Từ học – Wikipedia tiếng Việt

Nam châm vĩnh cửu, một trong những mẫu sản phẩm truyền kiếp nhất của từ học .

Từ học (tiếng Anh: magnetism) là một ngành khoa học thuộc Vật lý học nghiên cứu về hiện tượng hút và đẩy của các chất và hợp chất gây ra bởi từ tính của chúng. Mặc dù tất cả các chất và hợp chất đều bị ảnh hưởng của từ trường tạo ra bởi một nam châm với một mức độ nào đó nhưng một số trong chúng có phản ứng rất dễ nhận thấy là sắt, thép, oxide sắt. Những chất và hợp chất có từ tính đặc biệt là đối tượng của từ học dùng để chế tạo những sản phẩm phục vụ con người được gọi là vật liệu từ.

Từ tính gây ra bởi lực từ, lực từ là một dạng lực điện từ, một trong những lực cơ bản của tự nhiên, nó được sinh ra do chuyển động của các hạt có điện tích. Phương trình Maxwell cho biết nguồn gốc và mối liên hệ của các từ trường và điện trường gây ra lực từ. Mối quan hệ giữa lực từ và lực điện rất mật thiết, môn khoa học nghiên cứu về vấn đề này được gọi là điện từ học.

Mục lục nội dung

Từ tính của vật chất[sửa|sửa mã nguồn]

Mô tả vĩ mô[sửa|sửa mã nguồn]

Bạn đang đọc: Từ học – Wikipedia tiếng Việt

Cảm ứng từ và từ trường[sửa|sửa mã nguồn]

Vì từ trường được tạo ra khi có chuyển động của các điện tích nên nếu ta có một dây điện có dòng điện

{\displaystyle I}

$I$ chạy qua thì nó sẽ tạo ra một cảm ứng từ

B
→

{\displaystyle {\vec {B}}_{0}}

${\vec {B}}_{0}$ xung quanh. Cảm ứng từ là một đại lượng véc tơ, chiều của nó phụ thuộc vào chiều chuyển động của dòng điện và được xác định bằng quy tắc bàn tay phải. Bây giờ nếu ta thay dây điện trên bằng một ống dây điện thì cảm ứng từ tạo ra trong lòng ống dây đó cũng được xác định bằng quy tắc trên. Nếu xung quanh cuộn dây là chân không thì chúng ta định nghĩa từ trường

H
→

{\displaystyle {\vec {H}}}

${\vec {H}}$ như sau:

H
→

B
→

{\displaystyle {\vec {H}}={\frac {{\vec {B}}_{0}}{\mu _{0}}}}

${\vec {H}}={\frac {{\vec {B}}_{0}}{\mu _{0}}}$ , với

{\displaystyle \mu _{0}\,}

$\mu _{0}\,$ là từ thẩm chân không.

Như vậy thì véc tơ từ trường

H
→

{\displaystyle {\vec {H}}}

chỉ phụ thuộc vào dòng điện

{\displaystyle \ I}

$\ I$ và hình dạng của dây chứ không phụ thuộc vào môi trường bên trong ống dây.

Từ thẩm và từ cảm[sửa|sửa mã nguồn]

Bây giờ trong lòng ống dây không phải là chân không mà là một vật nào đó thì sự có mặt của vật đó sẽ làm thay đổi cảm ứng từ trong ống dây. Cảm ứng từ này tỷ lệ với từ trường với hệ số tỷ lệ được gọi là từ thẩm

{\displaystyle \mu \,}

$\mu \,$ thì cảm ứng từ trong lòng vật đó là:

${\vec {B}}=\mu .{\vec {H}}$

Ta định nghĩa

M
→

{\displaystyle {\vec {M}}\,}

${\vec {M}}\,$ là véc tơ từ độ xuất hiện bên trong vật

M → = χ. H → { \ displaystyle { \ vec { M } } = \ chi. { \ vec { H } } } ${\vec {M}}=\chi .{\vec {H}}$ χ { \ displaystyle \ chi \, } $\chi \,$ từ cảm của vật liệu
- với: ${\vec {B}}=\mu _{0}({\vec {H}}+{\vec {M}})=(1+\chi ){\vec {B}}_{0}$

Người ta còn định nghĩa :

$\mu _{r}={\frac {\mu }{\mu _{0}}}=(1+\chi )$ $\mu _{r}\,$ từ thẩm tương đối của vật so với chân không.

Xem thêm: Zalo OA – official account là gì? Cách tạo một Zalo OA

Phân loại vật tư[sửa|sửa mã nguồn]

Đĩa cứng, một trong những thành tựu tiêu biểu của từ học ứng dụng trong việc lưu trữ thông tin.Từ cảm của vật tư là một đại lượng đặc trưng cho sự cảm ứng của vật tư dưới tác động ảnh hưởng của từ trường ngoài. Người ta dựa vào đại lượng này để phân loại những vật tư thành năm loại như sau :

Mô tả vi mô[sửa|sửa mã nguồn]

Chuyển động của những điện tử[sửa|sửa mã nguồn]

Chuyển động của các điện tử trong nguyên tử tạo nên các đám mây điện tích. Chính chuyển động quỹ đạo đó là một trong những nguyên nhân gây ra từ tính của nguyên tử làm cho nguyên tử có một mô men từ. Một nguyên nhân khác là spin, có thể được hình dung thô thiển như sự tự quay của điện tử, mặc dù về bản chất, spin là một khái niệm chỉ có trong cơ học lượng tử. Như vậy từ tính của nguyên tử có hai nguồn gốc: spin và quỹ đạo, mô men từ tương ứng với hai nguồn gốc này được gọi là mô men từ spin và mô men từ quỹ đạo.

Tính nghịch từ của vật chất[sửa|sửa mã nguồn]

Nghịch từ là một hiện tượng cố hữu của vật chất, tồn tại ở mọi loại vật liệu theo quy tắc chung về cảm ứng điện từ. Khi có mặt của từ trường ngoài, các điện tử sẽ hưởng ứng với từ trường bằng cách tạo ra một mô men từ cảm ứng. Mô men từ này có xu hướng chống lại từ trường ngoài, nó tỷ lệ nhưng ngược hướng với từ trường áp dụng. Đó chính là nguyên nhân gây ra hiện tượng nghịch từ trong một số chất.

Vi từ học[sửa|sửa mã nguồn]

Một cách tổng quát, đặc thù của những vật tư từ tuân theo những quy luật về vi từ học mà ở đó đặc thù từ bị pháp luật bởi cấu trúc từ học vi mô và cấu trúc này được pháp luật bởi sự cực tiểu hóa nguồn năng lượng vi từ, hoàn toàn có thể quy thành 5 dạng nguồn năng lượng :

(xem chi tiết bài Năng lượng vi từ)

Lịch sử từ học[sửa|sửa mã nguồn]

Từ học là một ngành được ứng dụng trong cuộc sống con người từ rất sớm mà đầu tiên là ở Trung Hoa và Hy Lạp cổ đại. Ở Hy Lạp, lịch sử ghi nhận những đối thoại về từ học giữa Aristotle và Thales từ những năm 625 đến 545 trước công nguyên song song với việc sử dụng nam châm vĩnh cửu (là những đá thiên nhiên) cho một số mục đích khác nhau[1] Ở phương Đông, Trung Hoa là nơi sớm nhất sử dụng các đá nam châm làm kim chỉ nam để chỉ phương Nam-Bắc từ thời đại của Chu Công (thời đại nhà Chu, 1122 – 256 trước Công nguyên), và cuốn sách chính thức ghi lại việc sử dụng các đá nam châm là cuốn Quỷ Cốc tử (thầy dạy của Tôn Tẫn) vào thế kỷ thứ 4 trước công nguyên[2],[3].

Alexander Neckham là người châu Âu đầu tiên mô tả về la bàn và việc sử dụng la bàn cho việc định hướng vào năm 1187. Vào năm 1269, Peter Peregrinus de Maricourt viết cuốn Epistola de magnete, được coi là một trong những luận thuyết đầu tiên về nam châm và la bàn. Năm 1282, các tính chất của các nam châm và la bàn khô được thảo luận bởi Al-Ashraf, một nhà vật lý, thiên văn, địa lý người Yemeni [4].

Cuốn sách khảo cứu chi tiết đầu tiên về các hiện tượng là cuốn De Magnete, Magneticisque Corporibus, et de Magno Magnete Tellure (On the Magnet and Magnetic Bodies, and on the Great Magnet the Earth) của William Gilbert xuất bản năm 1600 ở Anh Quốc. Cuốn sách thảo luận về nhiều thí nghiệm điện từ do ông xây dựng, đồng thời giả thiết về từ trường của Trái Đất, nguyên nhân gây ra sự định hướng Nam-Bắc của các la bàn.

Tương tác giữa dòng điện và từ trường lần đầu tiên được phát hiện và mô tả bởi Hans Christian Oersted, một giáo sư Đại học Copenhagen (Đan Mạch). Ông đã phát hiện ra việc kim la bàn bị lệch hướng khi đặt gần một dây dẫn mang dòng điện. Thí nghiệm này được coi là bước ngoặt trong lịch sử ngành từ học, và được đặt tên là Thí nghiệm Oersted. Sau Oersted, hàng loạt các nhà khoa học đã tiến hành các thí nghiệm và các công trình nghiên cứu về mối quan hệ giữa điện và từ trường như André-Marie Ampère, Carl Friedrich Gauss, Michael Faraday dẫn đến việc hình thành những kiến thức cơ bản về từ học cũng như từ trường.

James Clerk Maxwell đã tổng hợp những kim chỉ nan về từ trường, điện trường, và quang học để tăng trưởng thành kim chỉ nan tổng quát về trường điện từ. Vào năm 1905, Albert Einstein đã sử dụng những định luật này để thiết kế xây dựng lý thuyết tương đối hẹp [ 5 ] .

Thế kỷ 20 cũng là thế kỷ mà từ học được phát triển mạnh mẽ từ việc tạo ra các vật liệu từ đa chức năng, xây dựng các lý thuyết vi mô về hiện tượng từ dựa trên các lý thuyết của cơ học lượng tử và vật lý chất rắn như lý thuyết vi từ học, lý thuyết về đômen từ, vách đômen, vật liệu sắt từ, tương tác trao đổi, phản sắt từ,… Đi kèm với nó là sự phát triển của nhiều kỹ thuật chụp ảnh cấu trúc từ và đo đạc các tính chất từ của vật liệu. Cuối thế kỷ 20, đầu thế kỷ 21, ngành mới spintronics ra đời dựa trên những thành tựu của từ học và điện tử học.

Xem thêm: Rối loạn ám ảnh nghi thức (OCD)

Đơn vị điện từ[sửa|sửa mã nguồn]

Các đơn vị chức năng chuẩn SI[sửa|sửa mã nguồn]

Các đơn vị chức năng khác[sửa|sửa mã nguồn]

Từ học và spintronics[sửa|sửa mã nguồn]

Những thành tựu về từ học cuối thế kỷ 20 [ 7 ], [ 8 ] đã dẫn đến việc hình thành một nghành mới gọi là spintronics [ 9 ], ngành nghiên cứu và điều tra tạo ra những linh phụ kiện điện tử mới khai thác cả thuộc tính spin cũng như điện tích của điện tử, sửa chữa thay thế những linh phụ kiện điện tử truyền thống lịch sử đã lỗi thời. Sự mê hoặc của spintronics cũng dấn đến việc thôi thúc việc điều tra và nghiên cứu về từ học để tìm hiểu và khám phá về thực chất từ tính, đồng thời điều tra và nghiên cứu tạo ra nhiều vật tư từ đặc biệt ứng dụng trong những linh phụ kiện từ tính .

Mục tiêu quan trọng của spintronics là hiểu về cơ chế tương tác giữa spin của các hạt và môi trường chất rắn, từ đó có thể điều khiển cả về mật độ cũng như sự chuyển vận (transportation) của dòng spin trong vật liệu. Những câu hỏi lớn được đặt ra cho ngành spintronics là:

Cách nào hiệu quả nhất để phân cực một hệ spin?
Một hệ spin có thể nhớ trạng thái định hướng trong bao lâu?
Làm thế nào để ghi nhận spin?

Spintronics hứa hẹn là một thế hệ linh phụ kiện mới trong thế kỷ 21 với tiềm năng tăng vận tốc giải quyết và xử lý, giảm nguồn năng lượng hao tốn và giá tiền mà từ học là một nền tảng của spintronics .

Xem bài chi tiết Spintronics