Bài giảng Cơ sở vật lý chất rắn - Bài 8: Tính chất từ của chất rắn. Bài này cung cấp cho học viên những kiến thức về: tính chất từ của các nguyên tử; mô-men từ của nguyên tử; mô-men từ của chất rắn; chất rắn trong từ trường ngoài Bo - sự từ hóa; hiện tượng nghịch từ; hiện tượng thuận từ; hiện tượng sắt từ;... Mời các bạn cùng tham khảo!
Bài Tính chất từ nguyên tử v pm Mô-men từ quỹ đạo điện tử pm nguyên tử Mô-men từ spin điện tử nguyên tử Mô-men từ spin hạt nhân nguyên tử Mô-men từ tổng cộng nguyên tử PJ thành phần chiếu mô-men từ nguyên tử lên phương từ trường PJB Có ( 2J + ) cách xếp mô-men từ nguyên tử từ trường Magneton Bohr mB Thừa số Landé g Mô-men từ nguyên tử Ba nguồn cho mô-men từ nguyên tử độc lập: l spin electron l mô-men động lượng quỹ đạo electron quay quanh hạt nhân l Sự thay đổi mô-men quỹ đạo từ trường Các nguyên tử có lớp vỏ đầy electron mômen từ tổng cộng Các khí trơ He, Ne, Ar, … Các phân tử khí H2, N2, … Một số chất rắn liên kết ion NaCl, … Một số chất rắn đồng hóa trị C, Si, Ge, … I Mô-men từ chất rắn Xét chất tích V chứa N nguyên tử Khi chưa có từ trường ngoài, mô-men từ tổng cộng N r M = å Pmk k =1 Z r r Pm = å pmj j =1 mô-men từ nguyên tử có Z electron vaø r r p m = iS laø mô-men từ electron chuyển động quỹ đạo v pm II Chất rắn từ trường ng Bo Sự từ hóa Đặt chất rắn vào từ trường § Từ trường mô tả vec-tơ cảm ứng từ cường độ từ trường Trong chân không, hai vec-tơ có hệ thức r r Bo = mo H mo= 4p.10-7 T.m/A § Từ trường có tác dụng : * làm định hướng mô-men từ nguyên tử Pmk dọc theo phương từ trường * làm xuất mô-men từ cảm ứng ( mô-men từ nguyên tử từ trường ngoài) Mô-men từ tổng cộng tăng : Vật chất bị từ hóa có mômen từ M dọc theo phương từ trường Để đặc trưng cho trạng thái từ hóa vật chất từ trường ngoài, định nghóa vectơ độ từ hóa r r M Jm = V Do có từ hóa, bên chất rắn xuất từ trường nội Bi Từ trường nội xuất mô-men từ tổng cộng nguyên tử có Bo định hướng lại mômen từ nguyên tử Bo r r Bi = m o J m Khi từ trường tổng cộng vật liệu r r r B = Bo + Bi r r r r r B = Bo + m o J m = m o H + m o J m r r B = m o mr H r r r r r Jm m o m r H = m o H + m o J m = m o H (1 + r ) H r Jm mr = + r = + c H r Jm c= r H gọi độ cảm từ ( magnetic susceptibility ) mr c đại lượng thứ nguyên Phân biệt chất nghịch từ, thuận từ sắt từ theo dấu độ lớn c Dựa phạm vi chất tương tác electron chất rắn từ trường ngoài, người ta phân chất rắn thành lớp : Ba lớp - thuận từ, nghịch từ phản sắt từ - gần không chịu ảnh hưởng từ trường ngoài, có |c| >1 c < nhỏ : chất nghịch từ c > nhỏ : chất thuận từ c > lớn : chất sắt từ Chất nghịch từ » 10-5 ½cm ½>> »1 »1 ½mr ½>> Thuận từ Nghịch từ Siêu dẫn Giá trị điển hình mr Chất sắt từ » -10-5 Phản sắt từ Giá trị điển hình cm Chất thuận từ Độ cảm từ , c Sắt từ Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com Naêng lượng tương đối cao Đô-men Đô-men Vách đômen Vách đô-men Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com Hieän tượng từ giảo Hiện tượng từ giảo ( phát năm 1842 ) thay đổi hình dạng kích thước vật liệu sắt từ bị từ hóa Trong vật liệu sắt từ Fe, Ni, Co số hợp kim ferrite, độ từ giảo có giá trị đáng kể ( khoảng 10-6-10-2) Sự từ hóa kèm theo quay đô-men gây nên thay đổi kích thước chất sắt từ Hiện tượng từ giảo có nhiều ứng dụng kỹ thuật : Các biến đổi từ giảo, đường trễ , phát thu sóng siêu âm, lọc ổn định tần số, … Tiếng kêu biến hay chuột đèn ống Hiện tượng từ giaûo Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com Hệ số từ giảo L định nghóa phần độ dài thay đổi từ hóa tăng từ đến giá trị bão hòa Fe Fe Độ từ giảo bão Trục tinh hòa thể L (x 10-5) 100 +(1.1-2.0) 111 -(1.3-2.0) Fe Ni Ni Ña tinh theå 100 111 -.8 -(5.0-5.2) -2.7 0.002-0.003 Ni Co Đa tinh thể Đa tinh thể -(2.5-4.7) -(5.0-6.0) 0.07 Vật liệu Độ biến đổi suất Young DE/E Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com * c phụ thuộc nhiệt độ T Khi T > TC (nhiệt độ Curie) chất sắt từ chuyển thành thuận từ Khi T > TC : Định luật Curie - Weiss C c= T -q c= 1/c1/ c Định luật Curie C T -q 1/c1/c T q qp Định luật Curie - Weiss Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com 2) Lý thuyết tượng luận Năm1907, Weiss phát triển lý thuyết trường hiệu dụng ( trường phân tử ) * Trường phân tử Weiss HW = bJm Các mô-men từ (spins) chất sắt từ định hướng trường Weiss Khi đặt vào từ trường H : Hhd = H + b Jm Suy J m = ( H hd - H ) b Hw H * Tính Jm Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com + Aùp duïng kết tính toán Langevin cho chất thuận từ thay H Hhd : Pm mo H hd J m = nPm L ( ) = nPm L (a) kT Pm m o H hd a= kT Từ J m = ( H hd - H ) b Jm = L (a) nPm thay Hhd tính theo a Jm kT H = ( H hd - H ) = a nPm bnPm nbPm nbmo Pm2 Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com Jm kT H = a = L ( a ) nPm nbmo Pm2 nbPm Biểu diễn phụ thuộc Jm nPm theo a đường : đường cong L(a) đường thẳng Giao điểm hai đường cho phép xác định Jm ứng với giá trị từ trường H Giảm H từ giá trị Do hệ số góc đường thẳng không phụ thuộc H nên đường thẳng dịch chuyển song song với Hệ số góc đường tiếp tuyến với đường L(a) gốc tọa độ 1/3 Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com J /nP m m L(a) g a a -H/bnP m 10 12 J /nP m m L(a) g a a -H/bnP m 10 12 Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com + Trường hợp hệ số góc đường thẳng kT < nbm o Pm ( nhiệt độ thấp ), H = hai đường cắt điểm có Jm khác : chất sắt từ bị từ hóa ( có độ từ hóa tự phát ) + Trường hợp hệ số góc đường thẳng kT > nbmo Pm ( nhiệt độ cao ), H = hai đường cắt điểm có Jm = : vật liệu không bị từ hóa ( độ từ hóa tự phát ) Khi T < TC : sắt từ Khi T > TC : thuận từ nbmo Pm2 TC = 3k Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com TC = nbmo Pm 3k Saét (Fe) : Tc=1063 K Cobalt (Co) : Tc=1404 K Nickel (Ni) : Tc= 631K Với sắt (Fe) : Tc=1063 K (thực nghiệm), Pm=2,2mB (thực nghiệm), n = 8,54 x 1028 m-3 tính b = 3,9 x 108 vaø Hw=0,85 x 109 A/m (107 Oe) Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com * Tính c trạng thái thuận từ ( T > TC , a < ) a nmo Pm2 H hd nmo Pm2 H nmo Pm2 bJ m J m = nPm L (a ) » nPm = = + 3kT 3kT kT nmo Pm2 b nmo Pm2 H J m (1 )= 3kT 3kT nm o Pm2 H 3k Jm = = c H nm o bPm2 T3k Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com nm o Pm2 C k c= = nm o bPm T - q T3k Suy C= q= nmo Pm 3k nm o bPm 3k Lyù thuyết Weiss lý thuyết tượng luận từ học Nhưng không giải thích xuất trường Weiss lớn Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com 3) Quá trình từ hóa chất sắt từ Khử từ Từ dư Bão hòa Khử từ Bão hòa Từ dư Kháng từ Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com Dịch chuyển đô-men từ trường Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com Độ lớn từ trường ng Từ trường Trái đất 0,15 – 0,3 Oe Từ trường nam châm vónh cửu Từ trường nam châm điện Từ trường nam châm siệu dẫn ... hình cm Chất thuận từ Độ cảm từ , c Sắt từ Thuận từ Phản sắt từ Sắt từ Feri từ Tính chất từ nguyên tố Sắt từ : Fe , Co, Ni Thuận từ Nghịch từ Nguyên tử số Tính chất từ nguyên tố Tính chất từ nguyên... nhỏ : chất nghịch từ c > nhỏ : chất thuận từ c > lớn : chất sắt từ Chất nghịch từ » 1 0-5 ½cm ½>> »1 »1 ½mr ½>> Thuận từ Nghịch từ Siêu dẫn Giá trị điển hình mr Chất sắt từ » -1 0-5 Phản sắt từ Giá... mô-men từ cảm ứng ( mô-men từ nguyên tử từ trường ngoài) Mô-men từ tổng cộng tăng : Vật chất bị từ hóa có mômen từ M dọc theo phương từ trường Để đặc trưng cho trạng thái từ hóa vật chất từ trường