Embed Size (px)
Citation preview
1
1. Sự từ hóa và phân loại vật liệu từ
2. Tính chất từ nguyên tử
3. Nghịch từ và thuận từ
4. Sắt từ
CHƯƠNG 6 –VẬT LIỆU TỪ
2
Sự từ hóa
1. Sự từ hóa và phân loại vật liệu từ
Thanh sắt non bị hút bởi namchâm, sau đó trở thành một thanhnam châm ⇒ bị từ hóa!
0Br
Vật bị từ hóa trong từ trường ngoài
'Br
⇒ có từ trường riêng
'0 BBBrrr
+=Từ trường tổng hợp:
Mọi chất trong tự nhiên cũngđều chịu tác động của từ trường⇔ bị từ hóa, nhưng với mức độkhác nhau.
3
Đại lượng vật lý đặc trưng cho mức độ từ hóa của vật liệuđược xác định bằng số các moment từ trong 1 đơn vị thể tíchcủa khối vật liệu:
V
pM V
m
Δ=∑Δ
rr
M = χmH (với vật liệu nghịch từ và thuận từ)
χ : độ cảm từ (magnetic susceptibility)
χ và M thể hiện bản chất bên trong của vật liệu
Đơn vị của từ độ: A/m
Vector độ từ hóa (từ độ)
1. Sự từ hóa và phân loại vật liệu từ
4
1. Sự từ hóa và phân loại vật liệu từPhân loại vật liệu từ
Thuận từ
Ví dụ: Ma-nhê (magnesium - Mg), Mô-líp (molibdenum - Mo), li-ti(lithium - Li)
Nghịch từ
Ví dụ: Bismut, đồng (copper - Cu), bạc (silver - Ag), vàng (gold - Au)….
Vật liệu bị đẩy bởi trường ngoài
H (Oe)
M = χH
M (A/m)
χ > 0
'Br
(rất nhỏ) ngược chiều 0Br⇒ 0BB
rr<
'Br
(rất nhỏ) cùng chiều 0Br
⇒ 0BBrr
>
5
Ví dụ: Sắt (Iron - Fe), ni-ken (nickel - Ni), cô-ban (cobalt – Co), măng-gan (manganese – Mn), cáchợp kim của sắt, fer-rít….
Mức bão hòa
H (Oe)
M (A/m)
1. Sự từ hóa và phân loại vật liệu từ
Phân loại vật liệu từ
Sắt từ
'Br
(lớn) cùng chiều 0Br
⇒ 0BBrr
>>
6
2. Tính chất từ của nguyên tử
Tính chất từ của vật chất là do sự tồn tại của các moment từ (dipole) hình thành bởi các moment từ spin và moment từquỹ đạo của các electron bên trong các nguyên tử.
le- là thành phần cấu tạo của
nguyên tử, CĐ quanh hạt nhân.
Từ trường do dòng điện sinh ra,
Dòng điện là dòng chuyển dờicó hướng của electron (e-).
7
Moment từ quĩ đạo của electron
Dòng điện do CĐ của e-:r
evei..2
.πτ
==
Chu kỳ quay của e- trên quĩ đạo:νπτ r2
=
i
++
i
i i
Xét nguyên tử cô lập (Bngoài= 0) có e- CĐ trên quĩ đạo trònquanh hạt nhân với vận tốc vr
Moment (lưỡng cực) từ –Magnetic (dipole) moment
I
SIpm .=
STừ định nghĩa moment từ ⇒moment từ quĩ đạo của e-:
2..
.2. 2 rver
revSipmqđ === ππ
2. Tính chất từ của nguyên tử
8
Moment động lượng của electron
l
mqđpr
++
i
i
i
Moment động lượng đốivới gốc O của e- khi CĐ trênquĩ đạo với vector vận tốc cóchiều ngược với vector moment từ quĩ đạo, có giá trị:
l = mv.r = mω.r2
lr
v
2. Tính chất từ của nguyên tử
Tỉ số giữa moment từ vàmoment động lượng của e-gọilà tỉ số từ-cơ quĩ đạo:
me
lp
lp mqđmqđ
2. −=
−=r
r
9
Moment spin electron
e- vừa CĐ trên quĩ đạoquanh hạt nhân vừa tự xoayquanh chính mình ⇒ moment động lượng riêng - moment spin ⇒ moment từ spin riêng
)(sr)( mspr
l
mp
++
i
i
i
s
mspr
mspr
s
Tỉ số giữa moment từ spin và moment spin - tỉ số từ-cơspin của e-:
me
sp
sp msms −=
−=r
r
2. Tính chất từ của nguyên tử
10
Moment từ và moment động lượng nguyên tử
Moment động lượng nguyên tử:
( )∑ +=electronsôTông
slL rrr
Tỉ số giữa moment từ và moment động lượng nguyên tử:
constgme
Lpm =−=−
2~.
r
Lgpm Δ−Δ ~r
Moment từ nguyên tử:
( )∑ +=electronsôTông
msmqđm ppp rrr
2. Tính chất từ của nguyên tử
11
2. Tính chất từ của nguyên tửỨng dụng trong kỹ thuật chụp ảnh cộng hưởng từ (MR)
Cuộn dây tạosóng tần số vôtuyến (RF wave)
Cuộn gradient
Nam châmBộ xsr lý tạo ành
(Computer)
Bệnhnhân
Khay đẩy
Sử dụng từ trường mạnh đểsắp xếp các moment từ của cácnguyên tử H2 trong cơ thể, sauđó, sóng tần số vô tuyến biến đổisự sắp xếp này ⇒ tạo ra tín hiệuđiện được nhận biết bởi bộ xử lýthông tin (computer) dưới dạnghình ảnh của vùng được quét trêncơ thể.
Ứng dụng chụp ảnh các mô mềm:
Não Đầu gối Thận
12
ωL
ωL
lr
ldr
r’
r’
≡ moment động lượng quĩ đạo (ngược chiều ) ⇒ e- cóthêm CĐ tuế sai quanh phương của với vận tốc góc ⇒vẽ thành mặt nón tròn xoay với trục ≡ phương của vàchiều quay ngược chiều CĐ của e- và có thêm CĐ phụ vớiquỹ đạo tròn bán kính r’.
lr
mpr
0Br
0Br Lωr
CĐ của e- trên quĩ đạo quanh hạt nhângiống CĐ của con quay có trục đối xứng
Xét:Nguyên tử có 1 e-, CĐ trên quĩ đạo
quanh hạt nhân ⇒ có moment từ mpr i
-vr
mpr
+
0Br
α
Nguyên tử đặt trong từ trườngngoài , tạo với góc α0B
rmpr
Mr
Từ trường tác dụng moment lực lên :
0Bpm
rrr∧=M hay: M = pm.B0.sinα
mpr
Hiệu ứng nghịch từ
3. Nghịch từ và thuận từ
13
3. Nghịch từ và thuận từ
Áp dụng đ/l moment động lượng:
dtld Mrr
=
00 2B
meB
lp
dtd m
L ==θ
=ω
Vận tốc góc của e- trên quĩ đạo:l
dtBpl
dtBpl
ldd mm 00
sin..sin.
sin.=
αα
=α
=θ
r
Có
Hiệu ứng nghịch từ
i
-
0Br
vr
mpr
ωL
ωL
α
Mr
lr
ldr
+
dθ
r’
r’
Δi
CĐ phụ tạo ra dòng điện tròn phụ:m
.Beee.vΔi 02
L ππω
42L ===
Và moment từ phụ:4m
.Br'em
r'..BeΔi.S'Δp 0222
02
m ===ππ
4
14
Do r’ ≠ const, nên:m
Brepm 4.' 0
22
=Δ
Nguyên tử có Z e- với các quĩ đạobán kính ri:
∑=
=Δz
iim r
mBep
1
202
'4
.
mBrZepm 6
022
=Δ
0
22
6B
mrZepm
rr−=Δ
Trường hợp nguyên tử có đối xứng cầu:
Hay:
2. Nghịch từ và thuận từHiệu ứng nghịch từ
i
-
0Br
vr
mpr
ωL
ωL
α
Mr
lr
ldr
+
dθ
15
2. Nghịch từ và thuận từ
Nguyên nhân: Không tồn tại moment từ nguyên từ do đặcđiểm kết cặp của các điện tử.
Vật liệu nghịch từ trong từ trường ngoài
Xét khối vật liệu nghịch từ có mật độnguyên tử n0:
Vector từ độ luôn ngược chiềuvector cảm ứng từ và luôn có độ cảmtừ χ<0 ⇒ quá trình từ hóa với vật liệunghịch từ rất yếu.
0
220
0 6. B
mrZenpnM m
rrr−=Δ=
Mặt khác:
6mrZeμn 22
00−=⇒ χ
Từ độ:
BHMrr
0
mm μ
χχ ==
16
3. Nghịch từ và thuận từ
Trong khối vật liệu thuận từ có tồn tại moment từ nguyên từ(hoặc phân tử) nhưng xắp xếp hỗn loạn do chuyển động nhiệt ⇒moment từ tổng cộng bị triệt tiêu khi từ trường ngoài 00 =B
r
0
2m
mmB B3kTpcospp
0== α
Coi α là góc giữa 0và Bpm
rr⇒ hình chiếu trung bình của 0trên Bpm
rr
+ Quá trình từ hóa phụ thuộc nhiệt độ+ Không có từ dư
Kết luận:+ Độ cảm từ > 0 và nhỏ
Vật liệu thuận từ trong từ trường ngoài
moment từ sẽ sắp xếp theo phương của trường ngoài ⇒khối vật liệu bị từ hóa nhưng sẽ trở lại trạng thái cũ khi 00 =B
r:00 ≠Br
3kTμpn 0
2m0=χ⇒ Độ cảm từ:0
2m0
mB0 B3kT
pnp.nM0
rr==
17
Từ trường tổng hợp trong vật liệu nghịch từ và thuận từ3. Nghịch từ và thuận từ
Khi bị từ hóa, xuất hiện từ trường phụ B’ ⇒ 'Br
có mối liên hệ với Mr
Thể tích 1 đơn vị dài của khối vật liệuĐộ từ hóa của khối vật liệu =
Moment từ của toàn bộ khối vật liệu
Mỗi nguyên tử sinh ra một dòng điện i ⇒ cảm ứng từ phụ B’ do cácdòng điện này sinh ra trong lòng khối vật liệu : B’ = μ0.n0.i
Khối vật liệu có: + Tiết diện S, độ dài l ;+ Mật dòng điện tròn n0
Từ trường tổng hợp trong khối vật liệu: MBBBBrrrrr
000 ' μ+=+=
HBB 000 μμ=μ=rr
Đặt 1 + χm = μ ⇒
0
0
BM m
μχ
= 000 )1( BBBB mm
rrrrχ+=χ+=Với: nên:
inS.1i.SnM 0
0 == hay:⇒ MB 0' μ= MBrr
0' μ=Tức là:
18
4. Sắt từ
Vật liệu thể hiện tính chất từ mạnh nhất (lực từ hay các đápứng với từ trường) ⇒ được sử dụng để tạo ra nam châm vĩnhcửu hoặc các cấu trúc mạch dẫn từ.
Đặc điểm của vật liệu sắt từ
Từ thẩm phụ thuộc phi tuyến vào trường ngoài.
μ
H
μmax
Cảm ứng từ phụ thuộcphức tạp vào trường ngoài⇒ đường cong từ hóa.
B
H
Độ từ hóa tỉ lệ phi tuyếnvới trường ngoài.
Mức bão hòa
H (Oe)
M (A/m)
19
H ngoài tăng từ H = 0 cho đến khi B đạt giá trịbão hòa Bs tại Ha.
B
H0
BS
Ha
4. Sắt từ
Đường cong từ hóa của vật liệu sắt từ
Giảm H ngoài → 0 ⇒ Bcòn giá trị Br ≠ 0 ⇒ cảmứng từ dư.
B
H0
Br
BS
Ha
B
H0
Br
-Hc
BS
Ha
Đổi chiều H ngoài vàtiếp tục tăng từ H = 0 đếnkhi B = 0 ứng với giá trị H= Hc ⇒ cường độ trườngkhử từ - lực kháng từ.
20
4. Sắt từ
Đường cong từ hóa của vật liệu sắt từ
Tiếp tục tăng H đến khi Blại đạt giá trị bão hào -Bs vàkhi giảm → 0 ⇒ có giá trị -Brrồi lại tăng để có giá trị Hc vàBs ban đầu ⇒ khép kín mộtchu trình ⇒ đường cong từtrễ.
B
H0
Br
Hc-Hc
-Br
BS
-BS
Ha
Hd
μmax, Bs và Hc là các đặctrưng cơ bản của sắt từ.
Bs và Hc quyết định dạngđường cong từ trễ.
21
4. Sắt từĐường cong từ hóa của vật liệu sắt từ
Căn cứ đặc điểm đường cong từ trễ⇒ phân loại vật liệu sắt từ.
Sắt từ mềm: Chu trình trễhẹp (“gầy”), Br lớn, và Hcnhỏ ⇒ được sử dụng để làmmạch dẫn từ trong các bộbiến thế, máy phát điện…
Sắt từ cứng: Chu trìnhtrễ rộng (“béo”), Br bền, và Hc lớn ⇒ được sửdụng để làm nam châmvĩnh cửu.
Vật liệu Ferrite – hợpchất của Fe2O3 vớiMn, Ni (mềm) hoặcCo, BaCO3(cứng).
22
Kích thước 1 domain ~ 10-3-10-5 mm, chứa ~ 106-109 nguyên tử.
Trong cấu trúc vật liệu, các củamoment từ spin của từng nguyên tửsắp xếp song song với nhau trongtừng vùng nhỏ (domain), nhưngmoment từ tổng cộng của từngvùng nhỏ này có chiều khác nhautrong toàn bộ khối thể tích ⇒moment từ tổng cộng = 0.
moment từ spin
domain
domain
moment từ tổng cộng
4. Sắt từThuyết miền từ hóa tự nhiên(thuyết domain)
PIERRE-ERNEST WEISS ( 1865 - 1940 )
23
2 cơ chế:
Váchdomain
Moment từ tổng cộngcủa domain
Hr
Domain có moment từ≡ phương trường ngoài
chiếm ưu thế
Dịch vách domain
Quay moment từcủa domain theophương trường ngoài
4. Sắt từThuyết miền từ hóa tự nhiên(thuyết domain)
Biên giới giữa các vùng – vách domainVách
domain
24
4. Sắt từThuyết miền từ hóa tự nhiên (thuyết domain)
Định hướngtheo phươngtrường ngoài
Bão hòa
Domain
Dịch váchbất thuận
nghịchDịch vách
thuận nghịch
Điểm ghim giữ
25
4. Sắt từTính chất từ phụ thuộc nhiệt độ của sắt từ
T > Tc ⇒ sắt từ trở thành thuận từ khi đặt trong trườngngoài ⇒ mất các tính chất đặc trưng của sắt từ cũng như mộtsố tính chất vật lý khác (nhiệt dung, độ dẫn điện...).
T < Tc ⇒ các tính chất đặc trưng của sắt từ được khôi phục.
Vật liệu Nhiệt độ Curie (0C)
Sắt 770
Cô-ban 1127
Ni-ken 357
Gadolini 16
Tại nhiệt độ tới hạn Tc ⇒ tính chất từ dư của sắt từ biến mất⇒ nhiệt độ Curie.
cTT −χ
1~
26
4. Sắt từỨng dụng quá trình từ hóa và vậtliệu sắt từ trong kỹ thuật
Đầu từ
Hướng băng chạy
Từ hóa cảm ứng
Lớp vật liệu từphủ trên băng
Bộ khuếch đại tín hiệu
Kỹ thuật ghi âm trên băng từ Thẻ từ
27
4. Sắt từHiện tượng từ giảo (magnetostriction)
Hiện tượng vật liệu sắt từ bị biếndạng (dãn ra, co lại) trong quá trìnhtừ hóa.
Cũng có hiệu ứng nghịch: khi vật liệu bị biến dạng ⇒trạng thái từ hóa của vật liệu bị thay đổi.
Ứng dụng: làm máy phát siêu âm, tạo bộ rung, bộ lọc, thiết bị ổn định tần số,…
Đặc trưng bởi tỉ số thay đổi kíchthước tương đối (biến dạng) theophương của từ trường ⇒ tỉ lệ bìnhphương độ từ hóa:
65 1010 −− ÷~M~lΔl 2
lΔl
H
