Nam châm là một vật liệu hay một sản phẩm có phát ra một từ trường chung quanh nó. Từ trường thì vô hình, mắt thường không thấy, nhưng có sức hút những vật như sắt hay thép.
Chúng ta chắc ai cũng biết là nam châm có hai cực, Nam và Bắc. Để hai cực của hai thỏi nam châm gần nhau. Nếu hai cực cùng loại thì sẽ có một lực đẩy hai thỏi nam châm ra xa nhau. Nếu hai cực khác loại thì sinh ra một lực hút hai thỏi nam châm với nhau.
Có ba loại nam châm: tạm thời, vĩnh cửu và điện.
–Nam châm vĩnh cửu (permanent magnet) là loại vật chất mà một khi được từ hóa và trở thành nam châm thì từ tính (magnetism) còn giữ mãi không mất.
–Nam châm tạm thời (temporary magnet) là loại kim khí khi ở trong một từ trường thì trở thành nam châm. Nếu đi ra khỏi từ trường thì mất đi từ tính. Thí dụ bạn để một cây đinh gần một nam châm thì cây đinh đó cũng trở thành một nam châm và có thể hút vật kim khí khác.
–Nam châm điện (electromagnet) là loại nam châm sinh ra bằng điện. Một sợi dây điện quấn chung quanh một lõi sắt. Khi có dòng điện chạy qua dây điện thì lõi sắt trở thành một thỏi nam châm, đó là nam châm điện.
Nam châm có hai thứ, một hiện diện trong thiên nhiên và hai là nhân tạo. Vật chất có tính nam châm thiên nhiên được gọi là quặng sắt từ (magnetite) và đá có nam châm được gọi là đá từ tính (lodestone). Người xưa đã biết dùng đá từ tính để làm la bàn. Đa số nam châm dùng ngày nay là nam châm nhân tạo.
Các loại nam châm vĩnh cửu
Tùy theo nguyên liệu dùng để tạo ra nam châm mà có thể phân loại nam châm vĩnh cửu thành bốn loại.
-Neodymium Iron Boron: Loại nam châm này (viết tắt là NIB hay NdFeB) làm bằng những nguyên liệu đất hiếm. Đây là loại siêu nam châm vĩnh cửu mạnh nhất hiện nay và khó bị khử từ, nhưng cũng là loại đắt nhất. Siêu nam châm NIB không có sức bền cơ khí, dễ vỡ, nên thường phải có lớp vỏ bọc.
-Samarium Cobalt: Giống như loại nam châm NIB nam châm samarium cobalt (viết tắt là SmCo) là siêu nam châm vì nó rất mạnh. Siêu nam châm SmCo khó bị khử từ, khó bị oxy hóa và có thể chịu nhiệt độ cao tới 300 độ C, nhưng không có sức bền cơ khí và đắt tiền. Loại này cũng như nam châm NIB được gọi là nam châm đất hiếm (rare earth magnet) vì những hợp chất là những chất đất hiếm.
–Alnico: Chữ Alnico được kết hợp do hai chữ cái đầu của aluminum (nhôm), nickel (kền hay ni-ken) và cobalt (cô-ban). Như tên gọi, nam châm alnico được cấu tạo bằng cách đổ khuôn hay nung kết (sintered) một tổ hợp nhôm, kền và cô-ban, có thể thêm một ít sắt để làm tăng tính chất của nam châm. Làm bằng phương pháp nung kết thì tạo ra nam châm có những tính chất cơ khí tốt hơn. Làm bằng phương pháp đổ khuôn thì làm tăng từ tính và có thể đổ thành nhiều hình thể khác nhau. Nam châm alnico không mạnh bằng hai loại trên nhưng ít bị nhiệt ảnh hưởng.
-Gốm hay phe-rít (ferrite): Nam châm gốm hay phe-rít làm bằng sự nung kết của hỗn hợp các bột ô-xít sắt, ba-ri (barium) hay các-bon-nát stron-ti (strontium carbonate). Nam châm loại này là loại nam châm thông dụng nhất vì dễ sản xuất và giá thành rẻ. Tuy nhiên không được mạnh và dễ bị bể vụn.
Nam châm siêu dẫn
Có một loại siêu nam châm điện cực mạnh dùng chất siêu dẫn (superconductor) gọi là nam châm siêu dẫn. Chất siêu dẫn là một vật liệu chuyên chở điện mà không có lực cản. Có nghĩa là khi điện chạy trong chất siêu dẫn thì không bị thất thoát và trên lý thuyết chất siêu dẫn có thể chuyên chở điện vô thời hạn. Nam châm siêu dẫn là loại nam châm điện mà sợi dây điện quấn quanh lõi nam châm làm bằng chất siêu dẫn.
Đây là loại siêu nam châm cực mạnh không có loại siêu nam châm vĩnh cửu nào mạnh bằng. Chỉ có một vấn đề là muốn đạt tới tình trạng siêu dẫn thì phải giữ chất siêu dẫn ở một nhiệt độ thật lạnh, trong khoảng từ -269 tới -196 độ C.
Áp dụng của nam châm và siêu nam châm
Nam châm và siêu nam châm có rất nhiều áp dụng từ khoa học, y khoa tới đời sống thường ngày. Trong một ngày bạn có thể đã dùng nam châm mà không để ý đến, thí dụ cửa tủ lạnh muốn cho kín đều dùng nam châm, trong máy tính cũng có nam châm. Nam châm cũng có trong máy truyền hình và loa nghe nhạc. Sau đây là một vài áp dụng chính của nam châm và siêu nam châm.
-Động cơ điện: Từ khi các nhà khoa học khám phá ra sự liên hệ giữa từ tính và điện thì nam châm đóng một vai trò lớn trong đời sống con người ngày nay. Động cơ điện là một dụng cụ biến năng lượng điện thành năng lượng cơ khí. Ở giữa động cơ điện là một cục nam châm. Theo nguyên tắc của điện từ khi một dòng điện chạy trong cuộn dây điện quấn vòng ngoài thì sẽ làm cho phần ở giữa quay.
Máy phát điện thì hoạt động ngược lại, khi một nguồn năng lượng ở ngoài, như sức gió hay sức nước làm quay động cơ thì sẽ phát sinh ra một luồng điện. Đa số điện dùng trong nhà đều từ máy phát điện như vậy.
-Tàu điện cao tốc: Nam châm siêu dẫn được xử dụng trong hệ thống tàu điện cao tốc maglev (viết tắt của chữ magnetic levitation, dịch là nâng đệm từ trường). Trong hệ thống tàu điện cao tốc maglev các nam châm siêu dẫn được dùng để nâng tàu lên và đẩy tàu đi. Vì tàu không chạm đất nên có thể đi rất nhanh và rất êm. Kỷ lục tàu điện cao tốc chạy nhanh nhất là tàu loại maglev này. Vận tốc kỷ lục là 603 km/g.
-Máy tạo ảnh cộng hưởng từ MRI: Máy tạo ảnh cộng hưởng từ (Magnetic resonance imaging viết tắt là MRI) là một dụng cụ dùng để tạo ra một ảnh chi tiết cơ thể con người bằng cách quét qua cơ thể. Máy MRI phát ra một từ trường rất mạnh cùng với sóng radio để tạo ra hình ảnh những phần sâu trong cơ thể không thể quan sát bằng mắt thường. Để tạo ra một từ trường mạnh các máy MRI thường dùng siêu nam châm.
–Máy tính: Nhiều máy tính hiện nay dùng thiết bị ổ mạch rắn (solid state drive viết tắt là SSD) để lưu trữ dữ kiện. Trên mặt thiết bị này là một lớp có chứa cả tỷ nam châm nhỏ xíu. Vì nam châm có hai cực Nam và Bắc nên có thể dùng sự kiện đó để biểu hiện hai số 0 và 1 trong máy tính. Một đầu điện từ trong đó có chứa một siêu nam châm NIB được dùng để ghi dữ kiện vào ổ SSD bằng cách thay đổi cực của các nam châm trên mặt. Thiết bị này đắt hơn là ổ đĩa cứng (hard disk drive) nhưng vì không có những bộ phận di động nên dễ bảo tồn, hơn nữa thiết bị SSD nhanh hơn ổ đĩa cứng.
Vì nguyên liệu đất hiếm rất quan trọng trong việc chế tạo siêu nam châm và Trung Quốc là nước sản xuất nguyên liệu đất hiếm nhiều nhất thế giới. Nên Hoa Kỳ, Nhật Bản và các nước Châu Âu đã và đang có nhiều nỗ lực nghiên cứu để thay thế các nguyên liệu đất hiếm bằng những nguyên liệu không hiếm. Cho tới bây giờ vẫn chưa có kết quả đáng kể nào. (Hà Dương Cự)
Nguồn tài liệu:
https://supermagnetman.com, www.magnetsource.com, https://en.wikipedia.org/wiki/Magnet
