Nam châm không hút nhôm, đồng mà sao lại rơi chậm trong ống đồng

Nam châm không hút nhôm và đồng, nhưng thả một viên nam châm mạnh vào ống đồng thì nó rơi chậm như đang lội trong mật ong. Lý do là khi nam châm chuyển động, từ trường quanh thành ống thay đổi và sinh ra những dòng điện xoáy trong kim loại; chính các dòng điện này tạo ra từ trường chống lại chuyển động của nam châm (định luật Lenz). Nhôm, đồng không bị hút khi đứng yên, nhưng "phanh" được nam châm khi nó chuyển động.

Thí nghiệm khiến người ta tròn mắt

Lấy một đoạn ống đồng dài chừng nửa mét, loại ống dẫn ga trong máy điều hoà. Thả một viên bi sắt vào: nó rơi qua trong chớp mắt. Thả một viên nam châm đất hiếm cùng cỡ: bạn chờ, chờ, rồi vài giây sau nó mới lững thững rơi ra đầu dưới. Nhìn xuống lòng ống, bạn thấy nam châm trôi xuống chậm rãi, không chạm thành ống. Thử đưa nam châm lại gần thành ống ở ngoài: không có lực hút nào cả.

Cùng hiện tượng đó còn hiện ra ở nhiều chỗ. Đặt nam châm lên một chiếc khay nhôm nghiêng, nó trượt xuống chậm hơn hẳn trên khay nhựa cùng độ nghiêng. Đung đưa một tấm nhôm phẳng giữa hai cực của một nam châm mạnh, nó dừng lại như bị nhúng vào nước.

Vì sao sắt bị hút còn nhôm, đồng thì không

Mỗi nguyên tử giống như một nam châm tí hon, nhờ chuyển động và "spin" của electron. Ở hầu hết các chất, những nam châm tí hon này hướng lung tung hoặc triệt tiêu nhau, nên tổng thể vật gần như không có từ tính. Sắt, niken, coban thì khác: trong lòng chúng, hàng tỷ nguyên tử tự xếp thẳng hàng theo từng vùng gọi là miền từ. Khi có nam châm lại gần, các miền từ xoay theo, biến cục sắt thành nam châm tạm thời và bị hút mạnh. Đó gọi là chất sắt từ.

Nhôm là chất thuận từ: bị hút, nhưng yếu đến mức tay không cảm nhận được. Đồng là chất nghịch từ: bị đẩy rất nhẹ, cũng không cảm nhận được. Nước, gỗ, nhựa, cơ thể người cũng nghịch từ yếu.

Nhìn cột cuối: thứ quyết định "phanh" không phải từ tính của vật liệu, mà là nó dẫn điện tốt đến đâu. Đồng dẫn điện chỉ kém bạc, nhôm cũng thuộc nhóm dẫn điện tốt nhất trong các kim loại thông dụng, nên hai thứ này phanh mạnh nhất.

Dòng điện xoáy: kim loại "tự vệ" khi từ trường thay đổi

Năm 1831, Michael Faraday phát hiện ra rằng khi từ trường xuyên qua một vòng dây thay đổi, trong vòng dây xuất hiện dòng điện. Đây là cảm ứng điện từ, nền tảng của máy phát điện. Thành ống đồng không phải vòng dây, nhưng có thể coi nó là vô số vòng đồng xếp chồng lên nhau.

Khi nam châm rơi, nó đến gần những vòng phía dưới và rời xa những vòng phía trên. Từ trường đi qua các vòng ấy thay đổi, nên trong mỗi vòng xuất hiện một dòng điện chạy vòng quanh ống. Đó là dòng điện xoáy (còn gọi dòng Foucault).

Chiều của dòng điện ấy không ngẫu nhiên. Định luật Lenz nói: dòng điện cảm ứng luôn sinh ra từ trường chống lại sự thay đổi đã tạo ra nó. Vòng phía dưới, nơi nam châm đang lao tới, trở thành một nam châm đẩy ngược lên. Vòng phía trên, nơi nam châm đang rời đi, trở thành một nam châm kéo nó lại. Cả hai đều cản chuyển động rơi.

Nam châm rơi càng nhanh thì từ trường thay đổi càng nhanh, dòng điện xoáy càng mạnh, lực cản càng lớn. Chẳng mấy chốc lực cản bằng trọng lượng của nam châm, và nó rơi với tốc độ không đổi, gọi là tốc độ giới hạn, giống hạt mưa rơi trong không khí đạt tốc độ ổn định.

Năng lượng đi đâu

Nam châm rơi chậm nghĩa là thế năng của nó không biến thành động năng như bình thường. Phần năng lượng ấy biến thành nhiệt trong thành ống, do dòng điện xoáy chạy qua kim loại có điện trở. Với một viên nam châm nhỏ, lượng nhiệt quá ít để cảm nhận. Nhưng chính nguyên lý này, khi phóng to lên, là cách bếp từ đun nóng đáy nồi.

Dòng điện xoáy làm việc quanh ta

• Phanh điện từ: nhiều tàu lượn siêu tốc dùng những lá đồng hoặc nhôm gắn dưới toa, chạy qua giữa hàng nam châm ở cuối đường ray. Toa càng nhanh, phanh càng mạnh, và phanh không có má phanh để mòn. Một số tàu cao tốc và xe tải nặng cũng có phanh điện từ hỗ trợ.
• Công tơ điện kiểu cũ: chiếc đĩa nhôm quay quay trong công tơ cơ ở nhiều nhà trước đây được làm cho chạy đều nhờ một nam châm hãm, chính là phanh dòng điện xoáy.
• Tách lon nhôm khỏi rác: ở các nhà máy tái chế, rác chạy qua một trống nam châm quay nhanh. Dòng điện xoáy trong lon nhôm tạo lực đẩy, hất lon văng ra khỏi băng chuyền vào một máng riêng, trong khi nhựa, giấy rơi thẳng.
• Máy dò kim loại: ở cổng an ninh sân bay hay máy dò cầm tay, cuộn dây tạo từ trường biến đổi; kim loại đi qua sinh dòng điện xoáy, máy nhận ra sự thay đổi.

Hiểu lầm thường gặp

• "Ống đồng có nam châm bên trong." Không. Ống đồng hoàn toàn không có từ tính. Lực chỉ xuất hiện khi nam châm chuyển động.
• "Nam châm không hút thì là inox xịn, hút là inox giả." Từ tính của inox phụ thuộc vào cấu trúc tinh thể và thành phần, không phải "thật – giả". Nhóm 430 bị hút vẫn là thép không gỉ. Nhóm 304 sau khi bị dập, uốn nhiều cũng có thể hơi hút ở chỗ uốn. Muốn biết chính xác cần kiểm định thành phần.
• "Ống nhựa cũng làm nam châm rơi chậm." Không. Nhựa không dẫn điện, không có dòng điện xoáy. Thả cùng viên nam châm qua ống nhựa, nó rơi nhanh như hòn sỏi.
• "Nam châm mạnh làm vật nhôm thành có từ tính." Khi bỏ nam châm đi, nhôm trở lại y như cũ.

Tự quan sát / tự thử an toàn

Cần: một đoạn ống đồng dài 30–60 cm (thợ điều hoà, cửa hàng vật tư điện lạnh thường có đoạn thừa), một viên nam châm đất hiếm hình trụ có đường kính nhỏ hơn lòng ống một chút, một viên bi sắt hoặc ốc vít cùng cỡ, một đoạn ống nhựa cùng cỡ.

1. Dựng ống đồng thẳng đứng, thả viên bi sắt, đếm thời gian rơi. Sau đó thả nam châm, đếm lại.
2. Thả nam châm qua ống nhựa. So sánh ba thời gian.
3. Thả nam châm qua một vỏ lon nhôm đã cắt bỏ hai đầu (cẩn thận mép sắc, người lớn cắt). Phanh yếu hơn ống đồng vì thành lon mỏng và nhôm dẫn điện kém đồng.
4. Nếu có ống đồng thành dày và thành mỏng, so sánh: thành dày phanh mạnh hơn.

An toàn với nam châm đất hiếm: chúng hút nhau rất mạnh, có thể kẹp dập da tay và vỡ thành mảnh sắc. Để xa điện thoại, thẻ từ, máy tạo nhịp tim. Đặc biệt nguy hiểm với trẻ nhỏ: nuốt từ hai viên trở lên, chúng có thể hút nhau xuyên qua thành ruột và gây thủng ruột. Cất kín, đếm lại số viên sau khi thí nghiệm.