tính chất từ, các phương pháp đo tính chất từ

Cường độ từ trường: Chỉ độ mạnh yếu của từ trường, không phụ thuộc vào môi trường xung quanh.Ký hiệu: H H = ni Độ cảm từ: là đại lựơng vật lý đặc trưng cho khả năng từ hóa của vật liệu

ĐẠI HỌC HUẾ TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

KHOA VẬT LÝ

- -BÀI TIỂU LUẬN HỌC PHẦN: CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

VẬT RẮN

Đề tài: Tính chất từ và các phương pháp

đo tính chất từ của vật rắn

Giảng viên giảng dạy: Học viên thực hiện:

TS Nguyễn Thị Thủy Trần Thị Như Quỳnh

Lê Chiêu Phước

Trần Thị Bích Ngọc

Trương Thị Minh Nguyệt

Lê Thị Thu Thảo

Hồ Thị Kim Loan

Huế, tháng 5 năm 2016

MỞ ĐẦU

Mục đích cuả học phần là hướng đến các phương pháp nghiên cứu vật rắn Các phương pháp nghiên cứu đóng vai trò quan trọng nghiên cứu cấu trúc, thành phần, xác định tính chất vật rắn Và tùy vào từng mục đích, thông số cần xác định của vật liệu mà áp dụng các phương pháp nghiên cứu khác nhau

Có nhiều phương pháp nghiên cứu vật rắn như phổ hồng ngoại, X-ray, phân tích nhiệt,…Các phương pháp vừa mang tính độc lập, vừa mang tính hỗ trợ Với một vật liệu phức tạp có thể áp dụng nhiều phương pháp nghiên cứu để xác định tính chất, cấu trúc vật liệu

Ngày nay, vật liệu có tính chất từ được ứng dụng rộng rãi, ngày càng phát triển góp phần vào đời sống và sản xuất Vì vậy, trong bài tiểu luận này, nhóm em đã đi

tìm hiểu: “ Tính chất từ và các phương pháp đo tính chất từ của vật rắn”.

I Các tính chất từ của vật rắn

1 Một số khái niệm về từ học

1.1.Cực từ

Nếu ta gọi p1, p2 là cường độ từ ở hai điểm cực dương và cực âm (của một nam châm) cách nhau một khoảng cách là d lực tác dụng của hai cực theo định luật Coulomb là:

1.2.Cường độ từ trường H

Đặt thanh nam châm vào một từ trường đồng nhất tạo bởi cuộn dây có cường độ H,

nam châm với cực từ có độ lớn là p, sẽ chịu tác dụng một lực từ là:

Từ trường tạo bởi lực từ là:

1.3 Cảm ứng từ

Từ trường: Khoảng không gian trong đó một cực từ chịu một lực tác dụng Từ trường

có thể gây bởi một cực từ hoặc bởi một dòng điện

Cường độ từ trường: Chỉ độ mạnh yếu của từ trường, không phụ thuộc vào môi trường xung quanh.Ký hiệu: H H = ni

Độ cảm từ: là đại lựơng vật lý đặc trưng cho khả năng từ hóa của vật liệu hay nói lên

phản ứng của chất duới tác dụng của từ truờng ngoài Độ cảm từ thể hiện mối quan hệ giữa từ độ và từ trường ngoài Ký hiệu χ

Cảm ứng từ: chỉ cường độ từ trường trong môi trường Ký hiệu là B

1.4.Độ từ thẩm và độ cảm từ

Trong lòng ống dây không phải là chân không mà là một vật nào đó thì sự có mặt của vật đó sẽ làm thay đổi cảm ứng từ trong ống dây Cảm ứng từ này tỷ lệ với từ trường với hệ số tỷ lệ được gọi là từ thẩm µ thì cảm ứng từ trong lòng vật đó là: B =

Mối liên hệ giữa dộ từ hóa M và từ trường H có thể được biểu diễn dưới dạng:

M= χH

Đại lượng χ được gọi là độ cảm từ hay hệ số từ hóa Độ cảm từ là đại lượng vật

lý đặc trưng cho khả năng phản ứng của chất dứơi tác dụng của từu trường ngoài

Đơn vị của χ là H/m Ta còn định nghĩa độ cảm từ tương đối (không thứ nguyên):

Cảm ứng từ gồm từ trường tạo bởi cuộn dây và từ độ của vật liệu từ được từ hóa

trong lòng cuộn dây: B = M + µ0 H; B = (χ + µ0 ) H = µH

Ta cũng định nghĩa độ thẩm từ tương đối:

1.5.Từ hóa-độ từ hóa

Từ hóa là quá trình thay đổi các tính chất từ (cấu trúc từ, mômen từ ) của vật chất dưới tác dụng của từ trường ngoài Khi được sử dụng như một động từ, từ hóa có nghĩa là làm thay đổi tính chất từ của chất bằng từ trường ngoài

Từ hóa là sự thay đổi tính chất từ của vật chất theo từ trường ngoài, xét về mặt bản chất, đây là sự thay đổi các mômen từ nguyên tử Khi đặt vào từ trường ngoài, các mômen từ nguyên tử có xu hướng bị quay đi theo từ trường ngoài dẫn đến sự thay đổi về tính chất từ Tùy theo sự hưởng ứng này mà có thể phân ra nhiều loại vật liệu

từ khác nhau: thuận từ, nghịch từ, sắt từ,…

Độ từ hóa là một đại lượng vật lý nói lên khả năng bị từ hóa của một vật từ, được xác định bằng tổng mômen từ nguyên tử trên một đơn vị thể tích, hoặc một đơn

vị khối lượng

Cụ thể: Độ từ hóa của thanh nam châm là số momen từ trong một đơn vị thể tích nam châm

với ma= pl

Đường cong từ hóa là đồ thị mô tả quá trình từ hóa vật từ từ trạng thái ban đầu

chưa nhiễm từ (trạng thái khử từ), mà thể hiện trên đồ thị là sự thay đổi của tính chất

từ (thông qua giá trị củatừ độ, cảm ứng từ ) theo giá trị của từ trường ngoài Ở phạm

0

1

µ

µ

vi cấu trúc vi mô, quá trình từ hóa chính là sự thay đổi về cấu trúc từ (cấu trúc

đômen) thông qua các cơ chế khác nhau

Đường cong từ hóa có dạng tuyến tính trong các chất thuận từ và nghịch từ

1.6.Từ giảo

Từ giảo là hiện tượng hình dạng, kích thước của các vật từ (thường là sắt từ) bị thay đổi dưới tác dụng của từ trường ngoài (từ giảo thuận) hoặc ngược lại, tính chất từ của vật từ bị thay đổi khi có sựthay đổi về hình dạng và kích thước (từ giảo nghịch)

Cơ chế hiện tượng từ giảo do tương tác spin-quỹ đạo và sự phân bố đám mây điện tử: a) dạng đối xứng cầu: không có từ giảo; b) không có đối xứng cầu: có từ giảo

Độ cảm từ giảo, là sự biến thiên của hệ số từ giảo theo từ trường:

Độ cảm từ giảo có thứ nguyên là nghịch đảo của từ trường, có đơn vị là m/A hay

Oe−1

1.7.Từ trễ- đường cong từ trễ

Từ trễ là hiện tượng bất thuận nghịch giữa quá trình từ hóa và đảo từở các vật

liệu sắt từ do khả năng giữ lại từ tính của các vật liệu sắt từ Hiện tượng từ trễ là một đặc trưng quan trọng và dễ thấy nhất ở các chất sắt từ

Hiện tượng từ trễ được biểu hiện thông qua đường cong từ trễ (Từ độ - từ trường, M(H) hay Cảm ứng từ- Từ trường, B(H)) Khi từ hóa một vật sắt từ đến một từ

trường bất kỳ, nếu ta giảm dần từ trường và quay lại theo chiều ngược, thì nó không quay trở về đường cong từ hóa ban đầu nữa, mà đi theo đường khác Và nếu ta đảo từ theo một chu trình kín (từ chiều này sang chiều kia), thì ta sẽ có một đường cong kín gọi là đường cong từ trễ hay chu trình từ trễ Tính chất từ trễ là một tính chất nội tại đặc trưng của các vật liệu sắt từ, và hiện tượng trễ biểu hiện khả năng từ tính của các chất sắt từ

Đường cong từ trễ của 2 loại vật liệu sắt từ, vật liệu từ cứngvà vật liệu từ mềm, và các thông số của vật liệu được xác định trên đường cong từ trễ

1.8.Đô men từ

Đômen từ là những vùng trong chất sắt từ mà trong đó các mômen từ hoàn

toàn song song với nhau tạo nên từ độ tự phát của vật liệu sắt từ Thuật ngữ "đômen từ" được những người dạy vật lý ở bậc phổ thông và những người không làm công tác nghiên cứu vật lý ở Việt Nam dịch là "miền từ hóa", tuy nhiên những người làm nghiên cứu vật lý (đặc biệt là những người trong lĩnh vực từ học) không chấp nhận tên gọi này mà chỉ gọi là "đômen từ"

Vách đômen (domain wall) là vùng chuyển tiếp ngăn cách giữa 2 đômen từ liền

kề nhau Giữa hai đômen từ, mômen từ không thể đột ngột biến đổi về chiều vì sẽ dẫn đến trạng thái kém bền do đó hình thành nên vùng chuyển tiếp là các vách đômen Trong các vách đômen, mômen từ biến đổi về chiều dần dần từ chiều của đômen này tới đômen kia Tùy theo sự định hướng mà sẽ có thể có 2 kiểu vách đômen từ chính:

• Vách Bloch: Là cấu hình vách tồn tại trong các vật liệu khối hoặc màng dày,

có các mômen từ trong vách phân bố trong không gian 3 chiều

• Vách Néel: Là loại vách đômen hình thành trong các màng mỏng từ (khi kích

thước một chiều bị hạn chế), các mômen từ sắp xếp trong một mặt phẳng

Các nghiên cứu về vách đômen đang là một chủ đề thu hút nhiều nghiên cứu bởi triển vọng ứng dụng trong các linh kiện spintronic điều khiển bằng vách đômen Trong các linh kiện này, thông tin được mã hóa nhờ sự vận chuyển của các vách đômen trong các cấu trúc nano từ tính (các dây nano, các chấm nano ), có khả năng tạo ra các cổng logic, các bộ nhớ, máy phát chất lượng cao

Ví dụ về vách đômen: vách 180o và vách 90o

2 Các vật liệu từ

Mọi chất đặt trong từ trường sẽ bị từ hóa Khi đó chúng trở nên có từ tính và

sinh ra một từ trường phụ Hr '

, khiến từ trường tổng hợp Hr

trong chất bị từ hóa trở

thành: Hr =Hr0 +Hr'.

21 Nghịch từ

Nghịch từ là các chất không có momen từ (tổng véc tơ từ quỹ đạo và từ spin của

toàn bộ điện tử bằng 0) Khi đặt vào từ trường ngoài trong các phân tử sẽ xuất hiện

dòng điện phụ và tạo ra từ trường phụ ngược chiều từ trường ngoài

0

'

2 Thuận từ

Thuận từ là những chất có từ tính yếu (trong ngành từ học xếp vào nhóm phi

từ, có nghĩa là chất không có từ tính) Tính chất thuận từ thể hiện ở khả năng hưởng ứng thuận theo từ trường ngoài, có nghĩa là các chất này có mômen từ nguyên tử (nhưng giá trị nhỏ), khi có tác dụng của từ trường ngoài, các mômen từ này sẽ bị quay theo từ trường ngoài, làm cho cảm ứng từ tổng cộng trong chất tăng lên

0

'

3 Siêu thuận từ

Siêu thuận từ là một hiện tượng, một trạng thái từ tính xảy ra ở các vật liệu từ,

mà ở đó chất biểu hiện các tính chất giống như các chất thuận từ, ngay ở dưới nhiệt

độ Curie hay nhiệt độ Neél Đây là một hiệu ứng kích thước, về mặt bản chất là sự thắng thế của năng lượng nhiệt so với năng lượng định hướng khi kích thước của hạt quá nhỏ

4 Phản sắt từ:

Phản sắt từ là nhóm các vật liệu từ có trật tự từ mà trong cấu trúc gồm có 2 phân

mạng từ đối song song và cân bằng nhau về mặt giá trị Thuật ngữ "phản sắt từ" còn

được dùng để mô tả tính chất của các vật liệu phản sắt từ, hoặc dùng để chỉ các liên kết pin trong từ học có spin đối song song với nhau

Khi không có từ trường ngoài Khi có từ trường ngoài

Cấu trúc từ của vật liệu phản sắt từ, gồm 2 phân mạng spin đối song và bằng nhau

5 Ferit từ

Ferit từ là tên gọi chung của nhóm các vật liệu có trật tự từ mà trong cấu trúc từ

của nó gồm 2 phân mạng đối song song nhưng có độ lớn khác nhau Ferrit từ còn được gọi là phản sắt từ bù trừ không hoàn toàn

6 Sắt từ

Sắt từ là các chất có từ tính mạnh, hay khả năng hưởng ứng mạnh dưới tác dụng của từ trường ngoài, mà tiêu biểu là sắt (Fe), và tên gọi "sắt từ" được đặt cho nhóm các chất có tính chất từ giống với sắt Các chất sắt từ có hành vi gần giống với các chất thuận từ ở đặc điểm hưởng ứng thuận theo từ trường ngoài

0

'

6.1 Sắt từ cứng

Sắt từ cứng là các chất khó khử từ và khó từ hóa Ýnghĩa của tính từ "cứng" ở đây chính là thuộc tính khó khử từ và khó bị từ hóa, chứ không xuất phát từ cơ tính của vật liệu từ

Các thông số của sắt từ cứng:

•Lực kháng từ: Sắt từ cứng có lực kháng từ cao Điều kiện tối thiểu là trên

100Oe, nhưng vật liệu từ cứng phổ biến thường có lực kháng từ cỡ hàng ngàn Oe trở lên

•Tích năng lượng cực đại: Là đại lượng đặc trưng cho độ mạnh yếu của vật từ,

được đặc trưng bởi năng lượng từ cực đại có thể tồn trữ trong một đơn vị thể tích vật từ

•Cảm ứng từ dư: Muốn có tích năng lượng từ cực đại lớn, sắt từ cứng cần có

lực kháng từ lớn, từ dư cao và hệ số chữ nhật của đường cong từ trễ lớn

•Nhiệt độ Curie: là nhiệt độ mà tại đó vật liệu bị mất từ tính, trở thành chất

thuận từ Một số vật liệu từ cứng được ứng dụng trong các nam châm hoạt động ở nhiệt độ cao nên nó đòi hỏi nhiệt độ Curie rất cao

6.2 Sắt từ mềm

Sắt từ mềm là các chất dễ từ hóa và dễ khử từ.

Các thông số của sắt từ mềm:

•Lực kháng từ: là từ trường ngoài ngược cần thiết để triệt tiêu từ độ của mẫu

Lực kháng từ của các vật liệu từ mềm phải nhỏ hơn cỡ 100 Oe Những vật liệu có tính từ mềm tốt, thậm chí có lực kháng từ rất nhỏ (tới cỡ 0,01Oe)

•Độ từ thẩm ban đầu: Vật liệu từ mềm có độ từ thẩm ban đầu từ vài trăm, đến

vài ngàn, các vật liệu có tính từ mềm tốt có thể đạt tới vàichục ngàn, thậm chí hàng trăm ngàn

•Độ từ thẩm cực đại: Ta biết rằng vật liệu sắt từ không những có độ từ thẩm

lớn mà còn có độ từ thẩm là một hàm của từ trường ngoài Và độ từ thẩm cực đại cũng là một thông số quan trọng Có những vật liệu sắt từ mềm có độ từ thẩm cực đại rất cao, tới hàng vài trăm ngàn Ví dụ như permalloy, hay hợp kim nano, tinh thể Finemet

•Cảm ứng từ bão hòa, hay từ độ bão hòa : Vật liệu từ mềm thường có từ độ

bão hòa rất cao

•Tổn hao dòng xoáy: Như đã biết, vật liệu từ mềm được sử dụng trong từ

trường ngoài, và nếu sử dụng trong trường xoay chiều, sẽ sinh ra các dòng điện Foucault gây mất mát năng lượng và tỏa nhiệt

•Tổn hao trễ: Khi vật liệu từ mềm được sử dụng trong trường ngoài, nó sẽ bị từ

hóa và tạo ra chu trình trễ, và sẽ có năng lượng bị tổn hao cho việc từ hóa vật liệu

•Đặc trưng tần số: Khi sử dụng ở tần số càng cao, 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

•Từ giảo: Về mặt bản chất, từ giảo là sự thay đổi hình dạng vật liệu từ dưới tác

dụng của từ trường ngoài Việc khử từ giảo giúp cho việc tạo ra tính từ mềm tốt

II Các phương pháp đo tính chất từ của vật rắn

1 Kính hiển vi lực từ-MFM

Kính hiển vi lực từ-MFM xác định sự định hướng khác nhau của đômen từ Được sử

dụng để xây dựng hình ảnh sự phân bố của tính chất từ trên bề mặt vật rắn dựa trên việc ghi nhận lực tương tác (lực từ) giữa mũi dò từ tính với bề mặt của mẫu

Nguyên lý hoạt động

Dựa vào lực tương tác giữa mũi dò và bề mặt mẫu được cho bởi biểu thức.

Ưu nhược điểm

Ưu điểm:

• Mẫu không nhất thiết phải là chất dẫn điện

• Có khả năng phân tích cấu trúc từ mà không đòi hỏi sự phá hủy hay xử lý mẫu

• Không đòi hỏi phải kĩ thuật xử lí mẫu hay bao phủ gì đặc biệt

• MFM có thể dùng như máy STM hay AFM

Nhược điểm:

• Nếu từ trường của mũi dò quá mạnh nó có thể làm thay đổi đômen từ trên bề mặt mẫu

• MFM ghi ảnh dựa vào hiện tượng quét nên khả năng ghi ảnh chậm Đồng thời, việc ghi ảnh tức thời trong quá trình từ hóa của MFM kém

2 Phương pháp đo tính chất từ bằng từ kế mẫu rung

Từ kế mẫu rung, (VSM) là một dụng cụ đo các tính chất từ của vật liệu từ, hoạt

động trên nguyên tắc thu tín hiệu cảm ứng điện từ khi rung mẫu đo trong từ trường

2.1 Nguyên lý hoạt động

Như đã nói, từ kế mẫu rung hoạt động

theo nguyên tắc cảm ứng điện từ Nó đo

mômen từ của mẫu cần đo trong từ trường

ngoài

Mẫu đo được gắn vào một thanh rung không

có từ tính, và được đặt vào một vùng từ

trường đều tạo bởi 2 cực của nam

châm điện Mẫu là vật liệu từ nên trong từ

trường thì nó được từ hóa và tạo ra từ

trường Khi ta rung mẫu với một tần số nhất

định, từ thông do mẫu tạo ra xuyên qua cuộn

dây thu tín hiệu sẽ biến thiên và sinh ra suất điện động cảm ứng V, có giá trị tỉ lệ thuận với mômen từ M của mẫu theo quy luật cho bởi:

Ta có: Hiệu điện thế sinh ra do hiện tượng cảm ứng được cho bời biểu thức:

Từ trường xuyên qua cuộn dây trước khi có mẫu đặt vào là:

Từ trường xuyên qua cuộn dây sau khi có mẫu đặt vào là:

Vậy:

Suy ra:

Hay

với M là mômen từ của mẫu đo, là tiết diện vòng dây, n là số vòng dây của cuộn dây thu tín hiệu

Trong các từ kế phổ thông, người ta sử dụng 2 cuộn dây thu tín hiệu đối xứng nhau,

gọi là cặp cuộn dây pick-up (pick-up coil), là hệ 2 cuộn dây đối xứng nhau, cuốn

ngược chiều trên lõi là một vật liệu từ mềm Ngoài ra, để tăng độ nhạy cho từ kế, người ta có thể thay cuộn dây thu tín hiệu bằng thiết bị giao thoa kế lượng tử siêu dẫn

(superconducting quantum interference device - SQUID), là một tiếp xúc chui hầm

Josephson có thể đo các lượng tử từ thông, do đó độ nhạy của thiết bị được tăng lên rất nhiều Với cuộn dây thu này, ta có từ kế SQUID, thường hoạt động ở nhiệt độ thấp (vì hiện nay chỉ có các vật liệu siêu dẫn đạt trạng thái siêu dẫn ở nhiệt độ thấp

Nam châm điện trong từ kế cũng là một bộ phận rất quan trọng để tạo ra từ trường từ hóa vật liệu cần đo Nếu nam châm điện là cuộn dây tạo từ trường bằng dòng điện một chiều ổn định, thì từ trường tạo ra là một chiều ổn định, nhưng thường không lớn, do

bị hạn chế bởi từ độ bão hòa của lõi thép và cuộn dây một chiều không thể cho dòng điện lớn chạy qua (sẽ tỏa rất nhiều nhiệt) Loại nam châm kiểu này chỉ sử dụng từ trường cực đại cỡ xung quanh 3 T