vật liệu từ

Đề cơng: Bài giảng T h c - Vật liệu từ và vật liệu từ nano tinh th Chú ý: Ngời học tham khảo tài liệu này sau khi đã nghe bài giảng và trao đổi với giáo viên trên lớp học. Giảng viên: Nguyễn Hoàng Nghị, GS Đối tợng nghiên cứu Vật chất quanh chúng ta luôn tơng tác với nhau: hút, đẩy nhau (tơng tác giữa các điện tích, giữa các thanh nam châm, tơng tác giữa các khối lợng), biến đổi lẫn nhau (các phản ứng hóa học, phản ứng giữa các hạt nhân tạo thành các hợp chất mới, các hạt nhân mới. Chuyển động của điện tích sinh ra từ trờng, biến thiên từ trơng sinh ra suất điện động ). Các tơng tác đó đợc thực hiện thông qua một đại lợng vật lý và gọi là trờng-một dạng tồn tại của vật chất : quanh một điện tích q tồn tại điện trờng E, quanh một dòng điện I, tồn tại một từ trờng H, quanh một khối lợng m, tồn tại trờng hấp dẫn G Các trờng có thể là vô hớng, có thể là trờng vecto, trờng tenxơ Các trờng thờng là hàm của tọa độ q và thời gian F(q,t). Nghiên cứu Từ học và vật liệu từ là nghiên cứu tơng tác giữa từ trờng và vật chất trên bình điện vĩ mô, nghiên cứu từ trờng tồn tại bên trong vật chất dới tác động của từ trờng ngoài hoặc từ trờng nội tại của vật chất do chuyển động vi mô của các điện tử (và cả hạt nhân) tạo ra. Nghiên cứu vật liệu từ là nghiên cứu các tính chất vĩ mô và cấu trúc vi mô của vật liệu từ, trên cơ sở những hiểu biết đó thiết kết các vật liệu có tính chất từ cao và khả năng ứng dụng của chúng. Chơng I: Các khái niệm về từ trờng: Sử đã ghi lại rằng, từ thế kỷ thứ 4 trớc Công nguyên, ngời Trung Hoa đã tìm thấy một khoáng chất hút đợc sắt và tự xoay hớng theo cực Tái đất, sau này ngời Anh gọi đó là đá loadstone có nghĩa là đá chỉ đờng, một loại nam châm tự nhiên. Ngày nay chúng ta biết khoáng chất đó là một dạng oxyt sắt, có công thức hóa học Fe 3 0 4 và có tên là magnetite. Đấy chính là vật liệu từ đầu tiên con ngời biết đến và sử dụng. Một việc có từ cổ xa, dễ nhận biết và khá đơn giản đó lại chứa đựng 3 vấn đề liên quan nhau: (1) Đá magnetite có tính chất từ, tức là một loại vật liệu từ, ngày nay chúng ta gọi loại vật liệu từ mà có khả năng luôn hút đợc sắt là nam châm vĩnh cửu. (2) Vì đá loadstone khá hiếm, có thể là vì viên đá magnetite ở vùng này thì hút đợc sắt, cũng loại đá đó ở vùng khác lại không hút sắt. Để đá magnetite trở thành nam châm, trớc hết cần phảI từ hóa nó tức là đặt nó trong một từ trờng đủ mạnh. Thủa xa xa, từ trờng để từ hóa đá magnetite chính là từ trờng tự nhiên tạo ra quanh các tia sét mà bản chất là dòng điện khổng lồ có trong tự nhiên. (3) Đến lợt mình, sau khi đợc từ hóa, đá Magnetite lại tao ra quanh nó một từ trờng để hút và từ hóa các thanh sắt khác. Nh vậy có sự liên quan chặt chẽ giữa Dòng điện (vĩ mô và vi mô)- Từ trờng-Vật liệu từ. Cuốn sách này đề cập tới các vấn đề nêu trên, song nội dung chủ yếu sẽ dành để giảI thích các hiện tợng và cơ chế từ học trong các loại vật liệu từ, tính chất từ và khả năng ứng dụng của chúng. T h c - Vật liệu từ và vật liệu từ nano tinh th H.1.1 Đá nam châm tự nhiên magnetite sau khi đợc từ hóa (bởi từ trờng H quanh dòng điện I của tia sét) trở thành một nam châm, có khả năng hút các ghim sắt và từ hóa chúng, biến chúng thành các nam châm. (Bảo tàng Smithsonian , Washington DC, Mỹ) Dòng điện (vĩ mô) Từ trờng Vật liệu từ Dòng điện (vi mô) H I Quan hệ giữa H và B nh sau: Giả sử bằng cách nào đó có một từ trờng. Trong môI trờng chân không: B=H (hệ Gauss) và B=410 -7 H=à 0 H (hệ SI), à 0 : là hằng số, có ý nghĩa là độ từ thẩm của chân không. Trong môI trờng vật chất: B= H+4 M (hệ Gauss) và B=à 0 H+ à 0 M. (J= à 0 M hoặc J= 4 M gọi là độ phân cực từ). Trong đó M: từ độ của riêng môI trờng vật chất. (Nhớ rằng từ độ M là tổng số momen từ-phần tử mang từ trong 1 đơn vị thể tích nh vậy M cũng là từ trờng, từ trờng của chính môI trờng vật chất đó tạo ra). Đối với Fe. Ni, Co (chất sắt từ), M rất lớn, vì vậy B và H khác nhau, còn đối với phần lớn các chất khác M nhỏ, vì vậy B~H ngay cả trong môI trờng khác chân không. Nh vậy có thể hiểu rằng từ trờng H và cảm ứng từ B của chân không là nh nhau, giá trị của chúng khác nhau bởi hệ số cố định à 0 = 410 -7 , . Với lập luận đó, Trờng H và trờng B đều là từ trờng. Từ trờng trong không gian (chân không): B =H (để đơn giản, sử dụng hệ Gauss). Đại lợng B có thể gọi là cảm ứng từ của chân không với nghĩa là môI trờng chân không cũng cảm nhận đợc từ trờng H, tuy nhiện trong hệ đo này thì cảm ứng từ trong chân không cũng chính bằng từ tr ờng mà chân không cảm ứng đợc B =H Từ trờng trong không gian chứa vật chất: B=H+4M. Đại lợng 4M gọi là từ độ của riêng vật chất đó. Nó vốn tồn tại sẵn trong vật chất, tuy nhiên từ trờng H là xúc tác , làm nó xuất hiện. Vì vậy J=4M còn gọi là độ phân cực từ với nghĩa là khi không có H, từ độ trung hòa nhau, khi H0, từ trờng H giúp phân cực chúng tạo ra M. (để đơn giản, sử dụng hệ Gauss) B=H+4M H H 1.2 Các định luật cơ bản về điện động lực học: Điện tích (tĩnh) sinh ra điện trờng, điện tích chuyển động sinh ra từ trờng, biến thiên điện trờng và biến thiên từ trờng sinh ra từ trờng và dòng điện. Các nhà khoa học lỗi lạc các thế kỷ trớc nh Gauss, Ampere, Maxwell, Faraday, Lorenyz đã quan sát các quá trình biến đổi nói trên và đa ra các định luật cơ bản về điện-từ, nhờ vào đó mà loài ngời đã biết làm ra các loại máy điện (máy phát, động cơ, máy biến thế, máy thông tin vô tuyến ). Nền tảng của các máy điện đó là mối quan hệ không tách rời đợc giữa điện tích-dòng điện-từ trờng-vật liệu từ tính. Nh vậy vật liệu từ là một mắt xích trong chuỗi vừa nêu. Vì vậy để nghiên cứu vật liệu từ, cần hiểu rõ các định luật điện động lực học: sự biến đổi qua lại giữa các hiện tợng điện-từ. a. Định luật Ampere (định luật tổng dòng điện): Định luật này cho biết quan hệ định lợng giữa dòng điện và từ trờng. Từ trờng B quanh một dòng điện I tỷ lệ thuận với dòng điện đó. Tổng các phần tử BdL theo vòng kín đó bằng tổng các dòng điện B.dL=I mà vòng kín đó bao quanh. Dạng tích phân của tổng đó bằng (hệ SI): Tích phân theo đờng kép kín quanh dòng điện bằng tổng các dòng điện đI quan mặt đợc bao bởi đờng kín đó. Maxwell bổ sung thêm một số hạng nữa vào phơng trình Ampere, số hạng này cho thấy từ trờng đợc sinh ra không những bởi dòng điện I mà còn do sự biến thiên điện trờng dE/dt. Địnhluật Ampere cho phép tính cờng độ từ trờng sinh ra do dòng điện với các hình dạng khác nhau. 0 L Bdl I à = ur r ẹ 0 2 1 L Bdl I Ed S c t à = + ur r ur ur ẹ H i=I L Hdl i= ẹ b. Định luật Biot-Savard: Định luật này cho biết qua hệ giữa phần tử từ trờng dB và phần tử dòng điện idl phụ thuộc vào chiều và vị trí không gian giữa chúng. Định luật này có thể áp dụng cho các hình dạng khác Nhau. Đối với dòng điện I chạy theo vòng tròng bán kính R, từ trờng B tại tâm vòng tròn có giá trị: Chiều của từ trờng B và dòng điện đợc xác định bằng quy tắc bàn tay phải: I B, H R idl 0 2 .1 4 R dL d B R à = uur ur 0 0 2 4 2 L I I B dL R R à à = = ẹ I B, H Các phơng trình Maxwell, các định luật Gauss, định luật Faraday và định luật Ampere: Các phơng trình và đinh luật nói trên cho biết quan hệ định lợng giữa điện tích q và điện trờng E, giữa suất điện động cảm ứng và biến thiên từ trờng d/dt và giữa từ trờng E và dòng điện I. c. Định luật Gauss về điện: Tổng thông lợng điện (điện thông) tính cho một mặt kín S bằng điện tích chứa trong thể tích tạo bởi mặt kín đó chia cho độ điện thẩm 0 . Nh vậy điện trờng E là do điện tích q tạo ra. d. Định luật Gauss về từ: Từ thông gửi qua một mặt kín bằng không (từ thông đI quan măt S đợc hiểu là tích =B.S). Theo ngôn ngữ toán học thì tích phân vectơ từ trờng B theo một mặt kín bằng không. Điều đó có nghĩa là: không tồn tại từ tích (hạt mang từ tính) và đờng sức của từ trờng B là đờng khép kín và liên tục: có bao nhiều đờng B vào thể tích V thì có bấy nhiêu đờng ra khỏi thể tích đó. 0 S q Ed S = ur ur ẹ 0 S Bd S = ur ur ẹ q S E S B e. Định luật Faraday: Sức điện động cảm ứng trong vòng dây tỷ lệ với biến thiên từ thông qua vòng dây đó, hoặc tích phân của vecto điện trờng theo một đờng khép kín bằng biến thiên từ thông qua vòng kín đó. Sự biến thiên từ thông đợc hiểu rộng là bất cứ sự thay đổi nào của môI trờng từ cũng sinh ra suất điện động trong mạch dây dẫn. Từ thông là tích của cảm ứng từ B (mật độ từ thông) với diện tích S: =B.S. Vậy d/dt=d(BS)/dt. Khi đó sự thay đổi diện tích S hay B đều sinh ra sức điện động cảm ứng. Chú ý là sức điện động cảm ứng trong một vòng dây dẫn liên quan tới sự thay đổi môI trờng từ qua vòng dây đó, điều đó khác với sức điện động do các điện tích tạo ra, sức điện động đó đợc hiểu nh là công để dịch chuyển điện tích thử từ điểm A đến điểm B trong điện trờng (cũng chính là hiệu điện thế giữa 2 điểm đó). L Edl t = ur r ẹ f. Định luật Lorentz về lực: 1. Một điện tích +q chuyển động với tốc độ v trong từ trờng B chịu một lực F tác động từ phí từ trờng B. lực F này vuông góc với cả v và B. Lực F đợc xác định bởi tích vecto và có giá trị bằng: F=q.v.B cos, trong đó là góc giữa phơng của V và B Phơng của lực F đợc xác định theo quy tắc bàn tay phải. Lực này làm cho điện tích chuyển động theo quĩ đạo tròn (a). 2. Lực tác động lên dây dẫn có chiều dài L với dòng điện I đợc xác định bởi công thức (b): Qui tắc bàn tay phảI cho biết chiều của lực F. Công thức này cũng có tên là công thức Ampere về lực. Nếu dòng điện là khung dây khép kín (c), để đơn giản cho hình chữ nhật, do chiều dòng điện đảo chiều ở mỗi nửa khng dây nên lực F cũng ngợc chiều nhau và tạo mômen xoắn làm quay vòng dây. Đấy là nguyên lý của một động cơ điện một chiều. Momen xoằn: M F =l.F.cos=l.L.I.B cos, l: là bề rộng của khung dây,L: chiều dài khung dây (Lực tác động lên dòng điện trên đoạn dây l không tạo ra momen xoắn). .F qv B= ur rur F I S N B I,+ S N B F . .F L I B= ur r ur S N F B + v + F B v a. Điện tích chuyển động trong từ tr\ờng b. Lực tác động lên dây dẫn điện trong từ tr\ờng c. Momen lực làm quay cuộn dây điện trong từ tr\ờng 3. Xuất điện động (emf) trong đoạn dây dài L chuyển động với tốc độ v trong từ trờng B (d): =vBL. Suất điện động này gọi suất điện động chuyển động vì đợc sinh ra trong dây dẫn L chuyển động trong từ trờng không đổi. Lực Lorentz tác động lên các điện tích trong dây là nguyên nhân phân cực điện. Dễ dàng chứng minh đợc rằng: =vBL=d/dt, tức là tơng tự định luật Faraday F S B + - v N d. Sức điện động của dây điện chuyển động trong từ tr\ờng [...]... chế từ hóa trong các vật liệu khác nhau là khác nhau và còn có hiện tượng từ hóa bão hòa (từ trường ngoài H không còn làm tăng độ từ hóa được nữa) và từ hóa tự phát (không cần từ trường ngoài) c Từ cảm của vật liệu: Khi nằm trong từ trường H, vật liệu bị từ hóa tức là bị phân cực từ, trong vật liệu xuất hiện từ độ M Như vậy từ trường ngoài H đã kích thích để vật liệu tự tạo ra từ độ M Về bản chất từ. .. triệt tiêu nhau Ta nói vật liệu chưa phân cực từ Khi H 0 , từ trường ngopài ép các momen song song nhau, tạo nên trật tự từ Kết quả là vật liệu được phân cực từ Độ phân cực từ được lượng hóa bằng từ độ M trong vật liệu Tổng momen từ có trong vật liệu là: à, khi đó từ được định ngjhĩa là số momen từ chứa trong một đơn vị thể tích vật liệu: M= à/V Từ độ M cũng chính là độ phân cực từ J, tuy nhiên tùy vào... cực từ Thuật ngữ từ độ có nghĩa là mức độ từ hóa, vì vậy người ta cũng gọi từ độ là độ từ hóa Trong tiếng Anh, người ta dùng từ magnetization, trong tiéng Nga- để chỉ từ độ hay độ từ hóa a H.1.1 b i c N S a-Một thanh sắt hay hợp kim của Fe (vật liệu từ điển hình) khi chưa phân cực từ b-Thanh sắt đó đặt trong từ trường của cuộn dây, bị từ hóa bởi từ trư ờng đó và trở nên phân cực từ (xuất hiện cực từ. .. nhậy cảm của vật thể đối với từ trường trong việc tạo ra từ độ trong vật đó Vật chất tương tác với từ trường rất khác nhau, từ cảm - thước đo độ nhậy cảm của vật chất đối với từ trường, vì vậy rất khác nhau (cả về giá trị lẫn dấu), chính về thế có thể phân loại vật chất theo tính chất từ bằng đại lượng 2.8 Dipole từ (lưỡng cực từ) : Dipole từ là hệ thống gồm 2 cực từ p (còn gọi là 2 từ tích) trái... khái niệm mômen từ và từ độ của vật liệu từ Đến đây chúng ta đã đưa ra khái niệm momen từ nguyên tử như là phần tử mang từ tính nhỏ nhất và nếu chúng đều song song nhau thì tổng của chúng sẽ tạo ra momen từ của khối vật liệu từ Nhưng để hiểu bản chất của momen từ nguyên tử chúng ta cần xem xét các chuyển động của điện tử trong nguyên tử 2.9 Momen từ của khung dây điện (kín): Một dipole từ (một thanh... tổng cực từ là 2p, vậy momen từ là Q=(2p)l, còn nếu ghép nối tiếp, tổng chiều dài là 2l, vậy momen từ là Q=p(2l) Như vậy momen từ tỷ lệ với thể tích của nam châm Để đặc trưng cho tính chất riêng của nam châm, người ta đưa ra khái niệm độ từ hóa hay từ độ của một vật liệu từ M Độ từ hóa M là số momen từ của một đơn vị thể tích, vậy có: M=Q/V=pl/V (V: thể tích của vật liệu từ) Vì V= s.l, nên M=p/s (s:... tương tác giữa hai điện tích ), cực từ p còn thể hiện một từ trường H do nó tạo ra trong không gian Như vậy cực từ p cũng có đầy đủ ý nghĩa như các đại lượng vật lý khác Với kháI niệm cực từ, ta có thể có một loạt các đại lượng khác quen thuộc hơn như lực tương tác giữa các cực từ, từ trường H do cực từ tạo ra, momen từ Chương 2 Khái niệm về vật liệu từ Mọi loại vật chất, dù là kim loại hay bán dẫn,... à=iS=9.27.10-24 Am2 Coi vật liệu từ có mật độ nguyên tử =N/V=1029/m3 Vậy từ độ M của vật liệu từ khoang: M=.iS= à= 1029 x 9.27.10-24 106 A/m Cam ứng từ B= à0M=4.10-7 x 106 1.2 T (Wb/m2) (à0=4.10-7 Wb/A.m , T=W/m2) Từ độ M và cảm ứng từ B ước lượng theo cách trên khi giả thiết rằng tất các các mome từ nguyên tử đều song song nhau Điều đó có thể xẩy ra khi trong chất sắt từ (hiện tượng từ hóa tự phát) hay... lượng cho thanh nam châm đó và từ độ hay độ từ hóa của vật liệu tạo ra thanh nam châm đó như là số lượng từ hoặc số momen từ có trong một đơn vị thể tích của thanh nam châm Mặt khác, một nam châm vi mô mà ta gọi là lưỡng cực từ hoặc dipole từ vi mô được hiểu là momen từ của nguyên tử phần tử mang từ nhỏ nhất và tổng các momen từ nguyên tử của thể tích V sẽ bằng momen từ Q của thể tích đó Như vậy ở... mang từ tính các momen từ, làm cho chúng song song nhau và bằng cách đó tạo ra từ độ M trong mẫu Tuy nhiên mức độ từ hóa không chỉ phụ thuộc từ trường ngoài H mà còn phụ thuộc vào tính Chất tư\j nhiên riêng của mỗi loại vật liệu Điều đó cho phép thiết lập quan hệ giữa M và H : M=H trong đó có tên là từ cảm hoặc độ cảm từ của vật chất Suy ra =M/H, vì vậy có thứ nguyên emu/cm3 Oe ý nghĩa vật lý của từ . tên là magnetite. Đấy chính là vật liệu từ đầu tiên con ngời biết đến và sử dụng. Một việc có từ cổ xa, dễ nhận biết và khá đơn giản đó lại chứa đựng 3 vấn đề liên quan nhau: (1) Đá magnetite. (2) Vì đá loadstone khá hiếm, có thể là vì viên đá magnetite ở vùng này thì hút đợc sắt, cũng loại đá đó ở vùng khác lại không hút sắt. Để đá magnetite trở thành nam châm, trớc hết cần phảI từ. trờng để từ hóa đá magnetite chính là từ trờng tự nhiên tạo ra quanh các tia sét mà bản chất là dòng điện khổng lồ có trong tự nhiên. (3) Đến lợt mình, sau khi đợc từ hóa, đá Magnetite lại tao