Nam châm Đường sức từ trường quanh hai cực nam châm thể qua mạt sắt giấy đặt nam châm Trong sống ngày, nhận nam châm vật có khả hút đẩy vật sắt hay thép non Trong từ học, nam châm vật có khả sinh lực dùng để hút hay đẩy từ vật hay vật có độ cảm từ cao nằm gần nam châm Lực phát sinh từ nam châm gọi từ lực Nam châm nguồn từ có hai cực: Bắc Nam, từ trường tạo từ đường từ (đường sức) từ cực Bắc đến cực Nam Các loại nam châm Nam châm điện Sơ đồ nguyên lý nam châm điện Dòng điện cung cấp nguồn pin tạo từ trường cuộn dây khuếch đại lõi dẫn từ làm sắt non Phân bố đường sức từ cuộn dây solenoid Nam châm điện dụng cụ tạo từ trường hay nguồn sản sinh từ trường hoạt động nhờ từ trường sinh cuộn dây có dòng điện lớn chạy qua Cảm ứng từ nam châm điện dẫn tạo thành lớn nhờ việc sử dụng lõi dẫn từ làm vật liệu từ mềm có độ từ thẩm lớn cảm ứng từ bão hòa cao Khác với nam châm vĩnh cửu có cảm ứng từ cố định, nam châm điện có cảm ứng từ thay đổi nhờ việc điều khiển dòng điện chạy qua cuộn dây Nam châm điện lần phát minh nhà điện học người Anh William Sturgeon (1783-1850) vào năm 1825 Nam châm điện Sturgeon lõi sắt non hình móng ngựa có số vòng dây điện quanh Khi cho dòng điện sinh pin nhỏ chạy qua, lõi sắt bị từ hóa cảm ứng từ sinh đủ mạnh để hút lên hộp sắt nặng ounce Khi ngắt dòng điện, từ trường lõi biến Nguyên lý nam châm điện Khi mắc dây dẩn điện có nhiều vòng quấn với Điện, dòng điện sản sinh Điện Trường E vòng quấn Khi dòng điện qua vòng quấn, Biến đổi Điện Trường vòng quấn sinh Từ Trường B vuông góc với Điện Trường E Từ Trường cuộn dây dẩn điện có tính chất giống từ trường Nam Châm hút hay đẩy từ vật nằm từ trường cuộn dây Khi tách Điện khỏi cuộn dây, Từ Trường không tồn Cuộn dây không hút hay đẩy từ vật Vậy cuộn dây dẩn điện, cuộn dây trở thành Nam Châm Điện Từ Trường cuộn dây tùy thuộc vào số Từ Cảm cuộn dây dòng điện cuộn dây B=LI Từ Cảm cuộn dây tỉ lệ thuận với chiều dài, số vòng quấn tỉ lệ nghịch với diện tích cuộn dây Các Loại Nam Châm Điện Cuộn Dây Một dây dẩn điện với vài vòng quấn L = μN2 (l/A) Vòng Dây Một dòng tròn dẩn điện với vài nhiều vòng quấn L = μN2 (l/A) l : chu vi vòng tròn = 2Πr Nam châm điện gồm hai phần cuộn dây tạo từ trường lõi dẫn (khuếch đại) từ Chi tiết loại nam châm điện khác theo nguyên lý chung Cuộn dây tạo từ trường Thông thường, cuộn dây cộn solenoid nhiều vòng dây Cường độ từ trường sinh ống dây tính theo công thức: Với N,L,I số vòng dây, chiều dài cuộn dây cường độ dòng điện chạy qua cuộn dây Lõi dẫn từ Lõi dẫn từ nam châm điện vật liệu từ mềm thông thường chúng phải thỏa mãn yêu cầu: • • • Có độ từ thẩm lớn Cảm ứng từ bão hòa cao (để không giới hạn dải hoạt động nam châm Có tổn hao trễ nhỏ (lực kháng từ nhỏ) để không làm trễ trình thay đổi từ trường nam châm Khi có lõi dẫn từ, cảm ứng từ sinh bề mặt cực nam châm điện xác định theo công thức: với μ0,μ độ từ thẩm chân không độ từ thẩm tỉ đối vật liệu dùng làm lõi dẫn từ Một số vật liệu sử dụng làm lõi nam châm điện: Hợp kim Sắt silic Nam châm vĩnh cửu Nam châm vĩnh cửu vật cấu tạo từ vật liệu từ cứng có khả giữ từ tính không bị từ trường, sử dụng nguồn tạo từ trường Các đặc trưng Hình ảnh nam châm vĩnh cửu Các đại lượng nam châm vĩnh cửu xuất phát từ đường cong từ trễ, thông số đặc trưng chất sắt từ nói chung vật liệu từ cứng nói riêng thông số quan tâm chủ yếu gồm: • Lực kháng từ Lực kháng từ nam châm vĩnh cửu phải đủ lớn để không bị khử từ từ trường ngoài, khả lưu trữ từ trường nam châm lớn lực kháng từ lớn Các nam châm vĩnh cửu phổ biến có lực kháng từ từ 1000 Oe đến vài chục ngàn Oe • • • Từ dư (xem Đường cong từ trễ) Hệ số chữ nhật hay Độ vuông Tích lượng từ cực đại Nói lên khả lưu trữ lượng từ nam châm vĩnh cửu, lượng lớn tồn trữ đơn vị thể tích nam châm, xác định từ đường cong từ trễ Muốn có tích lượng từ cực đại lớn, nam châm cần có lực kháng từ lớn, từ dư cao hệ số chữ nhật đường cong từ trễ lớn • Nhiệt độ Curie Là nhiệt độ mà vật sắt từ bị từ tính trở thành thuận từ Nhiệt độ Curie cho ta biết khả hoạt động nam châm điều kiện nhiệt độ cao hay thấp Có nam châm có nhiệt độ Curie thấp (ví dụ nam châm Nd2Fe14B có nhiệt độ Curie 312oC), có loại nam châm có nhiệt độ Curie cao (ví dụ hệ hợp chất SmCo có nhiệt độ Curie hàng ngàn độ, sử dụng động phản lực có nhiệt độ cao) • Ngoài tham số mang tính chất từ tính, tham số khác quan tâm độ cứng, khả chống mài mòn, chống ôxi hóa, mật độ Bên cạnh đó, hình dạng nam châm tham số quan trọng dịnh điểm làm việc nam châm hình dạng nam châm quy định thừa số khử từ vật từ, có tác động lớn đến lượng từ nam châm Phân loại theo vật liệu Nam châm đất NdFeB (neodymium) sử dụng ổ cứng máy tính • • Ôxit sắt: Là loại nam châm vĩnh cửu loài người sử dụng dạng "đá nam châm", sử dụng từ thời cổ đại, có tự nhiên khoa học kỹ thuật phát triển loại không sử dụng từ tính Thép cácbon Là loại nam vĩnh cửu sử dụng từ kỷ 18 đến kỷ 20 với khả cho từ dư tới T, lực kháng từ thấp nên từ tính dễ bị Lại nam châm không sử dụng • Nam châm AlNiCo Là loại nam châm chế tạo từ vật liệu từ cứng hợp kim nhôm, niken, côban số phụ gia khác đồng, titan , loại nam châm cho từ dư cao (tới 1,2-1,5 T) có lực kháng từ xung quanh kOe, đồng thời giá thành cao nên tỉ lệ sử dụng ngày giảm dần (chỉ không đầy 10% thị phần sử dụng) • Ferrite từ cứng Là loại nam châm vĩnh cửu chế tạo từ ferit từ cứng (ví dụ ferit Ba, Sr ) vật liệu dạng gốm Nam châm ferit có ưu điểm dễ chế tạo, gia công, giá thành rẻ độ bền cao Tuy nhiên, nhóm vật liệu feri từ đồng thời có hàm lượng ôxy cao nên có từ độ thấp, có lực kháng từ từ đến kOe, có khả cho tích lượng từ cực đại lớn không MGOe Loại nam châm chiếm tới 50% thị phần sử dụng nam châm vĩnh cửu ưu điểm giá thành cực rẻ, khả chế tạo, gia công độ bền • Nam châm đất Là loại nam châm vĩnh cửu tạo từ vật liệu từ cứng hợp kim hợp chất kim loại đất kim loại chuyển tiếp • o Nam châm nhiệt độ cao SmCo Là hệ nam châm vĩnh cửu chế tạo từ hợp chất ban đầu SmCo5 phát minh năm 1966 tiến sĩ Karl J Strnat U.S Air Force Materials Laboratory (Mỹ) có tích lượng từ cực đại 18 MGOe, sau Karl J Strnat lại phát minh hợp chất Sm2Co17 có tích lượng từ tới 30 MGOe vào năm 1972 Hệ nam châm SmCo có nhiệt độ Curie cao (có thể đạt tới 1100oC) có lực kháng từ cực lớn (tới vài chục kOe) nhờ cấu trúc dạng đặc biệt Nhờ có nhiệt độ Curie cao lực kháng từ lớn nên sử dụng ứng dụng nhiệt độ cao (ví dụ động phản lực ) • o Nam châm NdFeB (neodymium) Là hệ nam châm dựa hợp chất R2Fe14B (R ký hiệu nguyên tố đất ví dụ Nd, Pr ) có cấu trúc tinh thể kiểu tứ giác với lực kháng từ lớn (hơn 10 kOe) từ độ bão hòa cao (tới 1,56 T) nên loại nam châm vĩnh cửu mạnh với khả cho tích lượng từ tới 64 MGOe (tính toán theo lý thuyết) xuất loại nam châm Nd2Fe14B có tích lượng từ 57 MGOe Tuy nhiên, loại nam châm lại sử dụng nhiệt độ cao có nhiệt độ Curie 312oC Nam châm Nd2Fe14B lần phát minh năm 1983 R Sagawa (Nhật Bản) Điểm yếu chung nam châm đất có giá thành cao (do chứa nhiều nguyên tố đất đắt tiền), có độ bền (do nguyên tố đất có tính ôxy hóa cao) Vì điểm yếu mà nam châm đất loại mạnh loại sử dụng nhiều (đứng sau nam châm ferit) • Nam châm tổ hợp nano Là loại nam châm đời từ đầu thập kỷ 90 kỷ 20, loại nam châm có cấu trúc tổ hợp pha từ cứng từ mềm kích thước nanomet Các pha từ cứng (chiếm tỉ phần thấp) cung cấp lực kháng từ lớn, pha từ mềm cung cấp từ độ lớn Tính chất tổ hợp có nhờ liên kết trao đổi đàn hồi hạt pha từ cứng từ mềm kích thước nanomet Loại nam châm tính toán có khả cho tích lượng từ khổng lồ lần so với nam châm mạnh NdFeB thực nghiệm đạt nhỏ so với lý thuyết sản phẩm thực nghiệm giai đoạn sản xuất thử nghiệm Phân loại theo phương pháp chế tạo • Nam châm đẳng hướng (Isotropic magnets) Là nam châm vĩnh cửu chế tạo cách ép đẳng tĩnh mà không sử dụng phương pháp định hướng ban đầu (từ trường ) • Nam châm dị hướng (Anisotropic magnets) Là nam châm định hướng trình ép đẳng tĩnh từ trường Khi đó, hạt đơn đômen vật liệu bị định hướng theo chiều từ trường, tạo nên khả dễ dàng từ hóa theo phương định hướng • Nam châm kết dính Là nam châm chế tạo cách nghiền thành bột mịn, sau trộn với keo kết dính (ví dụ epoxy) ép từ trường định hướng Các keo vừa có tác dụng kết dính, lại vừa có tác dụng đông cứng định hướng hạt • Nam châm thiêu kết Là nam châm chế tạo cách thiêu kết bột kim loại nghiền mịn ép khuôn Việc thiêu kết nhằm tạo hợp chất có thành phần hợp phức xác định với tính chất từ hợp chất