Sách điện từ/Từ trường/Nam châm vĩnh cửu

Nam châm vĩnh cửu là một vật thể được làm từ một vật liệu được từ hóa và tạo ra từ trường ổn định của chính nó. Một ví dụ hàng ngày là một nam châm tủ lạnh được sử dụng để giữ ghi chú trên cửa tủ lạnh. Vật liệu có thể được từ hóa, mà còn là những vật được thu hút mạnh mẽ đối với một nam châm, được gọi là sắt từ (hoặc ferrimagnetic). Chúng bao gồm các nguyên tố sắt, niken và coban và hợp kim của chúng, một số hợp kim của kim loại đất hiếm và một số khoáng chất tự nhiên như lodestone. Mặc dù vật liệu sắt từ (và sắt từ) là những vật liệu duy nhất bị nam châm hút đủ mạnh để được coi là từ tính, nhưng tất cả các chất khác phản ứng yếu với từ trường, bởi một trong một số loại từ tính khác.

Vật liệu sắt từ có thể được chia thành các vật liệu "mềm" từ tính như sắt ủ, có thể được từ hóa nhưng không có xu hướng bị từ hóa, và các vật liệu "cứng" từ tính. Nam châm vĩnh cửu được chế tạo từ các vật liệu sắt từ "cứng" như alnico và ferrite được xử lý đặc biệt trong từ trường mạnh trong quá trình sản xuất để sắp xếp cấu trúc vi tinh thể bên trong của chúng, khiến chúng rất khó bị khử từ. Để khử từ một nam châm bão hòa, phải sử dụng một từ trường nhất định và ngưỡng này phụ thuộc vào lực kháng từ của vật liệu tương ứng. Vật liệu "cứng" có lực kháng từ cao, trong khi vật liệu "mềm" có lực kháng từ thấp. Sức mạnh tổng thể của một nam châm được đo bằng mômen từ của nó hoặc, thay vào đó, tổng từ thông mà nó tạo ra. Sức mạnh cục bộ của từ tính trong vật liệu được đo bằng từ hóa của nó.

Từ hóa

Từ hóa của vật liệu từ hóa là giá trị cục bộ của mô men từ của nó trên một đơn vị thể tích, thường được ký hiệu là M, với đơn vị A/m. Đó là một trường vectơ, thay vì chỉ là một vectơ (như mô men từ), bởi vì các khu vực khác nhau trong một nam châm có thể được từ hóa với các hướng và cường độ khác nhau (ví dụ, vì các miền, xem bên dưới). Một thanh nam châm tốt có thể có mô men từ có cường độ 0,1 A • m² và thể tích 1 cm ³ hoặc 1×10⁶ m³, và do đó cường độ từ hóa trung bình là 100.000 A/m. Sắt có thể có từ hóa khoảng một triệu ampe mỗi mét. Một giá trị lớn như vậy giải thích tại sao nam châm bằng sắt rất hiệu quả trong việc tạo ra từ trường.

Vật liệu từ tính

Thuật ngữ nam châm thường được dành riêng cho các đối tượng tạo ra từ trường liên tục của riêng chúng ngay cả khi không có từ trường ứng dụng. Chỉ một số lớp vật liệu nhất định có thể làm điều này. Tuy nhiên, hầu hết các vật liệu tạo ra một từ trường để đáp ứng với từ trường ứng dụng - một hiện tượng được gọi là từ tính. Có một số loại từ tính, và tất cả các vật liệu trưng bày ít nhất một trong số chúng.

Hành vi từ tính tổng thể của vật liệu có thể rất khác nhau, tùy thuộc vào cấu trúc của vật liệu, đặc biệt là cấu hình electron của nó. Một số dạng hành vi từ đã được quan sát thấy trong các vật liệu khác nhau, bao gồm:

• Sắt từ và ferrimagnetic là những vật liệu bình thường coi như có từ tính; chúng bị hút bởi một nam châm đủ mạnh với sự hấp dẫn thấy được. Những vật liệu này là những vật liệu duy nhất có thể giữ được từ hóa và trở thành nam châm; một ví dụ phổ biến là một nam châm tủ lạnh truyền thống. Vật liệu Ferrimagnetic, trong đó bao gồm ferrites và vật liệu từ tính lâu đời nhất magnetite và đá nam châm, cũng tương tự như nhưng yếu hơn ferromagnetics. Sự khác biệt giữa vật liệu sắt và sắt từ có liên quan đến cấu trúc kính hiển vi của chúng, như được giải thích trong Từ học.
• Các chất thuận từ, chẳng hạn như bạch kim, nhôm và oxy, bị thu hút với lực yếu khi đến gần hai cực của nam châm. Điểm thu hút này yếu hơn hàng trăm nghìn lần so với vật liệu sắt từ, do đó, nó chỉ có thể được phát hiện bằng cách sử dụng các dụng cụ nhạy cảm hoặc sử dụng nam châm cực mạnh. Nước từ có từ tính, mặc dù chúng được làm từ các hạt sắt từ nhỏ lơ lửng trong chất lỏng, đôi khi được coi là thuận từ vì chúng không thể bị nhiễm từ.
• Nghịch từ có nghĩa là bị đẩy lùi bởi cả hai cực. So với các chất thuận từ và sắt từ, các chất nghịch từ tính, như carbon, đồng, nước và nhựa, thậm chí còn bị đẩy mạnh hơn bởi nam châm. Độ thấm của vật liệu từ tính nhỏ hơn độ thấm của chân không. Tất cả các chất không sở hữu một trong các loại từ tính khác là từ tính; điều này bao gồm hầu hết các chất. Mặc dù lực tác dụng lên một vật thể từ tính từ một nam châm thông thường quá yếu để có thể cảm nhận được, bằng cách sử dụng nam châm siêu dẫn cực mạnh, các vật thể từ tính như mảnh chì và thậm chí cả các con chuột có thể được nâng lên trong không trung. Các chất siêu dẫn đẩy các từ trường từ bên trong của chúng và có tính từ tính mạnh.

Có nhiều loại từ tính khác nhau, chẳng hạn như kính xoay, siêu màng từ, siêu thuận từ, và siêu vật liệu.

Nam châm vĩnh cửu gồm hai phần là cuộn dây tạo từ trường và lõi dẫn (khuếch đại) từ. 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

Đặt lõi dẫn từ bên trong các vòng quấn của cuộn từ dẩn điện

Từ cảm của cuộn từ dẩn điện

$B=LI={\frac {N\mu }{l}}I$

Từ nhiểm của lõi dẫn từ

$H={\frac {B}{\mu }}$

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:

$B=\mu _{r}\mu _{0}H=\mu _{r}\mu _{0}{\frac {N}{L}}I$

Với

$\mu _{0},\mu$ 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