CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN
1.1. Từ tính và các vật liệu từ
1.1.2. Phân loại vật liệu từ
Có nhiều cách phân loại vật liệu từ khác nhau, một trong số đó dựa trên độ cảm từ của vật liệu. Hệ số không có thứ nguyên này có thể dương, âm, tuyến tính hoặc phi tuyến và có thể suy ra từ đường cong M(H). Dựa vào giá trị của độ cảm từ, các vật liệu từ thường được phân loại thành ba nhóm chính: vật liệu nghịch từ, vật liệu thuận từ và vật liệu sắt từ (hình 1.1).
Hình 1. 1. Đường cong từ hóa của vật liệu nghịch từ, thuận từ và sắt từ.
- Vật liệu nghịch từ (diamagnetism) là vật liệu chỉ chứa các nguyên tử và phân tử không có mômen từ tĩnh. Khi được đặt trong từ trường ngoài, từ độ của các vật liệu này rất nhỏ và ngược hướng với từ trường ngoài. Độ cảm từ có giá trị âm nằm trong khoảng từ -10-6 tới -10-4 và không thay đổi theo nhiệt độ. Tính nghịch từ tồn tại trong tất cả các loại vật liệu, ngay cả trong các loại vật liệu từ khác. Tác động của vật liệu nghịch từ yếu hơn nhiều so với các loại vật liệu khác và thường được bỏ qua. Một vài vật liệu nghịch từ phổ biến được sử dụng trong các vi hệ thống là nước ( = -9,06×10-6), silic ( = -14,0×10-6), cacbon ( = -16,0×10-6), đồng ( = -22,0×10-6). Vật liệu tự nhiên có tính nghịch từ lớn nhất là bismuth ( = -175,0×10-6), chỉ xếp sau graphite pyrolytic tổng hợp có định hướng cao ( = -450,0×10-6) [36, 38]. Những vật
liệu này là các đối tượng nghiên cứu liên quan tới hiệu ứng nâng nghịch từ (diamagnetic levitation).
- Vật liệu thuận từ (paramagnetism) là vật liệu chứa các nguyên tử có mômen từ tĩnh. Khi không có từ trường ngoài, mômen từ của các nguyên tử không tương tác với nhau và có thể định hướng tự do theo bất kì phương nào, vì vậy mômen từ tổng cộng của vật liệu bằng 0. Trong từ trường ngoài, toàn bộ mômen từ của vật liệu sẽ sắp xếp theo cùng một hướng với từ trường ngoài và tạo ra một mômen từ tổng khác 0, mômen từ tổng này sẽ biến mất khi từ trường ngoài được loại bỏ. Mômen từ tổng cao hơn ở nhiệt độ thấp và giảm dần khi nhiệt độ tăng do dao động nhiệt của các mômen từ. Đường cong M(H) của vật liệu thuận từ cũng trở nên tuyến tính hơn khi nhiệt độ giảm. Độ cảm từ của vật liệu thuận từ có giá trị trong khoảng 10-5 ÷ 10-3.
- Vật liệu sắt từ (ferromagnetism) giống vật liệu thuận từ ở chỗ có mômen từ tĩnh, nhưng các mômen từ này liên kết chặt chẽ với nhau. Các mômen từ nguyên tử liên kết và sắp xếp song song và cùng chiều với nhau ở trong một vùng không gian gọi là đômen. Nhiệt độ tăng trong các chất sắt từ cũng làm giảm mômen từ tổng của vật liệu. Các chất sắt từ mặc dù có từ độ tự phát nhưng mômen từ tổng cộng vẫn có thể bằng 0 vì mômen từ tổng của các đômen liên kết ngẫu nhiên với nhau và không có định hướng ưu tiên. Khi vật liệu được đặt trong từ trường ngoài với cường độ tăng dần, các mômen từ nguyên tử sẽ được sắp xếp cùng hướng với từ trường ngoài cho tới khi đạt trạng thái bão hòa từ với giá trị từ độ MS. Khi vật liệu đạt được trạng thái bão hòa từ, nếu từ trường ngoài được loại bỏ thì trong vật liệu sắt từ vẫn tồn tại một mômen từ tổng do định hướng ưu tiên của các mômen thành phần sau khi được từ hóa, gọi là từ độ dư (MR). Lúc này, nếu từ trường ngoài được đưa vào theo hướng ngược lại và tăng dần cường độ để các mômen từ của vật liệu đạt trạng thái bão hòa một lần nữa thì từ độ của vật liệu là một hàm của từ trường ngoài và có đường về khác đường đi. Đồ thị sự phụ thuộc của từ độ vật liệu sắt từ vào từ trường ngoài gọi là đường cong từ trễ. Đường cong từ trễ là một tính chất quan trọng của vật liệu sắt từ, gắn với nhiều ứng dụng mà một ứng dụng cơ bản và điển hình nhất là dùng để chế tạo nam châm. Đây là một loại dụng cụ được sử dụng để tác động lực hút hoặc lực
đẩy lên các vật liệu từ và các nam châm khác. Mọi nam châm đều có ít nhất một cực bắc và một cực nam, chúng có hình dạng phong phú và có thể được làm từ nhiều loại vật liệu khác nhau.