Tại sao nam châm lại có cực bắc và cực nam?

Bạn đã bao giờ tự hỏi điều gì sẽ xảy ra nếu bạn cưa một nửa thanh nam châm chưa? Bạn có thể nghĩ rằng cuối cùng bạn sẽ có được hai miếng kim loại không có từ tính, giống như cắt một quả táo, nhưng nó không phải là sự thật. 

Cho dù bạn cắt nam châm thành bao nhiêu mảnh thì mỗi mảnh vẫn giữ được từ tính và sẽ có cực bắc và cực nam. Những nam châm nhỏ này sẽ hút hoặc đẩy nhau giống như một nam châm lớn. 

Hiện tượng kỳ diệu này khiến nam châm trở thành công cụ không thể thiếu trong đời sống con người. Bạn có thể sử dụng chúng để trang trí tủ lạnh hoặc sử dụng chúng để khám phá bên trong cơ thể. Sức mạnh kỳ diệu của nam châm cho phép chúng làm được điều này là gì?

Để trả lời câu hỏi này, trước tiên chúng ta phải hiểu nam châm được làm từ gì. Mọi vật chất, kể cả nam châm, đều được cấu tạo từ nguyên tử. Trong mọi nguyên tử, hạt nhân được bao quanh bởi một hoặc nhiều electron mang điện tích âm. Mỗi electron này tạo ra từ trường cực nhỏ của riêng nó, cái mà các nhà khoa học gọi là “spin”. Nếu từ trường đủ nhỏ hướng cùng hướng thì bản thân vật liệu sẽ trở thành từ tính.

“Spin” của electron là một khái niệm trừu tượng. Về mặt kỹ thuật, chưa ai từng nhìn thấy spin của electron – nó quá nhỏ để có thể nhìn thấy dưới kính hiển vi. Nhưng các nhà vật lý biết rằng các electron có từ trường vì họ đã đo được nó. Một cách mà trường này được tạo ra là các electron đang quay. 

Khi có thể, các electron ghép đôi sao cho spin của chúng triệt tiêu nhau, khiến tổng từ tính của nguyên tử bằng 0. Nhưng ở một số nguyên tố, chẳng hạn như sắt, điều này không xảy ra. Số lượng electron và cách chúng định vị xung quanh hạt nhân có thể sẽ dẫn đến việc mỗi nguyên tử sắt có một electron chưa ghép cặp, tạo ra một từ trường nhỏ.

Trong các vật liệu không bị nhiễm từ, các từ trường riêng lẻ này hướng theo các hướng ngẫu nhiên khác nhau. Ở trạng thái này, chúng hầu như triệt tiêu lẫn nhau nên vật liệu nhìn chung không có từ tính. Nhưng trong những điều kiện thích hợp, từ trường hạ nguyên tử cực nhỏ có thể thẳng hàng và hướng về cùng một hướng. Những từ trường rất nhỏ này kết hợp với nhau để tạo ra từ trường lớn hơn, do đó vật liệu sắt có thể trở thành nam châm.

Nhiều nam châm được sử dụng trong cuộc sống hàng ngày như nam châm tủ lạnh là nam châm vĩnh cửu. Trong những vật liệu này, từ trường của nhiều nguyên tử trong vật liệu đã được liên kết vĩnh viễn bởi một lực bên ngoài nào đó – như thể chúng được đặt trong một từ trường mạnh hơn.

Thông thường, từ trường mạnh hơn được tạo ra bằng điện. Điện và từ có mối liên hệ cơ bản với nhau vì từ trường được tạo ra bởi sự chuyển động của các điện tích. Đó là lý do tại sao các electron quay có từ trường nhưng các nhà khoa học cũng có thể sử dụng điện để tạo ra những nam châm cực mạnh. Chạy đủ dòng điện qua cuộn dây sẽ tạo ra một từ trường rất mạnh tồn tại suốt thời gian dòng điện chạy qua. Những nam châm điện này thường được sử dụng trong nghiên cứu vật lý. Chúng cũng được sử dụng trong các công cụ y tế như máy chụp cộng hưởng từ (MRI).

Trái Đất cũng có từ trường riêng – đây là cách hoạt động của kim la bàn. Các nhà khoa học định nghĩa Cực Bắc của nam châm là điểm cuối của Cực Bắc của Trái Đất mà nó sẽ hướng tới nếu nam châm quay tự do. Nhưng về mặt kỹ thuật, Gregory Scott Boebinger, giám đốc Phòng thí nghiệm Từ trường Quốc gia ở Tallahassee, Florida, và hiện là giáo sư vật lý tại Đại học Bang Florida giải thích, điều này có nghĩa là cực từ phía bắc của Trái Đất thực sự là cực nam từ vì các cực đối diện hút nhau.

Trong quy ước vật lý, các đường sức từ chạy ra từ cực bắc của nam châm và đi vào cực nam của nó, tạo thành một vòng khép kín. Bạn có thể quan sát hiện tượng này bằng cách tiến hành một thí nghiệm đơn giản sử dụng một số mạt sắt nhỏ và một nam châm. Đặt nam châm lên một tờ giấy và rắc một ít mạt sắt lên tờ giấy. Bạn sẽ thấy các mạt sắt được sắp xếp dọc theo các đường sức từ, tạo thành hình hoa văn. Đây là hình dung về từ tính của nam châm.

Các nhà vật lý cũng đã khám phá ra những cách sắp xếp khác của các cực từ, bao gồm cả các cực tứ cực, trong đó sự kết hợp của các cực từ bắc và nam được sắp xếp thành một hình vuông. Nhưng có một mục tiêu vẫn còn khó nắm bắt, đó là chưa ai phát hiện ra đơn cực từ.

Electron và proton là các đơn cực điện và chúng đều mang điện tích dương hoặc âm. Nhưng các electron (và các hạt khác) có hai cực từ. Vì là hạt cơ bản nên chúng không thể bị chia nhỏ thêm nữa. Sự khác biệt giữa cách các hạt hành xử về mặt điện và từ đã khiến nhiều nhà vật lý tò mò. Khám phá của nó sẽ thách thức các định luật vật lý mà chúng ta hiểu hiện nay.

Nam châm là một trong những bí ẩn sâu sắc nhất của vật lý, và mặc dù con người đã sử dụng chúng hàng nghìn năm nhưng các nhà khoa học vẫn đang tìm hiểu những điều mới về cách thức hoạt động của chúng. Có lẽ một ngày nào đó chúng ta sẽ khám phá ra hết bí mật của chúng.

Tham khảo: Zhihu