Giải thích vật liệu từ và vật liệu sắt từ trong Vật lý HSC

Một nam châm hút rất mạnh một chiếc kẹp giấy bằng thép, nhưng hầu như không phản ứng với một đồng xu bằng đồng. Vậy thép có phải là nam châm còn đồng là “không có từ tính” không? Không hẳn. Kẹp giấy có thể bị hút mạnh mà bản thân nó không phải là một nam châm vĩnh cửu.

Trước khi đọc tiếp, hãy dự đoán điều gì sẽ xảy ra nếu bạn đưa cực bắc của một nam châm vĩnh cửu lại gần một chiếc đinh sắt chưa được từ hóa. Chiếc đinh sẽ bị hút, bị đẩy hay không bị ảnh hưởng?

Nó bị hút. Đáng ngạc nhiên hơn, chiếc đinh cũng bị hút nếu bạn quay nam châm lại và đưa cực nam của nó đến gần. Hiểu được lý do sẽ giúp phân biệt ba khái niệm rất dễ bị nhầm lẫn: nam châm, vật liệu từ và vật liệu sắt từ.

01Nam châm và vật liệu từ không phải là một

Hãy bắt đầu với cách phân biệt đơn giản và hữu ích nhất.

Một nam châm tạo ra từ trường vĩ mô của chính nó. Một nam châm thanh vĩnh cửu vẫn làm được điều này ngay cả khi không có nam châm nào khác ở gần.

Một vật liệu từ là vật liệu có hành vi từ thay đổi khi được đặt trong từ trường. Trong vật lý phổ thông, cụm từ này thường được dùng tương đối rộng để chỉ những vật liệu phản ứng mạnh với nam châm.

Một vật liệu sắt từ là một loại vật liệu từ cụ thể, phản ứng rất mạnh với từ trường ngoài và có thể được từ hóa. Các ví dụ quen thuộc gồm sắt, cobalt, nickel và nhiều hợp kim có chứa chúng.

Từ đó, ta có một quy tắc phân loại quan trọng:

Bảng trên lược bỏ một số khía cạnh vật lý sâu hơn. Nói một cách chặt chẽ, gần như mọi vật liệu đều có một mức độ phản ứng nào đó với từ trường. Tuy nhiên, đối với các bài toán HSC về lực hút từ mạnh và sự từ hóa, loại quan trọng thường là tính sắt từ.

Vì vậy, “không phải sắt từ” không có nghĩa là “theo vật lý thì hoàn toàn không có hiện tượng từ nào xảy ra”. Nó có nghĩa là vật liệu không thể hiện hành vi mạnh dựa trên các miền từ mà chúng ta đang nghiên cứu ở đây.

02Điều gì khiến vật liệu sắt từ khác biệt?

Hãy tưởng tượng bạn cắt một thanh sắt thành các mảnh ngày càng nhỏ hơn. Cuối cùng, cách hình dung thông thường về những mẩu sắt nhỏ không còn hữu ích nữa. Ở cấp độ nguyên tử, electron tạo cho nguyên tử các tính chất từ.

Trong một vật liệu sắt từ, tương tác giữa các nguyên tử lân cận khiến nhiều mômen từ nguyên tử cùng sắp xếp theo một hướng. Một vùng chứa số lượng lớn các mômen đã được sắp thẳng hàng như vậy được gọi là một miền từ.

Một cách hình dung hữu ích là một sân trường được chia thành nhiều nhóm người, mỗi người cầm một mũi tên nhỏ. Tất cả mọi người trong cùng một nhóm thống nhất chỉ mũi tên theo cùng một hướng, nhưng các nhóm khác nhau lại chỉ theo các hướng khác nhau.

Nếu các nhóm chỉ theo đủ mọi hướng, tác dụng của chúng phần lớn triệt tiêu lẫn nhau. Toàn bộ sân không có một hướng tổng thể mạnh.

Đó gần giống với điều xảy ra trong một vật liệu sắt từ chưa được từ hóa. Bên trong nó đã có các miền từ. Chỉ là các miền được sắp xếp sao cho độ từ hóa tổng trên toàn vật thể rất nhỏ hoặc bằng không.

Phép so sánh này có giới hạn. Các miền từ không thực sự là những đám đông gồm các kim la bàn tí hon quay độc lập. Hành vi của miền từ bắt nguồn từ các tương tác lượng tử giữa các mômen từ nguyên tử, và quá trình từ hóa thường liên quan đến cả sự dịch chuyển của ranh giới miền lẫn sự thay đổi hướng của các mômen.

03Một vật liệu sắt từ chưa được từ hóa vẫn chứa các vùng có trật tự từ

Đây là một bẫy thường gặp.

Một học sinh có thể suy luận:

Nếu một chiếc đinh sắt chưa được từ hóa, thì các nguyên tử của nó chắc hẳn vẫn chưa hoạt động giống như các nam châm.

Điều đó có vẻ hợp lý vì chiếc đinh không hành xử như một nam châm thanh vĩnh cửu. Nhưng ý tưởng còn thiếu ở đây là sự triệt tiêu.

Chiếc đinh có thể chứa nhiều miền có trật tự từ nhưng vẫn có mômen từ tổng gần bằng không. Một miền hướng theo một phía, miền khác hướng theo phía khác, và các đóng góp của chúng phần lớn triệt tiêu lẫn nhau.

Khi một từ trường ngoài được đặt vào, sự cân bằng đó thay đổi.

Các miền có độ từ hóa thuận chiều với từ trường đặt vào có xu hướng lớn lên, trong khi các miền khác co lại. Các mômen từ cũng có thể quay về phía của từ trường.

Kết quả là độ từ hóa tổng tăng lên.

Vì vậy, từ trường ngoài không tạo ra tính sắt từ từ con số không. Nó làm thay đổi cách sắp xếp của trật tự từ vốn đã tồn tại trong vật liệu.

04Vì sao một chiếc đinh sắt bị hút bởi cả hai cực

Hãy quay lại dự đoán ở phần mở đầu.

Giả sử bạn đưa cực bắc của một nam châm vĩnh cửu đến gần một chiếc đinh sắt chưa được từ hóa.

Từ trường của nam châm khiến chiếc đinh bị từ hóa cảm ứng. Đầu gần nam châm nhất hành xử như một cực nam, còn đầu ở xa hơn hành xử như một cực bắc.

Hai cực trái dấu ở gần nhau hút nhau mạnh. Hai cực cùng dấu ở xa hơn thực sự tạo ra tương tác đẩy, nhưng chúng cách xa nhau hơn, nên lực hút ở gần chiếm ưu thế.

Quay ngược nam châm vĩnh cửu lại. Sự từ hóa cảm ứng của chiếc đinh cũng đảo chiều. Đầu gần cực nam giờ hành xử như một cực bắc.

Chiếc đinh vẫn bị hút.

Điều này cho ta một kết luận hữu ích:

Sự hút không chứng minh rằng cả hai vật thể đều đã là nam châm trước khi chúng tương tác.

Một vật có thể là nam châm vĩnh cửu, còn vật kia chỉ đơn giản là một vật liệu sắt từ đang bị từ hóa trong từ trường của vật thứ nhất.

05Sự từ hóa vĩnh cửu phụ thuộc vào điều xảy ra sau khi từ trường được loại bỏ

Bây giờ hãy tưởng tượng loại bỏ nam châm bên ngoài.

Hãy dự đoán điều bắt buộc phải xảy ra với các miền từ. Liệu tất cả chúng có lập tức trở về cách sắp xếp ban đầu không?

Không nhất thiết.

Một số vật liệu sắt từ mất phần lớn độ từ hóa cảm ứng khi từ trường ngoài biến mất. Những vật liệu khác giữ lại mức độ sắp thẳng hàng đáng kể và vẫn còn được từ hóa.

Điều này cho ta một cách phân biệt hữu ích giữa các vật liệu sắt từ từ mềm và từ cứng.

“Từ mềm” và “từ cứng” ở đây mô tả hành vi từ, chứ không đơn thuần nói vật liệu có cảm giác mềm hay cứng về mặt cơ học.

06Nam châm điện nằm ở đâu trong bức tranh này?

Một nam châm không nhất thiết phải là một mảnh vật liệu sắt từ vĩnh cửu.

Dòng điện tạo ra từ trường. Vì vậy, một cuộn dây có dòng điện chạy qua có thể hoạt động như một nam châm điện, ngay cả khi không có lõi sắt.

Việc thêm lõi sắt từ có thể làm hiệu ứng từ mạnh hơn nhiều. Từ trường của cuộn dây từ hóa lõi, làm nhiều miền của nó thẳng hàng hơn.

Điều này cho ta hai cơ chế khác nhau mà học sinh đôi khi gộp làm một:

• dòng điện tạo ra từ trường xung quanh cuộn dây
• lõi sắt từ phản ứng với từ trường đó bằng cách bị từ hóa

Sắt không phải nguyên nhân ban đầu tạo ra từ trường của cuộn dây. Dòng điện mới là nguyên nhân. Sắt làm thay đổi từ trường tạo thành nhờ phản ứng sắt từ của nó.

07Bốn phát biểu nghe có vẻ giống nhau nhưng mang ý nghĩa khác nhau

Cần phân biệt cẩn thận các phát biểu sau.

“Vật thể là một nam châm.”
Nó có mômen từ tổng đủ lớn để tạo ra một từ trường bên ngoài đáng kể.

“Vật liệu là sắt từ.”
Các mômen từ nguyên tử của nó có thể tạo thành các miền từ, và nó có thể phản ứng mạnh với một từ trường đặt vào.

“Vật thể chưa được từ hóa.”
Các miền của nó được sắp xếp sao cho tác dụng từ của chúng phần lớn triệt tiêu nhau trên toàn vật thể.

“Vật thể đã được từ hóa.”
Các miền của nó đã trở nên đủ thẳng hàng để tạo cho vật thể một độ từ hóa tổng khác không.

Vì vậy, một vật thể có thể vừa là sắt từ vừa chưa được từ hóa.

Câu này giải quyết một trong những hiểu lầm phổ biến nhất trong chủ đề này.

08Nam châm không hút mọi kim loại

Một cách suy luận tắt khác rất dễ mắc phải là:

kim loại = có từ tính

Cách này không đúng.

Sắt, cobalt, nickel và nhiều vật liệu có chứa chúng có thể thể hiện hành vi sắt từ mạnh. Đồng thì không. Nhôm cũng không có hành vi sắt từ trong các điều kiện phòng thí nghiệm HSC thông thường.

Đây là lý do chỉ xác định một thứ là “kim loại” vẫn chưa đủ để dự đoán liệu một nam châm vĩnh cửu có hút mạnh nó hay không.

Ngay cả từ thép cũng cần được hiểu cẩn thận. Thép là các hợp kim nền sắt, nhưng tính chất từ chính xác của chúng phụ thuộc vào thành phần và cấu trúc. Trong các bài suy luận HSC thông thường, các vật thể bằng sắt và thép phổ biến thường được xem là sắt từ, trừ khi đề bài cung cấp thông tin cho thấy điều ngược lại.

Câu hỏi tốt hơn không phải là:

“Nó có phải kim loại không?”

Hãy hỏi:

“Vật liệu có phải là sắt từ không, và trạng thái từ hóa hiện tại của nó là gì?”

09Câu hỏi và lời giải

Câu hỏi 1

Một nam châm vĩnh cửu hút mạnh một vòng đệm bằng sắt mà trước đó chưa được từ hóa.

Sự hút này có chứng minh rằng vòng đệm vốn đã là một nam châm không? Hãy giải thích điều gì xảy ra với vòng đệm khi nam châm tiến lại gần.

Lời giải 1

Không. Sự hút không chứng minh rằng vòng đệm vốn đã là một nam châm.

Sắt là vật liệu sắt từ, nên từ trường của nam châm vĩnh cửu làm thay đổi cách sắp xếp các miền từ bên trong vòng đệm. Điều này tạo cho vòng đệm một độ từ hóa tổng cảm ứng.

Phần của vòng đệm gần nam châm vĩnh cửu nhất hình thành một cực từ trái dấu với cực ở gần của nam châm vĩnh cửu. Lực hút ở khoảng cách gần tạo ra do đó mạnh hơn tương tác liên quan đến phần ở xa hơn.

Bẫy ở đây là giả định rằng lực hút chỉ có thể xảy ra giữa hai vật thể vốn đã là nam châm vĩnh cửu. Một nam châm vĩnh cửu có thể hút một vật thể sắt từ ban đầu chưa được từ hóa bằng cách gây ra sự từ hóa cảm ứng trong vật đó.

Câu hỏi 2

Ba khối nhỏ được làm từ sắt, đồng và một hợp kim nam châm vĩnh cửu từ cứng. Nhãn của chúng đã bị rơi mất.

Khối A tạo ra một từ trường có thể đo được khi nằm một mình.

Khối B không tự tạo ra từ trường ngoài đáng kể, nhưng bị hút mạnh khi đưa một nam châm vĩnh cửu lại gần.

Khối C không thể hiện đáng kể một trong hai hành vi trên trong lớp học.

Hãy xác định vật liệu có khả năng nhất của A, B và C, đồng thời giải thích lập luận của bạn.

Lời giải 2

A là hợp kim nam châm vĩnh cửu từ cứng, B là sắt và C là đồng.

Khối A tạo ra một từ trường đáng kể ngay cả khi không có từ trường khác tác dụng. Đây là quan sát đặc trưng được mong đợi ở một nam châm vĩnh cửu.

Khối B bị hút mạnh nhưng ban đầu không tạo ra từ trường ngoài đáng kể. Điều này phù hợp với sắt chưa được từ hóa. Ban đầu, các miền của nó có rất ít sự sắp thẳng hàng tổng, nhưng một từ trường ngoài có thể sắp xếp lại chúng và tạo ra sự từ hóa cảm ứng mạnh.

Khối C nhiều khả năng nhất là đồng. Đồng không phải là vật liệu sắt từ, nên nó không thể hiện lực hút mạnh và sự sắp thẳng hàng của các miền như mong đợi ở sắt.

Điểm phân biệt then chốt là giữa việc đã được từ hóa sẵn và khả năng bị từ hóa mạnh.

Câu hỏi 3

Hai thanh sắt được đặt bên trong hai cuộn dây riêng biệt có dòng điện chạy qua. Thanh P trở nên được từ hóa mạnh khi có dòng điện nhưng chỉ còn rất ít độ từ hóa sau khi dòng điện bị ngắt. Thanh Q vẫn được từ hóa mạnh sau khi dòng điện bị ngắt.

Một thiết bị cần một lõi có thể bật và tắt từ trường nhiều lần.

Thanh nào phù hợp hơn, và hành vi nào của các miền từ giải thích lựa chọn này?

Lời giải 3

Thanh P phù hợp hơn vì nó có hành vi của một vật liệu sắt từ từ mềm.

Khi dòng điện chạy qua, cuộn dây tạo ra một từ trường ngoài. Các miền trong thanh P phản ứng mạnh, tạo ra độ từ hóa tổng lớn.

Khi dòng điện dừng, phần lớn sự sắp thẳng hàng đó bị mất, nên thanh chỉ giữ lại rất ít độ từ hóa. Điều này hữu ích trong một thiết bị cần tác dụng từ tắt đi khi dòng điện ngừng chạy.

Thanh Q giữ lại sự sắp thẳng hàng đáng kể của các miền sau khi từ trường ngoài biến mất. Hành vi đó hữu ích đối với nam châm vĩnh cửu, nhưng kém phù hợp hơn khi thiết bị phải liên tục trở về trạng thái được từ hóa yếu.

Điểm quan trọng là “dễ duy trì trạng thái từ hóa hơn” không tự động có nghĩa là “tốt hơn”. Hành vi từ cần thiết phụ thuộc vào chức năng mà thiết bị phải thực hiện.

Câu hỏi 4

Một học sinh nói:

Một thanh sắt chưa được từ hóa không thể chứa các mômen từ nguyên tử đã thẳng hàng, vì nếu có thì thanh sắt đã là một nam châm rồi.

Hãy giải thích chính xác điều gì sai trong lập luận này.

Lời giải 4

Sai lầm nằm ở việc nhầm lẫn sự thẳng hàng cục bộ bên trong các miền từ với sự thẳng hàng tổng trên toàn bộ thanh.

Bên trong mỗi miền từ, nhiều mômen từ nguyên tử đã thẳng hàng. Tuy nhiên, các miền khác nhau trong một thanh chưa được từ hóa có thể hướng theo những phía khác nhau.

Khi đó, các đóng góp của chúng phần lớn triệt tiêu nhau, khiến toàn bộ thanh có rất ít hoặc không có độ từ hóa tổng.

Việc đặt một từ trường ngoài làm thay đổi cách sắp xếp các miền. Các miền có hướng thuận lợi có thể lớn lên, và các mômen từ có thể quay về phía từ trường, khiến sự triệt tiêu trở nên kém hoàn toàn hơn và thanh phát triển một mômen từ tổng.

Vì vậy, học sinh đúng ở chỗ một thanh được từ hóa mạnh đòi hỏi mức độ sắp thẳng hàng tổng đáng kể, nhưng sai khi cho rằng một thanh chưa được từ hóa không chứa trật tự từ cục bộ nào.

Câu hỏi 5

Cực bắc của một nam châm vĩnh cửu được giữ gần đầu bên trái của một thanh sắt ban đầu chưa được từ hóa. Thanh sắt bị hút về phía nam châm.

Một học sinh đưa ra lời giải thích sau:

Nam châm biến đầu bên trái của thanh thành cực nam và đầu bên phải thành cực bắc. Cực nam bị hút, còn cực bắc bị đẩy, nên các lực đó phải triệt tiêu nhau và thanh không nên chuyển động.

Sự triệt tiêu được dự đoán này không xảy ra. Hãy giải thích tại sao.

Lời giải 5

Các lực không triệt tiêu vì tương tác hút và đẩy xảy ra ở những khoảng cách khác nhau so với nam châm vĩnh cửu.

Từ trường ngoài từ hóa thanh sắt. Đầu bên trái của nó, nằm gần cực bắc của nam châm vĩnh cửu hơn, hành xử gần đúng như một cực nam cảm ứng. Đầu bên phải hành xử gần đúng như một cực bắc.

Đầu bên trái chịu lực hút, trong khi đầu bên phải ở xa hơn tương ứng với một tương tác đẩy. Tuy nhiên, tương tác từ yếu đi khi khoảng cách tăng. Vì vậy, tương tác hút ở đầu gần mạnh hơn tương tác đối nghịch liên quan đến đầu ở xa.

Hợp lực hướng về phía nam châm vĩnh cửu.

Bẫy ở đây là coi các cực cảm ứng như thể các lực bằng nhau và ngược chiều đương nhiên phải triệt tiêu. Độ mạnh bằng nhau của các cực từ không đảm bảo lực bằng nhau khi khoảng cách và cường độ từ trường tại các vị trí đó khác nhau.

Câu hỏi 6

Một học sinh muốn chứng minh rằng một mảnh vật liệu sắt từ đã trở thành nam châm vĩnh cửu. Họ đưa một nam châm vĩnh cửu đã biết lại gần nó và quan sát thấy lực hút mạnh.

Tại sao quan sát này chưa đủ? Hãy mô tả loại bằng chứng nào có thể phân biệt sự từ hóa vĩnh cửu với sự từ hóa cảm ứng đơn thuần.

Lời giải 6

Chỉ riêng lực hút mạnh là chưa đủ vì một vật thể sắt từ chưa được từ hóa vẫn có thể bị hút do sự từ hóa cảm ứng.

Khi nam châm đã biết tiến lại gần, từ trường của nó có thể làm các miền bên trong vật thể thử nghiệm thẳng hàng. Vì vậy, vật thể có thể tạm thời bị từ hóa và chịu một lực hút mạnh ngay cả khi trước đó nó gần như không có độ từ hóa tổng.

Bằng chứng về sự từ hóa còn được duy trì sau khi từ trường ngoài đã bị loại bỏ sẽ hữu ích hơn. Chẳng hạn, có thể kiểm tra xem vật thể có tạo ra một từ trường bền vững khi được tách khỏi nam châm ban đầu dùng để từ hóa nó hay không.

Một ý tưởng đặc biệt quan trọng là hành vi khi có từ trường ngoài không tự nó cho bạn biết điều gì sẽ xảy ra sau khi từ trường đó biến mất. Sự phân biệt này dẫn trực tiếp đến từ trễ, độ từ dư và lực kháng từ, là những đại lượng mô tả cách vật liệu sắt từ phản ứng khi từ trường đặt vào được thay đổi và loại bỏ.