I. Nam châm là gì?

Nam châm là vật có từ tính, có khả năng hút sắt, thép và một số vật liệu có tính chất từ khác. Không phải mọi kim loại đều bị nam châm hút rõ rệt.

Nam châm có nhiều hình dạng: nam châm thẳng, nam châm chữ U, kim nam châm. Nam châm vĩnh cửu giữ được từ tính trong điều kiện sử dụng thông thường mà không cần có dòng điện duy trì.

II.1. Tác dụng lên các vật liệu

Thí nghiệm: đưa hai đầu của nam châm thẳng và nam châm chữ U lần lượt tới gần các vật nhỏ bằng sắt, thép, đồng, nhôm và gỗ. Ghi nhận vật nào bị hút; so sánh tác dụng hút ở hai đầu và ở giữa nam châm.

Trong thí nghiệm thông thường, sắt và thép bị hút; đồng, nhôm và gỗ không bị hút rõ rệt. Tác dụng hút mạnh nhất ở hai cực của nam châm, thường nằm ở hai đầu. Vật liệu bị nam châm hút rõ rệt được gọi là vật liệu có tính chất từ trong phạm vi bài học.

II.2. Sự định hướng và hai cực của nam châm

Đặt kim nam châm cân bằng trên mũi nhọn để kim quay tự do, hoặc treo nam châm thẳng bằng sợi dây mảnh. Khi ở xa nam châm và các vật gây nhiễu, chờ đứng yên, nam châm định hướng gần theo hướng Bắc–Nam.

Đầu hướng về phía Bắc địa lí gọi là cực Bắc, kí hiệu N (North); đầu hướng về phía Nam địa lí gọi là cực Nam, kí hiệu S (South). Nam châm thông thường có hai cực N và S.

Người ta thường sơn hai cực khác màu; trong nhiều bộ dụng cụ, cực Bắc màu đỏ, cực Nam màu xanh hoặc trắng. Cần ưu tiên đọc kí hiệu N, S hoặc xác định bằng thí nghiệm, vì màu sơn có thể khác nhau giữa các nhà sản xuất.

Đẩy nhẹ kim lệch khỏi vị trí cân bằng rồi buông tay: kim dao động một lúc và trở lại hướng gần Bắc–Nam nếu môi trường từ xung quanh không đổi.

III. Tương tác giữa hai nam châm

Treo một thanh nam châm để nó chuyển động được. Đưa một cực của nam châm khác lại gần một đầu của thanh đang treo, rồi đổi cực đưa tới gần và quan sát.

Hai cực khác tên hút nhau; hai cực cùng tên đẩy nhau. N hút S; N đẩy N; S đẩy S. Các lực hút hoặc đẩy này là lực từ và có thể tác dụng khi hai nam châm chưa tiếp xúc.

IV. Định hướng của kim nam châm tự do gần nam châm

Đặt một kim nam châm tự do ở gần nam châm thẳng. Kim chịu tác dụng lực từ của nam châm và quay đến một hướng xác định. Đẩy kim lệch khỏi hướng đó rồi buông, kim lại trở về hướng cân bằng nếu vị trí không thay đổi.

Chuyển kim sang vị trí khác quanh nam châm, hướng cân bằng có thể khác. Vì vậy, kim đặt gần nam châm không nhất thiết còn chỉ hướng Bắc–Nam địa lí; nó định hướng theo từ trường tại vị trí đang đặt.

Kim nam châm nhỏ dùng để kiểm tra tác dụng từ được gọi là nam châm thử.

V. Ứng dụng

Nam châm giúp tìm kim, đinh hoặc ghim sắt; giữ vít trên đầu tua vít có từ tính; tách vụn sắt khỏi vật liệu hoặc nguyên liệu; giữ cửa và tạo bộ phận của nhiều thiết bị.

Trong hệ thống lọc sắt, những thanh nam châm giữ lại các mảnh vật liệu có tính chất từ khi nguyên liệu đi qua. Việc phân loại dựa trên tính chất từ, không chỉ dựa vào việc vật đó có phải kim loại hay không.

I.1. Từ trường và thí nghiệm Oersted

Không gian xung quanh nam châm và xung quanh dây dẫn mang dòng điện có từ trường. Nam châm thử đặt trong vùng đó chịu tác dụng lực từ và có thể quay, đổi hướng.

Năm 1820, nhà khoa học Đan Mạch Hans Christian Oersted dùng thí nghiệm với dây dẫn có dòng điện và kim nam châm để chỉ ra mối liên hệ giữa điện và từ.

Bố trí đoạn dây dẫn thẳng AB song song với kim nam châm đang đứng yên, ở phía trên và gần kim. Khi công tắc K mở, kim chỉ gần hướng Bắc–Nam. Đóng K để có dòng điện qua AB thì kim lệch khỏi hướng ban đầu; ngắt dòng điện, kim trở lại gần hướng cũ.

Sự lệch của kim cho thấy dòng điện tác dụng lực từ lên kim, nên xung quanh dây dẫn mang dòng điện có từ trường. Dây dẫn không có dòng điện không tạo ra từ trường của dòng điện trong thí nghiệm này.

I.2. Cách nhận biết từ trường

Đặt một kim nam châm nhỏ có thể quay tự do tại nơi cần kiểm tra. Nếu kim chịu tác dụng lực từ hoặc đổi hướng so với trạng thái ban đầu khi đưa nguồn cần thử đến gần, ta có căn cứ nhận biết từ trường của nguồn đó.

Cần phân biệt từ trường đang cần khảo sát với từ trường Trái Đất vốn đã có sẵn. Không thể chỉ dựa vào việc có hay không có một dây kim loại; điều quan trọng là có dòng điện chạy qua dây hay không.

II. Từ phổ

Thí nghiệm: đặt một tấm nhựa trong, mỏng lên nam châm; rắc đều một lớp mạt sắt mỏng rồi gõ nhẹ tấm nhựa. Các mạt sắt bị từ hóa và sắp xếp thành những đường cong có trật tự quanh nam châm.

Từ phổ là hình ảnh các đường mạt sắt sắp xếp xung quanh nam châm. Từ phổ cho hình ảnh trực quan về sự phân bố của từ trường.

Ở vùng gần hai cực, mạt sắt thường xếp dày hơn, tương ứng từ trường mạnh hơn. Ở xa nam châm, mạt sắt xếp thưa hơn, tương ứng từ trường yếu hơn. Từ phổ cho biết hình dạng và mức mạnh yếu tương đối, nhưng không tự cho biết chiều của đường sức từ.

III.1. Đường sức từ

Đường sức từ là những đường vẽ để biểu diễn từ trường. Tại một điểm, trục của kim nam châm thử cân bằng nằm theo phương tiếp tuyến với đường sức qua điểm đó; đầu N của kim chỉ theo chiều đường sức.

Ở bên ngoài nam châm, đường sức từ có chiều đi ra từ cực Bắc N và đi vào cực Nam S. Không được nhầm chiều trên kim nam châm thử với chiều từ N về S bên ngoài nam châm đang khảo sát: chiều dọc kim thử là từ đầu S về đầu N.

Các đường sức từ của một từ trường không cắt nhau. Nơi đường sức được vẽ dày hơn biểu diễn từ trường mạnh hơn; nơi thưa hơn biểu diễn từ trường yếu hơn. Mật độ đường vẽ chỉ có ý nghĩa khi tuân theo cùng quy ước biểu diễn.

Đường sức từ là các đường khép kín khi xét đầy đủ cả bên ngoài và bên trong nam châm. Trong bài học, ta tập trung vẽ phần bên ngoài với chiều N → S.

III.2. Đường sức từ của nam châm thẳng và chữ U

Nam châm thẳng: vẽ các đường cong đi ra từ cực N và vòng đến cực S. Gần các cực, các đường sát nhau hơn; xa nam châm, chúng thưa hơn. Thêm mũi tên theo chiều N → S ở phần bên ngoài.

Nam châm chữ U: ở khoảng giữa hai cực gần nhau, các đường sức gần như thẳng, song song và cùng chiều từ N đến S; từ trường ở vùng này tương đối đều. Ở bên ngoài, các đường cong nối vòng giữa hai cực.

Để xác định chiều bằng thí nghiệm, đặt kim nam châm thử trên một đường của từ phổ, chờ cân bằng rồi đánh dấu theo hướng đầu N của kim. Có thể lặp lại ở nhiều điểm.

IV.1. Từ trường của Trái Đất

Trái Đất có từ trường, có thể mô tả gần đúng như từ trường của một nam châm khổng lồ. Việc kim nam châm tự do định hướng gần Bắc–Nam ngay cả khi xa các nam châm khác là một dấu hiệu của từ trường Trái Đất.

Trục từ và trục quay địa lí không trùng nhau. Các cực từ cũng không trùng vị trí với các cực địa lí; vì thế la bàn không luôn chỉ chính xác hướng Bắc địa lí.

Trong mô hình đơn giản ở thời điểm hiện nay, các đường sức bên ngoài Trái Đất đi từ vùng Nam bán cầu đến vùng Bắc bán cầu. Nếu gọi theo tính chất N/S của một thanh nam châm, vùng gần Bắc địa lí có tính chất của cực S, còn vùng gần Nam địa lí có tính chất của cực N.

Tên “cực Bắc từ” trong địa lí và địa vật lí thường được đặt theo vị trí ở Bắc bán cầu. Cần đọc rõ cách ghi nhãn: tên theo vị trí địa lí không đồng nghĩa với kí hiệu cực tính N của thanh nam châm mô hình.

IV.2. Mức độ mạnh yếu và vai trò của từ trường Trái Đất

Trong mô hình tổng quát, từ trường gần các cực mạnh hơn vùng xích đạo; phân bố thực tế không hoàn toàn đều và có những khác biệt theo vị trí. Khi đọc bản đồ, cần dựa vào thang chú giải thay vì chỉ nhìn màu sáng hay tối.

Từ trường giúp con người định hướng bằng la bàn và là một tín hiệu định hướng của một số loài sinh vật. Từ quyển do từ trường tạo nên làm lệch hoặc giữ lại nhiều hạt mang điện từ không gian, góp phần bảo vệ Trái Đất cùng với khí quyển.

V.1. Cấu tạo của la bàn

La bàn là dụng cụ dùng để xác định phương hướng. Bộ phận chính gồm kim nam châm có thể quay tự do, mặt chia độ có ghi các hướng và vỏ bảo vệ.

Kim thường mỏng, nhẹ, có dạng lá dẹt, đặt trên một trục quay. Đầu N thường sơn đỏ; đầu S thường sơn xanh hoặc trắng. Mặt kính bảo vệ kim và mặt chia độ; vỏ được làm bằng vật liệu không gây nhiễu từ đáng kể.

V.2. Cách sử dụng la bàn

Bước 1: đặt la bàn xa nam châm, vật bằng sắt thép lớn và dây điện có dòng điện mạnh để hạn chế ảnh hưởng lên kim.

Bước 2: giữ la bàn nằm ngang trên tay hoặc trên mặt bàn. Chờ kim đứng yên, xoay vỏ để vạch N trên mặt chia độ trùng với đầu N của kim.

Bước 3: quan sát hướng cần xác định, đọc kí hiệu hoặc góc trên mặt chia độ so với hướng Bắc. Các góc phương vị thường đọc theo chiều kim đồng hồ từ Bắc.

Ví dụ: hướng cần tìm lệch 20° từ Bắc về phía Đông thì đọc là Bắc lệch Đông 20°, thuộc phía Đông Bắc. Đây không phải chính hướng Đông Bắc 45°.

Kết quả của la bàn là hướng từ tại chỗ. Khi cần xác định thật chính xác hướng địa lí, phải tính đến độ lệch giữa hướng từ và hướng Bắc địa lí; trong các bài thực hành cơ bản dùng cách xác định gần đúng.

I. Nam châm điện

Dòng điện trong dây dẫn hoặc cuộn dây tạo ra từ trường. Dựa vào tác dụng này, người ta chế tạo nam châm điện. Với cấu tạo đơn giản trong bài, đó là một cuộn dây dẫn có dòng điện, bên trong đặt lõi sắt non.

Trong sơ đồ: A là cuộn dây, B là lõi sắt non lồng trong lòng cuộn dây; hai đầu cuộn được nối với hai cực nguồn E qua công tắc K. Đóng K, dòng điện chạy qua cuộn, lõi sắt được từ hóa và bộ phận trở thành nam châm điện.

Lõi sắt non làm tăng tác dụng từ của cuộn dây. Khi ngắt dòng điện, tác dụng từ giảm rất mạnh và lõi sắt non gần như mất từ tính; tính chất này giúp đóng/ngắt tác dụng hút dễ dàng.

Nhận biết nam châm điện hoạt động bằng cách đưa ghim sắt đến gần để xem có bị hút, hoặc dùng kim nam châm thử quan sát sự đổi hướng.

II.1. Chế tạo nam châm điện đơn giản

Dụng cụ: dây đồng có lớp cách điện, ống nhựa nhỏ hoặc vật quấn thích hợp, đinh sắt hay lõi sắt non, pin điện áp thấp phù hợp, công tắc, dây nối và một số ghim giấy bằng sắt.

Quấn dây đồng nhiều vòng cùng chiều quanh ống nhựa; đặt lõi sắt vào lòng ống. Hai đầu dây được nối với pin qua công tắc, để dòng điện có thể đi qua cuộn dây khi đóng mạch.

Đóng công tắc trong thời gian ngắn rồi thử hút ghim; mở công tắc để quan sát sự thay đổi. Không để pin hoặc cuộn dây nóng lên; ngắt mạch sau khi quan sát. Khi tăng số pin phải dùng cấu hình phù hợp với bộ dụng cụ và hướng dẫn của giáo viên.

II.2. Khảo sát sự thay đổi từ trường

Giữ cùng cuộn dây, lõi sắt và khoảng cách thử; chỉ thay đổi một yếu tố mỗi lần. Có thể dùng số ghim hút được trong cùng điều kiện để so sánh định tính tác dụng từ, hoặc dùng kim thử để theo dõi hướng.

Đóng mạch: cuộn có dòng điện, nam châm điện hút ghim và làm kim thử lệch. Ngắt mạch: dòng điện dừng, tác dụng hút giảm rất mạnh.

Trong cùng điều kiện, tăng cường độ dòng điện qua cuộn làm từ trường mạnh hơn; có thể hút được nhiều ghim hơn. Nếu tăng số pin nối tiếp phù hợp trong cùng mạch, dòng điện thường tăng nên tác dụng từ tăng.

Đổi cực nối của nguồn làm đổi chiều dòng điện, do đó hai cực N/S của nam châm điện đổi chỗ và chiều từ trường đảo lại. Kim thử giúp nhận biết sự đảo chiều.

Ngoài việc tăng dòng điện, tăng số vòng dây trong một cấu hình thích hợp cũng có thể tăng tác dụng từ. Không tăng dòng điện vượt giới hạn chịu đựng của dây và nguồn.

III.1. Ứng dụng: cần cẩu dọn phế liệu

Nam châm điện mạnh được gắn vào cần cẩu để hút và nâng phế liệu sắt thép. Đóng điện để hút vật, di chuyển vật đến nơi cần đặt rồi ngắt điện để thả xuống.

Khả năng điều khiển nhanh tác dụng hút là ưu điểm quan trọng so với nam châm vĩnh cửu trong công việc này. Nam châm điện còn là bộ phận của nhiều động cơ điện, máy phát điện, rơle và thiết bị điện khác.

III.2. Ứng dụng: chuông điện

Trong sơ đồ chuông điện: E là nút nhấn (công tắc); A là nam châm điện; C là cần gõ chuông; D là quả chuông; B là tiếp điểm bằng kim loại đàn hồi.

Ấn nút E làm mạch kín: dòng điện chạy qua A, nam châm điện hút cần C, đầu cần gõ vào quả chuông D. Khi cần chuyển động, tiếp điểm B bị ngắt.

B hở làm dòng điện qua A dừng; nam châm điện mất phần lớn tác dụng hút. Nhờ tính đàn hồi, cần C trở về vị trí cũ và đóng B.

B đóng, dòng điện lại chạy qua A; quá trình hút–ngắt–trả về–đóng mạch tiếp tục lặp lại khi vẫn giữ E. Cần C gõ liên tiếp vào D tạo ra tiếng chuông.

IV. So sánh với nam châm vĩnh cửu

Nam châm điện dễ bật/tắt, điều chỉnh mức mạnh yếu và đảo tên hai cực bằng điều khiển dòng điện. Có thể tạo tác dụng từ mạnh với thiết kế và nguồn điện thích hợp.

Hạn chế: cần nguồn điện, tiêu thụ điện năng, dây có thể nóng và tác dụng hút phụ thuộc nguồn. Nam châm vĩnh cửu hoạt động không cần nguồn điện duy trì, nhưng việc điều chỉnh nhanh tác dụng từ kém thuận tiện hơn.