Hiện tượng nam châm hút sắt là một trong những điều quen thuộc nhất trong đời sống hằng ngày. Chỉ cần đưa một viên nam châm lại gần chiếc đinh sắt, chiếc kẹp giấy hay mảnh thép nhỏ, chúng sẽ lập tức bị kéo về phía nam châm. Nhưng điều gì thực sự xảy ra bên trong vật chất khiến một vật vô tri có thể tạo ra lực hút từ xa như vậy?
Ảnh: ingenieurkurse
Bí mật nằm ở từ trường – một vùng không gian xung quanh nam châm nơi các lực từ có thể tác động lên những vật liệu nhất định. Nam châm tạo ra từ trường nhờ sự sắp xếp đặc biệt của các electron bên trong nguyên tử. Electron không chỉ quay quanh hạt nhân mà còn có một tính chất gọi là mômen từ, khiến mỗi electron hoạt động giống như một nam châm cực nhỏ.
Ảnh: ubuy.co
Trong hầu hết các vật liệu, các “nam châm tí hon” này nằm lộn xộn theo nhiều hướng khác nhau nên lực từ của chúng triệt tiêu lẫn nhau. Vì vậy, những vật liệu như gỗ, nhựa hay nhôm gần như không bị nam châm hút. Tuy nhiên, sắt lại có cấu trúc đặc biệt.
Bên trong sắt tồn tại những vùng nhỏ gọi là miền từ (magnetic domains). Mỗi miền chứa hàng tỷ nguyên tử có mômen từ cùng hướng. Khi không có tác động bên ngoài, các miền này thường sắp xếp hỗn loạn. Nhưng khi đặt một nam châm gần sắt, từ trường của nam châm khiến các miền từ trong sắt dần quay theo cùng một hướng. Khi đó, bản thân miếng sắt tạm thời trở thành một nam châm nhỏ và bị hút về phía nam châm ban đầu.
Ảnh: jdamagnet
Không phải mọi kim loại đều có khả năng này. Sắt, niken, coban và một số hợp kim của chúng thuộc nhóm vật liệu sắt từ, có khả năng bị từ hóa mạnh. Trong khi đó, các kim loại phổ biến như đồng, vàng hay bạc không phản ứng rõ rệt với nam châm thông thường vì cấu trúc electron của chúng không cho phép tạo ra các miền từ ổn định.
Hiểu được nguyên lý của nam châm không chỉ giúp giải thích một hiện tượng đời thường mà còn mở đường cho nhiều công nghệ quan trọng. Động cơ điện, máy phát điện, loa, ổ cứng máy tính, tàu đệm từ và nhiều thiết bị y tế hiện đại đều dựa trên sự tương tác giữa điện và từ.
Một lực tưởng như vô hình đang kéo những mảnh sắt nhỏ bé lại gần nhau thực chất là kết quả của những chuyển động lượng tử bên trong hàng tỷ tỷ nguyên tử. Điều kỳ diệu của nam châm chính là việc nó biến những quy luật rất nhỏ của thế giới vi mô thành một hiện tượng mà con người có thể quan sát bằng mắt thường.
