Bài giảng Cơ sở khoa học vật liệu: Tính chất từ - Cao Xuân Việt cung cấp cho học viên những kiến thức về từ trường, độ từ hóa (hệ số từ hóa), độ từ hóa vi mô, ba dạng moment từ, nghịch từ (diamagnetic), thuận từ (paramagnetic),... Mời các bạn cùng tham khảo chi tiết nội dung bài giảng!
TÍNH CHẤT TỪ • Phương pháp xác định? • Cấu trúc nguyên tử ảnh hưởng tới từ tính ? • Phân loại vật liệu từ? • Lưu trữ từ • Siêu dẫn từ? Chapter 20 - TỪ TRƯỜNG • Phát sinh: Khi dịng điện qua cuộn dây: Từ trường H N = Số vòng L = Chiều dài vịng,m Dịng I • Cường độ từ trường H: N I H L Cường độ từ trường Đơn vị đo = (A.vòng/m) Cường độ dòng điện, A H cường độ từ trường B Cảm ứng từ (mật độ từ thông,Tesla) m Độ thấm từ Chapter 20 - Độ từ hóa (hệ số từ hóa) • Cảm ứng từ vật liệu B = Cảm ứng từ hay mật độ từ thông (tesla) iB biểu thị từ trường bên chất chịu tác dụng từ trường H Dòng điện I • Độ từ hóa, c (khơng thứ ngun) B c >0 c Xác định mức từ hóa Chân không c = tương đối so với chân không c m0 Moment tăng mạnh vật liệu thuận từ, m >> m0 ferrimagnetic sắt từ trường • Ba kiểu: nghịch từ, thuận từ sắt từ Chapter 20 - Ba dạng từ B (1 c)moH Độ thẩm từ chân không (hằng số): (1.26 x 10-6 Henries/m) B (tesla) Cảm ứng từ (3) Sắt từ e.g Fe3O4, NiFe2O4 ( nam châm vĩnh cửu) Ferri từ (phản sắt từ hay ferrite()), Co, Ni, Gd ( c khoảng 106 !) (2) Thuận từ ( c ~ 10 -4) e.g., Al, Cr, Mo, Na, Ti, Zr Chân không (c = 0) (1) Nghịch từ ( c ~ -10 -5) e.g., Al O3 , Cu, Au, Si, Ag, Zn Cường độ từ trường (H) (ampere-vòng/m) Plot adapted from Fig 20.6, Callister 7e Values and materials from Table 20.2 and discussion in Section 20.4, Callister 7e Chapter 20 - Ba dạng moment từ none opposing (2) Thuận từ random aligned (3) Sắt từ ferri từ aligned Có từ trường (H) aligned Khơng có từ trường (H = 0) (1) Nghịch từ Adapted from Fig 20.5(a), Callister 7e Adapted from Fig 20.5(b), Callister 7e Adapted from Fig 20.7, Callister 7e Chapter 20 - NGHỊCH TỪ (DIAMAGNETIC) • Nghịch từ: dễ cảm ứng từ, tạo từ trường ngược từ trường ngoài, giảm dịch chuyển vật nhiễm từ làm giảm cường độ trường Sự nghịch từ ngược cực từ trường Nghịch từ tạo nên dòng cảm ứng trường ngồi Theo định luật Lenz, dịng ln ln tạo trường ngược hướng với trường ngồi • Do từ trường tạo lực xuyên tâm tác dụng lên electron Hướng lực vào hay khỏi tâm phụ thuộc vào hướng từ trường Lực biến đổi trục hướng vào làm tăng tốc độ electron làm chậm hướng Điều làm thay đổi moment từ ngược hướng với trường Vì vậy, từ trường bị yếu Chapter 20 - 10 Chapter 20 - 21 Chapter 20 - 22 Vật liệu sắt từ & ferri từ Ferro- & Ferri-Magnetic Materials • Khi cường độ từ trường (H) tăng Moment từ thẳng hàng với H B sat Cảm ứng từ (B) H H H H • “Domains” với moment từ hướng tăng dần, thẳng hàng với H H Từ trường(H) H=0 Adapted from Fig 20.13, Callister 7e (Fig 20.13 adapted from O.H Wyatt and D Dew-Hughes, Metals, Ceramics, and Polymers, Cambridge University Press, 1974.) Chapter 20 - 23 Nam châm vĩnh cửu • Quá trình: B Ngừng H=0, B≠0 => Nam châm vĩnh cửu Adapted from Fig 20.14, Callister 7e H ≠ 0, Doment từ thẳng hàng với H Từ trường (H) Coercivity, HC Negative H cần để B=0 Ban đầu (H =0) B Vòng từ trễ rộng -Nam châm vĩnh cửu -thêm hạt/lỗ xốp tạo tường ngăn chuyển động (ví dụ thép tungsten: Hc = 5900 amp-turn/m) Mềm • Vật liệu từ cứng từ mềm Adapted from Fig 20.19, Callister 7e (Fig 20.19 from K.M Ralls, T.H Courtney, and J Wulff, Introduction to Materials Science and Engineering, John Wiley and Sons, Inc., 1976.) Applied Magnetic Field (H) Vòng từ trễ hẹp -dùng cho elec motors (e.g., commercial iron 99.95 Fe)Chapter 20 - 24 Lưu trữ từ • Thông tin lưu trữ vật liệu bị từ hóa Đĩa ghi • Đầu -Áp điện trường H & domains thẳng hàng (i.e.,từ hóa medium) -Xác định thay đổi từ hóa medium • Hai dạng truyền thông: -Particulate: needle-shaped g-Fe2O3 +/- mag moment along axis (tape, floppy) Đầu ghi Image of hard drive courtesy Martin Chen Reprinted with permission from International Business Machines Corporation -Màng mỏng: CoPtCr or CoCrTa alloy Domains are ~ 10 - 30 nm! (hard drive) Adapted from Fig 20.25(a), ~2.5 mm ~120 nm Adapted from Fig 20.24, Callister 7e (Fig 20.24 courtesy P Rayner and N.L Head, IBM Corporation.) Adapted from Fig 20.23, Callister 7e (Fig 20.23 from J.U Lemke, MRS Bulletin, Vol XV, No 3, p 31, 1990.) Callister 7e (Fig 20.25(a) from M.R Kim, S Guruswamy, and K.E Johnson, J Appl Phys., Vol 74 (7), p 4646, 1993 ) Chapter 20 - 25 Siêu dẫn Hg Cu 4.2 K Adapted from Fig 20.26, Callister 7e • Tc = nhiệt độ chuẩn • T < Tc Vật liệu có tính siêu dẫn Chapter 20 - 26 Hạn chế siêu dẫn • 26 kim loại + 100’s hợp kim • Khơng may, vấn đề khơng đơn giản: Jc = mật độ dòng chuẩn, J > Jc không siêu dẫn Hc = từ trường chuẩn H > Hc không siêu dẫn Hc= Ho (1- (T/Tc)2) Adapted from Fig 20.27, Callister 7e Chapter 20 - 27 Sự phát triển siêu dẫn • Nghiên cứu nhiều năm – Giả thiết Tc,max khoảng 23 K – Không thể cao • 1987- Tc > 30 K – ceramics Ba1-x Kx BiO3-y – Bắt đầu • Y Ba2Cu3O7-x • Tl2Ba2Ca2Cu3Ox Tc = 90 K Tc = 122 K • Hiện 120 K • Tất siêu dẫn Tc cao ceramics !!! Chapter 20 - 28 Hiệu ứng Meissner • Siêu dẫn đẩy từ trường normal superconductor Adapted from Fig 20.28, Callister 7e • This is why a superconductor will float above a magnet Chapter 20 - 29 TÍNH CHẤT TỪ VÀ ĐIỆN MƠI • Tính chất từ vật liệu • Sắt từ, thuận từ, nghịch từ • Mật độ từ thông: B = m0H • Độ từ hố vật liệu M: • B = m0(H+M) (a)Nghịch từ • Độ nhạy từ (Sucetibility): • c=H/M • Đ /l Curie: Quan hệ từ - xếp ngẫu nhiên theo nhiệt độ: • TC : Nhiệt độ Curie • TS : Nhiệt độ Néel Thuận từ Chapter 20 - • Độ nhạy từ cho 1mol chất (m3/mol): NA số Avogadro m0 permeability of space [m]: J/Tesla Chapter 20 - Độ nhạy từ với vật liệu khác Chapter 20 - Dịng điện siêu dẫn • Loại I Dịng phía ngồi - lượng dịng bị giới hạn • Loại II Dịng dây dẫn Loại I M Loại II Nghịch từ hoàn toàn HC1 HC Trạng thái lẫn HC2 H Bình thường Chapter 20 - 33 Vật liệu siêu dẫn CuO2 planes X Cu O X X X Ba Y Ba linear Cu chains X X X (001) planes X YBa2Cu3O7 Vacancies (X) provide electron coupling between CuO2 planes Chapter 20 - 34 Tổng kết • Từ trường tạo thành do: dịng điện qua cuộn dây • Cảm ứng từ: đặt vật liệu từ trường thay đổi moment từ từ electron • Các loại vật liệu: ferri- or ferro-magnetic (cảm ứng từ tốt) thuận từ (cảm ứng từ kém) nghịch từ (opposing magnetic moment) • Từ cứng: kháng từ lớn • Từ mềm: kháng từ nhỏ • Phương tiện lưu giữ từ: hạt g-Fe2O3 màng polymer (băng đĩa) màng mỏng CoPtCr CoCrTa đĩa thủy tinh (phần cứn Chapter 20 - 35 ... độ từ trường B Cảm ứng từ (mật độ từ thông,Tesla) m Độ thấm từ Chapter 20 - Độ từ hóa (hệ số từ hóa) • Cảm ứng từ vật liệu B = Cảm ứng từ hay mật độ từ thông (tesla) iB biểu thị từ trường bên chất. .. diễn từ trường với chất sắt từ gọi đường cong từ trễ Chapter 20 - 14 Chapter 20 - 15 Chapter 20 - 16 Chapter 20 - 17 Chapter 20 - 18 Chapter 20 - 19 Chapter 20 - 20 Chapter 20 - 21 Chapter 20 -. .. 20 - NGHỊCH TỪ (DIAMAGNETIC) • Nghịch từ: dễ cảm ứng từ, tạo từ trường ngược từ trường ngoài, giảm dịch chuyển vật nhiễm từ làm giảm cường độ trường Sự nghịch từ ngược cực từ trường Nghịch từ