vật liệu từ và ứng dụng

Đó là vật liệu từ cứng, vật liệu từ mềm và vật liệu ghi từ.Trong khuôn khổ bài tiểu luận này, em xin trình bày một số vấn đề cơ bản của baloại vật liệu từ đã được phân loại như trên và m

Về mặt ứng dụng, trong công nghiệp và đời sống hằng ngày, người ta chia vậtliệu từ thành ba loại chính Đó là vật liệu từ cứng, vật liệu từ mềm và vật liệu ghi từ.Trong khuôn khổ bài tiểu luận này, em xin trình bày một số vấn đề cơ bản của baloại vật liệu từ đã được phân loại như trên và một số ứng dụng của chúng Nội dungcủa bài tiểu luận gồm các phần như sau:

Chương 1: Tổng quan về ba loại vật liệu từ

Chương 2: Vật liệu từ mềm ferit spinel và vật liệu từ cứng ferit hecxagonal

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BA LOẠI VẬT LIỆU TỪ

 Các loại thép nam châm

 Các nam châm trên cơ sở hợp kim sắt từ mà điển hình là các nam châm hợpkim AlNiCo

 Các nam châm ferit

 Các nam châm đất hiếm trên cơ sở coban

 Các nam châm đất hiếm NdFeB

Các vật liệu từ cứng được sử dụng làm nam châm vĩnh cửu, ứng dụng trong rấtnhiều lĩnh vực khác nhau của đời sống và kỹ thuật Nam châm vĩnh cửu được sửdụng ở dạng đơn giản trong các thiết bị như các động cơ, máy phát, khởi động điện

từ, loa điện động … và trong các linh kiện công nghệ cao như các các cảm biến, đĩaghi từ mật độ cao, vi khởi động điện từ… Trong tình trạng khủng hoảng về nănglượng và ô nhiễm môi trường như hiện nay, vấn đề sử dụng các nguồn năng lượngtái tạo lại đang được toàn thế giới đặc biệt quan tâm và phát triển mạnh mẽ Namchâm vĩnh cửu đóng vai trò quan trọng không thể thiếu được trong hầu hết các thiết

bị chuyển đổi các dạng năng lượng đó thành năng lượng điện

Có thể phân loại các ứng dụng của nam châm vĩnh cửu trong các thiết bị trên

cơ sở tác dụng của chúng như sau:

 Nam châm vĩnh cửu dùng để biến đối điện năng thành cơ năng (cácloại động cơ) và biến đổi cơ năng thành điện năng (các loại máy phát)

 Nam châm vĩnh cửu dùng để tạo lực tác dụng lên các vật liệu dẫn từ(vật liệu từ mềm, biến thế, nâng bằng từ, đồ chơi, vật liệu từ gia dụng,v.v…)

Một số loại nam châm vĩnh cửu đã chế tạo được từ vật liệu từ cứng là:

+) Nam châm AlNiCo: là loại nam châm được chế tạo từ các hợp kim củanhôm, niken, côban và một số các phụ gia khác như đồng, titan… Đây là loại namchâm cho từ dư cao (tới 1.2 - 1.5 T) nhưng có lực kháng từ chỉ xung quanh 1kOe,đồng thời giá thành cũng khá cao nên hiện nay tỉ lệ sử dụng ngày càng giảm dần +) Ferrite từ cứng: là loại nam châm vĩnh cửu được chế tạo từ các ferit từcứng (như ferit Ba, Sr…) là các vật liệu dạng gốm và có thể bổ sung các nguyên tốđất hiếm để cải thiện tính từ cứng Loại nam châm này có hàm lượng ôxy cao nên có

từ độ khá thấp, có lực kháng từ từ 3 đến 6 kOe, có khả năng cho tích năng lượng từcực đại lớn nhất không quá 6MGOe Hiện nay loại nam châm này chiếm tới hơn50% thị phần sử dụng do những ưu điểm về giá thành cực rẻ, chế tạo và gia công rất

và có lực kháng từ cực lớn (tới vài chục kOe) nhờ cấu trúc dạng lá đặc biệt Vì thế,loại nam châm này được sử dụng trong các ứng dụng nhiệt độ cao (ví dụ trong động

cơ phản lực )

Nam châm NdFeB (neodymium): là hệ các nam châm dựa trên hợp chấtR2Fe14B (R là ký hiệu chỉ các nguyên tố đất hiếm ví dụ như Nd, Pr ) có cấu trúc

tinh thể kiểu tứ giác với lực kháng từ lớn (hơn 10 kOe) và từ độ bão hòa rất cao (tới1,56 T) nên là loại nam châm vĩnh cửu mạnh nhất hiện nay với khả năng cho tíchnăng lượng từ tới 64 MGOe (tính toán theo lý thuyết) Năm 1983 nam châmNd2Fe14B lần đầu tiên được phát minh bởi R Sagawa (Nhật Bản) có tích năng lượng

từ 57 MGOe Tuy nhiên, loại nam châm này lại không thể sử dụng ở nhiệt độ cao do

+) Nam châm tổ hợp nano: là loại nam châm mới ra đời từ đầu thập kỷ 90của thế kỷ 20, có cấu trúc tổ hợp của 2 pha từ cứng và từ mềm ở kích thướcnanomet Các pha từ cứng (chiếm tỉ phần thấp) cung cấp lực kháng từ lớn, pha từmềm cung cấp từ độ lớn Tính chất tổ hợp này có được là nhờ liên kết trao đổi đànhồi giữa các hạt pha từ cứng và từ mềm ở kích thước nanomet Loại nam châm nàyđược tính toán có khả năng cho tích năng lượng từ khổng lồ hơn 3 lần so với namchâm mạnh nhất hiện nay là NdFeB nhưng thực nghiệm mới chỉ đạt được rất nhỏ sovới lý thuyết và các sản phẩm thực nghiệm mới trong giai đoạn sản xuất thử nghiệm Ngoài ra còn nhiều loại nam châm với các tính chất khác nhau nữa Tùy theonhu cầu sử dụng mà người ta chế tạo các loại nam châm khác nhau Những lĩnh vựcứng dụng chủ yếu của các nam châm là loa điện, môtơ điện, các thiết bị đo điện,…Trong vài năm gần đây phạm vi ứng dụng nam châm vĩnh cửu mở rộng rất nhiều,

Hình 1.1 Hình ảnh nam châm đất hiếm NdFeB

được sử dụng trong ổ cứng máy tính.

Vật liệu từ và ứng dụng

đặc biệt trong các ngành điện, điện tử, giao thông vận tải, y sinh học Các máy phátđiện chạy bằng sức gió, sức nước dùng động cơ nam châm vĩnh cửu góp phần bổsung nguồn năng lượng thiếu hụt và ngày càng đắt đỏ trên trái đất, các môtơ mộtchiều cho xe đạp, xe máy, ôtô chạy điện giảm ô nhiễm môi trường Các viên từ chữađau đầu, đau khớp, huyết áp cao… được sử dụng ngày một phổ biến Đặc biệt cáchạt bột từ cỡ nano mét trong chất lỏng từ để tải thuốc tới chữa trị các khối u đangđược quan tâm nghiên cứu Chính bởi những ứng dụng hết sức phong phú và đa dạng này mà sản lượng nam châm không ngừng được phát triển

-1.1.2 Ứng dụng của vật liệu từ mềm

Các vật liệu từ mềm rất đa dạng, khối lượng sử dụng lớn, được ứng dụng

trong nhiều lĩnh vực khác nhau Các vật liệu từ mềm được sử dụng làm các vật dẫn

từ trong các đường dây tải điện, các máy biến thế, các máy điện, các rơle, các máy

đo, lõi các cuộn cảm, các màn chắn từ, Vật liệu từ mềm đóng vai trò như mộtkhuếch đại cảm ứng từ Ngoài ra, còn có một số yêu cầu riêng cho các ứng dụng cụthể Ví dụ, khi vật liệu từ mềm được dùng làm màn chắn từ để chắn không chođường sức từ xuyên qua nó thì yêu cầu chủ yếu của vật liệu là, độ từ thẩm ban đầuμ0 và độ từ thẩm cực đại μmax phải cao Nếu dùng vật liệu từ mềm làm biến thế xungthì đường từ hóa ban đầu của vật liệu càng dốc đứng thì tốc độ tăng xung càng lớn

Có nhiều loại vật liệu từ mềm đã được nghiên cứu, ché tạo và ứng dụng vớicác mục đích khác nhau Các vật liệu từ mềm chính có thể kể đến là:

- Kim loại, hợp kim từ mềm (sắt tinh khiết kỹ thuật, thép kỹ thuật điện,permalloys… )

- Điện môi từ

- Ferit từ mềm

- Vật liệu từ mềm vô định hình và có kích thước nanomet

Vật liệu từ mềm được ứng dụng làm lõi dẫn từ trong máy biến thế, lõi cuộn cảm,lõi tạo từ trường trong nam châm điện, cảm biến đo từ trường… Các vật liệu ferit cóđiện trở suất lớn (tới 106 cm) được sử dụng rất hiệu quả trong lĩnh vực cao tần.Nhiều loại vật liệu có tính từ giảo được sử dụng làm thiết bị siêu âm

Máy biến thế hay máy biến áp là thiết bị điện có thể thay đổi hiệu điện thế xoaychiều, tăng thế hoặc hạ thế, đầu ra cho một hiệu điện thế tương ứng với nhu cầu sửdụng và đóng vai trò rất quan trọng trong truyền tải điện năng Cấu tạo cơ bản củamáy biến thế thường là hai hay nhiều cuộn dây đồng cách điện được quấn trên cùngmột lõi sắt hay sắt từ ferit (hình 1.2)

Cuộn cảm là một linh kiện điện tử thụ động, thường dùng trong mạch điện códòng điện biến đổi theo thời gian (như các mạch điện xoay chiều) Cuộn cảm có tácdụng lưu trữ năng lượng ở dạng từ năng (năng lượng của từ trường tạo ra bởi cuộncảm khi dòng điện đi qua) và làm dòng điện bị trễ pha so với điện áp một góc bằng90° Hình 1.3 là một ví dụ về cuộn cảm có lõi làm bằng ferit

Nam châm điện là một dụng cụ tạo từ trường hay một nguồn sản sinh từtrường hoạt động nhờ từ trường sinh ra bởi cuộn dây có dòng điện lớn chạy qua.Cảm ứng từ của nam châm điện được dẫn và tạo thành lớn nhờ việc sử dụng một lõi

Hình 1.3 Ảnh chụp các lõi ferrite trong các cuộn cảm sử dụng ở tần số cao

(dẫn sóng, tách sóng).

Hình 1.2 Hình ảnh bên trong của một máy

Vật liệu từ và ứng dụng

dẫn từ làm bằng vật liệu từ mềm có độ từ thẩm lớn và cảm ứng từ bão hòa cao Khácvới nam châm vĩnh cửu có cảm ứng từ cố định, nam châm điện có cảm ứng từ có thểthay đổi được nhờ việc điều khiển dòng điện chạy qua cuộn dây Nam châm điện lầnđầu tiên được phát minh bởi nhà điện học người Anh William Sturgeon (1783-1850)vào năm 1825 (hình 1.4)

-Nam châm điện của Sturgeon là một lõi sắt non hình móng ngựa có một sốvòng dây điện cuốn quanh Khi cho dòng điện sinh ra bởi một pin nhỏ chạy qua, lõisắt bị từ hóa và cảm ứng từ sinh ra đủ mạnh để hút lên được một hộp sắt nặng 7ounce Khi ngắt dòng điện, từ trường của lõi cũng biến mất

Cảm biến đo từ trường hiện nay thường dùng các màng mỏng từ mềm Hình1.5 là cấu tạo của một cảm biến sử dụng hiệu ứng từ trở (Magnetoresistance - MR -

là sự thay đổi điện trở suất của vật liệu dưới tác dụng của từ trường ngoài) và mộtcảm biến sử dụng hiệu ứng từ trở khổng lồ (Giant Magnetoresistance - GMR - là sựthay đổi lớn của điện trở ở các vật liệu từ dưới tác dụng của từ trường ngoài) Haiđầu cảm biến là hai lớp chắn từ không cho từ trường bên ngoài làm ảnh hưởng đếnlớp ở giữa Ở giữa là màng đa lớp gồm 4 lớp màng mỏng: lớp sensing (làm từ NiFe),lớp spacer (vật liệu đồng), lớp pinned (làm từ Co) và lớp exchange Ba lớp đầu rấtmỏng, cho phép các electron dẫn có thể di chuyển tự do từ lớp sensing sang lớppinned và ngược lại thông qua lớp spacer Hướng từ hóa của lớp pinned là cố định,trong khi hướng từ hóa của lớp sensing có thể thay đổi theo từ trường ngoài Khi lớppinned và lớp sensing có cùng hướng mômen từ, các điện tử có spin song song với

Hình 1.4 Hình ảnh nam châm điện đầu tiên làm từ một lõi sắt non.

mômen từ này sẽ di chuyển tự do trong cả hai lớp màng mỏng, và điện trở thu được

là nhỏ Khi ta đổi hướng từ hóa lớp sensing, lớp pinned và lớp sensing có mô men từngược hướng nhau, thì khi đó điện tử có spin hướng lên bị cản trở bởi một lớp màng

từ, và điện tử có spin hướng xuống sẽ bị cản trở bởi lớp màng từ còn lại, kết quả làđiện trở thu được rất lớn

1.2 Các yêu cầu về tính chất từ của vật liệu từ cứng và vật liệu từ mềm

Tính mềm/cứng không nằm ở tính chất cơ học, mà nằm ở khả năng khó hay

dễ bị từ hoá và khử từ Như vậy, thông số ban đầu nói lên tính cứng/mềm là giá trịlực kháng từ HC Các đường cong từ trễ ở hình 1.6 là một cách phân chia tương đốivật liệu từ mềm/cứng Ta thấy rằng các vật liệu từ mềm có giá trị HC nhỏ (thườngdưới 102 Oe Trong khi các vật liệu từ cứng có HC lớn trên 102 Oe

Hình 1.5 Cấu tạo của cảm biến MR và cảm biến GMR

sử dụng trong ổ đĩa cứng.

Vật liệu từ và ứng dụng

-Ba yêu cầu chung cho các vật liệu từ mềm là:

 Từ hóa dễ, nghĩa là khi từ trường ngoài H đặt vào để từ hóa vật liệu vớigiá trị nhỏ mà cảm ứng từ B đã đạt được khá lớn (vật liệu có giá trị μ0 lớn, μmax lớn

và Hc nhỏ)

 Cảm ứng từ cực đại Bs có giá trị cao Điều này có nghĩa là, các vật liệu từmềm với một thể tích không đổi, số đường sức từ qua nó càng nhiều càng giảm đượckích thước của vật liệu sử dụng

Có thể hai điều kiện trên không thỏa mãn đồng thời trong 1 loại vật liệu

 Khi sử dụng các vật liệu từ mềm trong từ trường xoay chiều sẽ xuất hiệntổn hao, yêu cầu tổn hao càng nhỏ càng ít

Vật liệu từ mềm có độ từ thẩm μ phải càng lớn càng tốt, vì ta biết quan hệB=μμ0.μ.H, nghĩa là nếu ta có giá trị μ lớn, ta có thể tạo ra một cảm ứng từ rất lớn chỉbằng một từ trường ngoài không cần lớn Độ từ thẩm của vật liệu từ mềm khôngnhững lớn, mà còn phụ thuộc vào từ trường, vì thế, người ta còn dùng hai thông số

về độ từ thẩm của vật liệu từ mềm để nói lên tính "mềm" của nó, đó là:

- Độ từ thẩm ban đầu i (initial permeability) là độ từ thẩm tại giá trị H=μ0, được

- Độ từ thẩm cực đại max (maximum permeability) là giá trị cực đại của độ từthẩm, không phụ thuộc vào từ trường ngoài, chỉ phụ thuộc vào bản chất vật liệu.

Đối với vật liệu từ mềm, một thông số khác mà người ta quan tâm đến là tổnhao trễ, hay năng lượng bị mất mát trong một chu trình từ trễ (hysteresis loss), đượctính bằng diện tích giới hạn bởi đường cong từ trễ Vật liệu từ mềm tốt, ngoài cácyếu tố HC nhỏ, μ cao, IS lớn, còn cần có tổn hao trễ càng nhỏ càng tốt Nhưng khi vậtliệu được sử dụng trong từ trường xoay chiều (ví dụ như lõi biến thế), lại phát sinh

ra một tổn hao khác đáng chú ý, đó là tổn hao dòng xoáy (Eddy current loss) do khiđặt vào từ trường xoay chiều, xuất hiện dòng Foucault chạy kín trong lõi làm toảnhiệt trên lõi Công suất toả nhiệt được cho bởi công thức:

Hình 1.7 Đường cong từ trễ của vật liệu từ mềm

và các thông số đặc trưng của nó trên đường trễ.

Vật liệu từ và ứng dụng

 

 (1.2)

với BS là cảm ứng từ bão hoà của lõi (vật liệu từ mềm chỉ cần bão hoà từ trong từtrường rất nhỏ so với IS nên cũng có thể nói rằng cảm ứng từ B cũng có xu hướngđến giá trị bão hoà), d là độ dày của lõi, kf là một hệ số đặc trưng, f là tần số của từtrường xoay chiều, γ là khối lượng riêng của vật liệu, ρ là điện trở suất Điều này lýgiải tại sao những vật liệu từ mềm nền kim loại (ví dụ như lõi FeSi) không thể dùng

ở tần số cao bởi chúng có điện trở suất nhỏ sẽ gây tổn hao Foucault lớn, mà phảidùng các ferrite từ mềm có điện trở suất rất lớn (vật liệu gốm) nhằm giảm dòngFoucault Công thức (1.2) cũng lý giải cho ta tại sao người ta phải chế tạo các lõibiến thế có dạng các lá mỏng (d nhỏ) vì để giảm dòng Foucault Chú ý khi sử dụngvật liệu từ mềm ở tần số càng cao thì phẩm chất của vật liệu càng bị suy giảm, do đó

sự thay đổi của phẩm chất theo tần số là một thông số rất đáng quan tâm Ngoài ra,việc khử từ giảo (từ giảo là sự thay đổi hình dạng vật liệu từ dưới tác dụng của từtrường ngoài) giúp cho việc tạo ra tính từ mềm tốt Có những vật liệu có từ giảobằng 0 như vật liệu vô định hình nền Co

Ngoài các yêu cầu chính đã nêu trên còn có 1 số yêu cầu khác khi sử dụng vậtliệu từ mềm trong những ứng dụng cụ thể Các thông số từ cần phải ổn định trongkhoảng nhiệt độ và thời gian sử dụng Nói chung, đối với vật liệu từ mềm, giá trị từthẩm càng cao càng tốt

Các vật liệu từ cứng phải có lực kháng từ Hc lớn, cảm ứng từ dư lớn và tíchnăng lượng cực đại lớn Ngoài ra để ứng dụng được trong thực tế vật liệu làm namchâm vĩnh cửu phải là vật liệu sắt từ có dị hướng đơn trục c và có nhiệt độ Curie caohơn nhiều so với nhiệt độ phòng Vật liệu phải có độ bền cơ học, hóa học (bền trongmôi trường sử dụng) và giá thành phải rẻ hoặc có thể chấp nhận được Một số vậtliệu từ cứng được ứng dụng trong các nam châm hoạt động ở nhiệt độ cao nên nóđòi hỏi nhiệt độ Curie rất cao (nhiệt độ Curie là nhiệt độ mà tại đó vật liệu bị mất từtính trở thành chất thuận từ) Loại vật liệu từ cứng có nhiệt độ Curie cao nhất hiệnnay là nhóm các vật liệu trên nền SmCo (từ 500oC đến trên 1000oC)

Các đặc trưng cơ bản của nam châm từ cứng là:

 Lực kháng từ Hc

Đây là đại lượng quan trọng của vật liệu từ cứng, lực kháng từ Hc có giá trịcàng lớn càng tốt Nguồn gốc của lực kháng từ lớn trong các vật liệu từ cứng chủyếu liên quan đến đến dị hướng từ tinh thể lớn trong vật liệu Các vật liệu từ cứngthường có cấu trúc tinh thể có tính đối xứng kém hơn so với các vật liệu từ mềm vàchúng có dị hướng từ tinh thể rất lớn, nghĩa là có tính bất đối xứng rất cao về mặttinh thể học (như các kiểu cấu trúc tinh thể lục giác, tứ giác ) và thường là các vậtliệu có dị hướng đơn trục (tức là có một trục dễ từ hoá) Vì vậy, muốn bão hoà mộtvật liệu từ mềm, ta chỉ cần một từ trường cỡ vài trăm Oe hay cùng lắm đến vài ngàn

Oe nhưng để bão hoà một vật liệu từ cứng, ta cần từ trường cỡ vài chục đến vài trămngàn Oe Để tạo ra vật liệu từ cứng tốt, người ta thường tạo ra nó gồm các hạt có cấutrúc đơn đômen, tức là mỗi hạt chỉ là một đômen từ tính, và cơ chế đảo từ sẽ là cơchế quay kết hợp các mômen từ (cơ chế quay - rotation mechanism) hoặc cơ chếhãm sự phát triển của mầm đảo từ (nucleation field mechanism)

 Cảm ứng từ dư Br , đường cong khử từ và tích năng lượng cực đại (BH)maxCảm ứng từ dư Br là thông số dặc trưng của vật liệu từ cứng Cùng với Hcngười ta tìm cách tăng giá trị Br của vật liệu để nam châm có (BH)max đạt giá trịcao.Đường cong từ trễ là cách thông dụng nhất để thể hiện tính chất vĩ mô của vậtliệu Đường cong từ trễ thuộc góc phần tư cung thứ hai gọi là đường cong khử từ.Một thông số quan trọng khác được quan tâm của vật liệu từ cứng là tích năng lượng

từ cực đại (Maximum Energy Product), đó là năng lượng cực đại có khả năng tíchtrữ trong một đơn vị thể tích vật từ Khi vật liệu từ cứng đặt trong từ trong từ trườngngoài đã tự nạp năng lượng và tàng trữ phần lớn năng lượng đó khi lấy từ trườngngoài đi Năng lượng này được giải phóng nếu vật liệu chịu tác dụng của trườngkháng từ Theo lý thuyết thì giá trị (BH)max được xác định bằng biểu thức sau:

(BH)max =μ Br2/4μ0 [kJ/mkJ/m3], hoặc (BH)max =μ Br2/4 [kJ/mMGOe]

Tích năng lượng từ cực đại được xác định trên đường cong từ trễ ở góc phần tư thứ

2, là điểm có giá trị tích B.H lớn nhất Giá trị năng lượng cực đại phụ thuộc và Hc, Br

và hệ số lồi của đường cong khử từ Tích năng lượng từ cực đại nói lên độ mạnh

Vật liệu từ và ứng dụng

yếu của một nam châm Vì thế đường cong từ trễ I(H) càng có dạng hình chữ nhậtcàng tốt

Lực kháng từ HC lớn Lực kháng từ HC nhỏ

Độ từ hóa bão hòa IS nhỏ Độ từ hóa bão hòa IS lớn

Cảm ứng từ dư Br khá cao, cường độ

trường khử từ khá lớn

Cảm ứng từ dư Br khá nhỏ, cường độtrường khử từ rất nhỏ

Tích năng lượng từ cực đại (B.H)max

Cơ chế ghi dựa trên từ trường sinh bởi dòng điện đi qua ống xoắn Các xungđộng được gửi đến đầu từ, sau đó những khuôn dạng từ khác nhau ứng với các dòngđiện âm/dương sẽ được ghi lên bề mặt đĩa ở bên dưới Đầu từ là một thiết bị tươngđối nhỏ có khả năng đọc/ghi từ/lên một phần của tấm đĩa quay bên dưới Đó là mộtcuộn dây quấn xung quanh một lõi (vật liệu từ) có xẻ một khe (hình 1.9) Dữ liệuđược đưa vào (hay “ghi”) bằng tín hiệu điện qua cuộn dây làm lõi từ sinh một từtrường đi qua khe.Từ trường này sẽ từ hóa một khu vực rất nhỏ trên đĩa hoặc băng.Khi ngắt trường, sự từ hóa vẫn còn lưu lại và tín hiệu đã được lưu trữ Cũng chínhđầu từ đó được dùng để tái hiện thông tin đã lưu trữ Khi băng hoặc đĩa đi qua khecủa đầu từ, mỗi một biến đổi của từ trường băng (đĩa) sẽ sinh ra một điện áp cảmứng trong cuộn dây đầu từ Điện áp này được khuếch đại rồi chuyển về dạng nguyêngốc Dữ liệu được đọc và ghi thông qua các dãy bit (đơn vị nhỏ nhất của dữ liệu số).Một bit chỉ có hai trạng thái 0, 1 hay bật/tắt

Có hai phương pháp ghi từ là ghi theo chiều dọc và ghi vuông góc:

- Ghi theo chiều dọc: là ghi từ trường theo chiều dọc, trong đó sự từ hoá của mỗibit dữ liệu sắp theo hàng ngang với sự quay của đĩa Trong kiểu ghi theo chiều dọc,những trường giữa những bit kề sát nhau mà có trường ngược nhau được tách riêngbằng một vùng chuyển tiếp (transition region) như trên hình 1.10 Mật độ phân bố làtổng số dữ liệu được lưu trữ trên ổ cứng trên một inch vuông, được tính bằng bằng

số track/inch nhân với số bit/inch Giới hạn của mật độ phân bố đối với công nghệ

Hình 1.9 Nguyên tắc ghi từ.

Vật liệu từ và ứng dụng

ghi theo chiều dọc phụ thuộc vào hiệu ứng Superparamagtic (Điểm mà tại đó nhữngvùng từ trường rời rạc của bề mặt đĩa quá nhỏ dẫn đến sự định hướng từ trường củachúng không ổn định trong môi trường nhiệt độ thông thường ) Chính vì vậy giớihạn cuối cùng của mật độ phân bố trên ổ cứng chỉ đạt được 100 tới 200 Gbits/ in2

-Đó chính là nguyên nhân dẫn tới sự chậm trễ của việc tăng dung lượng lưu trữ trên ổcứng dùng công nghệ ghi theo chiều dọc

Để dễ hiểu chúng ta sẽ xem các bit như là một thanh nam châm nhỏ Thôngthường ghi theo chiều dọc, những nam châm đại diện cho các bit nằm liên tiếp gốinhau dọc theo những track tròn trên đĩa Nếu các bit này được tích hợp ở mật độ cao

và có những giá trị 0 và 1, sẽ xảy ra trường hợp những nam châm kề sát nhau đốiđầu với nhau (ví dụ như cực bắc với cực bắc ) và đối đuôi nhau (cực nam với cựcnam), lúc đó chúng sẽ tác động qua lại đẩy nhau làm cho chúng ở trạng thái dễkhông ổn định nhất là khi có ảnh hưởng bởi nhiệt độ môi trường Cũng tương tự nhưthế khi các bit đứng gần nhau mà trái đầu nhau và chúng sẽ hút nhau gây nên sựkhông ổn định của dữ liệu Ảnh hưởng này càng lớn khi chúng càng đứng gần nhau

và đó cũng chính là mặt hạn chế của phương pháp ghi theo chiều dọc

Hình 1.10 Phương pháp ghi theo chiều dọc.

Ghi vuông góc: từ trường của bit sắp thành hàng thẳng đứng hoặc vuông góc với chiều quay của đĩa (hình 1.11) Khi đó các bit không trực tiếp đối đầu với nhau

-và sự ảnh hưởng lẫn nhau giữa chúng giảm đi đáng kể Điều đó cho phép các bitxích lại gần nhau hơn và những tín hiệu truyền được rõ ràng hơn, thuận tiện để pháthiện những bit lỗi và chỉnh sửa lỗi Theo nguyên tắc ghi này khả năng mật độ lưu trữthông tin trên một in2 được tăng lên Một ưu thế trong phương pháp ghi vuông gócchính là tạo được những bit có kích thước rất nhỏ so với phương pháp ghi theo chiềudọc mà không bị ảnh hưởng bới hiệu ứng Superparamagtic bằng cách lưu trữ thôngtin trên vật liệu trung gian có từ tính mạnh hơn, chính vì thế dữ liệu sẽ có độ ổn địnhcao

Điều ảnh hưởng tới sắp xếp vuông góc của luồng nam châm là hướng qua mộtvật liệu từ trường mềm tương đối dày nằm ở lớp bên dưới của màng từ trường cứng.Lớp từ trường mềm bên dưới có thể tác động lên đầu ghi, làm cho đầu ghi có côngsuất mạnh lên và nó có khả năng tạo nên trường ghi lớn hơn, về bản chất nó cũngtương tự như đầu đọc trong kiểu ghi theo chiều dọc

Hình 1.11 Phương pháp ghi vuông góc.

Vật liệu từ và ứng dụng

-1.3.2 Các yêu cầu về vật liệu ghi từ

Đối với vật liệu dùng để chế tạo đầu ghi từ, yêu cầu vật liệu phải có độ từ thẩm

đủ cao tại tần số cao và có thể đạt tới trạng thái bão hòa từ với dòng điện cấp nhỏnhất Vật liệu dùng cho đầu ghi từ bắt buộc phải có độ từ hóa bão hòa cao để có thểtạo ra các từ trường ghi vượt qua giá trị lực kháng từ của các màng ghi từ (thôngthường vào khoảng 500 ÷ 3000 Oe) Vật liệu Ni81Fe19 (có giá trị 4πMMs ≈ 10 kG)là vậtliệu thường được sử dụng ở dạng màng mỏng trong các đầu ghi từ Ngoài ra, các vậtliệu như pecmaloi độ cảm từ cao Ni50Fe50 , Fe16 N2 ( 4πMMs≈ 3T ) cũng được sử dụng Vật liệu ghi từ phải có lực kháng từ không quá cao, tương ứng với từ trường đầughi tạo ra được đồng thời lại không quá thấp để vẫn còn giữ được mômen từ dướitác dụng của các trường tĩnh từ của các bít xung quanh Lực kháng từ chỉ nằm trongkhoảng 5003000 Oe tức là vật liệu ghi từ nằm ở thang thấp nhất của vật liệu từcứng Vật liệu ghi từ bắt buộc phải có độ từ dư (cảm ứng từ dư Br) đủ lớn sao chotrường ghi của các đơn đômen được ghi tín hiệu sắp xếp trên bề mặt màng ghi từ với

độ lớn khoảng vài Oe, có thể nhận biết được bằng đầu đọc Một vật liệu ghi từ đòihỏi phải có độ từ hoá bão hoà IS tối thiểu là 500G (µIS  0,63T) và trong khoảng cácgiá trị cao hơn cho tới 1000G

Vật liệu dùng để chế tạo đầu đọc bắt buộc phải có lực kháng từ thấp, tín hiệu ồnthấp và có độ từ thẩm rất cao để có thể tương ứng với một sự thay đổi rất nhỏ vềthông lượng từ liên quan tới sự thay đổi của trường ghi yếu trên bề mặt của màngghi từ

Các chức năng đọc và ghi có thể được đặc trưng cùng một đầu cảm ứng nhưng

có những cải tiến để phân biệt các chức năng đọc hay ghi Khoảng cách từ đầu cảmứng (đọc hay ghi) tới màng ghi từ càng nhỏ càng tốt nhưng đòi hỏi phải không đểxảy ra bất cứ sự va chạm nào với màng từ

1.4 Một số loại đầu ghi và đọc từ

1.4.1 Đầu đọc và ghi trong ổ đĩa mềm

Ổ đĩa mềm (Floppy Disk Drive - FDD) là một thiết bị sử dụng để đọc và ghi dữliệu từ các đĩa mềm (hình 1.12) Các đĩa mềm lưu trữ dữ liệu thông qua nguyên lýlưu trữ từ trên bề mặt, do đó ổ đĩa mềm hoạt động dựa trên nguyên lý đọc và ghi

theo tính chất từ Đầu đọc/ghi dữ liệu được thiết kế ở cả hai mặt của ổ đĩa, chúng

cùng di chuyển với nhau trong suốt quá trình đọc và cùng thực hiện chức năng đọc

và ghi dữ liệu Khi thực hiện chức năng ghi, đầu đọc có tiết diện lớn hơn sẽ xóa dữliệu cũ, đảm bảo dữ liệu ghi vào không bị nhầm lẫn Đầu đọc đĩa mềm giữ chặt vùngtrung tâm của vỏ đĩa và làm quay đĩa mềm ở bên trong để truy xuất dữ liệu

1.4.2 Đầu đọc và ghi trong ổ đĩa cứng

Ổ đĩa cứng, hay còn gọi là ổ cứng (Hard Disk Drive - HDD) là thiết bị dùng đểlưu trữ dữ liệu trên bề mặt các tấm đĩa hình tròn phủ vật liệu từ tính

Ổ đĩa cứng là loại bộ nhớ "không thay đổi" (non-volatile), có nghĩa là chúng không

bị mất dữ liệu khi ngừng cung cấp nguồn điện cho chúng Hình 1.13 là ảnh cấu tạo bên trong của một ổ đĩa cứng thông dụng ngày nay

Hình 1.13 Cấu tạo bên trong của một ổ đĩa cứng thông dụng ngày nay.

Hình 1.12 Hình ảnh bên trong ổ đĩa mềm.