Bài giảng Vật liệu - Chương 5: Tính chất từ của vật liệu

Siêu dẫn superconductor là hiện tượng vật liệu dẫn điện mà không có sự xuất hiện của điện trở điện trở rất nhỏ khi dưới một nhiệt độ tới hạn TC - critical temperature... Hiệu ứng Meisnne[r]

LOGO ü Điện tử xoay quanh hạt nhân tạo moment từ khá nhỏ (bỏ qua) ü Điện tử quay quanh trục nó xuất moment từ spin + Điện tử ghép đôi, spin trái dấu nên tự triệt tiêu moment từ + Điện tử không ghép đôi (electron độc thân) tạo moment từ spin ü Tính chất từ vật liệu phụ thuộc xếp (chiều hướng) các moment từ Electron độc thân thường xuất các kim loại chuyển tiếp, các lớp điện tử d và f NT hay ion Ti Ti2+ V V4+ V3+ V2+ Cr Cr3+ Cr2+ Mn Electron độc thân 2 3 5 NT hay ion Fe Fe3+ Fe2+ Co Ni Ni2+ Cu Cu2+ Zn Zn2+ Electron độc thân 2 0 Co3+ Co2+ Mn3+ Mn2+ Thực tế kim loại Fe, Co, Ni có số điện tử không ghép đôi không giống lý thuyết điện tử từ lớp 4s có thể nhảy sang 3d → Số electron tự nguyên tử thay đổi so với lý thuyết Moment từ spin electron (Bohr magneton) là μB = 9,27.1024 A.m2 → Moment từ nguyên tử = số electron độc thân x μB Từ trường là môi trường vật chất đặc biệt sinh quanh các điện tích chuyển động biến thiên điện trường có nguồn gốc từ các mômen lưỡng cực từ nam châm ü Từ trường H (A/m), tạo cuộn dây dẫn điện có cường độ dòng I, quấn tròn n vòng và dài l là: ü Khi đặc vật liệu có từ tính vào từ trường ngoài H, vật liệu có cảm ứng từ B hay mật độ từ trường B (Tesla) ü B tỉ lệ với H với hệ số tỷ lệ là từ thẩm (độ thẩm từ) μ: B: Tesla (T) hay Trong môi trường chân không, vật liệu có cảm ứng từ Bo và độ thẩm từ μo = 4π.10-7 (H/m) B = μ.H → μr = μ / μo (độ từ thẩm tương đối chất rắn so với chân không) B = μ.H = μo.(H + M) M (Magnetization): Độ từ hóa chất rắn (tổng moment từ đơn vị thể tích) →M= H : từ cảm vật liệu μ = μo.(1 + ) So sánh mật độ từ điều kiện chân không và có đặt vật liệu Dựa vào xếp khác các moment từ mà vật liệu có tính chất từ khác !! 10 Vật liệu nghịch từ (diamagnetic): μ < μo → μr < (μr ≈ 5.10-6) → <0 Vật liệu thuận từ (paramagnetic): μ > μo → μr > → >0 Vật liệu sắt từ (ferromagnetic): μ μo → μr (μr ≈ 106) → Vật liệu feri từ (ferrimagnetic): 0, nhỏ vật liệu sắt từ Vật liệu phản sắt từ (antiferromagnetic): > 0, nhỏ 11 Là các chất không có mômem từ (nhóm phi từ) Khi đặt vào từ trường ngoài các phân tử xuất dòng điện phụ và tạo từ trường phụ ngược chiều từ trường ngoài Ví dụ: các khí (He, Ne, Ar, Kr, ), các ion có các lớp electron giống khí hiếm, kim loại (Bi, Zn, Ag, Cu, Pb), H2O, NaCl, SiO2, S, C et al 12 ü Thuận từ là chất có từ tính yếu (nhóm phi từ), các moment từ xếp cách tự ü Khi có tác dụng từ trường ngoài, các mômen từ này bị quay theo từ trường ngoài, làm cho cảm ứng từ tổng cộng chất tăng lên 13 Sắt từ là các chất có từ tính mạnh, hay khả hưởng ứng mạnh tác dụng từ trường ngoài, mà tiêu biểu là sắt (Fe) Ví dụ: kim loại chuyển tiếp (Fe, Co, Ni), kim loại đất (Gd, Nd), etc Liên quan đến electron độc thân phân lớp 3d và 4f 14 Cấu trúc đa tinh thể Bề mặt Al Bề mặt BaTiO3 15 Vật liệu sắt từ chứa vùng không gian nhỏ có các moment từ xếp trật tự (cùng chiều) Các vùng này gọi là domain, các domain là đường ranh giới Từ tính vật liệu là tổng từ tính (theo vector) các domain 16 ü Khi áp từ trường ngoài H vào VL sắt từ, các domain có khuynh hướng xếp theo hướng từ trường, làm tăng B và M ü Khi H đủ lớn, tất các domain xếp theo hướng từ trường ngoài, B và M đạt đến giá trị bão hòa (Bs và Ms) 17 VD: Tính độ từ hóa bão hòa Ms và mật độ từ bão hòa Bs Niken biết dNi = 8,90 g/cm3 Giải: với Ni 18 Khi từ trường ngoài H thay đổi, các domain có khuynh hướng xếp theo hướng Tuy nhiên, xếp này chậm có thể gây nên tượng trễ (hysteresis) 19 ü Khi H đạt đến giá trị vài domain còn trì xếp theo hướng trước đó tạo nên độ từ hóa dư (remanence) Mr ü Khi độ từ hóa 0, từ trường đảo Hc gọi là độ kháng từ (coercivity) 20 ü Vật liệu từ cứng (hard magnetic) là vật liệu sắt từ, khó khử từ và khó từ hóa → nam châm vĩnh cửu ü Vật liệu từ mềm (soft magnetic) là vật liệu sắt từ, "mềm" phương diện từ hóa và khử từ, có nghĩa là dễ từ hóa và dễ khử từ → nam châm điện ü Tinh thể bị khuyết tật không tinh khiết có thể làm giảm khả di chuyển các domain VD: sắt và thép 21 Khi gia nhiệt, các nguyên tử chuyển động nhiệt tăng làm cho các moment từ xếp trật tự Nhiệt độ Curie (TC) là nhiệt độ mà đó vật liệu sắt từ và ferri từ bị từ tính, trở thành chất thuận từ VD: Tc Fe - 768 oC, Co – 1120 oC, Ni – 335 oC 22 23 Ø Siêu thuận từ (superparamagnetism) là tượng, trạng thái từ tính xảy các vật liệu từ, mà đó chất biểu các tính chất giống các chất thuận từ ü Xảy với các chất sắt từ và ferri từ ü Khi kích thước hạt đủ nhỏ (< Dc – kích thước tới hạn), vật liệu chuyển từ trạng thái đa domain sang đơn domain (mỗi hạt là domain) ü Năng lượng nhiệt phá vỡ định hướng các moment từ, hệ hạt đạt trạng thái hỗn loạn chất thuận từ ü Khi áp từ trường ngoài, vật liệu đáp ứng nhanh tạo độ từ hóa bão hòa lớn 24 Độ từ hóa bão hòa cao Độ từ dư Mr = 25 Siêu dẫn (superconductor) là tượng vật liệu dẫn điện mà không có xuất điện trở (điện trở nhỏ) nhiệt độ tới hạn (TC - critical temperature) 26 Hiệu ứng Meisnner: nhiệt độ tới hạn (TC), electron di chuyển theo từ trường (magnetic levitation), vượt qua cản trở các nút mạng 27 ü Máy biến ü Động điện ü Máy phát điện 28 Gia nhiệt cục bộ: bếp từ 29 Mã hóa liệu theo bit (0 & 1) dựa vào chiều moment từ domain Ứng dụng làm ỗ đĩa (hard disk drive) HCP cobalt–chromium alloy 30 Tàu điện chạy trên đệm từ trường 31 Ứng dụng hạt nano từ tính: ü Tách, thu hồi chất ü Dẫn truyền thuốc