Chủ Đề Vật Liệu Từ Mềm.pdf

lOMoARcPSD|38544120 TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA SƯ PHẠM BỘ MÔN SƯ PHẠM VẬT LÝ CHỦ ĐỀ VẬT LIỆU TỪ MỀM TÊN HỌC PHẦN: ĐIỆN 2 MHP: SG248 Giảng viên hướng dẫn: Họ và tên sinh viên TS Đặng Minh Triết Phan Văn Thanh B2107357 Trần Phạm Anh Thư B2107361 Nguyễn Thị Hồng Thương B2107362 Châu Hoàng Duy B2107304 Tô Thị Huyền Trân B2107365 Nguyễn Phương Dung B2107303 Nguyễn Thị Bích Duyên B2100164 Cần Thơ, 2023 Downloaded by Uy vu Nguyen (tailieuso.11@gmail.com) lOMoARcPSD|38544120 MỤC LỤC A Mở đầu: 1 B Cơ sở lý thuyết 2 I Vật liệu từ: 2 II Sắt từ: 2 1 Định nghĩa: 2 2 Tính chất: 2 a Độ từ hóa: 2 b Độ từ thẩm 3 c Từ dư 3 (i) Sắt từ cứng: 4 (ii) Sắt từ mềm: 4 d Nhiệt độ Curie Tc 5 III Vật liệu từ mềm 5 3 Định nghĩa 5 4 Đặc điểm 5 5 Các vật liệu từ mềm 8 a Sắt tinh khiết kỹ thuật 8 (i) Ảnh hưởng của tạp chất 8 (ii) Ảnh hưởng của độ hạt 8 (iii) Già hóa do nhiệt độ 8 b Thép kỹ thuật điện 9 c Vật liệu có độ từ thẩm cao- Pecmaloi, hợp kim FeNi 11 (i) Pha tạp và pecmaloy 12 (ii) Nhược điểm: 13 d Điên môi từ .13 (i) Ưu điểm của điện môi từ: 13 (ii) Nhược điểm của điện môi từ: 14 (iii) Chế tạo điện môi từ 14 (iv) Yêu cầu đối với điện môi từ: 14 (v) Điện môi từ trên cơ sở hợp kim AlSiFe 14 (vi) Quy trình chế tạo 15 (vii) Điện môi từ trên cơ sở sắt cacbonin 15 i Downloaded by Uy vu Nguyen (tailieuso.11@gmail.com) lOMoARcPSD|38544120 e Ferit từ mềm 15 C Ứng dụng .18 IV Sensor từ 18 1 Khái niệm .18 2 Đường cong chuẩn của cảm biến 19 3 Giới thiệu cảm biến tiệm cận 21 a Cấu tạo nguyên lý hoạt động của cảm biến tiệm cận .21 b Nguyên lý hoạt động: 22 c Phân loại: 23 d Đặc tính kĩ thuật: 24 V Vật liệu từ trở (Giant Magnetoresistance) - HIỆU ỨNG ĐIỆN TỪ TRỞ 24 4 Điện từ trở dị hướng 24 5 Màng mỏng đa lớp 24 6 Hiệu ứng điện từ trở khổng lồ 25 7 Cơ chế vật lý của hiệu ứng GMR 26 a Mô hình dòng điện hai dòng của Mott 27 b Cấu trúc GMR 28 c Giải thích hiệu ứng GMR .29 d Bản chất vật lý của hiệu ứng GMR 30 D Tài liệu tham khảo: 32 ii Downloaded by Uy vu Nguyen (tailieuso.11@gmail.com) lOMoARcPSD|38544120 PHỤ LỤC BẢNG Bảng 1: Một số đặt trung của Fe và FeSi 11 Bảng 2: Bảng số liệu của một số loại pecmaloy có μ cao 13 iii Downloaded by Uy vu Nguyen (tailieuso.11@gmail.com) lOMoARcPSD|38544120 PHỤ LỤC HÌNH Hình 1: Đường cong từ hóa 3 Hình 2: Sự phụ thuộc của độ từ thẩm vào từ trường 3 Hình 3: Chu trình từ trễ 4 Hình 4: Đường trễ B(H) của vật liệu từ với các thông số vật liệu từ mềm cơ 6 Hình 5: Ảnh hưởng của nhiệt độ già hóa lên lực kháng từ của Fe pha tạp 9 Hình 6: Điện trở suất Fe khi tạp các nguyên tố 10 Hình 7: Sự phụ thuộc của hằng số dị hứng K1 vào nồng độ Ni trong pecmaloy 12 Hình 8: Ảnh hưởng của Cu trong đặt trưng của μ trong từ trường 12 Hình 9: Độ từ thẩm ban đầu phụ thuộc kích thước hạt của ferit MnZn 16 Hình 10: Độ từ thẩm ban đầu phụ thuộc vào nhiệt độ của manhetit 17 Hình 11: Đường cong chuẩn cảm biến 19 Hình 12: Cấu tạo của cảm biến tiệm cận 22 Hình 13: Cảm biến tiệm cận được sử dụng để nhận biết các vật kim loại ở gần 23 Hình 14: Một số mẫu thực tế cảm biến tiệm cận cảm ứng từ 23 Hình 15: Hình Mô phỏng màng mỏng đa lớp 25 Hình 16: Từ trở của siêu mạng ba lớp Fe/Cr ở nhiệt độ 4,2K Dòng điện và từ trường ngoài có phương dọc theo phương tinh thể trong mặt phẳng của các lớp 26 Hình 17: Mô hình hai kênh dẫn Theo Mott, độ dẫn điện của kim loại bằng tổng độ dẫn điện tương ứng với điện tử có spin up và spin down 27 Hình 18: Hình Cấu tạo từng phần của GMR 29 Hình 19: Mô hình hai dòng điện của Mott dùng để giải thích hiệu ứng GMR 30 iv Downloaded by Uy vu Nguyen (tailieuso.11@gmail.com) lOMoARcPSD|38544120 A Mở đầu: Vật liệu từ là loại vật liệu có chức năng quan trọng, được sử dụng rất rộng rãi Vật liệu từ là vật liệu cốt lõi trong hàng trăm triệu máy biến thế và động cơ điện đang hoạt động ngày đêm đảm bảo việc chuyển đổi năng lượng trên toàn cầu Trong mỗi căn hộ bình thường hay mỗi chiếc xe ô tô, xe máy thì ta có thể liệt kê ít nhất 150 linh kiện có từ tính Trong hơn 100 năm qua, vật liệu từ đã có những bước phát triển vượt bậc cả về chủng loại lẫn tính năng kỹ thuật Sự ra đời của thép kỹ thuật điện dị hướng (1933), ferit từ mềm (1940), sự suất hiện của vật liệu từ mềm vô định hình (1970) và nano tinh thể (1988) cho thấy được sự mở rộng của thành phần từ kim loại- hợp kim sang oxit, mở rộng cấu trúc từ trật từ tinh thể sang vô định hình Các vật liệu từ mềm bao gồm nhiều chủng loại với các ứng dụng khác nhau như: vật liệu dẫn từ, màng mỏng từ, hạt từ, vật liệu từ trở, quang từ, senor từ, Các vật liệu từ mềm rất đa dạng, khối lượng sử dụng lớn được sử dụng nhiều trong nhiều lĩnh vực khác nhau Các vật liệu từ mềm đống vai trò như một bộ khuếch đại cảm ứng từ Ta có thể thấy được cùng với sự phát triễn của kỹ thuật vật liệu thì vật liều từ nói chung và vật liệu từ mềm cũng phát triễn không kém 1 Downloaded by Uy vu Nguyen (tailieuso.11@gmail.com) lOMoARcPSD|38544120 B Cơ sở lý thuyết I Vật liệu từ: Vật liệu từ được định nghĩa là vật liệu khi đặt trong một từ trường thì nó bị nhiễm từ Có nhiều cách khác nhau để phân chia các vật liệu sắt từ, nhưng cách thông dụng nhất vẫn là phân chia theo khả năng từ hóa và khử từ của vật liệu Theo cách phân chia này sẽ có 2 nhóm vật liệu sắt từ chính: Vật liệu từ cứng: Là các vật liệu sắt từ khó từ hóa và khó khử từ thường dùng cho các ứng dụng lưu trữ từ trường như nam châm vĩnh cửu, vật liệu ghi từ… Các vật liệu từ cứng điển hình là Nd2Fe14B, Sm2Co5, FePt Vật liệu từ mềm: Là các vật liệu sắt từ dễ từ hóa và dễ bị khử từ, thường dùng cho các ứng dụng hoạt động trong từ trường ngoài như lõi biến thế, nam châm điện, lõi dẫn từ, cảm biến từ trường… Các vật liệu từ mềm điển hình là sắt silic (FeSi), hợp kim permalloy NiFe… Các tính chất đặc trưng cho vật liệu từ: - Từ trở và từ thẩm - Độ từ thẩm tương đối - Đường cong từ hóa II Sắt từ: 1 Định nghĩa: Chất sắt từ là vật liệu từ có từ tính rất mạnh Độ từ thẩm của sắt từ rất lớn, có thể tới hàng vạn và ở một vài chất sắt từ đặt biệt nó có thể tới cỡ một triệu Độ từ hóa của sắt từ có thể lớn hơn độ từ hóa của chất thuận từ và nghịch từ hàng trăm triệu lần Từ tính mạnh như vậy của chất sắt từ lần đầu tiên được phát hiện ở các quặng sắt và sắt, sau đó ở nhiều chất khác nên chúng được gọi chung là chất sắt từ Các nguyên tố hóa học có tính chất sắt từ là: sắt (Fe), cô ban (Co), niken (Ni), gađôlini (Gd), một số nguyên tố ở nhệt độ rất thấp, Các chất này là các chất vốn có mômen từ nguyên tử lớn (sắt là 2,2𝜇𝐵, Gd là 7 𝜇𝐵, ) và nhờ trao đổi tương tác giữa các mômen từ này mà chúng định hướng sông song với nhau theo từng vùng Mômen từ trong mỗi cừng đó gọi là độ tự phát – có nghĩa là các chất sắt có từ tính nội tại ngay khi không có từ trường ngoài Đây là các nguồn gốc cơ bản tạo nên các tính chất của chất sắt từ 2 Tính chất: a Độ từ hóa: Độ từ hóa J của chất sắt từ không biến thiên tỉ lệ thuận với cường độ từ trường H Đường cong biểu diễn sự phụ thuộc của J vào cường độ từ trường ngoài H được vẽ trên hình Giả sử khối sắt từ chưa bị từ hóa lần nào Khi chưa có từ trường ngoài (H = 0), từ độ J = 0 Khi có từ trường ngoài H , lúc đầu J tăng nhanh theo H, sau đó tăng chậm hơn; và khi H tăng tới một giá trị nào đó (khoảng vài trăm A/m), J đạt tới giá trị cực đại Jbh Nếu tiếp tục tăng H, J không tăng nữa Khi đó ta nói rằng sự từ hóa đã đạt tới trạng thái bão hòa Đường cong vẽ trên hình được gọi là đường cong từ hóa cơ bản 2 Downloaded by Uy vu Nguyen (tailieuso.11@gmail.com) lOMoARcPSD|38544120 Hình 1: Đường cong từ hóa b Độ từ thẩm Độ từ thẩm tỉ đối μ của chất sắt từ phụ thuộc vào cường độ từ trường H một cách phức tạp như chỉ rõ trên hình Ta thấy ban đầu khi cường độ từ trường ngoài H tăng, độ từ thẩm μ tăng nhanh theo H, sau đó khi H tăng tới một giá trị nào đó, độ từ thẩm μ đạt giá trị μmax Sau đó khi H tiếp tục tăng, μ sẽ giảm dần và khi từ trường ngoài đã khá mạnh, μ tiến dần tới bằng 1 Như vậy độ từ thẩm μ của chất sắt từ chỉ có giá trị lớn trong một khoảng biến thiên xác định của cường độ từ trường ngoài H; quá giới hạn này μ sẽ giảm nhanh khi H tăng Các số liệu thực nghiệm cho thấy rằng chỉ nên dùng vật liệu sắt từ làm lõi các nam châm điện tạo từ trường mạnh không quá một triệu A/m, Hình 2: Sự phụ thuộc của độ từ thẩm vào từ trường c Từ dư Nghĩa là khi ngắt từ trường ngoài (H = 0) thì chất sắt từ vẫn còn giữ được từ tính Ta khảo sát từ trường tổng hợp 𝐵⃗ trong lõi sắt từ đặt trong một Solenoid để nghiên cứu sự biến thiên của B theo từ trường từ hóa H (từ trường tạo bới Solenoid khi có dòng điện chạy qua) Giả sử lõi sắt chưa bị từ hóa lần nào Kết quả khảo sát được mô tả bằng đường cong trên hình Khi bắt đầu cho dòng điện chạy qua Solenoid và tăng dần cường độ dòng điện, cường độ từ trường từ tăng từ 0 đến H1, cảm ứng từ tổng hợp B trong lõi sắt tăng theo đường OA (đường từ hóa cơ bản) Tiếp đó giảm H (bằng cách giảm cường 3 Downloaded by Uy vu Nguyen (tailieuso.11@gmail.com) lOMoARcPSD|38544120 độ dòng điện qua Solenoid), B giảm đi theo đường cong ABd và khi H giảm tới 0 ta thấy từ trường trong lõi sắt vẫn còn giữ một giá trị Bd  0 nào đó; cảm ứng từ Bd gọi là cảm ứng từ dư Để khử hoàn toàn từ tính còn dư của lõi sắt từ (cho B giảm về 0), ta đổi chiều từ trường từ hóa (bằng cách đảo chiều dòng điện qua Solenoid) và tăng giá trị của nó tới Hkt, nghĩa là khi H = -Hkt thì B = 0 thì từ tính dư được khử hoàn toàn Vì vậy Hkt còn được gọi là cường độ từ trường khử từ Tiếp tục tăng cường độ từ trường H từ (- Hkt) đến (- H1) thì lõi sắt lại bị từ hóa theo chiều ngược lại (đường cong –HktA’ ) Tiếp tục cho H biến thiên từ (-H1) đến 0, rồi từ 0 đến H1, ta sẽ thu được đường cong A’ C’ A Toàn bộ đường cong khép kín ACA’ C’ A được gọi là chu trình từ trễ Hình 3: Chu trình từ trễ Hiện tượng từ trễ: Là một đặc trưng dễ thấy nhất ở chất sắt từ Khi từ hóa một khối chất sắt từ các mômen từ sẽ có xu hướng sắp xếp trật tự theo hướng từ trường ngoài do đó từ độ của mẫu tăng dần đến độ bão hòa khi từ trường đủ lớn (khi đó các mômen từ hoàn toàn song song với nhau) Khi ngắt từ trường hoặc khử từ theo chiều ngược, do sự liên kết giữa các mômen từ và các đômen từ, các mômen từ không lập tức bị quay trở lại trạng thái hỗn độn như các chất thuận từ mà còn giữ được từ độ ở giá trị khác không Có nghĩa là đường cong đảo từ sẽ không khớp với đường cong từ hóa ban đầu, và nếu ta từ hóa và khử từ theo một chu trình kín của từ trường ngoài, ta sẽ có một đường cong kín gọi là đường cong từ trễ Có nhiều cơ chế khác nhau để tạo ra hiện tượng trễ như cơ chế dịch chuyển vách, cơ chế quay mômen từ, cơ chế hãm sự phát triển của các mầm đảo từ… Căn cứ vào đặc điểm của chu trình từ trễ, người ta chia chất sắt từ thành 2 loại: sắt từ cứng và sắt từ mềm (i) Sắt từ cứng: Sắt từ cứng có từ trường khử Hkt lớn, chu trình từ trễ của loại này rộng Từ trường còn dư của chúng vừa mạnh lại vừa bền vững Manhêtit (FeO, Fe2O3), thép crôm (3% Cr, 1%C), thuộc loại này Chẳng hạn với Manhêtit Bkt  5.10-3 T; Bd  0,6 T Sắt từ cứng được dùng để luyện các nam châm vĩnh cửu (ii) Sắt từ mềm: Sắt từ mềm có từ trường khử từ Hkt nhỏ, chu trình từ trễ của loại này hẹp; từ trường còn dư rất mạnh, song dễ bị khử Sắt non, sắt Silic (1% Si), thuộc loại này Chẳng hạn với 4 Downloaded by Uy vu Nguyen (tailieuso.11@gmail.com) lOMoARcPSD|38544120 sắt non Bkt  0,5.10-4 T, Bd  0,84 T Sắt từ mềm được dùng để làm lõi các nam châm điện, máy điện, d Nhiệt độ Curie Tc Đối với chất sắt từ, độ từ hóa phụ thuộc vào nhiệt độ Khi nhiệt độ tăng khả năng từ hoá của vật sắt từ giảm Đến một giới hạn TQ gọi là nhiệt độ Curie các tính chất sắt từ của vật liệu bị biến mất Nhiệt độ Curie là nhiệt độ mà tại đó chất bị mất từ tính Ở dưới nhiệt độ Curie chất ở trạng thái sắt từ, ở trên nhiệt độ Curie chất sẽ mang tính chất của chất thuận từ Độ từ hóa của vật liệu sắt từ tuân theo công thức: 𝜒𝑚 = 𝑐 𝑇 − 𝑇𝑐 , 𝑐: ℎằ𝑛𝑔 𝑠ố Với Sắt Tc = 770℃; Côban Tc = 1270℃; Niken Tc = 357℃ Nếu làm lạnh khối sắt từ bị nung nóng xuống dưới nhiệt độ Curie của nó, thì các đặc tính của sắt từ lại xuất hiện như cũ III Vật liệu từ mềm 1 Định nghĩa Là các vật liệu sắt từ dễ từ hóa và dễ bị khử từ, thường dùng cho các ứng dụng hoạt động trong từ trường ngoài như lõi biến thế, nam châm điện, lõi dẫn từ, cảm biến từ trường… Các vật liệu từ mềm điển hình là sắt silic (FeSi), hợp kim permalloy NiFe… 2 Đặc điểm Thông số để nói lên tính chất từ mềm của vật liệu từ mềm -Lực kháng từ 𝐻𝑐 Lực kháng từ là lực từ trường ngoài ngược cần thiết để triệt tiêu từ độ của mẫu -Độ từ thẩm ban đầu: 𝜇𝑖 = lim 𝑑𝐵 𝐻→0 𝑑𝐻 Độ từ thẩm là đại lượng đặc trưng cho khả năng phản ứng của vật liệu từ dưới tác dụng của từ trường ngoài Ta biết quan hệ giữa cảm ứng từ B, từ trường ngoài H và độ từ hóa M theo công thức: 𝐵 = 𝜇0(𝑀 + 𝐻) Mà 𝑀 = 𝜒 𝐻 (với 𝜒 là độ cảm từ) ⇒ 𝐵 = 𝜇0(1 + 𝜒)𝐻 5 Downloaded by Uy vu Nguyen (tailieuso.11@gmail.com)