Luận văn nghiên cứu tìm hiểu một số đặc điểm, tính chất của vật liệu sắt từ và ứng dụng của chúng

Mở đầu Trong cuộc cách mạng về khoa học và công nghệ hiện nay, các ngành liên quan đến Vật lý chất rắn đã và đang đóng một vai trò rất quan trọng. Trong đó, vật lý hiện tợng từ và các vật liệu từ là một trong các mũi nhọn quan trọng, nó đã tạo ra và đóng góp một cách mạnh mẽ vào nhiều ngành mũi nhọn nh điện tử, du hành vũ trụ, năng lợng từ, . Thực tế chúng ta có thể thấy đợc rất nhiều trang thiết bị, máy móc phục vụ cuộc sống hàng ngày đã sử dụng vật lý các hiện tợng từ và các vật liệu từ nh: máy biến thế, loa phát thanh, micro, ti vi, .rồi đến các trang thiết bị, máy móc hiện đại phục vụ nghiên cứu khoa học cũng nh các lĩnh vực khác nh y học, sinh học, . cũng sử dụng chúng một cách rất linh hoạt. Vì vậy, nghiên cứu tìm hiểu các khái niệm, các đặc trng cơ bản của các hiện tợng từ và tính chất của các vật liệu từ là những kiến thức cơ bản, cần thiết để bớc đầu tiếp cận với vật lý và công nghệ của các hiện tợng từ. Trong số các hiện tợng từ và vật liệu từ thì hiện tợng sắt từ và vật liệu sắt từ có nhiều ứng dụng nhất. Vì vậy chúng đã và đang đợc nghiên cứu nhiều nhất. Các nhà khoa học đang nghiên cứu để tìm ra các vật liệu có từ tính mạnh ở nhiệt độ phòng và cao hơn nhiệt độ phòng để đa vào ứng dụng nhiều hơn trong cuộc sống thực tiễn. Do đó, lý thuyết về hiện tợng sắt từ và các đặc trng cơ bản của vật liệu sắt từ là đối tợng chính của luận văn này. Luận văn cũng sẽ giới thiệu một số ứng dụng quan trọng, một số phơng pháp đo từ của các vật liệu từ. Với những lý do trên chúng tôi chọn đề tài luận văn với tên là: Nghiên cứu tìm hiểu một số đặc điểm, tính chất của vật liệu sắt từ và ứng dụng của chúng. Mục đích của luận văn là nghiên cứu tìm hiểu về các đặc điểm, tính chất cơ bản của các hiện tợng từ, các vật liệu từ. Luận văn sẽ tập trung phần lớn để nghiên cứu tìm hiểu về hiện tợng sắt từ và vật liệu sắt từ và tìm hiểu một số ứng dụng cơ bản của lớp vật liệu này. Một số phơng pháp đo từ tính của các vật liệu cũng là một mục đích của luận văn. Nội dung của luận văn ngoài phần mở đầu, phần kết luận đợc trình bày trong 3 chơng. Chơng 1: Khái niệm về các hiện tợng từ và vật liệu từ. Chơng 2: Vật liệu sắt từ và các tính chất. Chơng 3: Các phơng pháp đo tính chất từ của vật liệu. Mặc dù đã có nhiều cố gắng với mong muốn có đợc một luận văn tốt nghiệp đạt chất lợng tốt song do trình độ và thời gian hạn chế cũng nh lần đầu tiếp cận với công việc nghiên cứu do đó chắc chắn không thể tránh đợc những thiếu sót. Tác giả rất mong sẽ nhận đợc ý kiến đóng góp của các thầy giáo, cô giáo và các bạn độc giả để luận văn đạt chất lợng tốt hơn. Chơng I Khái niệm về các hiện tợng từ và vật liệu từ I. Các khái niệm cơ bản 1.1.Hiện tợng từ Hiện tợng từ là hiện tợng mà thông qua nó các vật liệu tác động lẫn nhau qua các lực hút hay đẩy, hoặc gây một ảnh hởng nào đó lên các vật nhiễm từ khác[1]. Cực từ là một khái niệm đặc trng cho tính chất từ của vật chất. Giả sử có hai cực từ độ lớn m 1 , m 2 thì tơng tác giữa các cực từ là [2]: r r r mm F = . 4 . 2 0 21 à (1.1) trong đó à 0 là độ từ thẩm tuyệt đối, à 0 =4.10 -7 H/m, r là khoảng cách giữa 2 cực từ. Lực từ là lực tơng tác giữa các cực từ thông qua từ trờng. Nh vậy, lực từ nó tồn tại trong vật liệu từ. Ta có thể coi một lỡng cực từ là một nam châm nhỏ có hai cực từ là cực Nam (S) và cực Bắc(N) của nó. Các tính chất của lỡng cực từ tơng tự nh các tính chất của lỡng cực điện. Khi đặt trong từ trờng lỡng cực từ chịu tác dụng của lực từ làm cho nó xoay theo hớng của từ trờng. 1.2. Từ trờng Từ trờng là dạng vật chất tồn tại xung quanh các hạt mang điện chuyển động. Nó là một đại lợng vectơ. Tính chất cơ bản của từ trờng là từ trờng tác dụng lực từ lên dòng điện, lên nam châm và các vật liệu bị nhiễm từ. Từ trờng đều là từ trờng đợc sinh ra trong một ống dây hình trụ (Solenoid) gồm N vòng dây quấn lên nhau với chiều dài l và tải dòng điện cờng độ I. Độ lớn của từ trờng đợc xác định [1]: R I NH 2 = (1.2) Trong đó R là bán kính ống dây. Đơn vị đo của từ trờng H trong hệ CGS là 1A/m = 4.10 -3 Oe Lực từ tác dụng lên một đoạn dây mang dòng điện đặt trong từ trờng đều có phơng vuông góc với mặt phẳng chứa đoạn dây dẫn và vectơ cảm ứng từ, chiều của lực từ đợc xác định bằng quy tắc bàn tay trái [3]: đặt bàn tay duỗi thẳng để cho đ- ờng cảm ứng từ xuyên vào lòng bàn tay, chiều từ cổ tay đến ngón tay trùng với chiều dòng điện, ngón tay cái choãi ra 90 0 chỉ chiều của lực từ đợc xác định bằng công thức: F = I.B.l.sin (1.3) trong đó I là cờng độ dòng điện, B là cảm ứng từ của từ trờng và là góc hợp bởi dây dẫn và vectơ cảm ứng từ B 1.3. Độ cảm từ, độ thẩm từ, cảm ứng từ, độ từ hoá Để đặc trng cho từ tính của các vật liệu từ ngời ta thờng dùng các đại lợng: độ cảm từ, độ từ thẩm, cảm ứng từ và độ từ hóa. Độ cảm từ hay còn gọi là hệ số từ hoá đợc ký hiệu là có đơn vị là H/m (Henri/mét). Độ cảm ứng từ tơng đối không có thứ nguyên và đợc tính theo biểu thức sau: 0 à = (1.4) Độ thẩm từ đợc ký hiệu à, là tính chất riêng của môi trờng. Nó không có thứ nguyên trong hệ đơn vị CGS, trong hệ SI có đơn vị là Wb/A.m (Weber/ampe.met), 1Wb/A.m = 1H/m Ta có thể biểu diễn mối liên hệ giữa à và theo công thức sau: à = 1 + 4= + à 0 (1.5) Để thuận tiện trong việc mô tả các tính chất từ của vật rắn, trong hệ SI ngời ta đa ra khái niệm độ từ thẩm tơng đối, là tỷ số giữa độ thẩm từ trong vật liệu và độ thẩm từ trong chân không: 0 à à à = (1.6) ở đây à không có đơn vị, nó đợc xem nh một thông số xác định mức độ từ hoá của vật liệu. Do trong hệ CGS à 0 = 1 nên không có khái niệm độ từ thẩm tơng đối. Cảm ứng từ hay mật độ từ thông B hiển thị từ trờng bên trong chất chịu tác dụng của từ trờng ngoài H . Nó là một đại lợng vectơ. Trong hệ SI ta có: += HIB . 0 à , đơn vị của B là T (Tesla),1T = 1Wb.m 2 . Trong hệ CGS: += HIB 4 và có đơn vị là G (Gauss),1Wb.m 2 = 10 4 G. Cả B và H đều là các trờng vectơ nên chúng không chỉ đợc đặc trng bởi giá trị mà còn bởi hớng trong không gian. Hệ thức liên hệ giữa chúng: HB à = (1.7) Độ từ hoá hay còn gọi là độ nhiễm từ đợc ký hiệu là I. Đó là momen từ của vật liệu từ trên một đơn vị thể tích. = HI . (1.8) Trong hệ SI độ nhiễm từ có đơn vị là Wb/m 2 . 1Wb/m 2 = 4 1 .10 4 G = 7,96.10 2 G (CGS). Momen từ của vật liệu từ tính trên cả thể tích của vật liệu ký hiệu là: M Ta có thể hiểu nguồn gốc của momen từ nh sau: các tính chất từ của vật liệu gắn với momen từ của các điện tử và mỗi điện tử của mỗi nguyên tử đều có momen từ gắn với 2 nguồn gốc: + Mỗi điện tử chuyển động xung quanh hạt khác nh điện tử chuyển động xung quanh hạt nhân (hình 1a) gọi là chuyển động quỹ đạo. Do chuyển động này làm xuất hiện momen từ hớng dọc theo trục quỹ đạo. L Hạt nhân S Điện tử Điện tử M L M L Hình 1a. Momen từ quỹ đạo Hình 1 b. Momen từ spin + Mặt khác mỗi điện tử còn có chuyển động riêng đó là chuyển động quanh trục của mình (hình1b), đợc gọi là chuyển động spin. Và một momen từ nữa xuất hiện bắt nguồn từ spin điện tử gọi là momen từ spin. Momen từ spin điện tử có thể nhận hai giá trị tơng ứng với 2 chiều định hớng đối song: hớng lên trên và hớng xuống. II. Các hiện tợng từ và vật liệu từ 2.1. Nghịch từ 2.1.1. Hiện tợng nghịch từ Nghịch từ là một dạng yếu của từ tính, không vĩnh cửu và chỉ tồn tại khi có từ trờng tác dụng. Hiện tợng nghịch từ đợc gây nên do sự cảm ứng của chuyển động quỹ đạo của các điện tử với từ trờng bên ngoài. Momen nghịch từ có giá trị rất nhỏ và hớng ngợc chiều với từ trờng bên ngoài. Cờng độ từ trờng B trong vật rắn nghịch từ rất thấp, nhỏ hơn trong chân không. Theo định luật Lenz: khi đặt vật liệu vào từ trờng thì các điện tích có thêm hớng chuyển động quanh từ trờng. Chuyển động này sinh ra dòng điện, dòng điện sinh ra cảm ứng từ và chống lại từ trờng ngoài. Đó là hiện tợng nghịch từ và momen từ đợc sinh ra gọi momen nghịch từ. Có hai dạng nghịch từ cơ bản: nghịch từ Landau và nghịch từ Larmor. + Nghịch từ Larmor: là sự đóng góp nghịch từ của các lõi Ion và nguyên tử, là sự thay đổi quỹ đạo của các điện tử quanh hạt nhân nguyên tử. Nghịch từ Larmor có thể ứng dụng để xác định phần đóng góp nghịch từ từ các lõi Ion trong chất rắn điện môi và các nguyên tử khí trơ. + Nghịch từ Landau: là hiệu ứng nghịch từ đợc gây nên do sự biến điệu hàm sóng của điện từ lẫn trong vật rắn khi có mặt trờng ngoài. Độ cảm ứng của nghịch từ Landau có giá trị bằng 1/3 độ cảm thuận từ Pauly. Tuy nhiên khi so sánh với các kết quả thực nghiệm, ta phải chú ý tới tơng tác của electron dẫn với trờng tinh thể, khối lợng hiệu dụng của điện tử tự do dẫn đến một sự sai khác lớn giữa các giá trị tính toán với thực nghiệm. Bằng lý thuyết Langevin ngời ta đã chứng minh đợc tính nghịch từ của vật liệu từ. Độ từ hoá M của vật liệu nghịch từ đợc xác định nh sau [2]. = H m rZBen M . 6 22 (1.9) trong đó n là số nguyên tử trong một đơn vị thể tích, e là điện tử, B là cảm ứng từ trờng ngoài, Z là số điện tử chuyển động trong nguyên tử và: r 2 = = z k k r z 1 2 1 , 2222 3 1 kkkk zyxr === 22 kk yx + : Khoảng cách từ e đến trục song song với từ trờng. Độ cảm từ của hiện tợng nghịch từ đợc xác định theo công thức sau [2]: 0 6 . . 22 0 <= m rzne à (1.10) Tính nghịch từ có ở tất cả các vật liệu nhng vì nó rất yếu nên chỉ có thể quan sát đợc khi không có các dạng từ tính khác. Do đó chúng ít có ý nghĩa thực tế. 2.1.2. Vật liệu nghịch từ Vật liệu nghịch từ là vật liệu có độ thẩm từ à < 1, độ cảm ứng từ có giá trị âm và độ lớn chỉ cỡ 10 -6 . Khi đặt vật liệu nghịch từ trong một từ trờng bất đồng nhất, vật rắn nghịch từ luôn có xu hớng bị đẩy về vùng từ trờng yếu. Khi ra khỏi từ trờng, vật liệu không còn thể hiện tính chất từ của mình. I H H - Hình 2a Hình 2b Sơ đồ nguyên tử nghịch từ Đờng cong từ hoá của vật liệu trong từ trờng ngoài nghịch từ 0 + 2.2. Thuận từ 2.2.1. Hiện tợng thuận từ Hiện tợng thuận từ chỉ xảy ra khi các phần tử cấu tạo vật liệu các momen từ nhng các momen từ này không tơng tác với nhau khi không có từ trờng ngoài, các momen từ định hớng hỗn loạn. Khi có từ trờng tác dụng các momen từ quay tự do và tính thuận từ chỉ thể hiện sự quay này tạo ra một định hớng u tiên theo hớng của từ trờng ngoài. Kết quả làm tăng từ trờng ngoài, gây độ thẩm từ tơng đối à >1 và do đó độ từ hoá tơng đối nhỏ nhng dơng. Nh vậy, chất thuận từ đợc coi là vật liệu không từ tính vì nó chỉ bị từ hoá khi có từ trờng ngoài tác dụng. Ta có thể giải thích đợc hiện tợng thuận từ theo hai mô hình lý thuyết của Langevin và lý thuyết của Pauly. + Thuận từ Pauly là sự đóng góp thuận từ của các spin tự do, trong kim loại đó là sự đóng góp thuận từ của các điện tử tự do. Độ cảm thuận từ của các điện tử tự do P 10 -6 và không phụ thuộc nhiệt độ trong vùng T<<T F [4]. Tuy nhiên có sự sai số với kết quả thực nghiệm do tơng tác với trờng tinh thể khối lợng hiệu dụng m * của điện tử chúng thay đổi rất nhiều so với khối lợng m của điện tử tự do. Đóng góp thuận từ của các điện tử dẫn sẽ rất lớn khi m * /m>>1. Khối lợng hiệu dụng của hạt tải phụ thuộc vào cấu trúc vùng năng lợng của vật rắn. + Thuận từ Langevin là sự đóng góp thuận từ của lõi nguyên tử, độ cảm thuận từ Langevin cỡ 10 -4 và phụ thuộc 1/T. Xét một hệ gồm N nguyên tử, mỗi nguyên tử có momen từ M đặt đủ xa nhau để không tơng tác với nhau thì độ từ hoá của hệ đợc xác định [2]: TK HN M B .3 2 à = (1.11) Trong đó H là từ trờng ngoài, K B là hằng số Bonzơman, T là nhiệt độ tuyệt đối, à là độ thẩm từ. Khi đó độ cảm từ đợc xác định theo công thức sau [2]: = T C TK N B = 3 2 à với B K N C 3 2 à = : Hằng số Curie (1.12) Chỉ ở nhiệt độ thấp sẽ xẩy ra hiện tợng bão hoà độ từ hoá M của vật liệu thuận từ. Ngoài ra, có thể giải thích hiện tợng thuận từ bằng lý thuyết lợng tử với các momen từ là các momen lợng tử [2] : à i =g à B m j (1.13) Trong đó m j = - j, - j + 1, ., j - 1, j j, S, L, là các số lợng tử spin quỹ đạo, toàn phần tong ứng mô tả trạng thái điện tử của các Ion. g = 1 + : Là hệ số Lange à B : lợng tử từ Momen từ tổng cộng M=g. à B <m J > (1.14) <m J >=j.B j (j.B j ) . .( TK Hg j B B à Với B j = cth j j 2 12 + ( ) . . 2 1 ( 2 1 ) . . . 2 12 TK Hg cth jTK Hg j j B B B B àà + là hàm Brillouin Và hệ số từ hoá thuận từ có thể tính theo biểu thức sau: P = T C TK jjgN B B ' 22 .3 )1(. = + à với C ' = B B K jjNg 3 ).1( 22 à + (1.15) 2.2.2. Vật liệu thuận từ Vật liệu thuận từ là vật liệu có độ từ cảm dơng, độ lớn cỡ 10 -3 ữ10 -5 . Vật liệu gồm nhiều nguyên tử hoặc Ion từ mà momen từ cô lập, định hớng hỗn loạn do tác dụng nhiệt. Khi đặt vào từ trờng ngoài ( H 0) thì momen từ của nguyên tử định hớng lại theo phơng từ trờng H . 0 = H 0 H Hình 3. Sự sắp xếp các momen từ nguyên tử trong vật liệu thuận từ j (j + 1) + S (S + 1) - L (L + 1) 2 j (j + 1) Một số vật liệu thuận từ điển hình là Al, Cr, CrCl, Na, mangansulfat, Môlipden, Titan, Ziecôn. 0 Hình 4. Biểu diễn sự phụ thuộc vào nhiệt độ của nghịch đảo độ cảm từ1/ của vật liệu thuận từ. Nh vậy, khi nhiệt độ tăng, giá trị nghịch đảo độ cảm từ 1/ tăng tuyến tính. 0 Hình 5. Biểu diễn đờng cong từ hoá của vật liệu thuận từ Khi cha có từ trờng ngoài 0 = H các momen từ bằng 0. Khi có từ trờng đặt vào sự sắp xếp của các momen từ spin định hớng theo từ trờng nên tổng momen từ tăng. 2.3. Sắt từ 2.3.1. Hiện tợng sắt từ Hiện tợng sắt từ là hiện tợng một số kim loại có momen từ vĩnh cửu ngay cả khi không có từ trờng ngoài và có một từ độ rất lớn, độ cảm từ có giá trị rất lớn, 10 5 ữ10 6 . Và các momen từ nguyên tử trong một thể tích nào đó sắp xếp song song với nhau, cùng chiều. T H I 1