Nam châm là gì? Cách phân loại nam châm vĩnh cửu

Chu Văn An

Nam châm là một vật dụng rất quen thuộc trong cuộc sống hằng ngày của con người. Chúng có khả năng hút sắt và thép nhẹ và đẩy lùi một nam châm khác nếu chúng có cùng cực. Để tìm hiểu thêm nam châm là gì? Cách phân loại nam châm vĩnh cửu và những ứng dụng của nó trong cuộc sống, hãy cùng LabvietCHEM theo dõi nội dung bài viết chi tiết dưới đây nhé.

Nam châm là gì?

Nam châm là gì? Nguồn gốc lịch sử của nam châm

Nam châm là vật liệu hoặc vật tạo ra từ trường có hai cực: Bắc và Nam. Từ trường này tuy vô hình nhưng có nhiệm vụ tạo ra lực kéo lên các vật liệu sắt từ, thép mềm và hút hoặc đẩy các nam châm khác theo nguyên lý “cực cùng tên thì đẩy nhau, cực khác nhau thì hút nhau”.

Trước năm 800 trước Công nguyên, người Hy Lạp cổ đã tìm thấy một loại đá đen kỳ lạ. Tuy nhiên, có lẽ lúc này họ vẫn chưa phát hiện ra khả năng quay về phương Bắc của nó. Khoảng 300 năm sau, người Trung Quốc đã phát hiện ra loại đá này có chứa Magie và cũng phát hiện ra khả năng của nó. Họ đặt tên cho nó là Magnetite, có nghĩa là nam châm.

Nguyên lý hoạt động của nam châm

Nam châm tạo ra từ trường và chính từ trường đó tạo cho nó khả năng hút các vật làm bằng kim loại. Từ tính của nam châm chủ yếu bắt nguồn từ sự chuyển động của các hạt điện trong nó. Trong sắt, các hạt điện từ này có thể tự do chuyển động và sắp xếp một cách tự phát trong một phạm vi nhỏ. Điều này có nghĩa là, trong một vùng nguyên tử nhỏ, các electron có thể duy trì cùng hướng tự chuyển động và tạo thành một vùng từ tính tự phát nhỏ.

Mỗi nam châm có hai cực: Bắc (N – North) và Nam (S – South). Nếu hai nam châm cùng cực đặt gần nhau thì chúng sẽ đẩy nhau và ngược lại, nếu hai nam châm khác cực đặt gần nhau thì chúng sẽ hút nhau.

Mỗi nam châm đều có hai cực Bắc và Nam

Các kim loại như đồng, chì, nhôm,… không bị ảnh hưởng bởi từ trường của nam châm nên không sinh ra từ tính. Vì vậy, nam châm không thể hút được những kim loại này.

Có những loại nam châm nào?

Hiện nay, nam châm được chia làm 3 loại chính, cụ thể như sau:

1. Nam châm tạm thời

Là loại nam châm hoạt động theo nguyên lý hút các vật liệu sắt từ khi ở trong từ trường mạnh. Tuy nhiên, khi chúng mất đi từ tính thì từ trường của chúng cũng sẽ biến mất.

2. Nam châm điện

Nam châm điện là thiết bị tạo ra từ trường hoặc nguồn tạo ra từ trường hoạt động nhờ vào từ trường do một cuộn dây có dòng điện lớn chạy qua tạo ra. Nó được phát minh vào năm 1825 bởi nhà điện học người Anh William Sturgeon (1783-1850).

Nam châm điện gồm có hai phần: một cuộn dây tạo ra từ trường và được quấn quanh lõi sắt có chức năng dẫn (khuếch đại) nam châm. Khi dòng điện chạy qua, lõi sắt bị nhiễm từ và cảm ứng từ đủ mạnh để hút các vật liệu có từ tính, nhưng khi dòng điện bị gián đoạn thì từ trường của lõi cũng sẽ biến mất. Đặc biệt, chúng ta có thể điều chỉnh cảm ứng từ bằng cách điều chỉnh dòng điện chạy qua cuộn dây.

3. Nam châm vĩnh cửu

Nam châm vĩnh cửu là loại nam châm phổ biến nhất hiện nay, được làm từ vật liệu nhiễm từ và tạo ra từ trường ổn định, vĩnh cửu.

Từ trường của nam châm vĩnh cửu ổn định và vĩnh viễn

Tùy thuộc vào vật liệu sử dụng và cách chế tạo mà nam châm vĩnh cửu được chia thành nhiều loại khác nhau, cụ thể như sau:

3.1. Phân loại theo vật liệu sản xuất

Oxit sắt

Loại nam châm vĩnh cửu đầu tiên được con người sử dụng từ xa xưa dưới dạng “đá nam châm”. Chúng có sẵn trong tự nhiên nhưng có từ tính rất kém nên ngày nay không còn được sử dụng nữa.

Thép cacbon

Ra đời sau oxit sắt và được sử dụng chủ yếu từ thế kỷ 18 đến giữa thế kỷ 20. Do có từ tính kém do lực kháng từ rất thấp nên loại nam châm này không còn được sử dụng nữa.

nam châm AlNiCo

Được làm từ các vật liệu từ cứng như hợp kim nhôm, niken, coban và một số chất phụ gia khác như đồng, titan… Mặc dù loại này có từ dư cao khoảng 1,2 – 1,5 T nhưng độ kháng từ thấp chỉ khoảng 1 kOe. Hơn nữa, giá thành khá cao nên hiện nay ít được sử dụng.

Ferrite từ cứng

Được làm từ các loại ferit từ cứng như ferit Ba, Sr… là vật liệu gốm sứ. Loại nam châm này khá dễ chế tạo, gia công, giá thành rẻ và có độ bền cao nên được sử dụng khá nhiều hiện nay. Tuy nhiên, nhược điểm của nó là có từ tính thấp và lực kháng từ chỉ khoảng 3 – 6 kOe.

Nam châm đất hiếm

Nam châm đất hiếm là gì?

Được làm từ vật liệu từ cứng là hợp kim hoặc hợp chất của kim loại đất hiếm và kim loại chuyển tiếp. Chúng được chia thành 3 loại chính:

Nam châm nhiệt độ cao SmCo

Được chế tạo từ hợp chất ban đầu SmCo5 do Tiến sĩ Karl J. Strnat thuộc Phòng thí nghiệm Vật liệu Không quân Hoa Kỳ (Mỹ) thực hiện vào năm 1966. Loại nam châm này có tích năng lượng từ cực đại là 18 MGOe. Năm 1972, Karl J. Strnat tiếp tục phát minh ra hợp chất Sm2Co17 có khả năng tích trữ năng lượng từ trường tối đa lên tới 30 MGOe. Nhờ cấu tạo hình chiếc lá đặc biệt nên nam châm SmCo có nhiệt độ Curie rất cao, lên tới 1100 độ C và độ kháng từ cực cao. Chúng chủ yếu được sử dụng trong các ứng dụng nhiệt độ cao như động cơ phản lực.

nam châm NdFeB

Được chế tạo từ hợp chất R2Fe14B, trong đó R là ký hiệu của nguyên tố đất hiếm. Chúng có cấu trúc tinh thể tứ giác với độ kháng từ cao (> 10 kOe) và độ bão hòa từ rất cao. Vì vậy, đây là loại nam châm vĩnh cửu mạnh nhất hiện nay. Tuy nhiên, nó không chịu được nhiệt độ cao và do chứa nhiều nguyên tố đất hiếm đắt tiền nên giá thành của loại nam châm này khá cao. Vì vậy, dù là loại mạnh nhất nhưng nam châm đất hiếm lại không được sử dụng nhiều nhất.

Nam châm kết hợp Nano

Là loại nam châm có cấu trúc tổng hợp nhờ liên kết trao đổi đàn hồi giữa các hạt của hai pha từ cứng và mềm ở kích thước nanomet. Các pha từ cứng chỉ chiếm tỷ lệ thấp sẽ cho lực kháng từ lớn trong khi các pha từ mềm sẽ cho từ tính mạnh. Theo tính toán lý thuyết, từ tính dự trữ của loại nam châm này lớn gấp 3 lần so với nam châm mạnh nhất hiện nay là NdFeB. Tuy nhiên, thực tế không phải vậy và chúng chỉ là sản phẩm đang trong giai đoạn sản xuất thử nghiệm.

3.2. Phân loại theo phương pháp sản xuất

Nam châm đẳng hướng

Loại nam châm này được tạo ra bằng phương pháp ép đẳng tĩnh và không sử dụng các phương pháp định hướng ban đầu.

Nam châm dị hướng

Là loại nam châm được tạo ra bằng cách ép đẳng tĩnh và được định hướng trong quá trình ép bằng từ trường. Nhờ đó, các hạt vòm đơn trong vật liệu được định hướng theo hướng của từ trường nên dễ bị từ hóa theo hướng định hướng.

Nam châm dính

Một loại nam châm được tạo ra bằng cách nghiền thành bột mịn, sau đó trộn với chất kết dính như epoxy và ép trong từ trường có hướng. Chất keo giúp liên kết và làm cứng định hướng của các hạt.

Nam châm thiêu kết

Một loại nam châm được tạo ra bằng cách thiêu kết bột kim loại được nghiền mịn và ép. Phương pháp này giúp tạo ra các hợp chất có thành phần phức tạp được xác định bởi tính chất từ ​​của hợp chất đó.

Một số vai trò của nam châm trong đời sống hằng ngày

– Trong hệ thống âm thanh: Nam châm giúp tạo âm thanh cho loa.

– Trong thiết kế thời trang: Dùng làm nút đóng mở nắp túi, ví,..

Nút đóng mở túi, ví có nam châm

– Ngoài ra còn được sử dụng trong nhiều sản phẩm văn phòng, nội thất, đồ dùng gia đình, đồ chơi, máy dạy học, linh kiện trong động cơ mini, chuông báo động, máy phát điện gió, v.v.

Trên đây là một số chia sẻ của Labvietchem về nam châm. Hy vọng qua bài viết này các bạn đã biết được nam châm là gì? Phân loại và phân loại nam châm vĩnh cửu. Để xem thêm nhiều bài viết hay, vui lòng truy cập website labvietchem.com.vn và theo dõi.