Chương 15: Vật liệu từ (Phần 3) pptx

Simpo Chương 15: V Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com PDF Merge and T LI U T 325 trưng tính ch t c a hai lo i v t li u ng ta thư ng dùng ng cong t tr (hình 15.25) V t li u t c ng có t dư Bd cao h u nguyên v n sau ng t t trư ng t hóa, mu n làm tri t tiêu ngư i ta ph i t hóa v t theo chi u ngư c l i v i m t t trư ng kh Hk l n, th m chí r t l n (t i hàng trăm kA/m) Do ó cịn g i v t li u nam châm vĩnh c u ng th i v t li u t c ng c c trưng b ng tích s lư ng c c i (BH)max cao (bi u th l c làm vi c c a nam châm), d hư ng t l n Trái l i t hóa v t li u t m m ch c n m t t trư ng nh sau ng t t trư ng t hóa t dư c a chúng h u bi n m t ho c ch r t nh , r t d dàng kh m t b ng m t trư ng kh t r t bé (c vài trăm A/m) Bù l i v t li u t m m có t th m ban u r t cao (có th t i vài trăm nghìn ơn v ) nên chúng c s d ng ph bi n làm lõi cu n dây c m ng Ngoài hai lo i v t li u nh ng tính ch t riêng bi t khác Dư i ây i m qua m t s v t li u t c ng, t m m thông d ng nh t v i c tính ph m vi ng d ng chúng - V t li u t c ng (nam châm vĩnh c u): B ng 15.4 nêu lên nh ng tính ch t t ch y u c a m t s lo i nam châm vĩnh c u ph bi n B ng 15.4: T tính c a vài lo i nam châm vĩnh c u quan tr ng nh t Br (BH)max V t li u Hk TC O [kA/m] [T] [kJ/m ] ( C) Ferit Ba, Sr d hư ng 300 - 400 0,38 - 0,42 24 - 34 450 10 - 20 0,75 - 1,0 3,3 - 8,2 770 Thép martensit AlNiCo d hư ng 50 - 130 0,8 - 1,35 29 - 43 850 1000 - 2400 0,85 - 1,01 140 - 200 720 SmCo5 d hư ng Sm2Co17 d hư ng 650 - 2100 0,98 - 1,08 170 - 240 800 NdFeB thiêu k t 800 - 3300 1,05 - 1,42 170 - 390 360 NdFeB nung sơ b 1040 - 1800 1,15 - 1,3 240 - 300 360 Nam châm d o ferit 180 - 210 0,08 - 1,15 - 15 450 N/C d o NdFeB 1000 - 1600 0,85 - 1,05 130 - 180 360 Ngồi cịn nhi u lo i nam châm v i tính ch t khác n a Tùy theo nhu c u s d ng mà ngư i ta ch t o lo i nam châm khác Nh ng lĩnh v c ng d ng ch y u c a nam châm làm loa i n, môtơ i n, thi t b o i n, … Trong vài năm g n ây ph m vi ng d ng nam châm vĩnh c u m r ng r t nhi u, c bi t ngành i n, i n t , giao thông v n t i, y sinh h c Các máy phát i n ch y b ng s c gió, s c nư c dùng ng nam châm vĩnh c u, góp ph n b sung ngu n lư ng thi u h t ngày t trái t, môtơ m t chi u cho xe p, xe máy, ôtô ch y i n gi m ô nhi m môi trư ng Các viên t ch a au u, au kh p, huy t áp cao… c s d ng ngày m t ph bi n c bi t h t b t t c nano mét ch t l ng t t i thu c t i ch a tr kh i u ang c quan tâm nghiên c u Chính nh ng 326 Giáo Trình V Lý Simpo PDF Merge and Split Unregisteredt Versioni -Cương – T p I: Cơ – Nhi t http://www.simpopdf.com i n ng d ng h t s c phong phú, a d ng mà s n lư ng nam châm không ng ng c phát tri n - V t li u t m m: c tính ch y u c a lo i v t li u có cư ng trư ng kh t r t nh , c m ng t dư l n, t th m ban u r t cao, có th lên t i hàng trăm ơn v , t n hao t tr th p, thích h p làm lõi cu n dây c m ng, lõi bi n th , lõi nam châm i n…Các v t li u ferit có i n tr su t l n (t i 106 cm) c s d ng r t hi u qu throng lĩnh v c cao t n Nhi u lo i v t li u có tính t gi o c s d ng làm thi t b siêu âm Các s n ph m u t , băng t , ĩa t dùng lĩnh v c nghe nhìn, ghi âm ghi hình, tin h c…chi m s n lư ng kh ng l v t li u t Các b linh ki n ghi nh áp d ng hi u ng t tr có giá tr lên n 40 t USD vào nh ng năm cu i th k 20 G n ây ngư i ta tìm v t li u có t tr kh ng l h a h n nh ng ng d ng r t hi u qu linh ki n t ng h p a l p, b c m bi n… Các v t li u t m m ch y u s t tinh t, s t k thu t i n, thép carbon, h p kim FeSi, FeNi, FeAl, FeCo, FeNiMo, FeBSi…, lo i ferit MnZn, NiZn, MnMg…Các tính ch t b n c a m t vài s v t li u c nêu b ng 15.5 B ng 15.5: Tính ch t t b n c a vài lo i v t li u t m m V t li u FeNi (V H) FeAl FeSiAl FeNi (lá) FeCoMoMn Ferit MnZn Ferit NiZnCo C m ng L c t bão kh t hòa JHC BS(T) (A/cm) t th m µmax 50 Hz T n hao P 20 kHz (W/kg) T gi o λ s 10 Nhi t Curie TC (OC) i n tr su t ρ ( cm) −6 24-29 0,02 ~300000 ~30 30 420 - 1,6 0,2 - 45-60 600 110 1,2 0,03 70008000 - - 500 90 0,8 0,04 - 400 - 0,8-0,95 0,01 ~5 0,3 350 - 0,42 0,1 ~0,25 - 150 0,32 1,2-12 - - 250 104106 ~30000 ~350000 ~300000 ~20000 ~800 103104 Simpo Chương 15: V Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com PDF Merge and T LI U T 327 §15.7 V T LI U SIÊU D N - Hi n tư ng siêu d n-Tính ch t c a v t li u siêu d n: Các v t li u mà vùng nhi t T < TC (nhi t t i h n Curie) ó, có i n tr g n b ng g i v t li u siêu d n Ngư i ta xác nh c r ng v t li u siêu d n có c m t χ = −1 nên siêu d n c x p vào v t li u ngh ch t lý tư ng Hi n tư ng siêu d n c Heike kamerlingh Onnes, nhà V t lý ngư i Hà lan phát hi n l n u tiên vào năm 1911 ông t m t th y ngân Hg vào heli l ng kho ng 4,2K th y i n tr c a Hg d t ng t gi m t i Onnes g i ó hi n tư ng siêu d n nhi t mà dư i x y hi n tư ng siêu d n nhi t t i h n Curie Khi T > TC v t tr l i d n i n bình thư ng Nh ng năm ti p theo Onnes nhi u nhà khoa h c nhi u nư c khác nh n th y c Pb, Sn, Tl, In, Ga, Nb…cũng có tính siêu d n Tr ng thái siêu d n i n tr c a v t b ng ã c th c nghi m xác nh n ngư i ta cho dòng i n ch y m t vòng xuy n siêu d n (ch ng h n Nb0,75Zr0,25) su t m t năm mà khơng b suy gi m v t li u siêu d n cịn hai c tính quan tr ng thú v n a là: tr ng thái siêu d n, t trư ng b y kh i ch t siêu d n (c m ng t lòng ch t siêu d n B = 0) Hi n tư ng g i hi u ng Meissner (do n Meissner Ochsenfeld phát hi n năm 1933, hình 15.26) Hình 15.26: Sơ d n ng s c t b d n i n bình thư ng minh h a hi u ng Meissner a/ tr ng thái siêu y kh i v t siêu d n (hình trịn) b/ tr ng thái Ngư i ta th y r ng có m t s ch t siêu d n có t trư ng H < HC (t trư ng gi i h n) siêu d n, cịn H > HC tr v tr ng thái d n i n bình thư ng, g i siêu d n lo i m t s ch t siêu d n khác có hai t trư ng gi i han HC1 HC2 mà H < HC1 chúng siêu d n, H C1 < H < HC2 ng s c t trư ng xuyên d n vào m u ch t siêu d n dư i d ng 328 Giáo Trình V Lý Simpo PDF Merge and Split Unregisteredt Versioni -Cương – T p I: Cơ – Nhi t http://www.simpopdf.com i n ng xoáy (hi u ng Meissner m t ph n), ch H > HC2 v t m i d n i n bình thư ng, g i ch t siêu d n lo i (hình 15.27) Hình 15.27: T tính c a siêu d n lo i 1(a, ch có m t giá tr gi i h n HC) siêu d n lo i (b, có hai gái tr gi i h n HC1 HC2, gi a chúng có siêu d n m t ph n) Tr ng thái siêu d n s bi n m t n u ưa vào dịng i n có m t JC l n, t c J > JC tính siêu d n c a v t khơng cịn t n t i, cho dù có T < TC Như v y gi i h n gi a tr ng thái siêu d n d n i n bình thư ng c a m t ch t ph i tuân theo c ba i u ki n t i h n v nhi t TC, t trư ng HC m t dịng JC (hình 15.28) G n m t th k ã trôi qua k t phát hi n hi n tư ng siêu d n, ngư i ta ã h t s c Hình 15.28: Gi n TC-HC-JC phân quan tâm tìm ki m v t li u siêu chia tr ng thái siêu d n d n d n m i tìm cách nâng cao nhi t i n bình thư ng t i h n c a chúng có th ng d ng m t cách hi u qu lo i v t li u vào th c t tính k thu t c bi t c a chúng n ã có nhi u lo i v t li u siêu d n c ch t o ngư i ta t c nhi t TC kho ng 160K B ng 15.6 li t kê ch t siêu d n có k l c v nhi t TC v i năm phát hi n chúng Các ch t siêu d n có TC > 30K g i siêu d n nhi t cao T b ng 15.6 có th th y siêu d n nhi t cao u v t li u g m thành ph n u có ơxit BaO CuO Như v y v i v t li u siêu d n nhi t cao có th áp d ng công ngh g m ch chúng t o tr ng thái siêu d n b ng cách ưa v t li u vào môi trư ng làm l nh b ng He ho c N l ng 329 Simpo Chương 15: V Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com PDF Merge and T LI U T Ph n l n kim lo i ơn ch t siêu d n lo i 1, có t trư ng gi i h n HC r t nh , ch c 0,1-0,2 T giá tr JC nh ~10A/cm2 Các siêu d n h p ch t c a Nb, Mg g m nh ng c ht siêu d n lo i 2, chúng có HC2 r t l n, t t i vài trăm Tesla JC c 104-107 A/cm2 B ng 15.6: Các ch t siêu d n v i nhi t t i h n TC năm phát hi n V t li u Hg Pb Nb NbN Nb3Sn Nb3(Ai0,5Ge0,5) Nb3Ga Nb3Ge BaxLa5-xCu5Oy TC (K) Năm 4,1 7,2 9,2 15,2 18,1 20,0 20,3 23,2 30-35 1911 1913 1930 1950 1954 1966 1971 1973 1986 V t li u TC (K) (La0,9Ba0,1)Cu4-x YBa2Cu3O7-x Bi2Sr2Ca2Cu3O10 Tl2Ba2Ca2Cu3O10 (CuO2)3Ca2Ba2O2Tl2O2 HgBa2Ca2Cu3O8+x HgBa2Ca2Cu3O8+5 Hg0,8Pb0,2Ba2Ca2Cu3Ox HgBa2Ca2Cu3O8+x Năm 52 95 110 125 131 133 155 133 164 1986 1987 1988 1988 1993 1993 199 1994 1994 Ngoài c i m siêu d n cịn nh ng tính ch t khác như: - Khơng có kim lo i ơn hóa tr (tr Cs áp su t cao) có tính siêu d n, - Khơng có kim lo i s t t có tính siêu d n, - Khơng có kim lo i t hi m (tr La) có tính siêu d n, - Nhi t dung c a siêu d n có ph n óng góp c a i n t dư i d ng hàm e mũ v i s mũ t l v i – 1/T: - − C = 7,46e γTC 1, 39 TC T (15.72) Nhi t t i h n c a ch t siêu d n bi n i theo kh i lư ng ng v Ch ng h n TC c a Hg bi n i t 4,185-4,146K kh i lư ng nguyên t trung bình M c a Hg bi n i t 199,5-203,4 ơn v nguyên t (hi u ng ng v ) K t qu th c nghi m cho th y: M α TC = const (15.73) - Dịng i n siêu d n có kh truy n qua m t l p ch t cách i n m ng (“hi u ng ng h m” B.Josephson) - Lý thuy t siêu d n: M t nh ng tr ng i l n h n ch s phát tri n c a ch t siêu d n cho n ngư i v n chưa tìm c ch xác gi i thích hi n tư ng siêu d n, chi c chìa khóa ch t o v t li u siêu d n, c bi t siêu d n nhi t cao Tuy nhiên ã có nhi u cơng trình nghiên c u lý thuy t v ch hi n tư ng siêu d n kh dĩ có th ch p nh n c, s trình b y dư i ây 330 Giáo Trình V Lý Simpo PDF Merge and Split Unregisteredt Versioni -Cương – T p I: Cơ – Nhi t http://www.simpopdf.com i n 2.1 Gi i thích v siêu d n nhi t th p: a Lý thuy t c p Cooper (BCS): Ba nhà V t lý ngư i M J.Bardeen, J.Schrieffer L.Cooper l n u tiên vào năm 1957 ã nêu lý thuy t c p i n t (c p Cooper) cho phép hi u c b n ch t vi mô c a hi n tư ng siêu d n Lý thuy t d a quan ni m v s hút gi a i n t nh tương tác v i phonon (dao ng m ng tinh th ) Gi a i n t t n t i l c y Couloumb, m c dù kho ng cách l n, tương tác b suy y u m t cách k hi u ng ch n b i i n t khác Trong v t d n, i n t t chuy n ng toàn m ng tinh th , tương tác v i ion dương nút m ng, “kéo” ion l ch kh i nút m ng, t o “ i n tích dương dư”trong v t chuy n ng c a Các “ i n tích dương dư’ n lư t có th hút i n t khác g n bên (hình 15.29) v y lúc v t d n có c p i n t tương tác thông qua dao ng m ng (v a hút v a y b c x h p th phonon), chuy n ng dư i tác d ng c a t trư ng ngoài, tham gia vào vi c d n i n (hình 15.30) Hình 15.30: C p i n t Cooper Hình 15.29: Các i n t chuy n tương tác thông qua phonon (tán x ng ng,hút theo ion dương ion dương), chuy n nút m ng, t o ” i n t dương dư” v t d n Theo thuy t lư ng t có th di n t hi n tư ng siêu d n sau: Khi nhi t h th p TTC c p ghép ôi b tách Như v y i u ki n thích h p xem siêu d n t n t i m t lo i h t m i có kh i lư ng i n tích g p ơi, spin b ng Chuy n ng c a h t m i h u không b tán x b i dao ng nhi t c a m ng tinh th nguyên t t p ch t, v y i n tr c a v t li u g n b ng D a vào thuy t BCS có th xác nh c lư ng tương tác gían ti p “electron-phonon-electron”, c trưng cho s t o c p Cooper chuy n d i c a i nt : Simpo Chương 15: V Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com PDF Merge and T LI U T r r M q hω(q ) ˆr Wq = r r r r ε k − ε k − q − h ω (q ) [( ) ( r ó M q bi u th cư ng r )] 331 (15.74) () r tương tác electron-phonon, ε k lư ng c a i nt tr ng thái k; hω(q ) lư ng c a phonon Năng lư ng tương tác c p v y có th thay i k s phân b lư ng c a i n t nhi t th p Tr ng thái kích thích u tiên c a i n t h cách tr ng thái th p nh t b i m t khe lư ng Eg ph thu c nhi t t trư ng Kho ng cách c a khe lư ng có th thay i c c trưng b i dài k t h p: ξ= 2hv F ≈ 10 − cm πE g N u ξ >> λ v t li u siêu d n lo i 1, v i λ (15.75) xuyên sâu N u ξ 0K ph i xét lư ng t F = U – TS cho hai tr ng thái Các lý thuy t nêu cho phép làm sáng t ch hi n tư ng siêu d n nhi t th p Tuy nhiên v i ch t siêu d n nhi t cao, ch y u h p kim h p ch t ôxit g m mà hi u ng ng v khơng có giá tr lý thuy t chưa có s c thuy t ph c D u v y Hình 15.32: nh hư ng c a t trư ng lên chuy n pha th c t siêu siêu d n: a/ Ch t siêu d n xa, Ha