Kim la bàn chỉ về hướng bắc vì bản thân nó là một nam châm nhỏ, được treo để xoay tự do, và nó xoay cho thẳng hàng với từ trường của Trái Đất. Từ trường ấy sinh ra từ dòng sắt nóng chảy chuyển động sâu trong lõi hành tinh. Có một chi tiết ít người biết: cực bắc từ mà kim la bàn chỉ tới không trùng với Bắc Cực địa lý.
Chào bạn, đây là Nhà Vật Lý. Từ cục nam châm dán tủ lạnh đến kim la bàn của người đi biển, đều là cùng một lực vô hình. Tập này mình kể nam châm hút sắt bằng cách nào, Trái Đất làm sao trở thành một cục nam châm khổng lồ, và một lời cảnh báo cho các gia đình có con nhỏ.
Vì sao nam châm hút sắt mà không hút nhôm?
Mỗi electron trong nguyên tử tự nó giống một nam châm tí hon. Trong hầu hết vật chất, các nam châm tí hon này chĩa lung tung, triệt tiêu nhau, nên vật không có từ tính.
Ở sắt, niken, coban và một số hợp kim, các nguyên tử lân cận có xu hướng cùng chĩa về một hướng, tạo thành những vùng nhỏ có từ tính gọi là miền từ. Bình thường các miền từ quay mỗi miền một hướng nên cục sắt vẫn không hút gì. Khi đặt gần nam châm, các miền từ xoay theo, cục sắt tạm thời trở thành nam châm và bị hút.
Nam châm vĩnh cửu là vật liệu mà các miền từ đã được xếp thẳng hàng và giữ nguyên như vậy. Nung nóng quá mức hoặc đập mạnh nhiều lần có thể làm chúng xáo trộn lại và nam châm yếu đi.
Nhôm, đồng, inox loại thường dùng làm nồi, vàng bạc thì không có cấu trúc này nên nam châm không hút. Người ta hay dùng nam châm để thử xem đồ inox là loại nào, nhưng đó chỉ là cách thử thô, không xác định được chất lượng.
Hai cực, đường sức và chuyện cùng cực thì đẩy
Mỗi nam châm có hai cực, quen gọi là cực bắc và cực nam. Hai cực khác tên hút nhau, cùng tên đẩy nhau. Bạn bẻ đôi một thanh nam châm thì không được một cực bắc riêng và một cực nam riêng, mà được hai nam châm nhỏ, mỗi cái lại đủ hai cực.
Rắc mạt sắt lên tờ giấy đặt trên nam châm, bạn sẽ thấy chúng xếp thành những đường cong đi từ cực này sang cực kia. Các nhà vật lý gọi đó là đường sức từ, cách hình dung không gian quanh nam châm có từ trường.
Kim la bàn đặt trong từ trường sẽ xoay cho thẳng theo đường sức. Đầu kim được gọi là cực bắc vì nó chỉ về phía bắc địa lý.
Và đây là chỗ nghe hơi ngược: vì cực bắc của kim bị hút về phía bắc, nên ở gần Bắc Cực địa lý, Trái Đất thật ra có một cực từ mang tính chất của cực nam nam châm. Tên gọi chỉ là quy ước, đừng để nó làm rối.
Trái Đất trở thành nam châm khổng lồ bằng cách nào?
Sâu bên dưới lớp vỏ và lớp phủ, Trái Đất có lõi ngoài là sắt và niken nóng chảy, bao quanh một lõi trong rắn. Kim loại lỏng dẫn điện chuyển động đối lưu và bị cuốn xoáy do Trái Đất tự quay. Chuyển động của vật dẫn điện tạo ra dòng điện, dòng điện tạo ra từ trường, và từ trường lại ảnh hưởng tới dòng chảy.
Cơ chế tự duy trì đó được gọi là máy phát điện địa cầu. Các nhà khoa học đã mô phỏng được nó trên máy tính, nhưng nhiều chi tiết của nó vẫn đang được nghiên cứu.
Từ trường Trái Đất không cố định. Cực từ bắc dịch chuyển chậm qua từng năm, nên bản đồ hàng hải phải cập nhật độ lệch giữa bắc từ và bắc thật. Đá núi lửa khi nguội đi ghi lại hướng từ trường lúc đó, và từ những lớp đá ấy người ta biết rằng trong quá khứ địa chất, từ trường Trái Đất đã nhiều lần đảo chiều.
Từ trường còn che chắn Trái Đất khỏi phần lớn dòng hạt mang điện từ Mặt Trời. Ở gần hai cực, một phần hạt lọt xuống, va vào khí quyển và tạo ra cực quang, những dải sáng xanh tím trên bầu trời đêm.
La bàn: món quà của người xưa cho người đi đường
Người Trung Hoa cổ là những người đầu tiên được ghi nhận dùng đá nam châm tự nhiên để chỉ hướng, ban đầu nhiều khả năng cho việc xem hướng đất, sau mới dùng trong đi biển. La bàn từ đó lan sang các nền văn minh khác và trở thành công cụ không thể thiếu của các thuyền buôn.
Ngày nay điện thoại có cảm biến từ trường bên trong, chính là một la bàn điện tử. Ứng dụng bản đồ dùng nó để biết bạn đang quay mặt về hướng nào.
Cảm biến này dễ bị nhiễu bởi vật kim loại và nam châm gần đó, nên đôi khi ứng dụng bảo bạn xoay điện thoại theo hình số tám để hiệu chỉnh. Đứng cạnh ô tô hay trong toà nhà khung thép, la bàn có thể chỉ sai đáng kể.
Một số loài vật như chim di cư, rùa biển được cho là có khả năng cảm nhận từ trường để định hướng. Đây là lĩnh vực nghiên cứu sôi động, cơ chế chính xác ở từng loài vẫn còn đang được tìm hiểu.
Cảnh báo cho gia đình có trẻ nhỏ: nam châm nhỏ không phải đồ chơi để nuốt
Những viên bi nam châm nhỏ, mạnh trong đồ chơi xếp hình hay đồ trang trí rất hấp dẫn với trẻ. Nuốt một viên đôi khi đi qua đường tiêu hoá được, nhưng nuốt từ hai viên trở lên thì rất nguy hiểm.
Hai viên nam châm ở hai đoạn ruột khác nhau có thể hút nhau xuyên qua thành ruột, kẹp chặt thành ruột ở giữa. Chỗ bị kẹp thiếu máu nuôi, có thể hoại tử và thủng, cần phẫu thuật. Ban đầu trẻ có thể chỉ đau bụng nhẹ, rất dễ bị bỏ qua.
Nếu nghi trẻ nuốt nam châm, hãy đưa trẻ tới cơ sở y tế ngay và nói rõ với bác sĩ là nam châm, đừng chờ xem có tự ra không. Cất đồ chơi nam châm nhỏ xa tầm tay trẻ dưới tuổi đi học.
Câu hỏi để bạn nghĩ tiếp: nếu dòng kim loại chuyển động trong lõi Trái Đất tạo ra được từ trường, thì liệu ta có thể làm ngược lại, dùng nam châm chuyển động để tạo ra dòng điện thắp sáng cả thành phố không?
Câu hỏi thường gặp
Nam châm có làm hỏng điện thoại không?
Nam châm nhỏ thường không làm hỏng bộ nhớ điện thoại hiện đại, nhưng có thể làm nhiễu la bàn và một số cảm biến. Thẻ từ đời cũ và băng từ thì dễ bị nam châm mạnh xoá dữ liệu hơn.
Bắc từ lệch bắc thật nhiều không?
Độ lệch phụ thuộc vào nơi bạn đứng trên Trái Đất và thay đổi theo thời gian. Ở Việt Nam độ lệch khá nhỏ nên la bàn đủ dùng cho đi bộ đường dài, còn hàng hải và hàng không thì phải hiệu chỉnh chính xác.
Từ trường Trái Đất đảo chiều có nguy hiểm không?
Các lần đảo chiều diễn ra trong khoảng thời gian rất dài theo thang địa chất, và chưa có bằng chứng chắc chắn về thảm hoạ sinh học gắn với chúng. Không ai dự báo được lần đảo chiều tiếp theo sẽ xảy ra khi nào.
Có thể tự làm la bàn ở nhà không?
Có. Vuốt một cây kim khâu nhiều lần theo một chiều bằng nam châm, đặt kim lên một miếng xốp hay chiếc lá nhỏ thả nổi trên bát nước, kim sẽ từ từ xoay về hướng bắc nam.
Vì sao nam châm dán tủ lạnh hút mạnh ở một mặt?
Nhiều tấm nam châm dẻo dán tủ lạnh được từ hoá thành những dải cực xen kẽ ở cùng một mặt, nên lực hút tập trung ở mặt dán và gần như không có ở mặt kia.
