Nam châm là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học liên quan
Nam châm là vật liệu hay thiết bị có khả năng sinh ra và duy trì từ trường tự thân, gồm hai cực Bắc – Nam, tạo lực hút hoặc đẩy các vật liệu ferromagnetic. Từ tính của nam châm xuất phát từ sự sắp xếp song song của các đômin từ bên trong vật liệu, mô tả bằng vectơ cảm ứng từ B và cường độ từ trường H theo công thức B=μ₀(H+M).
Định nghĩa nam châm
Nam châm là vật liệu hoặc thiết bị có khả năng sinh ra và duy trì từ trường mà không cần nguồn năng lượng bên ngoài. Từ trường này biểu hiện qua lực hút hoặc đẩy các vật liệu ferromagnetic (sắt, niken, cobalt) hoặc ảnh hưởng lên các hạt tích điện chuyển động. Khái niệm “nam châm” bao quát các dạng từ tính tự nhiên (magnetite trong đá nam châm) và nhân tạo (nam châm vĩnh cửu, nam châm điện).
Trong vật lý, từ trường \(\mathbf{B}\) do nam châm tạo ra có phương từ Bắc (North pole) ra Nam (South pole) bên ngoài nam châm. Mỗi nam châm luôn tồn tại cặp cực, không thể tách riêng thành cực đơn độc. Đường sức từ (field lines) mô tả hướng và mật độ từ trường, chạy từ cực Bắc ra ngoại vi rồi quay về cực Nam qua bên trong nam châm.
Từ trường của nam châm có thể được mô hình hóa bằng vectơ cảm ứng từ \(\mathbf{B}\) với đơn vị đo là tesla (T) hoặc gauss (G), trong đó \(1\,\mathrm{T} = 10^4\,\mathrm{G}\). Đo cường độ và phân bố từ trường thường sử dụng cảm biến Hall hoặc từ kế fluxgate.
Phân loại nam châm
Nam châm được chia thành ba nhóm chính dựa trên tính chất vật liệu và khả năng giữ từ:
- Nam châm vĩnh cửu: giữ từ tính lâu dài mà không cần nguồn cung cấp năng lượng. Các vật liệu phổ biến:
- NdFeB (Neodymium–sắt–bo): độ năng suất từ cao nhất (≥1.4 T), dễ bị ăn mòn.
- AlNiCo (nhôm–niken–cobalt): ổn định nhiệt tốt, độ bền cơ học cao.
- Ferrite (Ba/Sr-ferrite): chi phí thấp, kháng ăn mòn, từ tính trung bình (~0.4 T).
- Nam châm tạm thời: vật liệu ferromagnetic chưa qua xử lý từ hóa, chỉ mang từ tính dưới tác dụng của từ trường bên ngoài và mất nhanh khi ngưng kích thích.
- Nam châm điện: tạo từ trường khi có dòng điện chạy qua cuộn dây quấn quanh lõi ferromagnetic. Ưu điểm là có thể điều chỉnh cường độ và tắt bật linh hoạt.
Mỗi loại nam châm có ứng dụng riêng: nam châm vĩnh cửu dùng trong động cơ, cảm biến; nam châm điện dùng trong máy điện, các van điện từ và thiết bị nâng hạ.
Nguyên lý vật lý
Từ tính của nam châm bắt nguồn từ moment từ của electron, bao gồm spin và quỹ đạo. Trong đa số vật liệu ferromagnetic, các moment từ cá nhân sắp xếp song song tạo thành các vùng nhỏ gọi là đômin (magnetic domains). Khi không có từ trường kích thích, các đômin phân bố ngẫu nhiên sao cho tổng từ thông cân bằng gần zero.
Khi đặt trong từ trường ngoài \(\mathbf{H}\), các đômin sẽ dịch chuyển hoặc quay để giảm năng lượng tổng, làm tăng độ từ hóa \(M\). Quan hệ giữa \(\mathbf{B}\), \(\mathbf{H}\) và \(M\) được mô tả bởi phương trình:
trong đó \(\mu_{0}\) là độ thẩm thấu của chân không (\(4\pi \times 10^{-7}\,\mathrm{T\,m/A}\)). Khi đạt nhiệt độ Curie (\(T_C\)), nhiệt động học làm dao động đômin mạnh dẫn đến mất trật tự, nam châm chuyển sang tính chất paramagnetic.
Đặc tính từ
Nam châm được đánh giá dựa trên các đại lượng đặc trưng:
- Độ từ hóa bão hòa (\(M_s\)): giá trị lớn nhất của \(M\) khi tăng \(H\) đủ mạnh, thể hiện khả năng tích trữ nam châm.
- Độ nhớt từ (Coercivity, \(H_c\)): cường độ từ trường ngược cần thiết để giảm \(M\) về 0 sau khi bão hòa, thể hiện khả năng chống khử từ.
- Từ dư (Remanence, \(M_r\)): giá trị của \(M\) còn lại khi \(H\) được đưa về 0 sau bão hòa.
| Đại lượng | Ký hiệu | Ý nghĩa |
|---|---|---|
| Từ hóa bão hòa | \(M_s\) | Giá trị tối đa của từ hóa |
| Từ dư | \(M_r\) | Từ hóa còn lại sau bão hòa |
| Độ nhớt từ | \(H_c\) | Khả năng chống khử từ |
| Độ thẩm thấu từ | \(\mu_r\) | Tỉ lệ \(B/H\) trong vùng tuyến tính |
Đường cong hysteresis (vòng từ hóa) thể hiện mối quan hệ giữa \(B\) và \(H\) khi tăng giảm từ trường, cung cấp thông tin về tổn hao năng lượng do đảo cực và mức độ ổn định từ tính.
Vật liệu chế tạo
Nam châm vĩnh cửu thường được chế tạo từ hợp kim kim loại đất hiếm và vật liệu ceramic để tối ưu hóa độ từ hóa bão hoà và độ nhớt từ. Neodymium–sắt–bo (NdFeB) là loại nam châm vĩnh cửu mạnh nhất, với cảm ứng từ bão hoà lên đến 1,4 T, nhưng dễ bị ăn mòn và giảm từ tính ở nhiệt độ cao.
AlNiCo (nhôm–niken–cobalt) có tính ổn định nhiệt tốt, hoạt động ở nhiệt độ lên đến 550 °C mà không mất từ tính nhiều. Tuy nhiên, độ nhớt từ thấp hơn NdFeB nên thích hợp cho các ứng dụng yêu cầu biến đổi từ tính dễ dàng.
Ferrite (hay gốm nam châm) gồm oxit bari hoặc stronti trộn với sắt có chi phí thấp, khả năng kháng ăn mòn cao nhưng cảm ứng từ bão hoà chỉ khoảng 0,4 T. Vật liệu mềm như sắt tinh khiết hoặc permalloy được dùng làm lõi nam châm điện hoặc thành phần tạm thời.
| Loại | Thành phần chính | Độ bão hoà (T) | Ưu điểm | Nhược điểm |
|---|---|---|---|---|
| NdFeB | Nd₂Fe₁₄B | 1,2–1,4 | Nam tính cao | Ăn mòn, giảm tính khi nóng |
| AlNiCo | Al–Ni–Co | 0,7–1,25 | Ổn định nhiệt | Độ nhớt thấp |
| Ferrite | BaFe₁₂O₁₉/SrFe₁₂O₁₉ | 0,3–0,45 | Giá rẻ, kháng ăn mòn | Cảm ứng thấp |
| Kim loại mềm | Fe, Ni | – | Độ thẩm thấu cao | Chỉ giữ từ tạm thời |
Ứng dụng thực tiễn
Nam châm vĩnh cửu và nam châm điện được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp, y tế và đời sống:
- Động cơ điện và máy phát: rotor sử dụng NdFeB hoặc AlNiCo giúp tăng hiệu suất và giảm trọng lượng máy.
- Cảm biến từ: Hall-effect sensors và fluxgate magnetometers đo cường độ và hướng trường từ trong ô tô và thiết bị định vị (NIST).
- Thiết bị lưu trữ: ổ cứng và bộ nhớ từ dùng nam châm nhỏ để ghi dữ liệu.
- Y học: MRI dùng nam châm siêu dẫn (superconducting magnets) tạo trường >1,5 T để chẩn đoán hình ảnh (RadiologyInfo).
- Ứng dụng tiêu dùng: nam châm tủ lạnh, loa, pốt nam châm gắn chìa khóa, đồ chơi từ tính.
Tác động môi trường và an toàn
Khai thác và tinh luyện đất hiếm như neodymium và cobalt phát sinh chất thải độc hại và tiêu tốn năng lượng lớn. Việc thu hồi và tái chế nam châm vĩnh cửu để giảm thiểu ô nhiễm và tiết kiệm tài nguyên đang được đẩy mạnh.
Nam châm mạnh có thể gây hại cho thiết bị y tế cấy ghép (máy tạo nhịp tim) và làm biến dạng ổ cứng lưu trữ. Tiếp xúc quá gần (>0,5 T) có thể gây cảm giác chóng mặt hoặc chữ “âm thanh vo vo” do kích thích dây thần kinh tiền đình.
Phương pháp đo lường từ trường
Cường độ và phân bố từ trường nam châm được đo bằng nhiều cảm biến:
- Hall-effect probe: đo cảm ứng từ cục bộ, phù hợp khảo sát bề mặt nam châm.
- Fluxgate magnetometer: đo trường yếu (nT đến µT), dùng trong khảo cổ và điều khiển tự động.
- SQUID (Superconducting Quantum Interference Device): siêu nhạy, đo trường từ não và tim mạch trong nghiên cứu y sinh.
Quy trình đo đòi hỏi hiệu chuẩn bằng chuẩn từ trường NIST và kiểm soát nhiệt độ để tránh sai số do nhiệt độ ảnh hưởng đến từ hóa.
Xu hướng nghiên cứu và phát triển
Nghiên cứu hiện nay tập trung vào phát triển nam châm không cần đất hiếm, như hợp kim Fe–Cr–Co và composite nanomagnet để giảm phụ thuộc vào thị trường đất hiếm biến động. Kỹ thuật in 3D nam châm cho phép tạo hình phức tạp, điều chỉnh thành phần vật liệu cục bộ nhằm tối ưu cấu trúc đômin (IEEE Xplore).
Công nghệ tái chế nam châm vĩnh cửu từ ổ cứng và động cơ điện đang được cải tiến để thu hồi nguyên tố đất hiếm hiệu quả. Mô phỏng số bằng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) giúp thiết kế nam châm có hình dạng tối ưu, giảm kích thước nhưng tăng cường độ từ trường.
Ứng dụng mới trong y sinh như nam châm seeding cho mô hình 3D cell culture, nam châm điều khiển drug delivery và MRI miniaturized nhờ nam châm vĩnh cửu tích hợp chip điện tử đang mở ra hướng phát triển đa ngành.
Tài liệu tham khảo
- Jiles, D. “Introduction to Magnetism and Magnetic Materials.” CRC Press (2015).
- Cullity, B. D., & Graham, C. D. “Introduction to Magnetic Materials.” Wiley (2008).
- NIST Physical Measurement Laboratory. “Magnetic Field Measurement” – nist.gov.
- RadiologyInfo.org. “Magnetic Resonance Imaging (MRI)” – radiologyinfo.org.
- WHO. “Electromagnetic fields and public health” – who.int.
- IEEE Xplore. “Advances in 3D Printed Magnetic Materials” – ieeexplore.ieee.org.
Các bài báo, nghiên cứu, công bố khoa học về chủ đề nam châm:
- 1
- 2
- 3
- 4
- 5
- 6
- 10