Mơ hình 1 nam châm
Mơ hính một nam châm vuơng cĩ kìch thước là 10×10 µm2
, chiều dày h=4 µm được miêu tả trong hính 3.1a. Với mơ hính này từ trường được khảo sát theo hai đường trên bề mặt của nam châm là đường màu đen (ở trung tâm của nam châm) và đường màu đỏ (ở mép của nam châm), với cảm ứng từ dư Br=1 T.
(a)
(b)
(c)
Hình 3.1 a) Mơ hình 1 nam châm, b) hình ảnh từ trường bề mặt của một nam châm khảo sát dọc theo đường màu đen, c) hình ảnh từ trường bề mặt của một nam châm khảo sát dọc theo đường màu đỏ.(d là khoảng cách từ đầu đo đến bề mặt nam châm).
Kết quả khảo sát từ trường dọc theo đường màu đen (hính 3.1b) cho thấy từ trường giảm dần khi ta tăng khoảng cách từ đầu đo đến bề mặt nam châm (d). Kết quả khảo sát từ trường dọc theo đường màu đỏ (hính 3.1c) cũng cho thấy từ trường giảm dần khi ta tăng khoảng cách từ đầu đo đến bề mặt nam châm. Chúng ta cĩ thể thấy khi khảo sát theo đường màu đen và đường màu đỏ thí từ trường đạt cực đại tại vị trì y = 0 khi khoảng cách từ đầu đo đến bề mặt nam châm tăng từ 2 µm đến 10 µm. Tại vị trì d =1 µm đỉnh cực đại gần như phẳng do các đường sức từ ở sát bề mặt nam châm đều cĩ hướng đi lên, lúc này chúng chưa cĩ hướng đi ra hai bên. Khi khoảng cách d > 15 µm thí từ trường giảm dần về 0 ví khoảng cách này rất xa bề mặt nam châm, khoảng cách này lớn hơn 3,75 lần chiều dày của nam châm nên cĩ thể các đường sức từ khơng vượt qua được giới hạn này.
Từ kết quả đo trên hính 3.1b và hính 3.1c, các giá trị từ trường cực đại Bzmax được liệt kê trong bảng 3.1. Ta thấy ở cùng một khoảng cách từ đầu đo đến bề mặt nam châm (cùng khoảng cách d) thí giá trị Bzmax khảo sát theo đường màu đen lớn hơn đường màu đỏ, cĩ nghĩa là từ trường ở trung tâm của nam châm lớn hơn từ trường ở mép của nam châm. Điều này là phù hợp với sự phân bố của đường sức từ do nam châm tạo ra, các đường sức từ tập trung nhiều ở trung tâm của nam châm nên từ trường ở trung tâm của nam châm lớn hơn ở mép của nam châm.
Bảng 3.1 Giá trị Bzmax khảo sát dọc theo đường màu đen và đường màu đỏ.
Kích thước nam châm Khoảng cách từ đầu đo tới bề mặt nam châm d (µm) Bzmax (T) khảo sát theo đường màu đen Bzmax (T) khảo sát theo đường màu đỏ Chiều dài l (µm) Chiều rộng w (µm) Chiều dày h (µm) 10 10 4 1 0,245 0,208 2 0,196 0,143 3 0,153 0,106 4 0,118 0,081 5 0,091 0,064 10 0,028 0,022 15 0,011 0,009
Mơ hình 2 nam châm
Hính 3.2a là mơ hính 2 nam châm vuơng cĩ kìch thước là 10×10 µm2, dày 4 µm, khoảng cách giữa 2 nam châm là 10 µm. Từ trường được khảo sát dọc theo đường màu đỏ của mơ hính tại các khoảng cách d khác nhau, với cảm ứng từ dư Br = 1 T.
(a)
(b)
Hình 3.2 a) Mơ hình 2 nam châm, b) hình ảnh từ trường của mơ hình 2 nam châm được khảo sát dọc theo đường màu đỏ tại khoảng cách d khác nhau.(d là khoảng cách từ đầu đo đến bề mặt nam châm).
Kết quả khảo sát từ trường dọc theo đường màu đỏ được thể hiện trên hính 3.2b, ta thấy giá trị Bzmax giảm, giá trị Bzmin tăng, khoảng cách từ đỉnh cực đại tới đỉnh cực tiểu giảm khi tăng khoảng cách từ đầu đo tới bề mặt nam châm. Điều này là phù hợp với sự phân bố của đường sức từ do nam châm tạo ra, ở gần bề mặt nam châm tập trung nhiều đường sức từ nhất nên từ trường sẽ lớn nhất, càng xa bề mặt nam châm các đường sức từ sẽ ìt hơn nên từ trường giảm dần. Khi đầu đo cách bề mặt nam châm một khoảng d > 15 µm từ trường sẽ giảm về khơng, lúc này sẽ khơng cịn các vùng từ trường biến thiên nữa, ví ở khoảng cách này đầu đo quá xa bề mặt nam châm, cĩ thể các đường sức từ khơng thể tới được khoảng cách này. Ở mơ hính 1 nam châm ta chỉ thấy cĩ 1 đỉnh từ trường cực đại, ở mơ hính 2 nam châm ta đã thấy xuất hiện thêm 1 đỉnh từ trường cực đại và 1 đỉnh từ trường cực tiểu. Vậy là nếu ta tăng số lượng nam châm lên thí chúng ta sẽ cĩ thêm các vùng từ trường biến thiên.
Mơ hình 3 nam châm
(a)
(b)
Hình 3.3 a) Mơ hình 3 nam châm, b) hình ảnh từ trường của mơ hình 3 nam châm được khảo sát dọc theo đường màu đỏ tại khoảng cách d khác nhau.(d là khoảng cách từ đầu đo đến bề mặt nam châm).
Mơ hính 3 nam châm vuơng cĩ kìch thước là 10×10 µm2, dày 4 µm, khoảng cách giữa 2 nam châm là 10 µm được miêu tả trên hính 3.3a và kết quả khảo sát từ trường dọc theo đường màu đỏ của mơ hính với cảm ứng từ dư Br = 1 T được thể hiện trên hính 3.3b. Với mơ hính 3 nam châm ta thấy cũng giống như mơ hính 2 nam châm là từ trường đều giảm khi tăng khoảng cách từ đầu đo đến bề mặt nam châm, khi khoảng cách từ đầu đo đến bề mặt nam châm d > 15 µm thí từ trường giảm dần về 0. Nhưng khác với mơ hính 2 nam châm là sự xuất hiện thêm của các đỉnh cực đại và đỉnh cực tiểu, tức là xuất hiện thêm các vùng từ trường biến thiên. Vậy là khi ta tăng số lượng nam châm lên thí ta sẽ cĩ thêm các vùng từ trường biến thiên.
Bảng 3.2 là kết quả Bzmax, Bzmin của mơ hính 2 nam châm và 3 nam châm, chúng ta cĩ thể thấy khi tăng số lượng nam châm lên thí giá trị Bzmax giảm, giá trị Bzmin giảm, khoảng cách từ đỉnh cực đại và đỉnh cực tiểu vẫn giữ nguyên. Trong mơ hính cĩ nhiều nam châm thí một nam châm sẽ chịu ảnh hưởng của từ trường do các nam châm khác tạo ra. Khi ta tăng số lượng nam châm lên thí một nam châm sẽ chịu ảnh hưởng của nhiều nam châm hơn, ví vậy mà giá trị Bzmax, Bzmin mới thay đổi.
Bảng 3.2 Giá trị Bzmax, Bzmin khảo sát dọc theo đường màu đỏ của mơ hình 2 nam châm và 3 nam châm.
Số lượng
nam châm
Kích thước nam châm Khoảng cách từ đầu đo đến bề mặt nam châm d (µm) Bzmax (T) Bzmin (T) Chiều dài l (µm) Chiều rộng w (µm) Chiều dày h (µm) 2 10 10 4 1 0,242 -0,045 2 0,193 -0,027 3 0,15 -0,012 5 0,089 0,0065 10 0,028 0,014 3 10 10 4 1 0,241 -0,046 2 0,192 -0,028 3 0,149 -0,013 5 0,088 0,0066 10 0,027 0,013
Mơ hình 4 nam châm
Mơ hính 4 nam châm vuơng cĩ kìch thước là 10×10 µm2, dày 4 µm, khoảng cách giữa 2 nam châm là 10 µm được thể hiện trên hính 3.4a, kết quả khảo sát từ trường trên bề mặt nam châm, với cảm ứng từ dư Br = 1 T được thể hiện trong hính 3.4b. Cũng giống như các mơ hính 2 nam châm, 3 nam châm, từ trường khảo sát theo đường màu đen (từ trường trên bề mặt nam châm) giảm khi ta tăng khoảng cách từ đầu đo đến bề mặt nam châm và đến khoảng cách d > 15 µm khơng cịn xuất hiện các vùng từ trường biến thiên trên bề mặt nam châm, lúc này từ trường sẽ giảm dần về 0. Trong 3 mơ hính: 2 nam châm, 3 nam châm, 4 nam châm ta đều thấy từ trường đạt cực tiểu tại vị trì giữa các nam châm, vậy nếu khi ta cho các phần tử sinh học trên bề mặt của các nam châm thí các phần tử sinh học này sẽ bị rơi vào vùng cĩ năng lượng từ trường nhỏ, đĩ chình là vị trì giữa các nam châm.
(a)
(b)
(c)
Hình 3.4 a) Mơ hình 4 nam châm, b) hình ảnh từ trường của mơ hình 4 nam châm được khảo sát dọc theo đường màu đen tại khoảng cách d khác nhau, c)hình ảnh từ trường của mơ hình 4 nam châm được khảo sát dọc theo đường màu đỏ tại khoảng cách d khác nhau.d là khoảng cách từ đầu đo đến bề mặt nam châm).
Hính 3.4c là kết quả khảo sát từ trường dọc theo đường màu đỏ của mơ hính 4 nam châm, đây chình là hính ảnh từ trường tại vị trì giữa các nam châm. Chúng ta cĩ thể thấy, ở khoảng cách d < 3 µm từ trường đạt cực đại tại vị trì giữa 4 nam châm, nhưng khi ở khoảng cách d > 3 µm từ trường đạt cực tiểu tại vị trì giữa 4 nam châm. Điều này phù hợp với sự phân bố của đường sức từ tạo bởi các nam châm, đường sức từ ở vị trì giữa 4 nam châm là hợp lực của 4 đường sức từ tạo ra bởi 4 nam châm. Ở khoảng cách d < 3 µm các đường sức từ
trì giữa 4 nam châm lúc này đạt cực đại, ở khoảng d > 3 µm các đường sức từ lúc này đã hướng xuống dưới nhiều hơn nên hợp lực lực lúc này là lớn nên tại vị trì này năng lượng từ trường là cực tiểu. Đến khoảng cách d > 15 µm lúc này khơng cịn tồn tại các vùng từ trường biến thiên nữa, từ trường giảm dần về 0, tại khoảng cách này các phần tử sinh học sẽ khơng chịu tác dụng của từ trường trên bề mặt nam châm nữa. Vậy khi ở khoảng cách 3 µm < d < 15 µm thí các phần tử sinh học sẽ tập trung nhiều tại vị trì giữa 4 nam châm. Kết quả khảo sát tương tự đối với mơ hính 6 nam châm và 9 nam châm.
Mơ hình 6 nam châm
(a)
(b)
(c)
Hình 3.5 a) Mơ hình 6 nam châm, b) hình ảnh từ trường của mơ hình 6 nam
châm được khảo sát dọc theo đường màu đen tại khoảng cách d khác nhau, c)hình ảnh từ trường của mơ hình 6 nam châm được khảo sát dọc theo đường màu đỏ tại khoảng cách d khác nhau.
Mơ hình 9 nam châm
Kết quả khảo sát từ trường bề mặt của mơ hính 9 nam châm giống với kết quả của các mơ hính trên. Sự khác biệt ở đây chỉ là sự xuất hiện thêm của các vùng từ trường biến thiên ví số lượng nam châm đã tăng lên. Mơ hính 9 nam châm được miêu tả trong hính 3.6a, kết quả khảo sát từ trường dọc theo đường màu đen và đường màu xanh của mơ hính được thể hiện trong hính 3.6b và 3.6c.
(a) (b)
(c)
Hình 3.6 a) Mơ hình 9 nam châm, b) hình ảnh từ trường của mơ hình 9 nam châm được khảo sát dọc theo đường màu đen tại khoảng cách d khác nhau, c) hình ảnh từ trường của mơ hình 9 nam châm được khảo sát dọc theo đường màu xanh tại khoảng cách d khác nhau.(d là khoảng cách từ đầu đo đến bề mặt nam châm).
Khi khảo sát dọc theo đường màu đen chúng ta cũng thấy từ trường trên bề mặt nam châm giảm dần khi tăng khoảng cách từ đầu đo đến bề mặt nam châm. Đến khoảng cách d > 15 µm thí khơng cịn xuất hiện các vùng từ trường biến thiên nữa, từ trường lúc này sẽ giảm dần về khơng. Kết quả khảo sát từ trường dọc theo đường chéo màu xanh của mơ hính tương tự như khi chúng ta khảo sát theo đường màu đen, ví đây đều là hính ảnh từ trường trên bề mặt nam châm. Hính 3.7 là kết quả khảo sát từ trường tại vị trì giữa các nam châm, chúng ta thấy rằng khi d > 15 µm sẽ khơng cịn tồn tại các vùng từ trường biến thiên nữa. Ví vậy mà khi d < 15 µm các phần tử sinh học sẽ bị bắt giữ tại vị trì giữa các nam châm, khi d > 3 µm thí các phần tử sinh học sẽ tập trung nhiều tại vị trì giữa 4 nam châm. Kết quả khảo sát tương tự khi chúng ta tiếp tục tăng số lượng nam châm.
Hình 3.7 Hình ảnh từ trường của mơ hình 9 nam châm được khảo sát dọc theo đường màu đỏ tại khoảng cách d khác nhau.(d là khoảng cách từ đầu đo đến bề mặt nam châm).
3.2 Khảo sát ảnh hưởng của kích thước nam châm lên sự phân bố của từ trường bề mặt
Mơ hính 9 nam châm vuơng cĩ kìch thước là 10×10 µm2, dày 4 µm, khoảng cách giữa 2 nam châm bằng với kìch thước nam châm, từ trường được khảo sát dọc theo đường màu đỏ của mơ hính khi kìch thước nam châm thay đổi (hính 3.6a). Kết quả khảo sát từ trường dọc theo đường màu đỏ của mơ hính 9 nam châm cĩ kìch thước 10×10 µm2 được thể hiện trên hính 3.7. Chúng ta cĩ thể thấy năng lượng từ trường tại vị trì trung tâm giữa 4 nam châm lớn hơn các vị trì giữa 2 nam châm tại khoảng cách d < 3 µm. Tại vị trì cao hơn d > 3 µm
năng lượng từ trường ở trung tâm của 4 nam châm trở lên nhỏ nhất. Khi ở vị trì quá xa bề mặt nam châm d >15 µm thí từ trường sẽ giảm dần về 0. Vậy là tại khoảng cách d < 15 µm các phần tử sinh học sẽ bị bắt giữ tại vị trì giữa các nam châm và tập trung nhiều tại vị trì giữa 4 nam châm khi d >3 µm. Khi tăng kìch thước của nam châm thí tại khoảng cách nào các phần tử sinh học sẽ tập trung tại vị trì giữa 4 nam châm, chúng ta sẽ xét các nam châm cĩ kìch thước 20×20 µm2
, 30×30 µm2, 50×50 µm2, 100×100 µm2
để biết câu trả lời.
(a) (b)
(c) (d)
Hình 3.8 a) hình ảnh từ trường của mơ hình 9 nam châm, kích thước 20×20 µm2
được khảo sát dọc theo đường màu đỏ tại khoảng cách d khác nhau, b) kích thước 30×30 µm2
, c) kích thước 50×50 µm2, d) kích thước 100×100 µm2.(d là khoảng cách từ đầu đo đến bề mặt nam châm).
Với các nam châm cĩ kìch thước 20×20 µm2
(hính 3.8a) chúng ta cĩ thể thấy tại khoảng cách d = 5 µm khoảng cách giữa đỉnh cực đại và đỉnh cực tiểu rất ngắn, tại khoảng cách d < 6 µm cường độ từ trường tại vị trì trung tâm giữa 4 nam châm là lớn hơn các vị trì xung quanh. Tại vị trì cao hơn d >6 µm từ trường ở trung tâm của 4 nam châm lại trở lên nhỏ nhất. Khi ở vị trì quá xa bề mặt nam châm d >30 µm thí từ trường sẽ giảm về 0. Vậy là tại khoảng cách d < 30 µm các phần tử sinh học sẽ bị bắt giữ tại vị trì giữa các nam châm và tập trung nhiều tại vị trì giữa 4 nam châm khi d >6 µm.
Đối với nam châm cĩ kìch thước 30×30 µm2
(hính 3.8b) cường độ từ trường tại vị trì trung tâm giữa 4 nam châm là lớn hơn các vị trì xung quanh tại khoảng cách d < 10 µm. Tại vị trì cao hơn d > 10 µm từ trường ở trung tâm của 4 nam châm lại trở lên nhỏ nhất. Khi ở vị trì quá xa bề mặt nam châm d >50 µm thí từ trường sẽ giảm về 0. Vậy là khi nam châm cĩ kìch thước 30×30 µm2thí tại khoảng cách d < 50 µm các phần tử sinh học sẽ bị bắt giữ tại vị trì giữa các nam châm và tập trung nhiều tại vị trì giữa 4 nam châm khi d > 10 µm.
Khi kìch thước nam châm là 50×50 µm2
(hính 3.8c), năng lượng từ trường tại vị trì trung tâm giữa 4 nam châm là lớn hơn các vị trì xung quanh tại khoảng cách d < 20 µm. Tại vị trì cao hơn d > 20 µm từ trường ở trung tâm của 4 nam châm lại trở lên nhỏ nhất. Khi ở vị trì quá xa bề mặt nam châm d > 80 µm thí từ trường sẽ giảm về 0. Vậy là khi nam châm cĩ kìch thước 50×50 µm2 thí tại khoảng cách d < 80 µm các phần tử sinh học sẽ bị bắt giữ tại vị trì giữa các nam châm và tập trung nhiều tại vị trì giữa 4 nam châm khi d > 20 µm.