Nam châm hút sắt mà sao không hút được nhôm, đồng?

 Lúc còn nhỏ, có lẽ bạn nào cũng được chơi cục nam châm bởi nó có một đặc tính thú vị mà bất kỳ đứa trẻ nào cũng thích. Nam châm có thể nhận ra và hút nhau từ khoảng cách rất xa, hoặc nó có thể đẩy nhau chạy quanh mặt phẳng mà chẳng hề chạm vào nhau. Vậy cục nam châm có nguyên lý hoạt động như thế nào? Tại sao nó có thể hút được sắt? Có thể nhiều bạn đã tìm hiểu sơ qua là nó có "từ tính" nên hút được, nhưng nguyên lý cụ thể như thế nào thì chưa rõ. Vậy hãy đọc bài viết này, các bạn sẽ chỉ mất vài phút nhưng chắc chắn sẽ biết rõ được bản chất của nam châm.

Cục nam châm luôn có 2 cực (S và N)

 Trước tiên chúng ta đi tìm hiểu về nguồn gốc của từ tính. Vậy thì lực hút có từ đâu mà ra? Như các bạn đã biết, nguyên tử có các hạt mang điện tích âm (-) được gọi là electron. Các hạt electron này nó chuyển động xung quanh hạt nhân của nguyên tử. Đồng thời các hạt electron này có thể tự quay quanh bản thân mình.

 Bản thân electron là hạt mang điện tích, mà nó lại có khả năng tự quay nên nó tạo ra một lực từ. Lực từ này rất nhỏ, tuy nhiên mỗi nguyên tử có rất nhiều electron, và mỗi đồ vật chúng ta tiếp xúc hàng ngày thì chứa một số lượng "siêu nhiều" các nguyên tử.

Trong nguyên tử, các electron quay quanh hạt nhân

 Ví dụ 1 kg sắt sẽ có 1,08 x 10²⁵ nguyên tử, mà mỗi nguyên tử lại có 26 electron, như vậy mỗi 1 kg sắt đạt tới 280 triệu tỷ tỷ hạt electron.

 Chính vì có số lượng "khổng lồ" như vậy mà lực từ của các electron hợp lại thì sẽ tạo ra một lực rất mạnh. Bạn để ý, một cục nam châm to bằng bàn tay có thể nâng được đến vài kg sắt. Đến đây bạn sẽ thắc mắc, tại sao các electron nào cũng có thể tự quay và có lực từ? Tại sao có những chất lại tạo ra lực hút (như nam châm)? Tại sao lại có những chất không tạo ra được lực hút, ngược lại còn bị hút (như sắt)? Tại sao có những chất chẳng tạo ra lực hút, cũng chẳng bị hút (như vàng, nhôm, đồng)? Vấn đề chính là nằm ở sự sắp xếp các electron trong các nguyên tử khác nhau, sự sắp xếp của các nguyên tử trong các chất khác nhau. Khi có những sự khác nhau này thì các lực có thể hợp lại với nhau tạo ra một lực lớn hơn, nhưng cũng có thể tự triệt tiêu nhau khiến lực tổng hợp trở lên rất bé hoặc là bằng 0.

 Cụ thể như sau, trong cục nam châm, các nguyên tử có lực từ rất mạnh. Mà các nguyên tử lại cùng được sắp xếp theo một hướng, nên lực giữa các nguyên tử sẽ hợp lại với nhau tạo thành một lực từ khổng lồ, lực từ khổng lồ này sẽ có 2 cực và tạo ra xung quanh nó một từ trường cũng rất mạnh. Khi 2 cục nam châm gần nhau, cùng chiều thì nó sẽ đẩy nhau, khác chiều nó sẽ hút nhau.

 Trái đất cũng như một cục nam châm nên nó cũng có 2 cực. Nhờ sự tác động giữa cực của trái đất với cực của cục nam châm mà người ta có thể xác định được hướng bắc, hướng nam và tạo ra cái "la bàn" ngày nay.

Xác định hướng Bắc, Nam bằng la bàn nhờ nam châm

 Đối với sắt, cũng là một loại nguyên tố mà các electron trong nguyên tử "hoà hợp" với nhau. Nhờ đó mà lực từ của nguyên tử được tổng hợp từ các electron là một lực khá lớn. tuy nhiên các nguyên tử sắt thì lại được sắp xếp "lung tung" theo các hướng khác nhau. Do đó, xét tổng thể thì lực giữa các nguyên tử lại triệt tiêu nhau. Vì vậy sắt không có lực từ, nó không hút và cũng không đẩy được các chất khác.

 Tuy nhiên, điều thú vị sẽ xảy ra khi chúng ta đưa một cục sắt vào một từ trường đủ mạnh (ví dụ như từ trường của một cục nam châm) thì lực từ của cục nam châm sẽ tác động lên lực từ của mỗi nguyên tử sắt, bắt nó phải xoay lại cùng một hướng. Khi các nguyên tử sắt quay theo cùng 1 hướng với từ trường của nam châm thì lực từ của chúng sẽ hợp lại với nhau, tạo ra một lực rất lớn, và lực từ này có thể tương tác và hút nhau.

 Khi nhấc cục nam châm ra, thì một phần các nguyên tử sắt sẽ lại chuyển động lung tung không theo một hướng chung nào cả, tuy nhiên vẫn còn một phần các nguyên tử khác vẫn chuyển động theo cùng một hướng và nó vẫn tạo ra được một lực từ lớn. Nếu bạn đưa một thanh sắt khác lại gần, có thể bạn vẫn sẽ thấy 2 thanh sắt hút nhau. Người ta gọi đó là hiện tượng "nhiễm từ" hoặc "giữ từ".

 Các nguyên tố như nhôm, vàng, đồng thì lực từ của các nguyên tử là rất yếu. Nếu có đưa nam châm lại gần thì các electron vẫn chuyển động hỗn loạn, không theo định hướng của từ trường bên ngoài. Vì vậy nó không tổng hợp lực để tạo ra một lực lớn hơn và tương tác với lực của nam châm. Vậy cho nên nó không bị nam châm hút.

 Như vậy, cách hoạt động của cục nam châm rất đơn giản. Đó chính là sự tổng hợp hoặc triệt tiêu lực từ của các nguyên tử. Mà lực từ của các nguyên tử thì được tổng hợp dựa trên lực từ của các electron có trong nguyên tử. Nếu nung nóng nam châm đến một nhiệt độ cực cao thì các nguyên tử sẽ chuyển động mạnh một cách hỗn loạn và mất hết từ tính. Đó cũng là lý do tại sao khi nam châm bị nung nóng thì sẽ không hút được sắt nữa.