Vật liệu sắt từ được định nghĩa là vật liệu có từ độ tự phát, từ độ này ổn định theo thời gian và có thể có hiện tượng trễ dưới tác động của từ trường ngoài. Véc tơ từ độ được định nghĩa là tổng tất cả các mômen từ (mômen từ tự phát và mômen từ cảm ứng) của vật liệu trong một đơn vị thể tích. Bản chất của mômen từ có nguồn gốc từ các chuyển động của điện tử trong các nguyên tử. Về cơ bản có thể chia thành ba loại chính bao gồm:
- Mômen từ do sự chuyển động của điện tử xung quanh hạt nhân. Chuyển động này gây ra một mômen từ vuông góc với mặt phẳng chuyển động của điện tử.
- Mômen từ do sự tự quay của điện tử. Giá trị của mômen từ này được xác
định thông qua đại lượng magneton Bohr μB.
- Mômen từ do sự thay đổi của các orbital khi có sự tác dụng của từ trường ngoài.
Trong hệ SI thì véc tơ cảm ứng từ của vật liệu (𝐵⃗ ) khi chịu tác dụng của từ
trường ngoài (𝐻⃗⃗ ) được biểu diễn bằng công thức [6]:
𝐵⃗ = 𝜇0(𝐻⃗⃗ + 𝑀⃗⃗ ) (1.3)
μ0 là độ từ thẩm của chân không (= 4π.10-7 H/m)
𝐻⃗⃗ là vec tơ cường độ từ trường ngoài
𝑀⃗⃗ là vec tơ từ độ của vật liệu
Để đặc trưng cho mức độ từ hóa của vật liệu, đại lượng độ cảm từ χM
được định nghĩa là [6]:
𝜒𝑀 =𝜕𝑀
𝜕𝐻
(1.4)
Về cơ bản thì độ cảm từ phụ thuộc vào cường độ từ trường ngoài và nhiệt độ χM = χM(T, H).
Có thể phân loại các vật liệu từ theo cấu trúc từ của chúng thành các loại bao gồm [6]: - Nghịch từ (χM ~ -10-5) - Thuận từ (χM ~ +10-5) - Phản sắt từ - Từ giả bền - Sắt từ ký sinh - Feri từ - Sắt từ (χM ~ +106)
Bản chất của tính chất từ của vật liệu sắt từ được đề xuất là do các đômen từ có trong vật liệu. Đômen từ được định nghĩa là một vùng trong vật liệu mà từ độ tại đó là đồng nhất cả về phương, chiều và độ lớn. Khi có từ trường ngoài tác dụng, các đômen có từ độ cùng chiều với từ trường ngoài sẽ được mở rộng (tương ứng là sự thu hẹp của các đômen ngược chiều). Sau quá trình mở rộng và thu hẹp đômen là quá trình quay các đômen theo cùng chiều từ trường ngoài.
Về cơ bản đường cong từ trễ của các vật liệu sắt từ có dạng như hình 1.9. Khi tất cả các đômen trong vật liệu quay theo hướng từ trường ngoài thì vật liệu
đạt trạng thái từ hóa bão hòa và từ độ bão hòa được ký hiệu là MS. Khi vật liệu bị từ hóa và từ trường giảm về không thì vật liệu vẫn còn tồn tại một giá trị từ độ
gọi là từ dư Mr. Giá trị Mr/MS còn thể hiện thông tin về tính chất dị hướng từ tinh
thể của vật liệu. Muốn khử từ hoàn toàn vật liệu thì cần phải tác dụng một từ
trường ngược chiều từ trường ban đầu và có giá trị HC và được gọi là lực kháng
từ. Giá trị của lực kháng từ cho biết thông tin về tính chất từ của vật liệu (từ cứng hay từ mềm) và cấu trúc từ của vật liệu.
Hình 1.9: Đường cong từ hóa của vật liệu sắt từ
Trong các vật liệu từ cứng thì từ dư và lực kháng từ lớn hơn so với vật liệu từ mềm và do đó năng lượng cần thiết để triệt tiêu tính chất từ của vật liệu từ cứng cũng lớn hơn so với vật liệu từ mềm. Do các tính chất khác nhau này thì vật liệu từ cứng thường được sử dụng để chế tạo các nam châm vĩnh cửu.