Bài giảng vật lý đại cương A2 (Vật liệu từ)

Sự từ hóa và phân loại vật liệu từ2.. Sự từ hóa và phân loại vật liệu từ châm, sau đó trở thành một thanh 0 Br Vật bị từ hóa trong từ trường ngoài đều chịu tác động của từ trường ⇔ bị từ

1 Sự từ hóa và phân loại vật liệu từ

2 Tính chất từ nguyên tử

3 Nghịch từ và thuận từ

4 Sắt từ

CHƯƠNG 6 – VẬT LIỆU TỪ

Sự từ hóa

1 Sự từ hóa và phân loại vật liệu từ

châm, sau đó trở thành một thanh

0

Br) Vật bị từ hóa trong từ trường ngoài

đều chịu tác động của từ trường

⇔ bị từ hóa, nhưng với mức độ

khác nhau

) Đại lượng vật lý đặc trưng cho mức độ từ hóa của vật liệuđược xác định bằng số các moment từ trong 1 đơn vị thể tíchcủa khối vật liệu:

rr

) M = χm H (với vật liệu nghịch từ và thuận từ)

ª χ : độ cảm từ (magnetic susceptibility)

ª χ và M thể hiện bản chất bên trong của vật liệu

ª Đơn vị của từ độ: A/m

Vector độ từ hóa (từ độ)

1 Sự từ hóa và phân loại vật liệu từ

1 Sự từ hóa và phân loại vật liệu từPhân loại vật liệu từ

) Ví dụ: Bismut, đồng (copper - Cu),

bạc (silver - Ag), vàng (gold - Au)…

) Vật liệu bị đẩy bởi trường ngoài

) Ví dụ: Sắt (Iron - Fe), ni-ken

(nickel - Ni), cô-ban (cobalt – Co),

2 Tính chất từ của nguyên tử

ª Tính chất từ của vật chất là do sự tồn tại của các moment

từ (dipole) hình thành bởi các moment từ spin và moment từquỹ đạo của các electron bên trong các nguyên tử

l

nguyên tử, CĐ quanh hạt nhân

) Từ trường do dòng điện sinh ra,

có hướng của electron (e-)

Moment từ quĩ đạo của electron

ª Dòng điện do CĐ của e-:

r

e v

e i

2

i

) Xét nguyên tử cô lập (B ngoài

= 0) có e- CĐ trên quĩ đạo tròn

quanh hạt nhân với vận tốc vr

Moment (lưỡng cực) từ – Magnetic (dipole) moment

I

S I

.2

r

e

v S

i

p mqđ = = π =

π

2 Tính chất từ của nguyên tử

Moment động lượng của electron

l

mqđ

pr

+ +

i

i

i

với gốc O của e- khi CĐ trên

quĩ đạo với vector vận tốc có

moment từ quĩ đạo, có giá trị:

moment động lượng của e-gọi

là tỉ số từ-cơ quĩ đạo:

m

e l

p l

p mqđ mqđ

2

Moment spin electron

quanh hạt nhân vừa tự xoay

động lượng riêng - moment

spin ⇒ moment từ spin

riêng

)

(sr

) ( pr ms

l

m

p

+ +

và moment spin - tỉ số từ-cơ

spin của e-:

m

e s

p s

r

2 Tính chất từ của nguyên tử

Moment từ và moment động lượng nguyên tử

( )

=

electron sô

Tông

s l

) Tỉ số giữa moment từ và moment động lượng nguyên tử:

const

g m

e L

~ r

Tông

ms mqđ

2 Tính chất từ của nguyên tử

2 Tính chất từ của nguyên tử

Ứng dụng trong kỹ thuật chụp ảnh cộng hưởng từ (MR)

Cuộn dây tạo sóng tần số vô tuyến (RF wave) Cuộn gradient

Nam châm

Bộ xsr lý tạo ành (Computer)

Bệnh nhân Khay đẩy

) Sử dụng từ trường mạnh để

sắp xếp các moment từ của các

nguyên tử H2 trong cơ thể, sau

đó, sóng tần số vô tuyến biến đổi

sự sắp xếp này ⇒ tạo ra tín hiệu

điện được nhận biết bởi bộ xử lý

thông tin (computer) dưới dạng

hình ảnh của vùng được quét trên

cơ thể.

) Ứng dụng chụp ảnh các mô mềm:

chiều quay ngược chiều CĐ của e- và có thêm CĐ phụ với

) CĐ của e- trên quĩ đạo quanh hạt nhân

giống CĐ của con quay có trục đối xứng

) Xét:

ª Nguyên tử có 1 e-, CĐ trên quĩ đạo

-vr

m pr

+

0

Br

α

ngoài Br0 , tạo với góc α

3 Nghịch từ và thuận từ

dt l

dr =Mr

0 0

2m B

e B

l

p dt

p l

dt B

p l

l

d

sin

sin

sin

α

α

= α

= θ

e m

r' B

e Δi.S'

2 2 2

0

2

ππ4

ª Do r’ ≠ const, nên:

m

B r

e

p m

4

' 2 0

2

= Δ

ª Nguyên tử có Z e- với các quĩ đạo

1

2 0

2

' 4

.

m

B r Z

= Δ

0

2 2

6m B

r Z

e

−

= Δ

ª Trường hợp nguyên tử có đối xứng cầu:

Hay:

2 Nghịch từ và thuận từHiệu ứng nghịch từ

2 Nghịch từ và thuận từ

điểm kết cặp của các điện tử

Vật liệu nghịch từ trong từ trường ngoài

6

m

r Z e

n p

n

−

= Δ

=

Mặt khác:

6m

r Z e μ

3 Nghịch từ và thuận từ

) Trong khối vật liệu thuận từ có tồn tại moment từ nguyên từ

moment từ tổng cộng bị triệt tiêu khi từ trường ngoài Br0 = 0

0

2 m m

3kT

p cos

p

p

0 = α =

) Coi α là góc giữa prm và Br0

⇒ hình chiếu trung bình của prm trên Br0

+ Quá trình từ hóa phụ thuộc nhiệt độ

) Kết luận:

+ Độ cảm từ > 0 và nhỏ

Vật liệu thuận từ trong từ trường ngoài

khối vật liệu bị từ hóa nhưng sẽ trở lại trạng thái cũ khiBr 0 ≠ 0: Br0 = 0

3kT

μ p

n 0 m 2 0

=χ

⇒ Độ cảm từ:

0

2 m

0 mB

3kT

p

n p

n

Từ trường tổng hợp trong vật liệu nghịch từ và thuận từ

3 Nghịch từ và thuận từ

) Khi bị từ hóa, xuất hiện từ trường phụ B’ ⇒ Br ' có mối liên hệ với

Mr

Thể tích 1 đơn vị dài của khối vật liệu

ª Độ từ hóa của khối vật liệu = Moment từ của toàn bộ khối vật liệu

) Mỗi nguyên tử sinh ra một dòng điện i ⇒ cảm ứng từ phụ B’ do các dòng điện này sinh ra trong lòng khối vật liệu : B’ = μ0 .n 0 .i

) Khối vật liệu có: + Tiết diện S, độ dài l ;

+ Mật dòng điện tròn n 0

) Từ trường tổng hợp trong khối vật liệu : Br = Br0 + Br'= Br0 + μ0Mr

H B

Br = μ0 r0 = μμ0

Đặt 1 + χm = μ ⇒

0 0

= χ

i.S n

M = 0 = 0 ⇒ B' = μ0M hay: Br'= μ0MrTức là:

4 Sắt từ

) Vật liệu thể hiện tính chất từ mạnh nhất (lực từ hay các đáp

cửu hoặc các cấu trúc mạch dẫn từ

Đặc điểm của vật liệu sắt từ

phức tạp vào trường ngoài

⇒ đường cong từ hóa

B

) Độ từ hóa tỉ lệ phi tuyến

với trường ngoài

Mức bão hòa

H (Oe)

M (A/m)

) H ngoài tăng từ H = 0

cho đến khi B đạt giá trị

bão hòa B s tại H a

B

H 0

B S

H a

4 Sắt từĐường cong từ hóa của vật liệu sắt từ

4 Sắt từĐường cong từ hóa của vật liệu sắt từ

lại đạt giá trị bão hào -Bs và

khi giảm → 0 ⇒ có giá trị -Br

rồi lại tăng để có giá trị Hc và

B r

H c -H c

4 Sắt từĐường cong từ hóa của vật liệu sắt từ

) Căn cứ đặc điểm đường cong từ trễ ⇒ phân loại vật liệu sắt từ

ª Sắt từ mềm: Chu trình trễ

hẹp (“gầy”), Br lớn, và Hc

mạch dẫn từ trong các bộbiến thế, máy phát điện…

Mn, Ni (mềm) hoặc

Co, BaCO3(cứng).

ª Kích thước 1 domain

~ 10-3-10-5 mm, chứa ~

) Trong cấu trúc vật liệu, các của

moment từ spin của từng nguyên tử

sắp xếp song song với nhau trong

từng vùng nhỏ (domain), nhưng

moment từ tổng cộng của từng

vùng nhỏ này có chiều khác nhau

moment từ spin

domain domain

moment từ tổng cộng

4 Sắt từThuyết miền từ hóa tự nhiên

(thuyết domain)

PIERRE-ERNEST

WEISS ( 1865 - 1940 )

phương trường ngoài

4 Sắt từThuyết miền từ hóa tự nhiên

(thuyết domain)

) Biên giới giữa các vùng – vách domain

Vách domain

4 Sắt từThuyết miền từ hóa tự nhiên (thuyết domain)

Định hướng theo phương trường ngoài

Bão hòa

Dịch vách bất thuận nghịch Dịch vách

thuận nghịch

4 Sắt từTính chất từ phụ thuộc nhiệt độ của sắt từ

ª T > T c ⇒ sắt từ trở thành thuận từ khi đặt trong trườngngoài ⇒ mất các tính chất đặc trưng của sắt từ cũng như một

số tính chất vật lý khác (nhiệt dung, độ dẫn điện )

ª T < T c ⇒ các tính chất đặc trưng của sắt từ được khôi phục

Vật liệu Nhiệt độ Curie ( 0 C)

4 Sắt từHiện tượng từ giảo (magnetostriction)

) Hiện tượng vật liệu sắt từ bị biến

dạng (dãn ra, co lại) trong quá trình

từ hóa

trạng thái từ hóa của vật liệu bị thay đổi

thiết bị ổn định tần số,…

) Đặc trưng bởi tỉ số thay đổi kích

thước tương đối (biến dạng) theo

~ l

l

Δl

H