Nam châm
Đường sức từ trường quanh hai cực của một nam châm được thể hiện qua các mạt sắt trên
tấm giấy đặt ngay trên nam châm
Trong cuộc sống hằng ngày, có thể nhận ra nam châm là các vật có khả năng hút và đẩy
vật bằng sắt hay thép non. Trong từ học, nam châm là một vật có khả năng sinh một lực
dùng để hút hay đẩy một từ vật hay một vật có độ cảm từ cao khi nằm gần nam châm.
Lực phát sinh từ nam châm gọi là từ lực.
Nam châm là một nguồn từ có hai cực: Bắc và Nam, và một từ trường tạo từ các đường
từ (đường sức) đi từ cực Bắc đến cực Nam.
Các loại nam châm
Nam châm điện
Sơ đồ nguyên lý của nam châm điện đầu tiên. Dòng điện cung cấp bởi nguồn pin tạo ra từ
trường trong cuộn dây và được khuếch đại bởi lõi dẫn từ làm bằng sắt non.
Phân bố đường sức từ trong một cuộn dây solenoid.
Nam châm điện là một dụng cụ tạo từ trường hay một nguồn sản sinh từ trường hoạt
động nhờ từ trường sinh ra bởi cuộn dây có dòng điện lớn chạy qua. Cảm ứng từ của nam
châm điện được dẫn và tạo thành lớn nhờ việc sử dụng một lõi dẫn từ làm bằng vật liệu
từ mềm có độ từ thẩm lớn và cảm ứng từ bão hòa cao. Khác với nam châm vĩnh cửu có
cảm ứng từ cố định, nam châm điện có cảm ứng từ có thể thay đổi được nhờ việc điều
khiển dòng điện chạy qua cuộn dây.
Nam châm điện lần đầu tiên được phát minh bởi nhà điện học người Anh William
Sturgeon (1783-1850) vào năm 1825. Nam châm điện của Sturgeon là một lõi sắt non
hình móng ngựa có một số vòng dây điện cuốn quanh. Khi cho dòng điện sinh ra bởi một
pin nhỏ chạy qua, lõi sắt bị từ hóa và cảm ứng từ sinh ra đủ mạnh để hút lên được một
hộp sắt nặng 7 ounce. Khi ngắt dòng điện, từ trường của lõi cũng biến mất
Nguyên lý của nam châm điện
Khi mắc một dây dẩn điện có nhiều vòng quấn với Điện, dòng điện sản sinh một Điện
Trường E trong các vòng quấn . Khi dòng điện đi qua các vòng quấn, Biến đổi của Điện
Trường trong các vòng quấn sinh ra một Từ Trường B vuông góc với Điện Trường E .
Từ Trường của cuộn dây dẩn điện có tính chất giống như từ trường của một Nam Châm
cũng hút hay đẩy một từ vật nằm trong từ trường của cuộn dây .
Khi tách Điện khỏi cuộn dây, Từ Trường không tồn tại . Cuộn dây không còn hút hay đẩy
từ vật
Vậy chỉ khi nào cuộn dây dẩn điện, cuộn dây trở thành Nam Châm Điện
Từ Trường của cuộn dây tùy thuộc vào số Từ Cảm cuộn dây và dòng điện trong cuộn dây
B = L I
Từ Cảm cuộn dây tỉ lệ thuận với chiều dài, số vòng quấn và tỉ lệ nghịch với diện tích của
cuộn dây
Các Loại Nam Châm Điện
Cuộn Dây
Một dây dẩn điện với vài vòng quấn
L = μN2 (l/A)
Vòng Dây
Một dòng tròn dẩn điện với vài nhiều vòng quấn
L = μN2 (l/A)
l : chu vi vòng tròn = 2Πr
Nam châm điện gồm hai phần là cuộn dây tạo từ trường và lõi dẫn (khuếch đại) từ. Chi
tiết của từng loại nam châm điện có thể khác nhau nhưng đều theo nguyên lý chung này.
Cuộn dây tạo từ trường
Thông thường, cuộn dây là cộn solenoid được cuốn nhiều vòng dây đều nhau. Cường độ
từ trường sinh ra trong ống dây được tính theo công thức:
Với N,L,I lần lượt là số vòng dây, chiều dài cuộn dây và cường độ dòng điện chạy qua
cuộn dây.
Lõi dẫn từ
Lõi dẫn từ của nam châm điện là các vật liệu từ mềm và thông thường chúng phải thỏa
mãn các yêu cầu:
• Có độ từ thẩm lớn
• Cảm ứng từ bão hòa cao (để không giới hạn dải hoạt động của nam châm.
• Có tổn hao trễ nhỏ (lực kháng từ nhỏ) để không làm trễ quá trình thay đổi từ
trường của nam châm.
Khi có lõi dẫn từ, cảm ứng từ sinh ra tại bề mặt của cực nam châm điện sẽ được xác định
theo công thức:
với μ,μ
0 là độ từ thẩm của chân không và độ từ thẩm tỉ đối của vật liệu dùng làm lõi dẫn
từ.
Một số vật liệu được sử dụng làm lõi nam châm điện:
1. Hợp kim Sắt silic
Nam châm vĩnh cửu
Nam châm vĩnh cửu là các vật được cấu tạo từ các vật liệu từ cứng có khả năng giữ từ
tính không bị mất từ trường, được sử dụng như những nguồn tạo từ trường.
Các đặc trưng
Hình ảnh các nam châm vĩnh cửu
Các đại lượng của nam châm vĩnh cửu xuất phát từ đường cong từ trễ, là các thông số đặc
trưng của các chất sắt từ nói chung và vật liệu từ cứng nói riêng và các thông số được
quan tâm chủ yếu gồm:
• Lực kháng từ
Lực kháng từ của nam châm vĩnh cửu phải đủ lớn để không bị khử từ bởi các từ trường
ngoài, khả năng lưu trữ từ trường của nam châm càng lớn khi lực kháng từ càng lớn. Các
nam châm vĩnh cửu phổ biến hiện nay có lực kháng từ từ 1000 Oe đến vài chục ngàn Oe.
• Từ dư (xem bài Đường cong từ trễ).
• Hệ số chữ nhật hay Độ vuông
• Tích năng lượng từ cực đại
Nói lên khả năng lưu trữ năng lượng từ của nam châm vĩnh cửu, là năng lượng lớn nhất
có thể tồn trữ trong một đơn vị thể tích nam châm, được xác định từ đường cong từ trễ.
Muốn có tích năng lượng từ cực đại lớn, nam châm cần có lực kháng từ lớn, từ dư cao và
hệ số chữ nhật của đường cong từ trễ lớn.
• Nhiệt độ Curie
Là nhiệt độ mà tại đó các vật sắt từ bị mất từ tính và trở thành thuận từ. Nhiệt độ Curie
cho ta biết khả năng hoạt động của nam châm trong điều kiện nhiệt độ cao hay thấp. Có
những nam châm có nhiệt độ Curie khá thấp (ví dụ như nam châm Nd2Fe14B có nhiệt độ
Curie chỉ 312oC), nhưng cũng có những loại nam châm có nhiệt độ Curie rất cao (ví dụ
hệ hợp chất SmCo có nhiệt độ Curie hàng ngàn độ, được sử dụng trong động cơ phản lực
có nhiệt độ cao).
• Ngoài các tham số mang tính chất từ tính, các tham số khác cũng rất được quan
tâm đó là độ cứng, khả năng chống mài mòn, chống ôxi hóa, mật độ ... Bên cạnh
đó, hình dạng nam châm cũng là một tham số rất quan trọng quyết dịnh điểm làm
việc của nam châm do hình dạng nam châm quy định thừa số khử từ của vật từ, có
tác động lớn đến năng lượng từ của nam châm.
Phân loại theo vật liệu
Nam châm đất hiếm NdFeB (neodymium) được sử dụng trong ổ cứng máy tính
• Ôxit sắt: Là loại nam châm vĩnh cửu đầu tiên của loài người được sử dụng dưới
dạng các "đá nam châm", được sử dụng từ thời cổ đại, có ngay trong tự nhiên
nhưng khi khoa học kỹ thuật phát triển loại này không còn được sử dụng do từ
tính rất kém.
• Thép cácbon
Là loại nam vĩnh cửu được sử dụng từ thế kỷ 18 đến giữa thế kỷ 20 với khả năng
cho từ dư tới hơn 1 T, nhưng lực kháng từ rất thấp nên từ tính cũng dễ bị mất. Lại
nam châm này hầu như không còn được sử dụng hiện nay.
• Nam châm AlNiCo
Là loại nam châm được chế tạo từ vật liệu từ cứng là hợp kim của nhôm, niken,
côban và một số các phụ gia khác như đồng, titan..., là loại nam châm cho từ dư
cao (tới 1,2-1,5 T) nhưng có lực kháng từ chỉ xung quanh 1 kOe, đồng thời giá
thành cũng khá cao nên hiện nay tỉ lệ sử dụng ngày càng giảm dần (chỉ còn không
đầy 10% thị phần sử dụng).
• Ferrite từ cứng