Bài giảng vật liệu từ

kĩ sư điện tìm vật liệu mới cho các thiết bị điện có thể hoạt động nhanh hơn và chịu nhiệt độ cao hơn,…Và vật liệu từ là một loại vật liệu công nghiệp quan trọng cần thiết cho nhiều dạng

1 LỜI NÓI ĐẦU

Vật liệu là các chất liệu để làm ra hoặc tạo ra một vật Từ khi nền văn minh loài người xuất hiện, con người sử dụng các vật liệu theo cùng với năng lượng để nâng cao cuộc sống của mình Vật liệu có ở khắp nơi bao quanh chúng

ta bởi các sản phẩm được làm từ các vật liệu Một vài vật liệu thông dụng như:

Gỗ xây dựng, bê tông, gạch, thép, chất dẻo, cao su, thuỷ tinh, nhôm, đồng, giấy Ngoài ra còn tồn tại nhiều loại vật liệu nữa chúng ta chỉ cần nhìn xung quanh là thấy Do vậy, các vật liệu mới được nghiên cứu và phát triển không ngừng Sản xuất và gia công thành những sản phẩm sử dụng là những thành phần không nhỏ của nền kinh tế hiện nay

Sự tìm kiếm vật liệu mới là không ngừng Thí dụ như kĩ sư cơ khí tìm vật liệu chịu nhiệt cao cho động cơ vòi phun có thể hoạt động hiệu quả hơn kĩ sư điện tìm vật liệu mới cho các thiết bị điện có thể hoạt động nhanh hơn và chịu nhiệt độ cao hơn,…Và vật liệu từ là một loại vật liệu công nghiệp quan trọng cần thiết cho nhiều dạng thiết kế kĩ thuật, đặc biệt trong kĩ thuật kĩ thuật điện (tạo điện năng, chuyển tải điện, điều khiển tự động,…), công nghiệp thông tin liên lạc, công nghiệp chế tạo ôtô, tàu thủy,… Vật liệu từ đã được phát hiện cách đây hàng nghìn năm Với những tính chất lý thú và kỳ lạ của nó.Cho đến nay, vật liệu từ vẫn là đối tượng được con người quan tâm tìm hiểu, nghiên cứu và đưa vào ứng dụng…

Bài thuyết minh này ngắn và xúc tích, sẽ giúp cho chúng ta hiểu rõ phần nào về khái niệm vật liệu từ, cũng như tính chất và ứng dụng của nó trong cuộc sống

2 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

2.1 Lịch sử của từ học

1600 Dr, William Gilbert - những thí nghiệm đầu tiên về từ học:” De Magnete”

1819 Oerstead - sự gắn liền giữa từ học và điện học

1825 Sturgeon đã phát minh ra nam châm điện

1880 Warburg đã vẽ ra chu trình trễ đầu tiên của sắt

1895 Định luật Curie đã được đề xuất

1905 Langevin lần đầu tiên đã giải thích tính chất của nghịch từ và thuận từ

1906 Weiss đã đưa ra lý thuyết sắt từ

Những năm 1920 Vật lý của từ học đã được phát trỉển với các lý thuyết liên quan đến spin electron và tương tác trao đổi; những sự bắt đầu của cơ học lượng tử

2 2 Nguồn gốc của từ tính.

Hầu hết mọi người đều biết vật liệu từ là gì, nhưng rất ít người biết một nam châm họat động như thế nào? Để hiểu được điều này thì trước hết chúng ta hãy tìm hiểu mối tương quan giữa hiện tượng từ và hiện tượng điện

Một nam châm điện đơn giản có thể tạo ra bằng cách cuộn dây đồng thành cuộn và nối cuộn dây với một accu Một từ trường được tạo ra bên trong cuộn dây, nhưng nó chỉ tồn tại khi dòng điện vẫn còn chạy qua cuộn dây

Một thanh nam châm thông thường không có một mối liên hệ rõ ràng với dòng đĩện thì nó sẽ làm việc như thế naò? Trường được tạo ra bởi nam châm được liên hệ với sự chuyển động và các tương tác của các electron, các hạt tích điện âm, chuyển động theo quỹ đạo hạt nhân của mỗi nguyên tử

Trong các vật liệu từ nào đó, các mômen từ với một tỷ lệ lớn của các electron đã được sắp xếp, khi tạo ra một từ trường đồng nhất Trường được tạo

ra trong vật liệu (hoặc bằng một nam chân điện) có một hướng chảy và nam châm bất kỳ nào đều thể hiện một lực để cố gắng sắp xếp nó theo từ trường ngoài, giống như cái kim la bàn Các lực này được sử dụng để điều khiển môtơ điện, tạo âm thanh trong một hệ loa, kiểm sóat cuộn tiếng trong CD player, v.v Các tương tác giữa từ và điện, vì vậy là một khía cạnh thiết yếu của nhiều

2.3 Phân loại các vật liệu từ

a Chất nghịch từ:

Hình 1: Mô hình chất nghịch từ.

Trong một vật liệu nghịch từ, các nguyên tử không có mômen từ riêng khi không có từ trường ngoài đặt vào Dưới ảnh hưởng của một từ trường ngoài (H) các electron đang quay sẽ tiến động và chuyển động này là một loại dòng điện, tạo ra một độ từ hóa (M) trong hướng đối diện với phương của từ trường ngoài Tất cả vật liệu đều có hiệu ứng nghịch từ, song thường trong trường hợp mà hiệu ứng nghịch từ bị bao phủ bởi hiệu ứng thuận từ hay sắt từ lớn hơn Giá trị của độ cảm từ là độc lập với nhiệt độ

b Chất thuận từ:

Hình 2: Mô hình chất thuận từ.

Có vài lý thuyết về chất thuận từ, phù hợp cho các loại riêng của vật liệu

Mô hình Langevin đúng cho các vật liệu với các electron định xứ không tương tác với nhau, ở các trạng thái mà mỗi nguyên tử có một mômen từ định hướng hỗn loạn do sự chuyển động nhiệt Việc áp đặt một từ trường ngoài đã tạo ra một

sự sắp xếp một ít các mômen này và vì vậy mà một độ từ hóa thấp theo cùng phương như từ trường ngoài Khi tăng nhiệt độ, do sự chuyển động nhiệt sẽ tăng

lên, nó sẽ trở nên khó hơn để sắp xếp các mômen từ nguyên tử ,vì vậy độ cảm từ

sẽ giảm xuống

c Tính sắt từ:

Hình 3: Mô hình tính sắt từ.

Tính sắt từ chỉ có thể khi các nguyên tử được sắp xếp trong một mạng và các mômen từ nguyên tử có thể tương tác lên nhau và sắp xếp song song với nhau Hiệu ứng này được giải thích theo lý thuyết cổ điển bằng sự có mặt của một trường phân tử bên trong vật liệu sắt từ, lần đầu tiên được đưa ra bởi Weiss vào năm 1907

Trường này đủ để từ hóa vật liệu đến trạng thái bão hòa Trong cơ học lượng tử, model Heisenberg của sắt từ đã mô tả sự định hướng song song của các mômen từ theo tương tác trao đổi giữa các mômen lân cận

Weiss đã đưa ra sự có mặt của các đômen từ bên trong vật liệu, là các vùng

mà ở đó các mômen từ nguyên tử được định hướng Sự dịch chuyển của các đômen này sẽ xác định vật liệu hưởng ứng như thế nào với một từ trường và như một hệ quả, độ cảm là một hàm của từ trường ngoài Vì vậy, các vật liệu sắt từ thường được so sánh theo độ từ hóa bão hòa (độ từ hóa khi tất cả các đômen đã được định hướng) hơn là theo độ cảm từ

d Chất phản sắt từ:

Hình 4: Mô hình chất phản sắt từ.

Các vật liệu phản sắt từ rất giống như các vật liệu sắt từ, nhưng tương tác trao đổi giữa các nguyên tử lân cận dẫn đến sự sắp xếp phản song song của các mômen từ nguyên tử Vì vậy, từ trường trượt tiêu và vật liệu xuất hiện bản chất giống như là một vật liệu thuận từ

e Ferit từ:

Hình 5: Mô hình Ferit từ.

Ferit từ chỉ được quan sát trong các hợp chất có cấu trúc tinh thể phức tạp hơn so với các nguyên tố thuần khiết Bên trong các vật liệu này các tương tác trao đổi dẫn đến một sự sắp xếp song song của các nguyên tử trong cùng một vị trí tinh thể và sự sắp xếp phản song song trong các vị trí khác

Vật liệu bị chia thành các đômen, giống như trong vật liệu sắt từ và bản chất từ cũng như vậy, mặc dù các vật liệu ferít có độ từ hóa bão hòa thấp hơn Ví

dụ trong ferit barium (BaO.6Fe2O3) ô đơn vị chứa 64 ion, trong đó các ion Ba

và ôxy không có các mômen từ; 16 Fe3+ có các mômen từ sắp xếp song song và

8 Fe3+sắp xếp phản song song, cho một độ từ hóa riêng song song với trường ngoài, nhưng với độ lớn tương đối thấp, chỉ 1/8 của các ion đóng góp vào độ từ hóa của vật liệu

Tùy thuộc vào cách ứng xử của vật liệu từ trong từ trường, chúng được chia

làm hai nhóm chính: vật liệu từ mềm và vật liệu từ cứng

2.3 Vật liệu từ cứng

Là nhóm các vật liệu khó khử từ và cũng có nghĩa là khó từ hoá

2.3.1 Tính chất:

Có từ trường khử từ và từ dư lớn, một cách tương ứng thì đường cong từ trễ của nó rộng, rất khó bị từ hóa Một khi bị từ hóa thì năng lượng từ của vật liệu được giữ lại lâu, có thể được dùng làm nam châm "vĩnh cữu"

2.3.2 Về thành phần cấu tạo:

Vật liệu từ cứng có thể chia thành vật liệu kim loại, phi kim loại và điện môi từ Vật liệu từ kim loại có thể là kim loại đơn chất (sắt, cobalt, niken) và hợp kim từ của một số kim loại

Vật liệu phi kim loại thường là ferrite, thành phần gồm hỗn hợp bột của các oxit sắt và các kim loại khác Điện môi từ là vật liệu tổ hợp, gồm 60 - 80% vật liệu từ dạng bột và 40 - 20% điện môi Ferrite và điện môi từ có điện trở suất lớn, nên làm giảm đáng kể mất mát do dòng điện xoáy Fucault

2.3.3 Ứng dụng

a Xe hơi:

Môtơ khởi động, hệ thống phanh chống khóa (ABS), môtơ điều khiển gạt nước, các bơm phun, quạt và điều khiển của sổ Chỗ ngồi , loa, phanh bằng dòng xoáy, máy phát điện xoay chiều

a) b)

Hình 6: a) Môtơ xe hơi; b) Môtơ khoá cửa

b Viễn thông:

Hệ loa, micro, chuông điện thoại, ống nghe, nói, chuyển mạch và rơle

a) b)

Hình 7: a) Loa mini điện thoại ; b) Cổng micro

c Xử lý sô liệu:

Bộ điều khiển và actuator đĩa cứng, các môtơ bước, máy in

a) b)

Hình 8: a)Máy in; b) Actuator đĩa cứng

d Hàng điện tử tiêu dùng:

Môtơ DC cho vòi tắm, máy giặt, khoan, bộ điều khiển DC thế thấp cho các thiết

bị không dây, bộ loa cho TV và Audio, dụng cụ sửa chữa và tập trung tiêu điểm của chùm TV, đĩa copact disc, computer gia đình, máy quay video, bộ khóa

a) b)

Hình 9: a) Máy quay video; b) Bộ loa cho ti vi

e Các thiết bị điện tử:

Các cảm biến, các công tắc không tiếp xúc, các phổ kế NMR, đĩa đo năng lượng, các thiết bị biến đội điện –cơ, các ống dẫn trường chéo nhau, dụng cụ họat động chuyển dòng, thiết bị hãm

Hình 10: Cảm biến.

f Công nghiệp:

Môtơ DC cho các dụng cụ từ tính, robot, các thiết bị tách từ cho việc tách kim loại và quặng, các vật mang từ, các máy nâng, các bộ hãm và khớp nối, các thiết

bị đo

a) b) Hình 11: a) Rôbôt; b) Máy nâng

g Thiên văn và không gian:

Các vật mang không ma sát, các môtơ bước, các liên kết cặp, thiết bị, các

ống truyền sóng, la bàn tự động

a) b)

Hình 12: a) La bàn ; b) Ống dẫn sóng

h Phẫu thuật sinh học:

Hàm răng, nha khoa, khoa chỉnh hình, lành vết thương, trét lổ thủng dạ dày, Các vòng đai đẩy, trái tim nhân tạo tự động, thiết bị quét cơ thể cho chụp ảnh cộng hưởng từ (MRI)

2.4 Vật liệu từ mềm

Các vật liệu từ mềm là các vật liệu được từ hoá và khử từ dễ dàng

2.4.1 Tính chất:

Vật liệu từ mềm có độ từ thẩm lớn, từ trường khử từ nhỏ, tổn hao từ trễ nhỏ (đường cong từ trễ hẹp) Các tính chất của vật liệu từ mềm phụ thuộc vào độ tinh khiết hóa học của chúng, và mức độ biến dạng của cấu trúc tinh thể Nếu có càng ít các loại tạp chất trong vật liệu, thì các đặc tính của vật liệu càng tốt

Vì vậy khi sản xuất vật liệu từ mềm cần phải cố gắng loại bỏ những tạp chất có hại nhất đối với chúng: Carbon, phosphor, lưu hùynh, oxy, nitơ, và các loại oxit khác nhau Đồng thời cần phải cố gắng không làm biến dạng cấu trúc tinh thể và không gây ra trong đó những ứng suất nội

2.4.2 Thành phần cấu tạo:

Các loại sắt từ mềm gồm thép kỹ thuật, thép ít carbon, thép lá kỹ thuật điện, hợp kim sắt - niken có độ từ thẩm cao (permaloi) và oxit sắt từ (ferrite)

2.4.3 Ứng dụng

Các loại ứng dụng của vật liệu từ mềm nằm trong hai lĩnh vực chính: AC và DC

a Ứng dụng DC:

Vật liệu được từ hóa nhằm thực hiện một họat động và sau đó bị khử từ tại kết thúc của hoạt động

Ví dụ: Một nam châm điện trên một cần trục cẩu hàng, được nối mạch để hút lõi thép và sau đó bị ngắt mạch để tháo rời thép ra

Một trong những ứng dụng DC chính là trong lĩnh vực che chắn từ Một vật liệu từ có độ từ thẩm cao được sử dụng để bảo quản một thiết bị cần phải được che chắn

Hình 13: Vật chắn từ bằng ống tup hay quả cầu vật liệu từ mềm

b Ứng dụng AC:

Vật liệu sẽ liên tục xoay vòng từ hóa theo phương này đến phương khác, qua một chu kỳ họat động

Ví dụ: Biến thế công suất

Các ứng dụng AC liên quan đến các mạch điện và chủ yếu trong các biến thế khi chuyển đổi thế AC này thành một thế khác Sự truyền công suất có hiệu quả hơn tại các thế cao, nhưng nguy hiểm hơn và khó sử dụng ở nhà hơn Vì vậy, các biến thế tăng áp (step-up)được dùng để tăng thế cho sự truyền tải và các biến thế hạ áp (step-down) được sử dụng để giảm thế trước khi đưa vào nhà Các vật liệu từ mềm cũng đóng một vai trò quan trọng trong các motơ điện,

ở đó chúng tăng cường trường được tạo ra bởi các vòng quấn môtơ Trong các mơtơ nam châm vĩnh cửu, chúng cũng được dùng để che chắn từ thông được tạo

ra bởi các nam châm vĩnh cửu

Các vật liệu từ mềm cũng được sử dụng cho các đầu cực điện từ, để tăng cường trường được tạo ra bởi nam châm Các chuyển mạch solenoit cũng sủ dụng các vật liệu từ mềm để tăng độ tin cậy Hầu hết các thiết bị nam châm vĩnh cửu đều sử dụng các vật liệu từ mềm để che chắn từ thông hoặc là cung cấp một đường trở về cho từ trường, ví dụ như các máy quét (scanners) cơ thể của ảnh chụp cộng hưởng (MRI) có các nam châm vĩnh cửu lớn với một cái gông (yoke) bằng vật liệu từ mềm để tự ngăn cản trường khử từ, làm giảm trường trong khe

Hình 14: Mạch điện

2.5 Các vật liệu từ khác

2.5.1 Vật liệu từ giảo:

Hầu hết các vật liệu từ đều biểu hiện tính từ giảo, đó là sự thay đổi trong kích thước vật lý do kết quả của trật tự từ Có hai loại từ giảo: Từ giảo tự phát, xuất hiện từ trật tự từ của mômen nguyên tử ở dưới nhiệt độ Curie

( thường gây ra sự nở thể tích) và từ giảo cảm ứng từ, xuất hiện từ sự sắp xếp của các đômen từ khi có tác dụng của một từ trường ngoài

2.5.2 Từ trở:

Từ trở (MR) là hiệu ứng mà điện trở của một vật liệu từ thay đổi phụ thuộc vào hướng tương đối của dòng điện và độ từ hóa Trong hầu hết các trường hợp, điện trở là cao nhất khi dòng điện và độ từ hóa là song song và thấp nhất khi chúng vuông góc Mức độ từ trở của một vật liệu thường được thể hiện theo sự thay đổi phần trăm của điện trở từ điện trở cao nhất đến thấp nhất và thường có giá trị cỡ vài phần trăm Ứng dụng chính cho các sensor MR là ở trong các đầu đọc của các đĩa cứng

2.5.3 Vật liệu ghi từ:

Sử dụng kỹ thật từ ghi tiếng nói con người lần đầu tiên được kỹ sư người Đan Mạch, Poulsen, thực hiện vào năm 1898 Việc ghi được thực hiện trên một dây sắt từ, nhưng do thiếu phần khuếch đại nên chất lượng ghi rất tồi Vào năm

1927, băng từ đã được phát minh một cách đồng thời ở Mỹ và Đức Song các băng họ ôxyt cho việc ghi audio đã không được phát triển cho mãi đến năm

Đĩa cứng đầu tiên, có ký hiệu là „RAMAC“, đã được giới thiệu bởi IBM vào năm 1957 và có dung lượng tồ trữ 2000 bit in-2 Dung lượng trữ đã tăng lên một cách nhanh chóng và đều đặn từ „RAMAC“ và vào năm 2000 đã đạt xấp xỉ

1 Gbit in-2, tức là một sự tăng bằng hệ số nhân 5 triệu Sự tăng này trong dung lượng lưu trữ được minh họa trong hình dưới đây

Hình 15: theo sự giảm trong diện tích trên đĩa được đòi hỏi để trữ thông tin.

2.5.4 Băng từ:

Các băng từ đã được sử dụng mạnh cho việc ghi các tín hiệu audio và video, tuy nhiên không biết rõ là kỹ thuật này sẽ được tiếp tục sử dụng bao nhiêu lâu nữa với sự xuất hiện tính phổ biến của digital versatile disk (DVD)

Các băng có thể được làm với cả môi trường hạt được dính lên một đế plastic lẫn màng được bốc bay kim loại (ME) lên trên một đế Lớp từ trên băng hạt chỉ có 40% vật liệu từ, trong khi đó băng ME có 100% lớp từ Vì vậy, các băng ME cho ta ghi chất lượng tốt hơn, tuy nhiên chúng tiêu phí thời gian nhiều hơn để tạo ra và đắt tiền hơn Các băng hạt rẻ hơn nhiều, vì vậy là sự lựa chọn cho phần lớn các băng từ

2.5.5 Các đĩa từ:

Việc ghi dữ liệu lên trên một đĩa có ưu việt hiển nhiên so với thời gian truy nhập, bởi vì đầu có 5thể sẳn sàng di chuyển đến chỗ tương ứng trên đĩa, trong khi đó một cái băng cần phải được cuốn lại hoặc cuốn tiếp về phía trước Có hai loại dĩa: mềm và cứng Các nguyên lý của việc sản xuất và ghi trên các dĩa mềm