Bài giảng Vật liệu kỹ thuật điện: Chương 4 - Phạm Thành Chung

Bài giảng Vật liệu kỹ thuật điện: Chương 4 - Phạm Thành Chung được biên soạn nhằm giúp các em sinh viên trình bày được một số khái niệm cơ bản về vật liệu từ; Nắm được tính chất từ của nguyên tử; Phân loại được vật liệu từ; Tìm hiểu về hiệu ứng Kelvin (Hiệu ứng bề mặt). Mời các bạn cùng tham khảo bài giảng tại đây.

Chương Vật liệu từ Một số khái niệm 1.1 Các đơn vị • Khi vật liệu đặt từ trường ngồi, đáp ứng với từ trường cách sinh từ trường gọi độ từ hóa hay từ độ (magnetisation) M • Cường độ từ trường ngồi ký hiệu H • Cảm ứng từ B (magnetic induction) hay gọi mật độ từ thông (magnetic flux density) tổng thông lượng từ trường tạo từ trường ngồi H độ từ hóa M vật liệu (hệ đơn vị S.I- toàn TG) Với μ độ từ thẩm vật liệu μ0 độ từ thẩm chân không =4π.10-7 H.m-1 Trong hệ cgs (hay gọi hệ Gauss) người Mỹ sử dụng • Độ từ cảm χ (magnetic susceptibility) đo mức độ từ hóa vật liệu theo cường độ tác dụng từ trường ngoài: 69 Chương Vật liệu từ Một số khái niệm 1.1 Các đơn vị Quan hệ số đại lượng hệ SI hệ Gauss (cgs) 70 Chương Vật liệu từ Một số khái niệm 1.2 Khái niệm lực Lorentz 71 (gt từ trường đều) 72 Chương Vật liệu từ Một số khái niệm 1.2 Khái niệm lực Lorentz Đường sức từ trường đường cong mà tiếp tuyến điểm xác định hướng từ trường B điểm Đường sức từ trường số trường hợp thường gặp: a- nam châm sinh ra; b- ống dây sinh ra; c- lõi thép máy biến áp; d- dòng điện chạy dây dẫn thẳng; e- dòng điện chạy vòng dây 73 Chương Vật liệu từ Tính chất từ nguyên tử  Chuyển động điện tử xung quanh hạt nhân quanh trục nguyên nhân gây tính chất từ vật liệu  Nếu có mặt điện tích nguyên nhân gây điện trường chuyển động điện tích (hay nói cách khác dịng điện) nguyên nhân gây từ trường Trạng thái lượng chiếm giữ điện tử nguyên tử đặc trưng bốn số lượng tử: -Số lượng tử n với giá trị 1, 2, …xác định kích cỡ quỹ đạo (orbit) điện tử lượng - Số lượng tử orbital l (hay cịn gọi số lượng tử mơmen góc quỹ đạo) mơ tả mơmen góc chuyển động quỹ đạo - Số lượng tử từ m mô tả thành phần mơmen góc quỹ đạo l theo phương định, cịn gọi phương lượng tử hóa Đa số trường hợp phương lượng tử hóa chọn trùng với phương trường - Số lượng tử spin ms mô tả thành phần spin điện tử theo phương định, thông thường phương trường đặt vào 74 Chương Vật liệu từ Phân loại vật liệu từ Tổng mômen từ quỹ đạo mo mô men từ spin ms nguyên tử mơ men từ ngun tử mi mi=mo+ms Tùy theo trị số mô men từ nguyên tử mà người ta chia vật liệu từ thành loại khác nhau: Ferromagnetic: vật liệu sắt từ Antiferromagnetic: vật liệu phản sắt từ Paramagnetic: Vật liệu thuận từ Diamagnetic: Vật liệu nghịch từ 75 Chương Vật liệu từ Phân loại vật liệu từ 76 Chương Vật liệu từ 3.1 Vật liệu thuận từ (Paramagnetic) Thuận từ chất có từ tính yếu (trong ngành từ học xếp vào nhóm phi từ, có nghĩa chất khơng có từ tính) Tính chất thuận từ thể khả hưởng ứng thuận theo từ trường ngồi, có nghĩa chất có mơmen từ ngun tử (nhưng giá trị nhỏ), có tác dụng từ trường ngồi, mơmen từ bị quay theo từ trường ngoài, làm cho cảm ứng từ tổng cộng chất tăng lên Các lớp e không lấp đầy -> mô men từ quỹ đạo Σmo=0 Σmi≠0 Không tồn cặp e có spin trái dấu -> mơ men spin Σms≠0 Σmi = Σmo+ Σms ≠0 Ví dụ: Al, Mn… 77 Chương Vật liệu từ 3.2 Vật liệu nghịch từ (Diamagnetic) Các chất nghịch từ chất khơng có mơmen từ (tổng vecto từ quỹ đạo từ spin toàn điện tử khơng có từ trường ngồi) Khi đặt vào từ trường phân tử xuất dòng điện phụ tạo từ trường phụ ngược chiều từ trường theo xu hướng cảm ứng điện từ (hiệu ứng vật lý lượng tử) Đa số vật liệu nghịch từ nhỏ khó phá Các lớp e lấp đầy -> mô men từ quỹ đạo Σmo≠0 Ln tồn cặp e có spin trái dấu -> mô men spin Σms=0 Σmi = Σmo+ Σms ≠0 Ví dụ: Cu, Ag, Zn… Đẩy nam chậm lại gần 78 Chương Vật liệu từ 3.3 Vật liệu sắt từ (Ferromagnetic) Sắt từ vật liệu sử dụng sớm lịch sử loài người, với việc sử dụng đá nam châm làm la bàn làm vật dụng hút sắt thép (thực chất quặng Fe3O4) từ 2000 năm trước (mà xuất phát từ Trung Hoa Hy Lạp cổ đại) - Sắt từ chất có từ độ M mạnh, hay khả hưởng ứng mạnh (độ thẩm từ µ>>1 tác dụng từ trường H - Có khả lưu giữ từ tính s - Các chất sắt từ có hành vi gần giống với chất thuận từ đặc điểm hưởng ứng thuận theo từ trường ngồi - Một số e khơng ghép đơi nên nguyên tử chúng tồn mômen từ Khác với vật liệu thuận nghịch từ Trong VLST có tương tác mạnh mẽ mômen từ nguyên tử liền kề Sự tương tác lực qua lại e nguyên tử Độ lớn lực qua lại lớn tương đương với từ trường 1000 Tesla (gấp 100 triệu lần từ trường trái đất (có độ lớn cỡ 50μT)) 79 Chương Vật liệu từ 3.3 Vật liệu sắt từ (Ferromagnetic)  Ở nhiệt độ thấp tương tác mô men từ cạnh đủ lớn để vượt chuyển động nhiệt mô men từ, dẫn đến kết mô men từ không xếp cách hỗn loạn mà song song với nhau, hay ta nói vật liệu sắt từ có tượng từ hóa tự nhiên Do đơi từ độ vật liệu sắt từ lớn khơng có từ trường ngồi  Khi nhiệt độ tăng, chuyển động nhiệt tăng từ độ giảm dần không nhiệt độ TC Ở nhiệt độ lớn nhiệt độ Curie, vật liệu sắt từ trở thành vật liệu thuận từ Như hai đặc tính quan trọng vật liệu sắt từ tượng từ hóa tự nhiên nhiệt độ Curie Phân bố mơ men từ vùng từ hóa Phụ thuộc từ độ nghịch đảo độ từ cảm theo nhiệt độ vật liệu sắt từ Sự phụ thuộc độ từ thẩm vào nhiệt độ gọi định luật Curie (Curie law) biểu diễn phương trình: C số Curie cịn T nhiệt độ nhiệt độ chuyển pha TC (hay nhiệt độ Curie) 80 Chương Vật liệu từ A Hiện tượng từ hóa tự nhiên bão hịa từ Hiện tượng vật liệu tồn M lớn từ trường H =0 Độ lớn từ độ 0oK phụ thuộc vào mô men từ spin điện tử Hiện tượng bão hòa từ đặt vật liệu vào từ trường ngồi độ lớn mơ men từ vật liệu lớn nhất, dù từ trường đặt vào tăng không làm tăng thêm độ lớn mô men từ Phân bố mơ men từ vùng từ hóa đường cong từ hóa vật liệu sắt từ Sự khác hai tượng từ hóa tự nhiên bão hòa từ cấu trúc vùng từ hóa (magnetic domain) Theo lý thuyết cấu trúc vùng từ hóa, tương tác mơ men ngun tử liền kề khơng xảy tồn thể tích vật liệu mà xảy thể tích nhỏ cỡ từ 1÷100 μm (nhưng lớn nhiều khoảng cách nguyên tử), thể tích gọi vùng từ hóa Trong vùng chứa từ 1012 ÷ 1015 nguyên tử với mômen từ xếp song song với 81 Sự chuyển hướng 180o mô men từ vách ngăn Bloch hai vùng từ hóa tự nhiên Các vùng ngăn cách với đường biên (bounderies) gọi vách ngăn Bloch (Bloch wall) Vách ngăn Bloch vùng hẹp có chuyển hướng mô men từ nguyên tử từ ÷180o  Khi chưa bị nhiễm từ (hay chưa đặt từ trường ngồi), mơ men từ vùng phân bố theo hướng cách ngẫu nhiên, từ độ tổng cộng vật liệu không Khi đặt vật liệu từ trường, mô men từ miền định hướng lại theo chiều từ trường ngồi sinh từ trường lớn bên thân vật liệu Sự định hướng lại diễn theo hai cách: - Hoặc làm tăng thể tích vùng từ hóa có mơ men song song với từ trường ngồi - Hoặc làm xoay mơ men tất vùng theo hướng từ trường Hiện tượng bão hịa từ xảy mơ men từ tất miền định hướng song song với theo hướng từ trường 82 B Đường cong từ trễ vật liệu sắt từ Một đặc tính quan trọng vật liệu sắt khả giữ lại từ tính sau bỏ từ trường đặt vào, tượng từ trễ Đường cong từ trễ quan hệ cảm ứng từ B cường độ từ trường H H thay đổi •Đối với vật liệu chưa bị nhiễm từ, tăng dần từ trường đặt vào trị số cảm ứng từ tăng dần theo đường đứt nét đứt •Khi hầu hết mơ men từ vùng từ hóa định hướng song song với từ trường ngoài, dù từ trường ngồi có tiếp tục tăng trị số cảm ứng từ B tăng đạt tới giá trị Bs bão hịa tất mơ men từ song song với với từ trường (điểm a) •Sau ta giảm trị số từ trường ngồi H giá trị B không giảm mà giảm nhẹ so với Bs để đạt giá trị Br điểm b, gọi cảm ứng từ dư •Điểm b tương ứng với mức độ từ hóa cịn dư vật liệu sau loại bỏ từ trường ( thời điểm số vùng từ hóa cịn song song với từ trường số vùng khác trật tự song song có cịn từ trường ngồi) •Khi lực từ từ trường đổi hướng, giá trị cảm ứng từ giảm vị trí c ứng với trị số lực từ là–Hc hay gọi lực kháng từ Đó lực từ cần thiết để loại bỏ hồn tồn cảm ứng từ cịn dư vật liệu Tiếp tục giảm trị số từ trường ngồi, ta đạt tới trị số bão hịa –Bs điểm d, sau đổi dấu từ trường đường cong qua e, f trở a để kết thúc vòng từ trễ (hysteresis loop) 83 B Đường cong từ trễ vật liệu sắt từ Từ vòng từ trễ ta xác định đặc tính quan trọng vật liệu sắt từ, bao gồm:  Cảm ứng từ dư mật độ từ thơng cịn sót lại tương ứng với cảm ứng từ bão hịa vật liệu từ Hay nói cách khác khả giữ lại lượng từ trường sau đạt trị số cảm ứng từ bão hịa bỏ từ trường ngồi đặt vào  Từ tính dư hay từ thơng dư mật độ từ thơng cịn sót lại vật liệu sau bỏ từ trường Chú ý từ tính dư khác với cảm ứng từ dư chỗ từ trường bỏ cảm ứng từ chưa đạt tới trị số bão hịa Do đó, từ tính dư nhỏ cảm ứng từ dư vật liệu từ hóa tới trị số bão hịa  Lực kháng từ trị số từ trường ngược hướng đặt vào để đưa giá trị từ thông dư  Độ từ thẩm đặc trưng cho khả dễ hình thành từ thơng vật liệu  Từ trở khả chống lại hình thành từ thơng vật liệu, giống điện trở mạch điện 84 Chương Vật liệu từ C Phân loại vật liệu sắt từ Từ mềm (soft magnetic material) - Dễ dàng nhiễm từ khử từ - Lực kháng từ nhỏ 1000 A/m - Chúng sử dụng để tăng cường trung chuyển từ thơng sinh dịng điện - Ứng dụng nhiều vật liệu từ mềm lĩnh vực phát dẫn điện, vật liệu từ sử Từ cứng (hard magnetic material) dụng lõi từ máy biến áp động - Khó nhiễm từ khó khử từ Hc >10kA/m điện - Do loại vật liệu có vịng từ trễ nhỏ nên tổn - Có khả lưu lại từ tính sau bị nhiễm từ - Tổn hao vòng từ trễ lớn hao tiêu tán vòng từ trễ nhỏ - Ứng dụng loại vật liệu nam châm -Ứng dụng điện áp vĩnh cửu sử dụng rộng rãi động cơ, chiều kể đến nam máy phát điện, loa, thiết bị đo lường, châm điện dùng để nâng thiết bị ghi liệu từ… vật thể thép hay màng ngăn từ 85 Chương Vật liệu từ 3.4 Vật liệu phản sắt từ (Antiferromagnetic) Vật liệu phản sắt từ có cấu trúc gần giống vật liệu sắt từ, nhiên khơng có từ trường ngồi tương tác qua lại vùng từ hóa dẫn tới việc định hướng mô men từ ngược cho mô men tổng cộng vật liệu Ta tưởng tượng tinh thể vật liệu phản sắt từ có hai họ vùng từ hóa A B với mô men từ tương ứng mA mB song song ngược hướng với (có spin đối song song với nhau) Số lượng vùng A với số lượng vùng B, dẫn đến mA=mB từ độ tự phát Khi đặt từ trường vật liệu phản sắt từ cư xử giống vật liệu thuận từ Giống vật liệu sắt từ, vật liệu phản sắt từ trở thành vật liệu thuận từ nhiệt độ lớn nhiệt độ chuyển pha hay gọi nhiệt độ Néel TN (đặt theo tên nhà vật lý người Pháp Louis Néel) Ví dụ Cr có TN=310oK độ từ cảm Phân bố mô men từ vùng từ hóa đường cong từ hóa vật phản sắt từ 86 Vật liệu từ 3.5 Thép hợp kim vô định hình Đặc tính Kim loại vơ định hình hay thủy tinh kim loại hợp kim có cấu trúc vơ định hình Hầu hết kim loại có cấu trúc định hình, với ngun tử bố trí chặt chẽ Kim loại vơ định hình có cấu trúc vơ định hình giống chất lỏng thủy tinh Nhưng không giống thủy tinh thông thường không dẫn điện, kim loại vơ định hình có độ dẫn điện tốt Để tạo kim loại vơ định hình dùng phương pháp: công nghệ nguội nhanh, ngưng tụ vật lý, phản ứng trạng thái rắn, chiếu xạ ion hợp kim khí Loại vật liệu có độ chống chịu gấp lần đàn hồi gấp 10 lần thép cơng nghiệp Hơn chúng cịn có điểm nóng chảy thấp 87 Vật liệu từ 3.5 Thép hợp kim Vơ định hình dùng cho Máy biến phân phối Ưu điểm Hiệu suất lượng tiết kiệm lượng: MBA hiệu suât cao sử dụng thép hợp kim vơ định hình góp phần làm giảm tổn hao điện mạng lưới điện phân phối máy có tổn hao khơng tải nhỏ (tương đương với tổn hao chế độ không tải) vào khoảng 1/3 tổn hao không tải máy biến áp sử dụng thép điện cán lạnh có định hướng (cold rolled grain oriented – CRGO) Máy góp phần làm giảm khí thải CO2 q trình sản xuất điện máy sử dụng điện cách hiệu Kháng thời tiết có độ bền, v.v…: Tương đương với máy biến áp sử dụng thép điện có định hướng cán lạnh (cold rolled grain oriented – CRGO) Chi phí ban đầu máy biến áp sử dụng thép hợp kim vơ định hình cao so với máy biến áp thông thường sử dụng thép điện cán lạnh có định hướng, tổn hao điện thấp hơn, chi phí vận hành mặt chi phí vịng đời máy biến áp sử dụng thép hợp kim vơ định hình rẻ nửa 88 Vật liệu từ 3.5 Đặc tính hợp kim vơ định hình (khơng tinh thể) So sánh 89 Vật liệu từ 3.5 Đặc tính hợp kim vơ định hình (khơng tinh thể) So sánh Tổn hao khơng tải lõi thép hợp kim vơ định hình khoảng phần ba lõi thép điện cán lạnh có định hướng 90 Tổn hao từ Mọi thay đổi độ lớn cảm ứng từ B gây lòng vật liệu tổn hao mặt lượng Loại lượng thường thể dạng nhiệt gọi tổn hao từ a TỔN HAO TỪ TRỄ Tổn hao từ trễ sinh công lực hãm tác động lên vách ngăn Bloch mô men từ xoay theo chiều từ trường Tổn hao lớn mơ men từ khó định hướng từ trường (trường hợp vật liệu từ cứng) Tổn hao từ trễ tương đương với cơng cần thiết để dọc theo vịng từ trễ b DỊNG ĐIỆN VÀ TỔN HAO FOUCAULT Chính tổn hao hiệu ứng Joule, gây dòng điện sinh vật liệu từ thơng qua biến thiên Tổn hao lớn vật liệu có điện trở suất nhỏ vật liệu từ hợp kim, lớn vật liệu ferri từ Tổn hao PF gây dịng điện Foucault có mật độ iF (giá trị hiệu dụng) vật liệu từ có điện trở suất ρ thể tích V tính cơng thức Trong thực tế để giảm dòng Foucault mạch từ người ta chia nhỏ mạch từ thành phần tử cách điện với (ví dụ tơn gơng từ máy biến áp) c TỔN HAO TỪ DƯ Tổn hao chậm trễ cảm ứng từ B so với từ trường H (như đề cập đến phần nói vịng từ trễ) Khi từ trường H tăng đột ngột từ giá trị H1 lên giá trị H2, cảm ứng từ B tăng đột ngột từ B1 đến B1’ sau tăng đến giá trị B2 (ứng với H2) 91 Chương Vật liệu từ Hiệu ứng Kelvin (Hiệu ứng bề mặt) Khi có dịng điện thay đổi chạy vật dẫn, sinh từ trường biến thiên lịng vật dẫn (hiện tượng tự cảm) Từ trường có tác dụng “kéo” điện tích phía bề mặt vật dẫn, kết dòng điện chạy chủ yếu phía ngồi vật dẫn cịn phía lõi gần khơng có dịng điện Hiện tượng gọi hiệu ứng bề mặt Hiệu ứng bề mặt bật tần số dòng điện cao (tương đương với từ trường biến thiên mạnh), tương đương với việc điện trở vật dẫn lớn Hiện tượng bề mặt đặc trưng “độ dày bề mặt” δ (skin depth), nghĩa độ dầy phía bề mặt nơi tập chung chủ yếu dịng điện Thực tế độ dày bề mặt định nghĩa thông qua biểu thức tính mật độ dịng điện chạy vật dẫn theo độ sâu bề mặt x: Với JS mật độ dịng điện chạy phía mặt Như độ dày bề mặt δ độ sâu so với bề mặt mà kể từ mật độ dịng điện giảm theo hàm mũ Độ lớn δ phụ thuộc vào tần số dòng điện, điện trở suất độ từ thẩm vật dẫn theo công thức: 92 Chương Vật liệu từ Hiệu ứng Kelvin (Hiệu ứng bề mặt) Độ dày bề mặt tần số khác đồng Hiệu ứng mặt ngồi gây tổn hao vơ ích vật dẫn (do làm điện trở tăng cao), Để giảm bớt ảnh hưởng người ta dùng biện pháp chia nhỏ dây dẫn thành nhiều dây thành phần cách điện với cho bán bán kính dây thành phần gần độ dày bề mặt tốt Hoặc để tăng độ bền cho dây dẫn người ta làm dây dẫn từ hai loại vật liệu, vật liệu lõi cứng có điện trở suất cao cịn vật liệu bề mặt có điện trở suất thấp (ví dụ dây nhơm lõi thép) AC-70, AC-120, ACSR… 93 ... từ thành loại khác nhau: Ferromagnetic: vật liệu sắt từ Antiferromagnetic: vật liệu phản sắt từ Paramagnetic: Vật liệu thuận từ Diamagnetic: Vật liệu nghịch từ 75 Chương Vật liệu từ Phân loại vật. .. hình thành từ thơng vật liệu  Từ trở khả chống lại hình thành từ thơng vật liệu, giống điện trở mạch điện 84 Chương Vật liệu từ C Phân loại vật liệu sắt từ Từ mềm (soft magnetic material) - Dễ... đến mA=mB từ độ tự phát Khi đặt từ trường vật liệu phản sắt từ cư xử giống vật liệu thuận từ Giống vật liệu sắt từ, vật liệu phản sắt từ trở thành vật liệu thuận từ nhiệt độ lớn nhiệt độ chuyển