏ sự định hướng tổng lớn; nó không ngăn các miền từ của vật liệu đáp ứng với một từ trường ngoài mới.

Câu hỏi 5

Một thanh thép từ cứng ban đầu được từ hóa mạnh theo hướng sang phải. Nó có thể được đặt bên trong một solenoid tạo ra từ trường song song với thanh.

Giả sử từ trường có thể được làm đủ mạnh theo cả hai hướng để đảo ngược sự từ hóa của thanh.

Hai quy trình được đề xuất để “khử từ” cho thanh.

Quy trình A: Đặt vào một dòng điện xoay chiều mạnh trong nhiều chu kỳ. Giữ biên độ từ trường không đổi. Trong nửa chu kỳ cuối cùng, từ trường hướng sang trái. Đột ngột giảm dòng điện xuống bằng không.

Quy trình B: Đặt vào một dòng điện xoay chiều, nhưng giảm dần biên độ của nó qua nhiều chu kỳ cho đến khi từ trường tiến gần đến không.

Một học sinh lập luận rằng cả hai quy trình đều phải có tác dụng vì mỗi quy trình khiến thanh chịu số lần từ trường hướng trái và hướng phải bằng nhau, nên các hiệu ứng sẽ triệt tiêu nhau.

Hãy so sánh trạng thái từ cuối cùng có khả năng xảy ra sau mỗi quy trình. Giải thích tại sao chỉ đơn giản đếm số lần từ trường hướng theo mỗi chiều lại đưa đến dự đoán sai.

Lời giải 5

Quy trình B là quá trình khử từ thực sự. Quy trình A có thể để lại độ từ hóa còn lại đáng kể, có khả năng hướng sang trái trong các điều kiện đã nêu, vì trạng thái cuối cùng của thanh phụ thuộc vào trình tự và độ lớn của các từ trường được đặt vào chứ không phụ thuộc vào phép đếm số học các chu kỳ hướng trái và hướng phải.

Trong Quy trình A, mỗi nửa chu kỳ lớn đều đủ mạnh để đưa vật liệu đáng kể về phía trạng thái từ hóa theo hướng của chính nó.

Một nửa chu kỳ hướng sang phải có xu hướng tạo ra sự từ hóa mạnh sang phải. Nửa chu kỳ hướng trái tiếp theo có xu hướng đảo ngược nó.

Vì biên độ không bao giờ giảm, thanh liên tục bị đẩy qua lại giữa các trạng thái từ hóa mạnh thay vì dần tiến về độ từ hóa bằng không.

Nửa chu kỳ mạnh cuối cùng hướng sang trái. Nếu sau đó dòng điện bị loại bỏ đột ngột, thép từ cứng có thể giữ lại một độ từ hóa đáng kể hướng sang trái.

Vì vậy,

\[ \text{nhiều chu kỳ từ trường dương và âm bằng nhau} \not\Rightarrow \text{độ từ hóa cuối cùng bằng không}. \]

Lập luận triệt tiêu của học sinh sẽ đúng đối với các đại lượng đơn giản cộng độc lập với nhau. Sự từ hóa sắt từ không hành xử như vậy vì vật liệu có hiện tượng từ trễ: đáp ứng tại một thời điểm phụ thuộc vào trạng thái từ trước đó.

Quy trình B chủ động làm thay đổi lịch sử đó.

Ban đầu, từ trường xoay chiều đủ lớn để tạo ra những sự sắp xếp lại đáng kể trong cấu trúc miền từ. Sau đó, mỗi lần đảo chiều có biên độ nhỏ hơn lần trước.

Vì vậy, thanh trải qua những thay đổi từ hóa ngày càng nhỏ theo các hướng luân phiên. Sự định hướng còn lại ngày càng giảm cho đến khi chỉ còn rất ít độ từ hóa tổng khi từ trường ngoài tiến về không.

Sự khác biệt quyết định không phải là số chu kỳ hướng trái và hướng phải. Đó là việc biên độ giảm dần.

Đó là bài học sâu hơn về vật liệu sắt từ: đôi khi chỉ biết từ trường được đặt vào là chưa đủ để dự đoán trạng thái của chúng. Bạn còn cần biết lịch sử từ của chúng.

Ý tưởng này là cầu nối đến các đường cong từ trễ, lực kháng từ và độ từ dư. Nó cũng giải thích tại sao vật liệu được chọn làm lõi nam châm điện phải có hành vi rất khác so với vật liệu được chọn làm nam châm vĩnh cửu.