Chương 1 : TỔNG QUAN
1.6. Cơ chế vật lý của hiệu ứng đốt núng cảm ứng từ
Quỏ trỡnh cỏc hạt từ sinh nhiệt trong từ trường xoay chiều thường liờn quan đến một vài cơ chế vật lý khỏc nhau. Nếu bỏ qua ảnh hưởng của sinh nhiệt trờn bề mặt (cho trường hợp kim loại) do vật liệu cú độ dẫn điện thấp thỡ cũn lại 3 cơ chế tổn hao tạo ra nhiệt là: tổn hao từ trễ, tổn hao hồi phục Neel và Brown.
1.6.1. Tổn hao từ trễ
Với cỏc hạt sắt từ hoặc feri từ đa đụmen, nhiệt lượng được sinh ra chủ yếu do quỏ trỡnh từ húa trong từ trường xoay chiều. Tớnh trễ là do sự từ húa bất thuận nghịch theo hai chiều tăng và giảm của từ trường. Tổn hao từ trễ
25 eff B B K V T k ( ) 1 6 s s l M M D Hỡnh 1.12. Mụ hỡnh lừi - vỏ của hạt nanụ từ [7].
của vật liệu cú thể đỏnh giỏ qua cụng suất tỏa nhiệt của vật liệu trong một chu trỡnh từ trễ tỷ lệ với diện tớch của chu trỡnh từ trễ theo cụng thức:
(1.11) trong đú μ0 = 4π10-7 (A/m)-1 là độ từ thẩm chõn khụng, c là khối lượng
riờng của vật liệu và MH là thành phần từ độ song song với từ trường.
Trong từ trường nhỏ, chuyển động của cỏc vỏch đụmen bị ngăn trở bởi cỏc tõm ghim và tổn hao từ trễ sẽ tỉ lệ với cường độ từ trường theo hàm bậc ba: 3 m ax H C Whys R (1.12) trong đú CR là hằng số phụ thuộc tớnh chất của vật liệu [18].
Cụng suất tỏa nhiệt cao cú thể thu được với cỏc vật liệu từ cứng cú lực khỏng từ và từ độ bóo hồ cao.
1.6.2. Tổn hao hồi phục Neel và Brown
Quỏ trỡnh phụ thuộc vào đặc tớnh thủy động lực học của chất lỏng; trong khi τN đặc trưng cho quỏ trỡnh Neel được xỏc định bởi năng lượng dị hướng từ. Với hệ cỏc hạt siờu thuận từ trong từ trường xoay chiều sự sinh nhiệt chủ yếu do 2 cơ chế hồi phục Neel và Brown. Thời gian hồi phục Neel (𝜏𝑁) được xỏc
định bởi năng lượng dị hướng từ của hạt nano từ và năng lượng nhiệt, trong khi đú thời gian hồi phục Brown phụ thuộc vào tớnh chất thủy động của chất lỏng từ(Hỡnh 1.13). Cả hai quỏ trỡnh hồi phục cú thể tồn tại trong chất lỏng, tại đú (𝜏𝑁) liờn quan đến hạt nano từ cố định, khụng liờn quan đến sự quay vật lý của hạt. 0 hys H c W M H dH
Hỡnh 1.13. Sơ đồ minh họa của: (a) hồi phục Neel và (b) hồi phục Brown.
Thời gian hồi phục Brown, Neel và hiệu dụng (𝜏𝐵, 𝜏𝑁 và 𝜏𝑒𝑓𝑓) được cho như sau [4]:
𝜏B =3𝑽h𝜂 𝑘𝑇 (1.13. 𝑎) 𝜏N = 𝜏0𝒆𝒙𝒑 (𝐾𝑽c 𝑘𝑇 ) (1.13. 𝑏) 1 𝜏eff = 1 𝜏B + 1 𝜏N (1.13. 𝑐)
Ở đõy Vh là thể tớch thủy động của hạt, ƞ là độ nhớt của chất lỏng, 𝜏0 là thời gian hồi phục đặc trưng bằng 10-9s, K là hằng số dị hướng từ tinh thể, VC là thể tớch lừi hạt từ (đơn đụmen), k là hằng số Boltzmann (1,38 ì 10−23 J K−1).
Trong trường hợp cỏc hạt siờu thuận từ cụng suất toả nhiệt P cú thể được xỏc định qua phần ảo của độ cảm từ xoay chiều [7]:
f H f H f
P , 0,, 2 (1.14) trong đú ,, f là phần ảo của độ cảm từ xoay chiều, H và f là biờn độ và tần số của từ trường xoay chiều và à0 là độ từ thẩm của chõn khụng (4π ì 10-7 H
m-1).
Cần chỳ ý rằng ở tần số thấp (ωτN << 1), tổn hao tăng lờn theo bỡnh phương tần số và ở vựng tần số cao hơn (ωτ>> 1), tổn hao đạt giỏ trị bóo hồ
H kTV N
P 2 2 và khụng phụ thuộc vào tần số. Giỏ trị cụng suất đạt cực đại khi .
Do thời gian hồi phục τN phụ thuộc mạnh vào kớch thước hạt nờn sẽ cú một kớch thước hạt tối ưu mang lại cụng suất tổn hao cực đại. Tại vựng kớch thước tới hạn cho trạng thỏi siờu thuận từ, tổn hao từ trễ biến mất và tổn hao Neel trở thành cơ chế toả nhiệt chớnh. Tuy nhiờn cỏc kết quả thực nghiệm cú thể sai khỏc nhiều so với cỏc tớnh toỏn lý thuyết này vỡ với cỏc hạt cú kớch thước nhỏ, điều kiện KV >> kT khụng cũn được thoả món. Hơn nữa, trong
1
N
trường hợp cường độ từ trường là lớn, điều kiện μH << kT cũng khụng được thoả món. Ảnh hưởng của phõn bố kớch thước hạt cũng như của cỏc thụng số tớnh chất từ như trường dị hướng cũng cần được tớnh đến.
Đỏnh giỏ vai trũ của từng cơ chế tổn hao vào cụng suất toả nhiệt chung của một hệ hạt từ là khỏ phức tạp. Vấn đề này cũng sẽ được đề cập tới trong luận văn này.