Từ dị hướng, tù giảo ứng dụng

Sự dị hướng từ Sự dị hướng từ tinh thể cobalt Sự dị hướng từ Trong vật liệu từ kết tinh,các tính chất từ phụ thuộc vào phương tinh thể hóa, mà dipol từ xếp Hình biểu diễn hiệu ứng đơn tinh thể cobalt Cấu trúc tinh thể hexagonal cobalt từ hóa dễ dàng theo phương [0001] ( tức dọc theo trục c), có trục khó độ từ hóa theo phương loại [1010], nằm mặt phẳng sở ( 90o so với trục dễ) Một phép đo dị hướng từ tinh thể theo phương dễ từ hóa trường dị hướng, Ha ( minh họa hình ), trường đòi hỏi để quay tất mômen 90o, đơn vị đơn tinh thể bão hòa Sự dị hướng gây liên kết quỹ đạo electron mạng, theo phương dễ từ hóa liên kết làm cho quỹ đạo trạng thái lượng thấp Sự dị hướng từ Hướng dễ từ hóa nam châm vĩnh cửu, ferít hay hợp kim đất hiếm, đơn trục , song có vật liệu với nhiều trục dễ trục dễ nằm nơi mặt phảng bề mặt hình nón Sự thực là,một nam châm vĩnh cửu có tính dị hướng đơn trục nghĩa khó để khử từ , cản trở quay phương từ hóa Các đômen từ Để giải thích thật vật liệu sắt từ với độ từ hóa tự phát tồn trạng thái khử từ, Weiss đưa khái niệm đômen từ Weiss xây dựng sở công trình trước Ampère, Weber Ewing đưa tồn chúng Các kết tìm thấy công trình liên quan đến điều bên đômen số lớn mômen nguyên tử định hướng 10 12 – 10 18, vượt khối lượng lớn nhiều so với dự đoán trước Độ từ hóa bên đômen bão hòa nằm theo phương từ hóa dễ từ trường đặt vào Phương định hướng đômen ngang qua khối lượng lớn vật liệu ngẫu nhiên nhiều hay độ từ hóa mẫu không Các đômen từ Đômen từ tồn nhằm giảm lượng hệ Một mẫu từ hóa đồng nhất, hình 5(a), có lượng tĩnh từ lớn liên quan đến Đó hệ có mặt cáccự từ tự bề mặt mẫu, phát sinh trường khử từ , Hd Từ quy ước chấp nhận cho dịnh nghĩa mômen từ cho dipol từ độ từ hóa bên mẫu từ cực nam cực bắc, phương từ trường từ cực bắc đến cực nam Vì vậy, trường khử từ theo phương ngược với từ hóa mẫu Độ lớn Hd phụ thuộc vào hình học độ từ hóa mẫu Nói chung, mẫu có tỷ lệ cao độ dài đường kính ( từ hóa theo truc dài) trường khử từ lượng tĩnh từ thấp Các đômen từ Minh họa chia vật liệu thành (a) đơn đômen, (b) hai dômen, (c) Bốn đômen (e) Các đômen khép kín Các đômen từ Việc phân chia mẫu từ hóa thành hai đômen minh họa hình 5(b) làm giảm lượng tĩnh từ xuống nửa Trong thực tế , nam châm phân chia thành N đômen lượng tĩnh từ giảm N lần, vậy, hình 5(c) có ¼ lượng tĩnh từ hình 5(a) Hình 5(d) cấu trúc đômen kín, lượng tĩnh từ không, song điều vật liệu mà dị hướng từ đơn trục mạnh, đômen lân cận bị từ hóa theo phương 180 o Các đômen từ Việc đưa vào đômen làm tăng lượng tổng cộng hệ, việc chia thành đômen tiếp tục việc giảm lượng tĩnh từ lớn so với lượng đòi hỏi để tạo vách đômen Năng lượng liên quan đến vách đômen tỷ lệ với diện tích Việc biểu diễn sơ đồ vách đômen hình 6, mômen dipol nguyên tử bên vách không nằm 180o lương trao đổi tăng lên bên vách Vì vậy, lượng vách đômen tính chất nội vật liệu phụ thuộc vào mức độ dị hướng từ tinh thể cường độ tương tác trao đổi nguyên tử lân cận Độ dày vách thay đổi tương quan đến thông số này, dị hướng từ tinh thể mạnh phù hợp vách hẹp, mà tương tác trao đổi mạnh thích hợp với vách rộng Domains: Magnetized material Unmagnetized material E total minimized by presence of domains within material that align spins within domains, and keep H external ~ Domains Domains showing the effect of minimizing exchange energy and magneto static energy (a) (b) Magneto Static Energy MAXIMUM (d) (c) REDUCED MINIMIZED (e) Showing additional energy contributors – Magneto Striction and Wall Surface Energy 10 Sự từ giảo cảm ứng trường xảy định hướng đômen từ thay đổi kích thước gây trật tự mômen từ nguyên tử tổ hợp lại thay đổi kích thước khối vật liệu.Vật liệu có độ từ giảo lợi ích lớn Terfenol, hợp kim Tb, Dy, Fe Terfenol dùng làm sensor vị trí trường, truyền động học micro ( speaker) Các sensor vị trí / tải trọng làm việc theo nguyên lý là: vật liệu từ giảo biểu sức căng độ từ hóa vật liệu thay đổi Các truyền động Terfenol thường có Terfenol, đặt lực nén để định hướng đômen từ vuông góc với chiều dài Một cuộn dây quấn quanh áp đặt từ trường lên thang nhằm định hướng đômen dọc theo chiều dài Sơ đồ hình 18 truyền động, có nam châm vĩnh cửu để biến đổi Terfrnol cho dòng điện chạy cuộn dây theo phương khác làm cho truyền động giảm xuống hay tăng lên theo chiều dài Nếu biến đổi từ mặt dòng điện theo phương làm cho truyền động nở actuator sử dụng làm loa tần số đặt lên cuộn dây tăng gấp đôi người nói 28 Hình 18 Sơ đồ truyền động (actuator) tetfenol 29 Từ trở Từ trở (MR) hiệu ứng mà điện trở vật liệu từ thay đổi phụ thuộc vào hướng tương đối dòng điện độ từ hóa Trong hầu hết trường hợp, điện trở cao dòng điện độ từ hóa song song thấp chúng vuông góc Mức độ từ trở vật liệu thường thể theo thay đổi phần trăm điện trở từ điện trở cao đến thấp thường có giá trị cỡ vài phần trăm Ứng dụng cho sensor MR đầu đọc đĩa cứng Một hiệu ứng tương tự quan sát lớp từ đa lớp , chẳng hạn Fe/Cr, lớp sắt từ xen kẽ cặp phản song song với Dưới ảnh hưởng từ trường , định hướng tương đối độ từ hóa lớp thay đổi điện trở giảm xuống đến giá trị cực tiểu phương độ từ hóa lớp song song Hiệu ứng cho xuất thay đổi điện trở 50-60%, hiệu ứng mang tên từ trở khổng lồ (GMR) 30 Vật liệu ghi từ Sử dụng kỹ thật từ ghi tiếng nói người lần kỹ sư người Đan Mạch, Poulsen, thực vào năm 1898 Việc ghi thực dây sắt từ, thiếu phần khuếch đại nên chất lượng ghi tồi Vào năm 1927, băng từ phát minh cách đồng thời Mỹ Đức Song băng họ ôxyt cho việc ghi audio không phát triển cho đến năm 1947 hãng 3M Đĩa cứng đầu tiên, có ký hiệu „RAMAC“, giới thiệu IBM vào năm 1957, có dung lượng tồ trữ 2000 bit in-2 Dung lượng trữ tăng lên cách nhanh chóng đặn từ „RAMAC“ vào năm 2000 đạt xấp xỉ Gbit in-2, tức tăng hệ số nhân triệu Sự tăng dung lượng lưu trữ minh họa hình 13., theo giảm diện tích đĩa đòi hỏi để trữ thông tin 31 Hình 14 Biểu diễn hình khối kích thước bit liệu đĩa cứng Kích thước phóng to lên 1000 lần 32 Băng từ Các băng từ sử dụng mạnh cho việc ghi tín hiệu audio video, nhiên rõ kỹ thuật tiếp tục sử dụng lâu với xuất tính phổ biến digital versatile disk ( DVD) Các băng làm với môi trường hạt dính lên đế plastic lẫn màng bốc bay kim loại (ME) lên đế Lớp từ băng hạt có 40% vật liệu từ, băng ME có 100% lớp từ Vì vậy, băng ME cho ta ghi chất lượng tốt hơn, nhiên chúng tiêu phí thời gian nhiều để tạo đắt tiền Các băng hạt rẻ nhiều , lựa chọn cho phần lớn băng từ 33 Có dãy loại hạt từ sử dụng liệt kê bảng 5, với tính chất từ chúng Giá trị lực kháng từ cho bảng lấy gần trung bình lực kháng từ phụ thuộc mạnh vào kích thước hình dạng hạt, thay đổi mẻ bột Kích thước hạt nhỏ độ từ hóa cao dẫn tới chất lượng ghi tốt hơn, tức tỷ số tín hiệu độ ồn lớn Khi mật độ ghi tăng lên, kích thước đômen từ giảm xuống kích thước hạt buộc phải giảm xuống lực kháng từ vật liệu buộc phải tăng lên Vật liệu rẻ phổ biến γ-Fe2O3 , việc làm tăng chất lượng đạt thông qua việc sử dụng γ-Fe2O3 có thay đổi cobalt (23% lượng), dioxyt crom tốt sắt tinh khiết Cuối , cần ý bảng hexaferít bari, có lực kháng từ lớn sử dụng cho ứng dụng mà liệu tồn trữ bắt buộc an toàn không để đòi hỏi ghi lại , ví dụ thẻ tín dụng (credit card ) 34 Bảng Các tính chất từ gần hạt sử dụng môi trường ghi từ Material Saturation Polarisation (mT) Intrinsic Coercivity (kAm-1) Average Particle Size (mm) Particle Shape γ-Fe2O3 440 30 0.5 x 0.1 Needle Co modified γ-Fe2O3 460 60 0.5 x 0.1 Needle CrO2 600 70 0.4 x 0.05 Needle Fe 2100 125 0.15 x 0.05 Needle BaO.6Fe2O3 460 200 0.15 x 0.05 Disc 35 Con đường sản xuất băng từ hạt minh họa hình 15 Các hạt từ trộn với chất kết dính ( hòa tan tromg dung môi), chất bôi trơn, giúp giảm bớt xát băng dịch chuyển đầu, vàcác vật liệu mài ( Al2O3), cứng giúp ngăn cản mòn màng tử Hỗn hợp rót lên đế PET ( polyethylene tetraphthalate), có độ dày ~ 25 mm Thỉnh thoảng đế aramid sử dụng cho cassette chơi lâu, đế mỏng đến mm Các hạt dị hướng từ, thường hình dạng chúng, giai đoạn trình định hướng hạt độ dài băng lớp từ vẩn chất lỏng Sau dung môi làm bay cách làm nóng băng cán để cải thiện mật độ để lại lớp từ dày cỡ 3-5mm 36 Hình 15 Phương pháp chế tạo băng từ hạt 37 Các đĩa từ Việc ghi liệu lên đĩa có ưu việt hiển nhiên so với thời gian truy nhập, đầu có 5thể sẳn sàng di chuyển đến chỗ tương ứng đĩa, băng cần phải lại tiếp phía trước ( advanced) Có hai loại dĩa: mềm (floppy) cứng (hard) Các nguyên lý việc sản xuất ghi dĩa mềm giống với băng từ hạt, tức giống vật liệu hạt đế plastic Dĩa cứng tạo đế rắn, thường nhôm, dày cỡ 2mm Trên đế lắng đọng vài lớp : lớp để giúp gắn chặt ( ~ 10 nm, nickel phosphide); lớp crom (5-10 nm) để kiểm tra định hướng kích thước hạt lớp từ; lớp từ 50 nm PtCo với phụ gia khác Ta, P, Ni, Cr); lớp phủ bảo vệ ( chẳng hạn zirconia 10-20 nm) chất bôi trơn cuối để làm giảm cọ xát bào mòn đĩa ( chẳng hạn đơn lớp fluorocarbon mạch dài ( long chain)) Lớp từ tạo cấu trúc tế bào tế bào từ giàu Co ma trân không từ tính Các tế bào giống hệt môi trường ghi từ hạt, phạm vi nhỏ nhiều 38 Cấu trúc đĩa cứng hình 16 Đĩa kèm theo môtơ quay, quay đĩa; dung lượng trữ lớn, vài đĩa dựng thành chồng Các đầu đọc ghi kèm với cánh tay nhún ( swinging arm) (mỗi bên có), quét ngang qua đĩa sử dụng cuộm tiếng Hình 16 Sơ đồ biểu diễn cấu tạo đĩa cứng 39 Ghi đọc liệu Việc ghi liệu thực sử dụng đầu cảm ứng , minh họa hình 17 Việc đọc liệu dùng đầu cảm ứng đĩa cứng đại , đầu từ trở khổng lồ (GMR) ( minh họa hình 17) 40 Quá trình ghi liên quan đến việc ngang qua dòng điện ( tức tín hiệu ghi) qua cuộn dây đầu Dòng điện phát sinh từ trường khe không khí lõi hình chử C trường mép rìa ( mặt phẳng băng đĩa) hướng khe tới băng đĩa di chuyển qua Trường mép (fringing field) thay đổi trạng thái từ môi trường tính chất từ môi trường thích hợp cảm ứng dư băng vùng tỷ lệ với lượng dòng điện đặt vào cuộn dây Đối với tín hiệu digital, có hai trạng thái dư đòi hỏi vật liệu vậy, yêu cầu vật liệu không nghiêm ngặt đối việc ghi analogue, nhiên kích thước hạt nhỏ mong muốn cho dung lượng trữ cao thời gian truy nhập nhanh Quá trình đọc thực với đầu cảm ứng giống trình ghi Các từ trường hướng khỏi băng hay đĩa , cảm ứng trường cuộn hình chữ C đầu đọc, đến lượt phát sinh cuộn dây Sau biến lại thành tín hiệu gốc , liệu audio, visual hay digital 41 Trong đĩa cứng đại, liệu đọc lại sử dụng đầu GMR Yếu tố GMR đầu đọc biểu thay đổi điện trở ảnh hưởng từ trường Chúng nhạy từ trường thấp có độ phân giải không gian cao Việc sử dụng đầu GMR cần thiết mật độ lưu trữ tăng lên kích thước đômen từ môi trường nhỏ có nghĩa cường độ trường độ cao đặc biệt bề mặt môi trường giảmm xuống Yếu tố GMR hình 17 loại van spin với lớp: màng trao đổi phản sắt từ ( chẳng hạn sắt/mangan); lớp cobalt với hướng độ từ hóa chốt chặt ( pin) màng trao đổi phản sắt từ ( hướng lên hình 17); lớp đồng vật cách lớp nickel/sắt với phương từ hóa tự dịch chuyển ảnh hưởng từ trường từ môi trường ghi Lớp từ dịch (biasing) từ hóa NiFe mặt phẳng màng vuông góc với phương độ từ hóa màng Co Khi phương độ từ hóa màng NiFe dịch chuyển phía phương độ từ hóa Co có giảm đột ngột điện trở; biến có tăng điện trở 42 [...]... đó là sự thay đổi trong kích thước vật lý do kết quả của trật tự từ Có hai loại từ giảo: từ giảo tự phát, xuất hiện từ trật tự từ của mômen nguyên tử ở dưới nhiệt độ Curie ( thường gây ra sự nở thể tích) và từ giảo cảm ứng từ , xuất hiện từ sự sắp xếp của các đômen từ khi có tác dụng của một từ trường ngoài Sự từ giảo tự phát được được khai thác ở c hợp kim dựa trên NiFe, còn gọi là invar, với sự chú... liệu từ mềm để tự ngăn cản trường khử từ, làm giảm trường trong khe của máy scanner Tại tần số cao, các vật liệu từ kim loại không thể được sử dụng do mất mát dòng điện xoáy Vì vậy, các ferít mềm là các điện môi gốm, trở thành vật liệu tốt nhất 26 Vật liệu từ giảo Hầu hết các vật liệu từ đều biểu hiện tính từ giảo, đó là sự thay đổi trong kích thước vật lý do kết quả của trật tự từ Có hai loại từ giảo: ... thông được tạo ra bởi các nam châm vĩnh cửu 23 Các ứng dụng DC Một trong những ứng dụng DC chính là trong lĩnh vực che chắn từ Một vật liệu từ có độ từ thẩm cao được sử dụng để bao quang một thiết bị cần phải được che chắn, Hình 12 minh họa một ví du đơn giản của một lá chắn từ , ở đó một ống tup hay một hình cầu bằng vật liệu có độ từ thẩm cao che chắn từ trường khỏi vào bên trong ống tup hay hình cầu... sắt từ xen kẽ từng cặp phản song song với nhau Dưới ảnh hưởng của từ trường , sự định hướng tương đối của độ từ hóa của các lớp sẽ thay đổi và điện trở sẽ giảm xuống đến giá trị cực tiểu khi các phương của độ từ hóa của các lớp song song Hiệu ứng này cho sự xuất hiện của sự thay đổi điện trở 50-60%, và hiệu ứng được mang tên là từ trở khổng lồ (GMR) 30 Vật liệu ghi từ Sử dụng kỹ thật từ ghi tiếng nói... và độ từ hóa là song song và thấp nhất khi chúng vuông góc Mức độ từ trở của một vật liệu thường được thể hiện theo sự thay đổi phần trăm của điện trở từ điện trở cao nhất đến thấp nhất và thường có giá trị cỡ vài phần trăm Ứng dụng chính cho các sensor MR là ở trong các đầu đọc của các đĩa cứng Một hiệu ứng tương tự đã được quan sát trong các lớp từ đa lớp , chẳng hạn Fe/Cr, ở đây các lớp sắt từ xen... DC-DC) Đối với loại ứng dụng này, lực thực hiện để làm tăng tần số lè để cho phép sự thu nhỏ lại Thêm vào nửa là một phần họ ferít mềm, là các ferít vi sóng, chẳng hạn granat sắt ytri Các ferít này được sử dụng trong khoảng tần số từ 100 MHz đến 500 MHz, cho việc dẫn sóng cho các bức xạ điện từ và trong các thiết bị vi sóng như cái chuyển phas ( phase shifter) 22 Các ứng dụng AC Các ứng dụng AC liên quan... về kích thước Song , ở trên nhiệt độ Curie sẽ không có trật tự từ nào lâu hơn và sự giản nở nhiệt xảy ra bình thường 27 Sự từ giảo cảm ứng trường xảy ra khi sự định hướng các đômen từ và sự thay đổi kích thước được gây ra bởi trật tự của các mômen từ nguyên tử tổ hợp lại để cho một sự thay đổi kích thước khối vật liệu.Vật liệu có độ từ giảo lợi ích lớn là Terfenol, là hợp kim của Tb, Dy, và Fe Terfenol... lượng Ni cao có độ từ thẩm cao, ở xung quang 50% trong lượng Ni, có độ từ hóa bão hòa cao và hàm lượng Ni thấp, có một điện trở suất cao Có các sự phân loại đặc biệt các hợp kim Ni-Fe có độ từ giảo zero và dị hướng từ zero, chăng hạn như mumetal, được tạo ra bằng việc xử lý nhiệt kỹ lưỡng và các chất phụ thêm Cu, Cr Các hợp kim này có độ từ thẩm cực cao, đến 300000 và lực kháng từ nội tại thấp là 0.4... đây µr = độ từ thẩm tương đối, d = độ dày của vách và D = đường kính 4 µr d S= (10) 3 D 24 Hình12 Vật chắn từ bằng ống tup hay quả cầu vật liệu từ mềm 25 Rõ ràng từ phương trình 10, độ từ thẩm càng cao thì vật liệu sẽ che chắn tốt hơn Một điều cũng nhận thấy là sự che chắn càng lớn thì độ từ thẩm của vật liệu hay độ dày của vách buộc phải tăng lên để bù trừ Các vật liệu từ mềm cũng được sử dụng cho các... đã được chú ý trước đây, độ từ hóa bão hòa của một vật liệu giảm khi nung nóng đến nhiệt độ Curie do sự giảm của bậc định hướng của các mômen từ nguyên tử Bởi vì sự sắp xếp này và sự giảm của độ từ hóa bão hòa sau đó làm cho sự giản nở thể tích được gây ra bởi sự từ giảo tự phát và vì vậy vật liệu co lại Trong trường hợp của invar sự co lại này là do sự mất mát của độ từ giảo tự phát bằng sự giản nở