chương 3 vật liệu từ

Chương : Vật liệu từ 11/08/15 Page 3.1 Khái niệm 3.2 Giải thích hiệu ứng từ 3.3 Tác dụng từ trường 3.4 Vật liệu từ cứng vật liệu từ mềm 3.1 Khái niệm Một số thiết bị điện cuộn cảm, máy biến áp, máy điện quay, cần sử dụng tính chất vật liệu từ Trong nhiều trường hợp nam châm vĩnh cửu sử dụng toàn phần phần máy điện loa âm Nguồn gốc moment từ chất rắn liên quan đến yếu tố sau Sự tồn spin điện tử Có thể hiểu điện tử có spin hướng lên xuống, tức có hai giá trị +1/2 hay - 1/2 Sự tồn moment quỹ đạo động lượng điện tử chuyển động quanh hạt nhân Ta viết dạng cổ điển: L = m.[r.v] Trong r véctơ bán kính quỹ đạo; v véctơ vận tốc điện tử m khối lượng điện tử Về giá trì lượng tử = l(l+1)h, số lượng tử quỹ đạo l = 0, , 2, 3, , (n - 1), tương ứng với trạng thái lượng tử s, p, d, f, Sự thay đổi mô men quỹ đạo có từ trường tác dụng, gọi moment cảm ứng 11/08/15 Page Hai yếu tố đầu gây thành phần từ hoá thuận từ, yếu tố thứ gây từ hoá ịch từ Trong kim loại hợp kim cần để ý đến đóng góp khí điện tử tự Ví dụ, trạng thái nguyên tử hydro trạng thái ls có moment quỹ đạo moment từ nguyên tử liên quan đến spin điện tử, spin song song với mô men nghịch từ cảm ứng yếu Còn trạng thái ls2 nguyên tử he li moment spin vâ quỹ đạo mô men cảm ứng nguyên tử khí trơ có số điện tử điền số điện tử luôn chẵn mô men spin quỹ đạo Các mộ men khác nguyên tử chưa điền đầy 11/08/15 Page Véctơ từ hoá M xác định moment từ đơn y.ì thể tích Độ từ hoá đơn vị thể tích định nghĩa B cường độ cảm ứng từ từ trường vĩ mô = oM Bo Độ từ hoá đại lượng không thứ nguyên thường tính theo đơn vị khối lượng mol Các chất có < nghịch từ, > thuận từ Việc xếp trật tự môment từ dẫn tới cắc trạng thái phức tạp sắt từ ferit từ, phản sắt từ, helical (xoắn ốc) v.v Hiện tượng thuận từ hạt nhân liên quan đến mô men từ hạt nhân Các moment hạt nhân nhỏ điện tử hàng ngàn lần 11/08/15 Page 3.1.1 Từ trường vật nhiễm từ Nếu đặt vào vật từ trường H không đổi xuất cảm ứng từ B = àH thể tích V vật tác dụng trường vật bị nhiễm từ xuất moment từ M Tỷ số moment từ thể tích V vật gọi độ nhiễm từ J Trường hợp độ nhiễm từ không đồng dM Jm = dV Độ nhiễm từ đại lượng vectơ vật nhiễm từ đồng nhất, vectơ nhiễm từ có phương song song đối song song với vectơ từ trường Trong hệ SI đơn vị moment từ M Wb.m, đơn vị J Wb/m2 Tỷ số độ nhiễm từ cảm ứng từ gọi độ cảm từ (hoặc độ từ hoá) = 11/08/15 Page Jm J = m Bo o H Khi đặt vật bị nhiễm từ vào từ trường H xuất từ trường riêng có phương song song đối song song với từ trường Gọi cảm ứng từ từ trường Bo, cảm ứng từ riêng vật Bi cảm ứng từ vật B B = Bo + Bi Thực nghiệm Bi = J m = Bo B = (1 + ) Bo = 1+ gọi độ từ thẩm B = àBo = àà o H 11/08/15 Page 3.1.2 Tính chất từ nguyên tử Hiệu ứng từ điện tử sinh ratừ ba cách : hiệu ứng từ điện tích chuyển động chuyển động chân không hay dây dẫn, điện tử giống hạt mang điện tích khác tạo từ trường hiệu ứng từ spin: theo quan niệm vật lý cổ điển coi điện tử cô lập điện tích âm nhỏ bé quay với moment động lượng spin nội S hiệu ứng từ chuyển động qũy đạo : Mỗi nguyên tử gồm hạt nhân mang điện tích dương, xung quanh có điện tử chuyển động theo quỹ đạo khép kín Những điện tử chuyển động xung quanh hạt nhân tương đương với dòng điện tròn nhỏ gọi dòng điện nguyên tố Dòng điện sinh moment từ quỹ đạo nguyên tử bị từ trường tác dụng 11/08/15 Page a) Moment quỹ đạo nguyên tử Nguyên tử nguyên tố bầt kỳ cấu tạo từ hạt nhân mang điện tích dương vỏ điện tử Chuyển động điện tử tương đương với dòng điện nguyên tố có chiều ngược với chiều quay p orb hạt nhân điện tử r Dòng điện nguyên tố ứng với điện tích chuyển động đơn vị thời gian viết sau I= 11/08/15 Page e e = chu ky 2r v Dòng điện làm xuất moment từ morb gọi moment từ quỹ đạo morb = I S = I (r ) = ev evr ( r ) = r Vì có nhiều khả sinh từ tính tất vật rắn có từ tính? Câu trả lời mức độ vật rắn có từ tính Có vật mà từ lực yếu đến mức ta phát đầu ngón tay Thông thường ta nói từ tính ta hiểu tính sắt từ Có thể hiểu đa số trường hợp, moment từ điện tử vật rắn tổ hợp cho chúng khử lẫn để không hiệu ứng từ vật rắn Chỉ điều kiện đặc biệt cho phép moment lưỡng cực từ xếp hướng hiệu ứng có 11/08/15 Page d) Độ từ thẩm Giả thiết điểm P vật liệu, vectơ cảm ứng từ B cường độ từ trường H độ cảm từ tuyệt đối tỷ lệ I = H độ cảm từ tương đối r M r = H Độ từ thẩm vật liệu từ đại lượng xác định = + = ( + r ) àr độ từ thẩm tương đối xác định àr = 11/08/15 Page 10 3.3 Tác dụng từ trường Từ trường gây giảm điện trở suất vật liệu từ làm tăng điện trở suất kim loại khác Hiệu ứng gán cho độ lệch quỹ đạo chuyển động điện tử từ trường Hiệu ứng nhạy cảm nhiệt độ thấp hướng từ trường vuông góc với dòng điện 3.3.1 Hiệu ứng Hall Nếu ta đặt kim loại có dòng điện chiều qua vào từ trường ngang hai mặt kim loại xuất hiệu điện B I V Cảm ứng từ B làm xuất lực tác dụng lên điện tử chuyển động có xu dịch chuyển quỹ đạo chuyển động chúng Trong trình độ ta thấy có cân điện tích hai mặt kim loại Các điện tích gây nên điện trường E sinh lực dE có xu kéo điện tử theo quỹ đạo chuyển động ban đầu 11/08/15 Page 41 chế độ xác lập, điểm M, lực dF dE cân ta có phương trình E = R H ( J B) dF = ( J B) dv dE = ( N E E ) dv B E J RH Hiệu điện xuất hai mặt xác định sau U = vectơ cảm ứng từ cường độ điện trường mật độ dòng điện số Hall RH IB d đo d chiều dày dải kim loại Kim loai Nhôm Al Bạc Ag Đồng Cu Sắt Vàng Au Kẽm Zn 11/08/15 Page 42 RH 10-11 m3/C -3 -8,4 -5,5 +100 -7,2 +3,3 3.3.2 Hiệu ứng Kelvin hay hiệu ứng bề mặt: điện trở vật dẫn tần số cao Hiện tượng tự cảm không xảy mạch điện mà xảy lòng dây dẫn có dòng điện biến đổi chaỵ qua Khi tính lan truyền dòng điện xoay chiều vật dẫn, tượng tự cả, dòng điện không chạy qua lòng dây dẫn, mật độ dòng điện qua tiết diện vật dẫn số mà tăng dần từ khu trung tâm phía bên Chênh lệch lớn tần số cao chiều dày dẫn điện 2a Hiệu ứng bề mặt vật dẫn hình trụ: tần số cao, dòng điện dẫn qua vùng bề mặt vật dẫn có chiều dày 11/08/15 Page 43 Về mặt vật lý, tượng giải thích thực dòng điện bên vật dẫn sinh thông lượng làm xuất có xu hướng đối ngược với thay đổi thông lượng Giả sử dòng điện từ lên Dòng điện sinh lòng dây dẫn từ trường Vì dòng điện biến đổi nên từ trường sinh biến đổi theo Từ thông gửi qua tiết diện có chứa trục đối xứng dây dẫn thay đổi Kết dây dẫn xuất dòng điện khép kín Theo định luật Lentz, dòng điện tự cảm sinh từ trường khác ngược chiều với từ trường ban đầu phần mặt dây dẫn, chiều với dòng điện cao tần, phần dòng điện tăng cao Ngược lại lòng dây dẫn, ngược chiều với dòng điện cao tần phần dòng điện giảm Đối với vật dẫn, ta giả thiết phần lớn dòng điện dẫn qua bề mặt dây dẫn với chiều dày Trong trung tâm vật dẫn, dòng điện bé bỏ qua 11/08/15 Page 44 Chiều dày dẫn điện vật dẫn phụ thuộc vào tần số dòng điện Tần số cao, chiều dày dẫn điện bé xác định = 1 o r - tần số quay =2f - điện dẫn suất vật liệu ( không đổi đến tần số 1014 Hz) àr - độ từ thẩm tương đối vật liệu Nếu ta biết chiều dày dẫn điện theo hiệu ứng bề mặt ta tính điện trở đơn vị chiều dài kim loại S S = a ( a ) 2a R= Phương trình cho thấy, tần số cao, bé điện trở vật dẫn lớn Hiệu ứng bề mặt có vai trò quan trọng, hạn chế sử dụng vật dẫn tần số đặc biệt cao Ví dụ tần số đạt vượt ngường gigahertz (109 Hz) việc truyền tín hiệu xa dây dẫn điện thông thường trở thành không thực đưọc Tần số dòng điện cao, tác dụng dòng điện tự cảm mạnh, phần dòng điện chạy qua ruột dây dẫn giảm Vì lý dùng dây dẫn có dòng điện cao tần người ta làm dây dẫn rỗng để tiết kiệm kim loại 11/08/15 Page 45 3.3.3 Dòng điện Foucault Khi ta đặt dây dẫn từ trường biến thiên vật dẫn xuất dòng điện cảm ứng khép kín gọi dòng điện xoáy hay dòng điện Foucault Vì vật dẫn có có điện trở nhỏ nên cường độ dòng Foucault thường kha lớn Mặt khác suất điện động cảm ứng biến thiên tỷ lệ với tốc độ biên sthiên từ thông, nên vật dẫn đặt từ trường biến đổi nhanh dòng điện có tần số cao cư ờng độ dòng Foucault mạnh Trong máy biến áp điện, động điện dòng điện Foucault xuất làm phát sinh tổn hao dạng nhiệt theo định luật Joule-Lentz Phần lượng bị tiêu hao cách vô ích, làm cho thiết bị bị nóng giảm hiệu suất máy Để giảm dòng điện người ta không sử dụng khối kim loại làm lõi mà dùng nhiều kim loại mỏng (một vài phần mười mm) sơn cách điện ghép lại với 11/08/15 Page 46 3.4 Vật liệu từ cứng vật liệu từ mềm 3.4.1 Định nghiã Dựa động thái chu trình từ trễ loại vật liệu từ chia thành hai loại vật liệu sắt từ cứng sắt từ mềm kháng từ cao vật liệu từ cứng vật liệu từ mềm Vật liệu từ mềm có trường khử từ Hc nhỏ, chu trình từ trễ loại vật liệu này hẹp Từ trư ờng dư loại sắt mạnh lại dễ bị khử Đường cong từ trễ có diện tích bé hẳn so với vật liệu từ cứng, điều có nghĩa tổn hao chu kỳ từ bé Vật liệu từ mềm sử dung cho nơi mà chu trình lặp lại từ hoá khử từ đặt ví dụ lõi từ máy điện, máy biến áp có lực kháng từ thấp độ từ thẩm cao 11/08/15 Page 47 Vật liệu từ cứng từ trường khử từ Hc lớn, từ trường dư loại sắt từ vừa mạnh lại vừa bền vững nên khó từ hoá khử từ Chu trình từ trễ rộng vuông góc Từ trường khử từ vật liệu từ cứng lớn hàng triệu lần so với vật liệu từ mềm Vì chúng dùng để luyện nam châm vĩnh cửu Sử dụng nam châm vĩnh cửu liên quan đến lĩnh vực sau : động cơ, máy phát thiết bị quay khác, loa âm thanh, dụng cụ đo lường Chức nam châm vĩnh cửu tạo từ trường Điều cho thấy nam châm vĩnh cửu thường có hai cực vùng mà vectơ từ hoá I có hướng vuông góc với mặt bề mặt Một mẫu vật liệu từ cứng nam châm sau chịu tác dụng từ trường Hmag dẫn đến thay đổi không thuận nghịch độ cảm từ I làm xuất cực Cường độ từ trường khử từ ban đầu chưa tồn tạo ổn định giá trị Hd Hmag trở không ứng với cảm ứng từ Ba Đoạn thẳng OP gọi đoạn thẳng nạp từ 11/08/15 Page 48 3.4.2 Độ từ thẩm ban đầu độ từ thẩm cực đại Dùng độ từ thẩm tương đối àr để đặc trưng cho từ hoá vật liệu, àr tính đơn giản từ đư ờng cong từ trễ dốc àrmax B B dốc àriào P =àoH =àoH H H Từ đường cong từ trễ ta thấy độ từ thẩm tương đối àr = M H số điều phụ thuộc vào cường độ từ trườn Định nghĩa độ từ thẩm tương đối ững với đoạn thẳng qua gốc toạ độ điểm P Nếu đường qua gốc toạ độ điểm đường cong từ hoá ban đầu có độ dốc có giá trị cực đại đường ứng với độ từ thẩm cực đại 11/08/15 Page 49 3.4.3 Tổn hao sắt từ Người ta phân biệt ba loại tổn hao từ : tổn hao trễ từ, tổn hao dòng Foucault, tổn hao dư a) Tổn hao từ trễ Tổn hao từ trễ lực hãm tỳ lên thành Block sinh chuyển động Diện tích vòng từ trễ tỷ lệ với công từ hoá đơn vị thể tích vật sắt từ Trong trình khử từ ngược, công biến hoàn toàn thành nhiệt b) Tổn hao dòng Foucault c) Tổn hao từ dư 11/08/15 Page 50 3.4.4 Các vật liệu từ mềm: ví dụ ứng dụng Một vật liệu từ mền lý tưởng loại có Hc=0, Bbh lớn, độ từ thẩm àri àrmax lớn với tổn hao bé Sắt tinh khiết vật liệu sắt từ mềm sử dụng máy điện (trừ số ứng dụng đặc biệt rơ le) điện dẫn lớn làm xuất dòng điện xoáy cảm ứng lớn từ trường biến thiên, dẫn đến tổn hao Thêm lượng nhỏ silic vào sắt làm tăng điện trở suất giảm tổn hao dòng điện xoáy Loại vật liệu từ sử dụng cho máy biến lực máy điện Vật liệu Săt từ (thương mại, 2% tạp chất) Sắt silicon (Fe 2-4% Si) àoHc (T) Bsat (T) [...]... những vật liệu sắt từ Ngoài ra còn một số đất hiếm cùng một số hợp kim của mangane với nhôm và đồng Nếu nhiệt độ của vật vượt quá nhiệt độ nào đó thì liên kết trao đổi mất hiệu lực, các vật liệu trở thành chất thuận từ Nhiệt độ đó gọi là nhiệt độ Curie Với sắt nhiệt độ Curie băng 10 43 K (770 C) Khác với nghịch từ và thuận từ là những vật liệu từ yếu, sắt từ là một loại vật liệu từ mạnh Độ cảm từ của... Sự nhiễm từ của vật sắt từ còn kèm theo sự thay đổi kích thước và hình dạng của vật Hiện tư ợng này gọi là từ giảo 11/08/15 Page 26 d) Ferrite từ Ferrit từ là vật liệu gồm các oxýt sắt từ nhưư FeOFe2O3, Mn3 Fe5O12, Y3Fe5O12, Trong các oxyt này độ lớn cửa các moment từ của các ion khác nhau, nên sau khi khử các moment từ phản song song, moment từ tổng hợp khác không Nhiệt độ Curie của ferrit từ: coi... học của vật sắt từ, lúc này độ từ cảm 0 Quan hệ giữa B và H được thể hiện dưới dạng đường cong gọi là đường cong từ trễ của vật sắt từ Khi đốt nóng các vật sắt từ, tính chất từ của chúng sẽ thay đổi, các giá trị , à, Jm giảm v.v Với mỗi vật sắt từ , tồn tại nhiệt độ C mà tại đó tính chất sắt từ biến mất Nhiệt độ này được gọi là nhiệt độ Curie Cao hơn nhiệt độ này vật liệu trở thành chất thuận từ Sự... 11/08/15 Page 32 Từ đây ta có độ cảm từ tương đối của chất nghịch từ Ne2 Zr 2 r = 6 me Biểu thức này chứng tỏ rằng độ cảm từ không phụ thuộc vào cảm ứng từ, không phụ thuộc vào bd và tỷ lệ thuận với số thứ tự Z của nguyên tố nghịch từ trong bảng hệ thôngs tuần hoàn của Mendeleep 11/08/15 Page 33 3. 2 .3 Hiện tượng sắt từ Các kim loại chuyển tiếp như sắt, coban và nikel là những vật liệu sắt từ ở nhiệt... thuận từ cũng có nhưng khác với nghịch từ, chất thuận từ khi bị từ hoá sẽ sinh ra từ trư ờng phụ B' hướng song song với từ trường bên ngoài và có xu hướng làm tăng từ trường cực đại Tính chất này thể hiện trong những chất mà khi chưa có từ trường ngoài, moment từ của nguyên tử hay phân tử khác không (m0) ở nhiệt độ thường độ cảm từ có giá trị dương nằm trong khoảng từ 10 -3 đến 10-6 Ngoài ra ở các vật. .. thường độ cảm từ có giá trị dương nằm trong khoảng từ 10 -3 đến 10-6 Ngoài ra ở các vật thuận từ, độ từ cảm phụ thuộc vào nhiệt độ 11/08/15 Page 21 11/08/15 Page 22 Vật liệu r Vật liệu r Na 8,6.10-6 Pt 1,2.10-5 Al 7,7.10-6 U 3, 3.10-5 Mn 1,2.10-6 CoO 0,75.10 -3 Ta 1,1.10-6 Fe3C* 3, 7.10-5 W 3, 5.10-6 Fe 2,5.10-5 c) Sắt từ Đối với sắt và một số nguyên tố khác như coban, kền và các hợp kim, một tương tác đặc... gadolinium Gd, dysprosium Dy là những vật liệu từ ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ bình thường Đó là những vật liệu có vectơ từ hoá M tồn tại ngay cả khi không có tác dụng của từ trường ngoài Chính vì thế nên độ cảm từ của chúng rất lớn Các tính chất sắt từ được giải thích nhờ thuyết Weiss-Landau về cấu tạo đặc biệt của sắt từ gọi là miền từ hoá Theo thuyết này, vật sắt từ có cấu tạo bởi vô số các miền nhỏ... N, từ độ được xác định bởi I = N mtb = N m2 B I và B luôn cùng chiều 3kT Từ đây có thể suy ra độ cảm từ của các chất thuận từ r = N m 2 3kT = C T C gọi là hằng số Curie 11/08/15 Page 31 3. 2.2 Lý thuyết nghịch từ - Neel Ta hãy tính độ cảm từ của các chất nghịch từ Khi đặt trong từ trường ngoài, trong mỗi nguyên tử xuất hiện một moment từ phụ mm xá định bởi công thức e 2 Zr 2 mm = B 6me trong đó e và... rõ chủ yếu ở những chất mà khi chưa đặt trong từ trường ngoaì, tổng moment từ của các nguyên tử bằng không Đối với các chất nghịch từ, chúng bị nhiễm từ theo phương ngược với phương của từ trường ngoài, vectơ từ hoá luôn luôn hướng ngược với với vectơ cảm ứng từ Độ cảm từ luôn có giá trị âm và rất yếu 11/08/15 Page 18 ... 46 3. 4 Vật liệu từ cứng vật liệu từ mềm 3. 4.1 Định nghiã Dựa động thái chu trình từ trễ loại vật liệu từ chia thành hai loại vật liệu sắt từ cứng sắt từ mềm kháng từ cao vật liệu từ cứng vật liệu. .. khử từ Hc lớn, từ trường dư loại sắt từ vừa mạnh lại vừa bền vững nên khó từ hoá khử từ Chu trình từ trễ rộng vuông góc Từ trường khử từ vật liệu từ cứng lớn hàng triệu lần so với vật liệu từ. .. liệu từ mềm Vật liệu từ mềm có trường khử từ Hc nhỏ, chu trình từ trễ loại vật liệu này hẹp Từ trư ờng dư loại sắt mạnh lại dễ bị khử Đường cong từ trễ có diện tích bé hẳn so với vật liệu từ cứng,