Duc The's homepage

07/05/2012

Sự nóng chảy treo

Hôm trước, một bạn đọc trên diễn đàn Vật lý Việt Nam có nhờ giải đáp một thắc mắc về hiện tượng một khối kim loại lơ lửng trong một vòng dây đồng, sau đó bị nóng chảy (đồng thời vẫn giữ trạng thái lơ lửng đó). Clip này được vnexpress.net đăng tải đã khiến nhiều người tò mò và hoài nghi về “hiện tượng lạ”. Thật tình cờ là cách đây hơn 6 năm, khi còn làm nghiên cứu tại Việt Nam, tôi thường xuyên tiếp xúc với “hiện tượng lạ” này khi chế tạo các vật liệu hợp kim bằng phương pháp nóng chảy bằng dòng cảm ứng. Có lẽ nên có đôi dòng giải thích vấn đề này bởi phân tích chi tiết cũng rất lý thú. Đầu tiên chúng ta nên nhìn lại một chút về clip này để hiểu rõ về “hiện tượng lạ” này:

Tại sao khối kim loại lại lơ lửng?

Đầu tiên, ta có một vòng dây đồng và một số khối kim loại nhỏ. Gắp khối kim loại đặt vào vòng dây, thật bất ngờ, nó lơ lửng nằm trong vòng dây đồng mà không cần bất kỳ một giá đỡ nào. Tại sao vậy? Đây cũng chính là nguyên lý mà nhà vật lý Andre Geim đã giành giải IgNobel  năm 2000 khi ông cho một con ếch nằm lơ lửng giữa 2 cực của một nam châm điện mạnh. Nguyên lý ở đây hoàn toàn rất đơn giản: các vật (có mômen từ) khi đặt vào từ trường mà có sự phân bố không đồng nhất trong không gian thì sẽ có một lực từ tác động lên mômen từ của chính nó. Khi phân bố từ trường hợp lý, nó sẽ tạo ra lực từ cân bằng với trọng lực và làm cho vật lơ lửng.

Hình 1. Con ếch lơ lửng, thực hiện bởi Andre Geim năm 2000 (ảnh từ wikipedia).

Trong trường hợp của chúng ta, cuộn dây đồng thực ra có một dòng điện chạy qua để tạo ra một từ trường. Nếu cuộn dây là đều tăm tắp thì từ trường sẽ phân bố đều trong ống dây và bạn sẽ không tạo ra lực từ tác dụng lên khối kim loại.

Toán học thêm một chút, lực từ sinh ra trong từ trường biến đổi trong không gian sẽ được cho bởi[1]:

F_m = -\frac{1}{2 \mu} \nabla (\mathbf{B}. \mathbf{B})+ \frac{1}{\mu} (B. \nabla) \mathbf{B}               (1)

Với \mathbf{B} là cảm ứng từ, \mu là độ từ thẩm của vật liệu. Nếu coi rằng lực từ chỉ đáng kể trong từ trường lớn thì công thức (1) có thể viết gọn lại thành:

F_m = -\frac{1}{2 \mu} \chi  \nabla . \mathbf{B}^2             (2)

Và điều kiện cân bằng lơ lửng trong từ trường được viết là[2]:

B(z)B’(z) = −μ0Dg/|χ|         (3)

Ở đây D là khối lượng riêng, χ là độ cảm từ của vật liệu, g là gia tốc trọng trường.

Tuy nhiên, bạn có thể để ý thấy cuộn dây được bố trí một cách đặc biệt. Bên dưới cùng thì cuộn nhỏ, sau đó đường kính vòng dây tăng dần. Ta có thể nhớ là từ trường sinh ra tỉ lệ nghịch với bình phương bán kính vòng dây, do đó vòng dây nhỏ bên dưới tạo ra một từ trường mạnh nhất và cứ thế giảm dần theo chiều tăng của bán kính. Cộng gộp lại ta sẽ có một vị trí mà từ trường tính theo phương thẳng đứng đạt cực đại (như hình vẽ dưới đây).

Hình 2. Sự phân bố các đừng sức từ trong cuộn dây cho nóng chảy treo khi nhìn cắt ngang (hình từ NASA Technical Memorandum, 1983).

Như vậy, muốn có sự lơ lửng thì phải có từ trường đủ lớn và có biến thiên trong không gian. Vị trí cực đại sẽ là vị trí mà vật thể lơ lửng. Điều kiện thứ hai là phải có mômen từ phụ đủ lớn để cảm ứng được lực từ này.  Dưới đây cũng là một ví dụ về phân bố từ trường trong một cuộn dây kiểu này được tính toán bởi nhóm nghiên cứu ở Cộng hòa Séc[3]. Tại sao lại là mômen từ phụ? Nếu là mômen từ nội tại (như ở trong vật sắt từ), thì mômen từ sẽ bị cảm ứng theo từ trường ngoài, và vật sẽ bị hút theo chiều từ trường và ta sẽ không còn thấy sự lơ lửng nữa. Thay vào đó, mômen từ phụ phải là có chiều đối nghịch với từ trường ngoài và tạo ra lực đẩy. Như ở trường hợp con ếch trong thí nghiệm của Andre Geim, thực ra con ếch là một vật thể hoàn toàn phi từ tính, nhưng nó chứa nhiều nước, tức là nó như là một vật nghịch từ. Khi có từ trường ngoài đặt vào, vật nghịch từ sẽ tạo ra một mômen từ phụ do sự chuyển động tuế sai của các mômen từ quỹ đạo bên trong vật. Mômen từ phụ này sinh ra theo xu hướng chống lại cái gì đã tạo ra nó (tức là từ trường ngoài) và lực đẩy xuất hiện.

Tính toán chi tiết phân bố các đường cảm ứng từ trong cuộn dây cho ứng dụng nóng chảy treo.

Hình 3. Tính toán chi tiết phân bố các đường cảm ứng từ trong cuộn dây cho ứng dụng nóng chảy treo (kết quả của M. Mach et al., 2005).

Trong trường hợp khối kim loại của chúng ta, nhờ có từ trường xoay chiều từ cuộn dây, sẽ có một dòng điện cảm ứng (dòng Eddy – hay dòng Foucault) sinh ra và chạy kín trong khối kim loại. Dòng điện này sinh ra theo quy tắc Lenz, sẽ phải có xu hướng chống lại sự biến thiên từ trường sinh ra nó và do đó mômen từ phụ (sinh ra từ dòng Eddy này) cũng sẽ được tạo ra theo quy tắc đó. Kết quả là ta có sự đẩy, và vật sẽ bị đẩy vào vị trí cân bằng ở vị trí có mật độ từ trường lớn nhất. Bạn có thể nhớ lại, một mômen (m) từ khi đặt trong một từ trường (B) biến thiên theo không gian (có gradient từ trường) thì tác dụng lên mômen từ này từ sinh ra sẽ tỉ lệ thuận với gradient của từ trường:

\mathbf{F} = \mathbf{\nabla} \left(\mathbf{m}\cdot\mathbf{B}\right)              (4)

Có nghĩa là nếu muốn có lực (gây chuyển động tịnh tiến) thì phải tồn tại thành phần gradient của từ trường. Nếu từ trường là đều, thì bạn sẽ chỉ quan sát được mômen từ này bị xoay đi theo chiều từ trường, lúc đó là do đóng góp của ngẫu lực từ (tạo ra sự quay):

\boldsymbol{\tau} = \mathbf{m} \times\mathbf{B}               (5)

Điều này cho phép bạn lý giải việc tại sao khối kim loại lại cứ bị rung lên bần bật khi đặt vào ống dây. Từ trường ống dây là từ trường xoay chiều, đổi chiều liên tục theo thời gian, do đó ngẫu lực gây quay đổi chiều liên tục, khiến cho vật thể cứ bị xoay lên xoay xuống liên tục. Một chú ý thêm: nếu bạn đưa vào đây một khối sắt từ, bạn sẽ có thêm lực hút tác dụng lên khối sắt từ.

Tại sao khối kim loại bị nóng chảy?

Khối kim loại sở dĩ bị nóng chảy là do dòng Foucault sinh ra (hay còn gọi là dòng Eddy). Thực chất, dòng điện chạy trong vòng dây đồng là một dòng điện xoay chiều có tần số cao. Từ trường này xuyên qua khối kim loại làm sinh ra những dòng điện khép kín chạy vòng tròn trong khối kim loại và làm cho khối kim loại bị nóng lên. Công suất của năng lượng tổn hao Eddy sẽ được tính bởi:

P = \frac{\pi^2 B_p^2 d^2 f^2 }{6k \rho D}                       (6)

Bp là cảm ứng từ cực đại, d là chiều dày khối kim loại, f là tần số từ trường, k là hệ số hình dạng, ρ là điện trở suất còn D là khối lượng riêng của khối kim loại. Như vậy, một dòng điện có tần số cao chạy trong cuộn dây đồng (để tạo ra từ trường có cùng tần số) sẽ dễ dàng tạo ra sự nóng chảy cảm ứng trong khối kim loại. Đây chính là nguyên lý chế tạo các hợp kim bằng phương pháp nóng chảy cảm ứng (induction melting) được ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật luyện kim.

Một câu chuyện hài hước mà tôi vẫn nhớ về thí nghiệm kiểu này xảy ra cách đây gần 10 năm. Chúng tôi thực hiện thí nghiệm tương tự và tôi nhanh khối kim loại trong nitơ lỏng để mong muốn theo quy tắc sốc nhiệt, khối hợp kim sẽ vỡ vụn thành bột mịn. Tôi là người điều khiển máy hợp kim, khi khối kim loại được bắn vào nồi nitơ lỏng, cả khối chất lỏng bùng lên dữ dội khiến chúng tôi vừa sợ hãi vừa hi vọng mình thành công. Sau đó khối chất lỏng im ắng và không ai thấy gì. Chúng tôi thậm chí còn cho răng hạt bột mịn lắm, khéo hòa cùng vào chất lỏng nitơ lỏng ấy chứ. Thế nhưng khi rót nitơ lỏng ra, không ai thu được chút bột nào. Thay vào đó, khối kim loại vừa vứt xuống thì dính chặt vào đáy nồi chứa nitơ lỏng…

Những lưu ý với các bạn trẻ khi có ý định thử thí nghiệm này:

-          Dòng điện cao tần trong cuộn dây đồng dễ dàng bị hở nếu ta chạm tay trực tiếp vào khi làm thí nghiệm. Cần hết sức lưu ý các biện pháp an toàn điện.

-          Khối kim loại nóng chảy có thể đạt nhiệt độ hàng ngàn độ (tùy thuộc vào từng chất) vì thế nên cẩn thận kẻo bị bỏng hoặc lóa mắt khi nó nóng chảy và phát sáng.

-          Không nên cố tạo thí nghiệm tại nhà nếu chưa tìm hiểu kỹ hết những điều liên quan vì rất nguy hiểm cho chính mình và những người xung quanh.

Tham khảo

The Rubric Theme. Create a free website or blog at WordPress.com.

Follow

Get every new post delivered to your Inbox.

Join 42 other followers