Tìm hiểu về các dạng năng lượng từ và cấu trúc đômen : Khoá luận tốt nghiệp đại học

Các vật liệu từ là các chất mà nguyên tử hoặc phân tử của chúng có mômen tử ngay cả khi không có từ trường ngoài H.. Khác với các nguyên tố nhóm Fe, vỏ điện tử không đầy 4ƒ” với mômen từ

MO DAU

1 Lý do chọn đề tài và mục đích nghiên cứu:

Từ giữa thế ki XIX, Faraday đã chứng tỏ rằng các chất đều có những tính

chất từ, cụ thể là các chất khi đặt vào trong một từ trường ngoài H thì bên trong

chúng đều xuất hiện một tử trường phụ B gây bởi chính chất đó, nghĩa là đã có một quá trình từ hoá xảy ra ở trong chúng Các vật liệu bị từ hoá nhiều hay ít khi

đặt trong từ trường ngoài được gọi là các vật liệu từ Từ tính của các vật liệu từ

khác nhau tuỳ thuộc vào cấu trúc từ của chúng

Ngày nay do sự phát triển của khoa học — kỹ thuật vật liệu từ được ứng

dụng rộng rãi trong thực tế: các nam châm vĩnh cửu, các lõi biến thế hay 6 cung của máy tính Trong tự nhiên có rất nhiều các vật liệu từ, nhưng tử tính của nó

chưa đủ lớn nên chưa đáp ứng được nhu cầu của khoa học — kỹ thuật Để đáp ứng

nhu cầu làm tăng từ tính của vật liệu từ ta phải đi tìm hiểu sâu hơn: Bản chất, câu

trúc, tính chất từ của vật liệu từ

Vật liệu từ có nhiều ứng dụng trong khoa học — kĩ thuật và trong cuộc sống

nên đây là ngành khoa học mũi nhọn đang được nhiều nhà Khoa học nghiên cứu

Vật liệu từ được đặc trưng bởi đường cong từ hoá và để giải thích tận cùng nguồn gốc bài toán của quá trình từ hoá kĩ thuật, tức là biết tại sao dạng đường từ

hoá phụ thuộc vào tính chất nội tại và các tác động bên ngoài Ta cần nghiên cứu

các loại năng lượng tương tác cơ bản xác định trạng thái từ của các vật liệu đang xét

Nếu chỉ tính đến năng lượng trao đổi thì trong chất sắt từ, trạng thái có lợi nhất về năng lượng là trạng thái mà độ từ hoá là đồng nhất có phương như nhau tại tất cả các điểm của mẫu Nhưng tính đến tất cả các tính chất khác (năng lượng

dị hướng từ tinh thể, năng lượng từ đàn hỏi ) thì trong phần lớn các trường hợp, trừ với các hạt cực nhỏ hoặc với các màng mỏng, việc tạo thành các câu trúc

đômen tức là các miền từ hoá tự phát vĩ mô mà các vectơ từ độ của các miền này

có các định hướng khác nhau sẽ có lợi về năng lượng

Chính vì các lí đo trên mà em chọn đề tài: *TÌM HIỂU VẺ CÁC DẠNG NANG LƯỢNG TỪ VÀ CÁU TRÚC ĐÔMEN” để làm đề tài khoá luận của minh

2 Nhiệm vụ nghiÊn cứu:

Phân loại các vật liệu từ

Tìm hiểu các đạng năng lượng từ

Nghiên cứu về cấu trúc đômen

3 Phương pháp nghiÊn cứu:

Đọc tài liệu liên quan: Sách giáo khoa, sách tham khảo

Thu thập các thông tin trên mạng

CHUONG II: PHAN SAT TU VA FERIT

IIL1 Vật liệu phản sắt từ và tương tác trao đổi gián tiếp

II2 Lý thuyết trường phân tử cho phản sắt từ

H3 Ferit hai phân mạng

LII.4 Các Ferit thường gặp

CHƯƠNG III CÂU TRÚC DOMEN

III.1 Năng lượng trao đôi

III.2 Năng lượng dị hướng từ tinh thể

III.3 Năng lượng từ đàn hồi

III.4 Năng lượng biến dạng đàn hồi

NOI DUNG

CHUONG I: VAT LIEU TU

I.1 THUAN TU

La các chất platin, Nhôm, Tungseng, tất cả các loại Kiềm và kiểm thé, còn

khí thuận từ có thể là ôxy, nitrit ôxyt Đối với các chất thuận từ thì từ trường phụ B’ cũng có chiều với H nhưng cường độ của BỶ rất nhỏ Do đó cần phải có một từ trường ngoài H tất lớn mới quan sát thấy hiệu ứng thuận từ Thực nghiệm chứng

tỏ khi đưa một thỏi Nhôm vào trong một từ trường ngoài không đều của một thanh nam châm điện mạnh, thì thỏi Nhôm chỉ bị hút về phía từ trường mạnh Nhưng hiện tượng này xảy ra rất yêu nên khó quan sát

Trong công thức (1.2), ø là mật độ nguyên tử của các chất từ môi, & là hằng

số Bonzoman, 7 là nhiệt độ tuyệt đối của chất thuận từ

Ở phan lớn các các chất thuận từ, sự phụ thuộc của độ tự cảm x vào nhiệt độ tuyệt đối T tuân theo định luật Curie :

C là hằng số gọi là hăng số Curie Các vật liệu từ là các chất mà nguyên tử hoặc phân tử của chúng có mômen tử ngay cả khi không có từ trường ngoài H

Gd3+, U** Nhiều trong số các ion này có tính thuận từ cả các liên kết trong

tinh thé ran

Một số liên kết có điện tử chẵn như phân tử oxy, các gốc hữu cơ kép

Các kim loại

Ta xét trường hợp b) bao gồm những nguyên tố sau:

Các nguyên tố thuộc nhớm kim loại 3d (nhóm sắ là các nguyên tỗ Sc(Z=21), Ti(22), V(23), Cr(24), Mn(25), Fe(26), Co(27), Ni(28), Cu(29),

trong đó lớp vỏ 3d nam ở trong lớp vỏ 4s2 và được lấp đây dần (từ 3đ1 đến

4193 Trong các muối của các nguyên tô này chăng hạn như các muối phèn NH„Fe(SO,);.2H;O, các ion của nhóm sắt (ở đây là Fe?) ở rất xa nhau và

gần như không tương tác với nhau Có thể coi đây là một vật liệu thuận từ lí tưởng

Các nguyên tô thuộc nhóm kim loại 4ƒ (nhóm đất hiếm hay nhóm Lantan) gồm các nguyên tố La(z=57), Ce(58), Pr(59), Nd(60), Pm(61), Sm(62), Eu(63), Gd(64), Tb(65), Dy(66), Ho(67), Er(68) Tm(69), Yb(70), Lu(71) Đôi khi người ta gộp vào nhóm đất hiếm cả các nguyên tô Yb và Sc vì chúng

có cầu trúc điện tử ngoài tương tự Cầu hình điện tử của chúng có dạng:

4ƒ" 5s” 5p® 5d1 6s7

Trong đó n = 0 + 14 khi z tăng từ 57 đến 71 Các điện tử 5đ1 6s? thường dễ

bị lẫy đi dé tạo thành nhóm các ion đất hiếm R?* hoa tri 3

Vì các ion này có lớp vỏ ngoài như nhau là 5s? 5øŠ (vỏ xenon) nên các yếu

tố đất hiểm có tính chất hóa học giỗng nhau và rất khó tách chiết khỏi nhau Bán kính các ion hóa trị 3 này giảm dân từ 1,11Â đến 0,94Ä khi đi từ Ce đến Yb Hiện tượng này gọi là hiện tượng co Lantan

Khác với các nguyên tố nhóm Fe, vỏ điện tử không đầy 4ƒ” với mômen từ

khác không nằm sâu trong lớp vỏ 5s?5pŠ và có bán kính nhỏ cỡ 0,3 A nên ngay

cả ở trạng thái kim loại và trong các hợp chất ở thể răn chúng cũng bảo toàn nguyên vẹn tính nguyên tử của mình Tương tác spin — quỹ đạo LS manh hon tương tác trường tinh thê lên L va do đó mômen J phai được tính theo công thức cộng vectơ Trong khi đó thì ở nhóm sắt, tương tác spin quỹ đạo và điện trường tỉnh thể gây ra sự đóng băng mômen quy dao (hinh vé 1.1)

Các kim loại đất hiếm có tính chất từ rất phức tạp Chúng có nhiều pha từ

tính khác nhau như sắt từ, phản sắt từ, cầu trúc xoăn, cấu trúc ô, thuận từ, và có

sự chuyền từ pha nọ sang pha kia theo nhiệt độ Hợp chất đất hiếm có nhiều ứng

Ngoài các nguyên tố của nhóm kim loại 3đ và 4ƒ nói trên, các nguyên tố thuộc các nhóm sau đây trong bảng tuần hoàn Mendeleev cũng có tính thuận từ:

% Các nguyên tổ thuộc nhóm Palldi Đây là nhóm có lớp vỏ 4đ không đây, bao gồm các nguyên tố từ Y (z = 39) đến Pd (z = 46)

% Các nguyên tố thuộc nhóm Platin Đây là nhóm có lớp vỏ 5đ không đây, bao gồm các nguyên tố từ Lu (z = 71) đến Pt (z = 78)

% Các nguyên tố thuộc nhóm Uran (Actinide) Day là nhóm có lớp vỏ $ƒ không đây, bao gồm các nguyên tố từ Ra (z = 88) đến Md (z = 101) mà đa số

là các nguyên tô phóng xạ

I.1.2 Quá trình từ hóa của chất thuận từ

Chất thuận từ có mômen từ nguyên tử hay phân tử khác 0 (0„ # 0 ), thí dụ O,, Al, Pt, đất hiếm, các kim loại kiềm là những chất thuận từ Bình thường do chuyên động nhiệt, các mômen từ sắp xếp hỗn loạn nên tổng Ðø„ trong thể tích của khối thuận từ luôn luôn triệt tiêu (hình 1.2)

Khi đặt khối thuận từ vào trong từ trường ngoài HỈ thì có hai quá trình đồng thời xảy ra:

a Các mômen tử nguyên tử P„ có xu hướng sắp xếp để phương, chiều của chúng trùng với phương, chiều của H (hình 1.3) Tổng cdc mémen tr Yip, của các nguyên tử sẽ khác 0 Đó là hiệu ứng thuận từ

đây có thể bỏ qua Tóm lại, khi đặt trong từ trường ngoài thì tổng mômen từ Ð P„ của khối thuận từ sẽ khác 0 và có cùng chiều với H tương đương với sự xuất hiện một từ trường phụ B” cùng chiều với H

L2 NGHỊCH TỪ

Đó là những chất vàng, bạc, kim cương, graphit, bismut, hầu hết các chất

khí (trừ 0;), và nhiều hợp chất hữu cơ các chất nghịch từ khi bị từ hóa sẽ sinh ra

một tử trường phụ gỉ ngược chiều với H Thực nghiệm chứng tỏ khi đưa một thỏi

bismut vào trong một từ trường không đều, thỏi bismut bị đây khỏi nơi có từ trường mạnh nhưng với một lực đây rất yếu, về cấp độ lớn còn nhỏ hơn rất nhiều

so với trường hợp thuận từ Vì thế để chứng tỏ hiệu ứng nghịch từ cần phải có từ trường ngoài cực mạnh

IL.2.1 Hiện tượng nghịch từ

Chất nghịch từ có độ cảm từ âm + < 0 và có giá trị tuyệt đối rất nhỏ

lx| << 1

Hiện tượng nghịch từ liên quan đến xu thế các điện tích che phân bên trong của thể tích vật khỏi tác dụng của từ trường ngoài Điều này khi xuất phát từ định luật Lenx cho một vòng dây kín: Khi biến đối từ thông qua vòng dây sẽ xuất hiện dòng cảm ứng có phương để từ trường do nó tạo ra chống lại sự biến đôi đó của từ thông Trong nguyên tử, điện tử chuyển động trên quĩ đạo của mình giỗng như dòng siêu dẫn: dòng cảm ứng sẽ tồn tại chừng nào từ trường ngoài chưa mất Từ trường tạo bởi dòng cảm ứng sẽ ngược với từ trường ngoài và mômen từ liên quan

đến dòng này chính là mômen nghịch từ Hiện tượng nghịch từ xuất hiện cả trong

những nguyên tử có vỏ đầy hoàn toàn (khí trơ)

Việc giải thích hiện tượng nghịch từ của các nguyên tử và 1on thường dựa trên định lí Larmor: trong từ trường ngoài H, chuyển động của các điện tử quanh

hạt nhân trong gần đúng bậc nhất theo véctơ H vẫn giỗng khi không có từ trường

nhưng có thêm một sự tuê sai với tân sô góc:

O day B = uạọH, < p? > = <xˆ> + <y“> là trung bình bình phương khoảng

cách của các điện tử từ tính từ một trục di qua hat nhan và song song với từ trường < ø2 > liên hệ với <r> = <x’> + <y> + <Z> tức là trung bình bình phương khoảng cách từ tâm hạt nhân

Trong trường hợp phân bố điện tích đối xứng cầu tức là:

<x”> =<y > = <z’>

Giả thiết số các nguyên tử trên một đơn vị thể tích là N, từ (1.7) và (1.8) độ

cảm nghịch từ (trên một đơn vị thê tích) như sau:

Đĩ là kết quả nhận được bởi Langevin

Việc tính tốn độ cảm từ của nguyên tử dẫn dén <r’> đối với phân bố của điện tử trong nguyên tử Cịn chính đặc trưng của phân bố cĩ thể xác định từ lập luận cơ lượng tử

I.2.2 Quá trình từ hĩa của chất nghịch từ

Chất nghịch từ cĩ câu tạo đối xứng sao cho mơmen từ nguyên tử hay phân tử của chúng bằng khơng (p„ = 0) Để cụ thê ta xét quá trình từ hĩa của nguyên tử

He, hạt nhân He cĩ q = +2e và hai êlectron chuyển động quanh nĩ, từ thực nghiệm người ta xác định được rằng nguyên tử He khơng cĩ mơmen từ, thật vậy nếu giả thiết răng hai êlectron chuyển động quanh hạt nhân với cùng một vận tốc trên những quỹ đạo giống nhau nhưng ngược chiều Như vậy, các mơmen từ quỹ đạo của chúng bằng nhau về độ lớn nhưng khác dấu, do đĩ tổng các mơmen từ này bằng khơng Hơn nữa, spin của hai êlectron này ngược dẫu nhau Tĩm lại mơmen

từ của nguyên tử He bằng khơng

Khi đặt nguyên tử He vào trong tử trường ngồi H, thi ngồi lực hut

Coulomb, cac électron con chiu tac dung cua luc Lorentz Vi hai électron nay chuyén động ngược chiều nhau nên một êlectron chịu lực Lorentz hướng vào tâm

cĩ tác dụng làm tăng ø” (Aw > 0) cịn một Êlectron chịu lực Lorentz hướng ra xa

tâm làm giảm ø` (Aø > 0)

Vậy: khi đặt trong từ trường ngồi H khối nghịch từ cĩ mơmen tử phụ tổng cộng Ð' ø„ khác khơng, tương ứng với sự xuất hiện một từ trường phụ B' ngược

thanh nam châm hút Thỏi sắt 44 bi tir hoa (nhiém ti) tir trudng phu B’ xudt hiện bên trong chất sắt từ cùng chiều với từ trường ngoài H, về cường độ có thể lớn gấp hàng chục hay hàng trăm lần từ trường ngoài H

I.3.1 Các đặc điểm của vật liệu sắt từ

Các chất sắt từ như kim loại Fe hoặc ôxyt Fe;O¿, dựa vào tính chất từ hóa còn

dư của chúng người thời cô đã sử dụng các vật liệu này làm la bàn Ngày nay người ta tìm được rất nhiều vật liệu có tính sắt từ: kim loại, hợp kim, các ôxit Trong số các kim loại này chỉ có 3 kim loại thuộc nhóm sắt có tính sắt từ ở nhiệt

độ phòng là Fe, Co và Ni Các kim loại đất hiếm có tính sắt từ ở dưới nhiệt độ phòng Các vật liệu từ thường dùng trong thực tiễn phần lớn đều chứa các kim loại

nói trên Chúng có ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật, đặc biệt các vật liệu từ mềm

(lõi biến thế sử dụng hợp kim Fe — Sỉ, Permalloy, ), các vật liệu từ cứng (nam

châm hợp kim, nam châm đất hiếm, nam cham ferit, .), các vật liệu phi tử (đĩa từ,

băng tử), các hop kim Invar,

1.3.2 Cau tao cia sat tir

Chất sắt từ được cau tao bằng vô số các miền nhỏ gọi là các đômen có kích thước dài khoảng 10 + 107m đã tự từ hóa đến bão hòa Trong các đômen, sự

từ hóa không phải do các mômen từ nguyên tử quyết định như đối với các chất thuận từ và nghịch từ, mà sự từ hóa trong mỗi đômen là do các mômen từ spin của các electron quyết định, các mômen tử spin này hướng song song với nhau đưới

tác dụng của một loại lực đặc biệt, gọi là lực tương tác trao đôi Mỗi đômen của

sắt từ đã tự từ hóa đến bão hòa không cân có từ trường ngoài Sự định hướng song song của các mômen từ spin electron trong mỗi đômen lại khác nhau sao cho khi không có từ trường ngoài thì tổng các từ trường gây bởi các đômen bằng không 1.3.3 Tinh chat ciia sat tir

Một trong những tính chất khác biệt của sắt từ là véctơ từ hóa của thuận từ và nghịch từ tỉ lệ với cường độ tử trường ngoài, còn véctơ tử hóa của sắt từ phụ thuộc

phức tạp vào từ trường ngoài Ngoài ra độ từ thẩm 1 của sắt từ có thể đạt tới giá trị

rất lớn, chẳng hạn đối với sắt w„„„ = 5 10, đối với pecmalôi (hợp kim Fe — Ni), Umax = 10° Déi voi cdc chat sat tt Umar rất lớn („„„„~103 + 105) Từ tính manh nhu vay cua sắt từ được phát hiện ở quặng sắt và sắt, sau đó ở các chất khác

như kèn, coban hoặc các hợp kim như pecmalôi (Fe — Ni), hợp kim (Fe — Ni - AI) hay (Cu — Mn — AI) Sắt từ chỉ được quan sát thấy ở các tinh thể, trong khi đó thuận từ và nghịch từ có thể ở bất kỳ trạng thái kết tụ nào, ngoài ra sắt từ còn có

nhiều đặc tính khác biệt nữa

CHUONG II: PHAN SAT TU VA FERIT

1.1 VAT LIEU PHAN SAT TU VA TUONG TAC TRAO DOI GIAN TIEP

Phản sắt từ là là các nhóm vật liéu tir ma trong cau tric gém có hai phân mạng từ đối song song và cân bằng nhau về mặt giá trị

Phân bố phản sắt từ của các mômen từ (spin) tức là phân bố phản song song của chúng dẫn đến triệt tiêu mômen từ tổng cộng Sự phân bố các mômen từ kiểu

đó được xác định bằng kỹ thuật nhiễu xạ neutron Các hạt neutron không có điện

tích và do đó không nhạy với điện tích của các ion trong mạng tinh thể Nhưng vì

neutron có mômen từ nên nó bị tán xạ mạnh bởi các mômen từ của mạng

Nếu các mômen từ phân bố có trật tự, các chùm neutron tan xa sé giao thoa

nhau và cho các đường nhiễu xạ đặc trưng giống như khi chùm điện tử tán xạ trên các điện tích trong nhiễu xạ kế điện tử Bằng phương pháp nhiễu xạ neutron người

ta đã phát hiện ra phân bố phản sắt từ của MnO Cấu hình của các mômen từ trong mạng được mô tả như hình vẽ dưới đây:

Sự phân bố trật tự như vậy chỉ có ở vùng nhiệt độ thấp hơn 7y nhat định gọi

là nhiệt độ Néel mà ở trên nhiệt độ đó sự phân bồ là không trật tự Như vậy có thê nói vật liệu phản sắt từ tạo thành từ hai phân mạng từ bị từ hóa ngược nhau:

I, = —Ïp (2 1)

Tính chất phản sắt từ có ở nhiều vật liệu khác nhau nhu: MnO (Ty = 116K), MnS (160K), MnTe (307K), MnF, (67K), Fe.F, (97K), FeO (198K), cac ion tu trong các hợp chất đó như Mn”” trong MnO được tách nhau bởi các ion không từ như O”, nên tương tác trao đổi trực tiếp giữa các ion đó rất yếu Tương tác trao đổi mạnh dẫn đến sự sắp xếp trật tự (sắp xếp phản song song) của các mômen tử trong các vật liệu này được giả thiết là một tương tác thông qua quỹ đạo của ion oxy Tương tác loại này được gọi là tương tác siêu trao đối hay tương tác trao đối gián tiếp

11.2 LY THUYET TRUONG PHAN TU CHO PHAN SAT TU

Sự phụ thuộc của độ cảm tử # và nhiệt độ 7 trong vật liệu phản sắt từ (2.2) được đặc trưng bởi:

‹

¢ Tôn tại nhiệt độ trật tự 7„ ứng với một đỉnh trên đường (7)

Sự dị hướng của y khi 7 < 7y: ý có các gia tri khác nhau tùy theo từ trường

H song song hay vuông góc với trục spin của một đơn tỉnh thể vật liệu phản sắt từ Giá trị y cho vật liệu đa tỉnh thể là giá trị trung gian giữa các giá trị trên

Khi 7 > 7x, sự phụ thuộc nhiệt độ của y tương tự như định luật Curie — 'Weiss cho vùng thuận từ của vật liệu sắt từ

Tuy nhiên 7” nhận giá trị âm (7” < 0)

X1+X//)Xpoly

X//

Hình 2.2: Sự phụ thuộc nhiệt độ của độ cảm từ x của vật liệu phần sắt từ

+: Và /; kí hiệu độ cảm từ X của đơn tỉnh thể khi từ trường đặt vuông góc hay song song

với trục phán sắt từ Xpory là độ cảm từ của đa tỉnh thể

Trong vật liệu phản sắt từ có hai loại chỗ mạng chứa các spin sắp xếp đối nghịch nhau (gọi là hai phân mạng từ) Giả sử A là các chỗ của phân mạng ứng với spin (+), B ứng với spin (-) Tương tác trao đôi giữa các spin A với A va A voi

B có thể biểu diễn nhờ trường phân tử tác dụng lên ion A như sau:

Trong công thức trên, 7¿ và 7; là các độ từ hóa của các phân mạng từ A và B,

Wj, Va Wag la cac hăng sô trường phân tử, øö¿p luôn có giá trị âm (tương tác là phản sắt từ) Tương tự trường phân tử tại chỗ mạng B là:

Vì các chô mạng A và B đôi xứng nhau, nên:

Trong đó X là số nguyên tử trên một đơn vị thê tích, Z8; là hàm Brillouin Giải

hệ phương trình trên ta tìm được 7¿(T) và I;(T) có dạng như trường hợp sắt từ Cụ thể là 7¿ và 7; giảm dần khi tăng nhiệt độ bằng không tại nhiệt độ Néel 7y được cho bởi:

> Ở nhiệt độ 7 > Tạ sự sắp xếp các mômen từ hoàn toàn không trật tự, vật liệu

chuyển sang trạng thái thuận từ và ta có gần đúng l¿ ~ 0 và ïpạ ~ 0 Do đó có thể lấy gần đúng:

By(a) > ax _/*? 3° 3J |, 3] (2.18)

Và công thức (2.17) trở thành:

Với:

_ Nuj(@, + @;)

Nu2

C = ae (2.21)

Ta cũng có nhận xét rằng gia tri cực đại của y đạt được 7 = 7» tức là:

> Onhiét d6 T < Tụ, đặc điểm của vật liệu phản sắt từ là có sự dị hướng của độ

cảm từ y khi hướng theo hai phương tinh thể khác nhau

e _ Xét độ cảm từ ý khi H vuông góc trục phản sắt từ (Y), (hình 2.3)

Hình 2.3.Phản sắt từ trong từ trường ¿7ï đặt vuông góc với trục phản sắt từ

Từ hình (2.3) ta có thành phần từ độ của tổng cộng song song với từ trường (vuông góc với trục spin):

Năng lượng của hệ phản sắt từ là:

18

E = Eta + Ey = (2Ì Ïp —~ HU, + Ip ) (2.25)

G day ta da bd qua w, (tuong tac trong méi phân mạng) Vì từ trường ngoài

H là nhỏ so với trường phân tử nên ø nhỏ và ta có gần đúng:

Tức là: ¡ = Xma„ = const không phụ thuộc 7 miễn là từ trường đủ nhỏ

e Trường hợp H song song với trục phản sắt từ ( Xu

Ở nhiệt độ 7 = 0K, nếu ; đủ nhỏ thì năng lượng của từ trường ngoài nhỏ hơn năng lượng của trường phân tử, do đó cấu trúc phản sắt từ là bền vững và 7

=0 hay X(T = 0) = 0

Khi nhiệt độ tăng (7 > 0K, 7 < Ty), do chuyển động nhiệt của các nút mạng,

1, và I; bị định hướng một phân theo 7

Ảnh hưởng của các thăng giáng nhiệt lên hệ phản sắt từ trong từ trường song song với trục phản sắt từ (hình 2.4)

từ trường là làm tăng giá trị ban đầu 7¿ một lượng Al¿ và giảm giá trị ban đầu J,

một lượng Al, Kết quả là ở nhiệt độ 7 # 0, từ độ tong cộng của từ trường ;Ởj là:

I, = 14 - Ip = |Al,4| + |Alg| Do 46 x, (H) = lạ/H sẽ tăng dần đến giá trị cực đại,

ứng với nhiệt độ 7= Tụ

1 x¡Œ) —> Xmax(T = Ty ) =—

(2

11.3 FERIT HAI PHAN MANG

Là tên gọi chung của các nhóm vật liệu có trật tự từ mà trong câu trúc tử của

nó gôm hai phân mạng đôi song song nhưng có độ lớn khác nhau Ferit từ còn được gọi là phản sắt từ bù trừ không hoàn toàn

Nếu vật liệu từ có hai phân mạng từ không tương đương mà tương tác giữa chúng là phản sắt từ (các mômen từ của hai phân mạng hướng ngược nhau), ta có

vật liệu ferit hay là các vật liệu ferit từ

Vật liệu ferit hai phân mạng từ là các ferit spinel NICr;O¿ hoặc granat ytri

Y;FezO¡¿ Vật liệu phan sat từ có thể coi là một trường hợp riêng của ferit khi hai phan mạng như nhau

H.3.1 Lý thuyết trường phân tử cho ferit hai phân mạng từ

Kí hiệu các phân mạng bởi chữ A và B và độ từ hóa của mỗi phân mạng là

Mạ và Mạ Mỗi phân mạng được giả thiết là chỉ chứa các ion từ cùng loại Như vậy có tồn tại 3 loại tương tác trao đôi khả dĩ A - A, B - B và A - B Theo lý

thuyết trường phân tử, trường phân tử tác dụng lên các ion A và B tương ứng là:

Tùy theo từng loại tương tác (sắt từ hay phản sắt từ), các hệ số „„ và Vpp CO

thể dương hay âm Kí hiệu:

Ta có thể viết lại (2.31) và (2.32) đưới dạng:

h, = v(nM, + BM,) (2.35) Trong d6, 7 1a dau cua v,, (dấu + hoặc dẫu —)

Độ từ hóa của mỗi phân mạng theo lý thuyết trường phân tử là:

e Xét trạng thải cơ bản của ferit khi không có từ trường ngoài tức là xét ÄM⁄ khi

H =0 vàT = 0 Khi đó, trạng thái trật tự bền vững được xác định bởi cực tiểu năng lượng trao đổi, tức là năng lượng tương tác của mômen từ với trường phân tử:

Era = ~5(M,h, + Mphp) = - 5 WaaM? + 2VqpMaM, + VppM5) (2.39)

Khi vạp > 0 định hướng song song (TT) 14 cé loi hon vé nang lwong, con khi

Vap < 0, dinh hudng phan song song (?1) không có lợi về năng lượng Ta có:

1

Có thê xảy ra 4 trường hợp:

1) Cả hai phần mạng ở trạng thái bão hòa từ

Ma =Mgo, Mp = Mụ, M = IMao + 1Mpol

Khi d6 cuc tiéu cua nang lwong trao déi xay ra it nhat khia > 0, B > 0

2) Chi co phan mang A bão hòa, phân mang B co M, < M,, gia tri M, duoc xac dinh boi

0E,.g/0M, = —v(M,, + BM,,) = 0 (2.41)

3) Chico phan mạng B bão hòa, tương tự ta cũng có:

4) Không có phân mạng nào bão hòa.Giá trị cha M, va M, thu duoc ti diéu kién

cuc tiéu cia Eyg

11.3.2 Miền thuận từ và nhiệt độ Curie

Khi 7 > 7c ta có trạng thái thuận từ, khi đó trường phân tử j„ „, vẫn tỒn tại nhưng rất nhỏ, các biến số của hàm Brillouin cũng rất nhỏ hơn đơn vị, nên có thể

I=a,b;rị = dẫu của v„„ Giải hệ phương trình (3.18) và (3.19) cho Mẹ„ và A4,

va lay tong M = M, + M,, taco: