Tại sao nam châm có cực bắc và cực nam?

Giúp NTDVN sửa lỗi

Cắt đôi một thanh nam châm thanh vẫn không làm mất đi cực của nó. Thay vào đó, việc này sẽ tạo ra hai nam châm, mỗi nam châm có một cực bắc sẽ bị hút về cực nam của nam châm kia, và ngược lại.

Chính tính chất cơ bản về lực hút này đã làm cho nam châm trở nên hữu ích cho rất nhiều mục đích, từ việc giữ lá thư mời dự tiệc trên cánh tủ lạnh cho đến chuẩn đoán hình ảnh y tế.

Nhưng hai cực này xuất hiện như thế nào? Tại sao nam châm lại có cực bắc và cực nam?

Greg Boebinger nói, giám đốc Phòng thí nghiệm Từ trường Cao năng lượng Quốc gia (National High Magnetic Field Laboratory) ở Tallahassee, Florida, Hoa Kỳ, cho biết, nam châm là "một trong những bí ẩn sâu sắc nhất của vật lý". Trong khi con người đã sử dụng nam châm hàng ngàn năm, các nhà khoa học vẫn đang tìm hiểu những điều mới về cách thức hoạt động của chúng.

Câu trả lời cơ bản nhất về lý do tại sao nam châm xuất hiện hai cực nằm ở hành vi của các electron. Tất cả vật chất, bao gồm cả nam châm, đều được tạo nên từ các nguyên tử. Trong mỗi nguyên tử, hạt nhân được bao quanh bởi một hoặc nhiều electron mang điện tích âm. Chuyển động tự quay của mỗi electron đó tạo ra từ trường nhỏ của riêng nó, mà các nhà khoa học gọi là "spin". Nếu trong vật liệu có đủ số lượng từ trường nhỏ chỉ về cùng một hướng, thì nó sẽ trở thành nam châm.

Boebinger nói với Live Science rằng, "spin" của một electron là một khái niệm trừu tượng. Về mặt kỹ thuật, chưa ai nhìn thấy một electron quay — nó quá nhỏ để có thể nhìn thấy dưới kính hiển vi. Nhưng các nhà vật lý biết rằng các electron có từ trường vì họ đã đo lường được nó. Và một cách mà trường đó có thể được tạo ra là electron phải đang tự quay. Nếu đảo chiều hướng quay thì từ trường sẽ đảo ngược.

Khi có cơ hội, các electron sẽ ghép cặp để spin của chúng triệt tiêu nhau, làm cho từ tính tổng cộng của một nguyên tử bằng không. Nhưng trong một số nguyên tố, chẳng hạn như sắt, điều đó không thể xảy ra. Số lượng electron và cách chúng bố trí xung quanh hạt nhân có nghĩa là mỗi nguyên tử sắt sẽ có một electron chưa ghép cặp và tạo ra một từ trường nhỏ.

Nếu vật liệu chưa bị từ hóa, các từ trường riêng lẻ của electron này hướng theo các hướng ngẫu nhiên khác nhau. Ở trạng thái đó, các từ trường nhỏ này sẽ triệt tiêu lẫn nhau, vì vậy nhìn chung vật liệu không có từ tính. Nhưng trong các điều kiện thích hợp, các từ trường nhỏ bé này có thể được xếp thẳng hàng để chỉ cùng một hướng. Ta có thể tưởng tượng rằng đây là sự khác biệt giữa một đám đông người đang di chuyển ngẫu nhiên, và khi tất cả họ đều đi về một hướng. Khi đó, sự kết hợp của những từ trường rất nhỏ này sẽ tạo ra một từ trường lớn hơn làm cho vật liệu trở thành nam châm.

Nhiều nam châm được sử dụng trong cuộc sống hàng ngày, như nam châm tủ lạnh, được gọi là nam châm vĩnh cửu. Trong những vật liệu này, từ trường của nhiều nguyên tử trong vật liệu đã trở nên thẳng hàng vĩnh viễn bởi một lực bên ngoài - chẳng hạn như được đặt vào trong một từ trường mạnh hơn.

Paolo Ferracin cho biết, một nhà khoa học cấp cao tại Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley ở California cho biết, thông thường, từ trường mạnh hơn này được tạo ra bởi dòng điện. Điện và từ được liên quan chặt chẽ với nhau, bởi vì từ trường được tạo ra bởi sự chuyển động của các điện tích. Đó là lý do tại sao một electron quay có từ trường. Nhưng các nhà khoa học cũng có thể khai thác điện để tạo ra nam châm. Chạy dòng điện đủ lớn qua một cuộn dây sẽ tạo ra một từ trường rất mạnh chừng nào dòng điện còn chạy. Những nam châm điện này thường được sử dụng trong nghiên cứu vật lý. Chúng cũng được sử dụng trong các công cụ y tế như máy chụp cộng hưởng từ (MRI).

Trái đất cũng có từ trường riêng của nó - đó là lý do tại sao kim la bàn hoạt động. Các nhà khoa học đã định nghĩa cực bắc từ trường này là đầu cực Bắc của kim la bàn trỏ về. Nhưng về mặt kỹ thuật, Boebinger giải thích, điều này có nghĩa là cực bắc từ trường Trái đất thực tế là một cực nam, vì nó hút cực bắc của la bàn.

Theo quy ước vật lý, các đường sức từ đi ra từ cực bắc và đi vào cực nam của nam châm, tạo thành một vòng khép kín.

Các nhà vật lý cũng đã tìm thấy sự sắp xếp khác của các cực từ, bao gồm cả tứ cực, trong đó một sự kết hợp của các cực từ bắc và nam được sắp xếp trong một hình vuông. Nhưng Ferracin cho biết, chưa có ai tìm ra đơn cực từ.

Electron và proton là các đơn cực điện: chúng mang một điện tích duy nhất, dương hoặc âm. Nhưng các electron (và các hạt khác nữa) đều có hai cực từ. Và bởi vì chúng là những hạt cơ bản, nên hai cực từ của chúng không thể bị chia nhỏ thêm nữa. Sự khác biệt này trong cách hành xử của các hạt về điện và từ đã thu hút sự chú ý của nhiều nhà vật lý, và đối với một số người, việc tìm ra một hạt có một cực từ duy nhất là mục tiêu cả đời của họ. Khám phá đó sẽ thách thức các định luật vật lý đã biết.

Theo Livescience

Văn Thiện biên dịch



BÀI CHỌN LỌC

Tại sao nam châm có cực bắc và cực nam?