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

Trờng Đại học Vinh khoa vật lý ------- ------ luận VĂN tốt nghiệp Đề tài: nghiên cứu tìm hiểu một số tính chất và đặc điểm của vật liệu phản sắt từ, ferit từ và ứng dụng của chúng chuyên ngành vật lý chất rắn Giáo viên hớng dẫn : ThS. Lu Tiến Hng Sinh viên thực hiện : Ngô Thị Kim Oanh Lớp : 42E - Vật Lý Vinh 2006 ------------- 1 Lời cảm ơn Để hoàn thành luận văn tốt nghiệp này, tôi đã nhận đợc sự hớng dẫn tận tình, chu đáo của thầy giáo Thạc sĩ Lu Tiến Hng và sự động viên, góp ý chân tình của các thầy giáo, cô giáo trong khoa Vật lý trờng Đại học Vinh. Sự giúp đỡ động viên khích lệ của ngời thân và bạn bè. Mặc dù đã rất cố gắng để hoàn thành, song vì thời gian và trình độ có hạn, khoá luận này khó có thể tránh khỏi sự sai sót. Vì vậy rất mong đợc sự thông cảm góp ý của các thầy giáo, cô giáo để khoá luận đợc hoàn chỉnh hơn. Chúng tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc đối với tất các thầy cô giáo và toàn thể các bạn. Tháng 5/2006 Ngô Thị Kim Oanh 2 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 vật liệu từ nh: máy biến thế, loa phát thanh, micrô, tivi, đĩa mềm, đĩa cứng . 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 phản sắt từ, hiện t- ợng ferit từ và các vật liệu phản sắt từ và ferit từ là những hiện tợng, tính chất từ cũng là những lớp vật liệu quan trọng. Chúng đóng góp vào lớp các vật liệu từ làm cho nó trở nên phong phú và đa dạng và có nhiều ứng dụng quan trọng. Vì thế các hiện tợng từ này cũng nh các vật liệu từ khác đã và đang đợc nghiên cứu và phát triển mạnh mẽ. Các nhà khoa học trong nớc và thế giới 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 phản sắt từ, hiện tợng ferit từ và các đặc trng cơ bản của vật liệu phản sắt từ, vật liêu ferit từ là đối tợng chính của luận văn này. Với những lý do trên chúng tôi chọn đề tài luận văn với tên là: Nghiên cứu, tìm hiểu một số tính chất và đặc điểm của vật liệu phản sắt từ, ferit 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 phản sắt từ, ferit từ, các vật liệu từ tơng ứng. Luận văn sẽ tập trung phần lớn để tìm hiểu nghiên cứu về hiện tợng phản sắt từ, hiện tợng 3 ferit từ và vật liệu phản sắt từ, vật liệu ferit từ và tìm hiểu một số ứng dụng cơ bản của lớp vật liệu này. Nội dung của luận văn ngoài phần mở đầu, phần kết luận còn lại đợc trình bày trong 4 chơng: Chơng I. Khái niệm về các hiện tợng từ và vật liệu từ. Chơng II. Vật liệu phản sắt từ và các tính chất cơ bản. Chơng III. Vật liệu ferit từ và các tính chất cơ bản. Chơng IV. Một số vật liệu phản sắt từ, vật liệu ferit từ điển hình. 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. Rất mong sẽ nhận đợc ý kiến đóng góp của các thầy giáo, cô giáo và các bạn để luận văn đạt chất lơng tốt hơn. Chơng I khái niệm về các hiện tợng từ và vật liệu từ 4 I. Các khái niệm cơ bản 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. 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 : F = 2 0 21 4 . r mm à . r r (1.1) Trong đó : 0 à là độ từ thẩm tuyệt đối. 0 à =4 .10 7 H/m r là khoảng cách giữa hai 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 nó 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. 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 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: H = N R I 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, 5 chiều của lực từ đợc xác định bằng qui tắc bàn tay trái: đặt bàn tay trái duỗi thẳng để cho đờng cảm ứng từ xuyên vào lòng bàn tay, chiều từ cổ tay đến ngón tay trùng với chiều dòng điện. Khi đó ngón tay cái choãi ra 90 0 chỉ chiều của lực từ và 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 . 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 l- ợng: độ cảm từ, độ từ thẩm, cảm ứng từ và độ từ hoá. 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 thì có đơn vị là Wb/A.m ( Weber / ampe.mét); 1Wb / A.m = 1H/m. Ta có thể biểu diễn mối liên hệ giữa à và theo công thức sau: à = 1+4 = + 0 à (1.5) Để thuận tiện trong việc mô tả các tính chất từ của vật rắn, trong hệ SI ng- ời 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: à = 0 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 0 à = 1 nên không có khái niệm độ từ thẩm tơng đối. 6 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. 2 m . Trong hệ CGS: += HIB 4 Và có đơn vị là G (Gauss); 1Wb. 2 m =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: (1.7) Độ từ hoá hay còn gọi là độ nhiễm từ đợc kí hiệu là I. Đó là mômen 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/ 2 m . 1Wb/ 2 m = 4 1 .10 4 .G = 7,96.10 2 .G (CGS). Ta có thể hiểu nguồn gốc của mômen từ nh sau: các tính chất từ của vật liệu gắn với mômen từ của các điện tử và mỗi điện tử của mỗi nguyên tử đều có mômen 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 mômen từ hớng dọc theo trục quỹ đạo. L S Hạt nhân Điện tử Điện tử M L M L Hình 1a. Mômen từ quỹ đạo. Hình 1b. Mômen từ spin. 7 = HB . à Mặt khác mỗi điện tử còn có chuyển động riêng đó là chuyển động quanh trục của mình (hình 1b), đợc gọi là chuyển động spin. Khi đó một mômen từ nữa xuất hiện bắt nguồn từ spin điện tử gọi là mômen từ spin. Mômen từ spin điện tử có thể nhận 2 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 1. 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. Mômen 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 mômen đợc sinh ra gọi là mômen nghịch từ. Có 2 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 Langervin 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: 8 = 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 = = Z K K r Z 1 22 1 ; 2222 3 1 KKKK zyxr === 2 K 2 K 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 : = - à . m rzen 6 . 22 < 0 (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. 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 O H H - 9 Hình 2a. Sơ đồ nguyên tử nghịch từ trong từ trờng ngoài. Hình 2b. Đờng cong từ hoá của vật liệu nghịch từ. 2. Thuận từ Hiện tợng thuận từ chỉ xảy ra khi các phần tử cấu tạo vật liệu các mômen từ nhng các mômen từ này không tơng tác với nhau khi không có từ truờng ngoài, các mômen từ định hớng hỗn loạn. Khi có từ trờng tác dụng các mômen 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 truờng ngoài, gây độ thẩm từ tơng đối à >1 và do dó 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 2 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 . 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 l- ợng hiệu dụng của hạt tải phụ thuộc vào cấu trúc vùng năng lợng của vật rắn. Thuận từ Langervin là sự đóng góp thuận từ của lõi nguyên tử, độ cảm thuận từ Langervin cỡ 10 -4 và phụ thuộc 1/T. Xét một hệ gồm N nguyên tử, mỗi nguyên tử có mômen từ M đặt đủ xa nhau để không tơng tác với nhau thì độ từ hoá của hệ đợc xác định: M = TK HN 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: = TK N H M B 3 2 à = = T C (1.12) trong đó C = B K N 3 2 à : Hằng số Curie 10 . để tìm hiểu nghiên cứu về hiện tợng phản sắt từ, hiện tợng 3 ferit từ và vật liệu phản sắt từ, vật liệu ferit từ và tìm hiểu một số ứng dụng cơ bản của. trên chúng tôi chọn đề tài luận văn với tên là: Nghiên cứu, tìm hiểu một số tính chất và đặc điểm của vật liệu phản sắt từ, ferit từ và ứng dụng của chúng