Từ hóa là một hiện tượng vật lý nền tảng trong thế giới vật chất – đặc biệt trong các ngành kỹ thuật, điện tử và công nghiệp cơ khí. Hiểu được từ hóa xảy ra như thế nào và tại sao một số vật liệu lại mang từ tính sẽ giúp chúng ta ứng dụng hiệu quả hơn trong sản xuất và đời sống.
Từ hóa là gì?
Từ hóa (magnetization) là quá trình làm cho một vật liệu trở nên có từ tính bằng cách tạo ra sự định hướng có trật tự của các mômen từ nhỏ (liên kết với điện tử) bên trong vật liệu đó. Các mômen này có thể do sự quay quanh hạt nhân của các electron hoặc do chính spin (quay nội tại) của electron gây ra.
Khi vật liệu được đặt trong từ trường ngoài, các mômen từ vốn sắp xếp ngẫu nhiên sẽ dần xoay theo cùng một hướng, tạo ra từ trường nội bộ – tức là vật bắt đầu mang từ tính.
Từ hóa xảy ra như thế nào?
Hiện tượng từ hóa
Từ hóa (magnetization) là quá trình mà trong đó một vật liệu — thường là kim loại — trở nên có từ tính sau khi chịu tác động từ một từ trường ngoài. Quá trình này bắt đầu từ cấp độ nguyên tử: trong vật chất, mỗi nguyên tử đều có các electron quay quanh hạt nhân và quay quanh trục của chính nó (spin), tạo ra các mômen từ nhỏ.
Khi các mômen này được sắp xếp có định hướng giống nhau bởi tác động của từ trường, tổng mômen từ của vật liệu trở nên khác 0. Khi đó, vật liệu có khả năng sinh ra từ trường — tức là đã được từ hóa.
Các giai đoạn từ hóa
-
Trước khi từ hóa: Các mômen từ phân bố ngẫu nhiên → từ trường tổng cộng gần như bằng 0.
-
Khi chịu từ trường ngoài: Các mômen từ bắt đầu định hướng cùng chiều với từ trường ngoài → hình thành các miền từ có hướng giống nhau.
-
Sau khi từ hóa: Vật liệu có thể giữ lại từ tính (trong vật liệu sắt từ) hoặc mất từ tính khi từ trường ngoài bị loại bỏ (trong vật liệu thuận từ).
Cách vật liệu có thể mang từ tính
Không phải vật liệu nào cũng dễ dàng từ hóa. Khả năng từ hóa phụ thuộc vào cấu trúc nguyên tử và loại liên kết điện tử của vật liệu. Dưới đây là các loại vật liệu chính:
Vật liệu sắt từ (Ferromagnetic materials)
-
Là nhóm có khả năng mang từ tính mạnh nhất.
-
Các mômen từ có xu hướng tự định hướng song song, ngay cả khi không có từ trường ngoài.
-
Có thể giữ từ tính vĩnh viễn sau khi từ hóa.
-
Ví dụ: Sắt (Fe), Cobalt (Co), Niken (Ni), và các hợp kim của chúng.
Vật liệu thuận từ (Paramagnetic materials)
-
Mômen từ tồn tại nhưng phân bố ngẫu nhiên.
-
Chỉ sắp xếp theo từ trường ngoài khi bị từ hóa, sau đó trở lại trạng thái ban đầu khi từ trường bị loại bỏ.
-
Từ tính yếu và không bền.
-
Ví dụ: Nhôm, Platin, Magie.
Vật liệu nghịch từ (Diamagnetic materials)
-
Không có mômen từ riêng.
-
Khi đặt trong từ trường, các electron tạo ra dòng điện cảm ứng phản lại từ trường ngoài → lực đẩy nhẹ.
-
Không có khả năng từ hóa thực sự.
-
Ví dụ: Đồng, Bismuth, Chì.
Các phương pháp làm vật liệu từ hóa
Từ hóa bằng nam châm: Khi tiếp xúc với nam châm mạnh, các mômen từ trong vật liệu sắt từ sẽ bị tác động, quay về cùng hướng → vật liệu trở nên từ hóa.
Từ hóa bằng dòng điện (Nam châm điện): Cho dòng điện chạy qua cuộn dây quấn quanh lõi thép → sinh ra từ trường mạnh khiến lõi thép bị từ hóa. Đây là nguyên lý của nam châm điện trong động cơ, relay, chuông điện.
Từ hóa bằng cảm ứng: Khi vật liệu được đặt trong vùng có từ trường biến thiên (như từ cuộn dây AC), dòng điện cảm ứng sẽ tạo ra mômen từ, từ đó vật liệu bị từ hóa tạm thời.
Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng từ hóa của vật liệu
Nhiệt độ
-
Khi nhiệt độ vượt quá điểm Curie, vật liệu sắt từ mất khả năng giữ từ tính do các mômen từ bị phá vỡ liên kết.
Cường độ và thời gian từ trường
-
Cường độ từ trường càng lớn → mômen từ sắp xếp càng nhiều → từ hóa càng mạnh.
-
Thời gian tiếp xúc lâu hơn cũng giúp tăng hiệu quả từ hóa.
Tạp chất trong vật liệu
-
Tạp chất có thể làm nhiễu quá trình sắp xếp mômen từ, khiến vật liệu khó hoặc không thể từ hóa hiệu quả.
Ứng dụng của hiện tượng từ hóa trong thực tế
-
Sản xuất nam châm vĩnh cửu: Dùng trong động cơ, máy phát, cảm biến…
-
Ổ cứng máy tính: Dữ liệu được ghi bằng cách từ hóa từng điểm nhỏ trên bề mặt đĩa.
-
Công nghệ MRI: Sử dụng từ trường cực mạnh để tạo hình ảnh bên trong cơ thể.
-
Cơ khí, xây dựng: Từ hóa thép giúp dễ dàng phân loại, kiểm tra nứt gãy bằng phương pháp từ thẩm.
>>>Xem thêm :
Từ hóa có phải là vĩnh viễn?
Không. Trừ khi là vật liệu sắt từ có từ tính vĩnh viễn, đa phần các loại từ hóa đều chỉ mang tính tạm thời. Vật liệu có thể mất từ tính khi:
-
Bị nung nóng vượt điểm Curie.
-
Bị va đập mạnh làm đảo hướng mômen từ.
-
Bị tác động bởi từ trường ngược chiều đủ mạnh (quá trình khử từ).
Hiện tượng từ hóa xảy ra như thế nào phản ánh cách các mômen từ trong vật liệu được định hướng lại dưới tác động của từ trường ngoài. Việc hiểu rõ cơ chế này giúp chúng ta ứng dụng từ tính trong vô số lĩnh vực: từ đời sống hàng ngày cho đến các công nghệ cao. Đồng thời, kiến thức này cũng là nền tảng quan trọng trong khoa học vật liệu và kỹ thuật điện – điện tử hiện đại.
Comment