Các đặc trưng cơ bản của vật liệu từ mềm bao gồm: đường từ hoá, đường từ trễ, độ từ thẩm, quá trình từ hoá trong trường một chiều và xoay chiều, tổn hao năng lượng khi từ hoá ở các tần số khác nhau, năng lượng từ…
Tất cả các đặc trưng đó phụ thuộc vào cường độ từ trường từ hoá cũng như vào trạng thái từ của vật chất trước khi từ hố, phụ thuộc vào nhiệt độ. Vì vậy, mỗi loại vật liệu từ đều có tính chất riêng của nó, tuy nhiên, mỗi trường hợp cụ thể chỉ xét một hay vài tính chất đặc trưng cho riêng mỗi loại vật liệu từ
3.3.1 Đường từ hoá, độ từ thẩm và độ từ cảm của vật liệu từ trong trường một
chiều
Mômen từ trên một đơn vị thể tích của vật chất từ được gọi là cường độ từ hoá (từ độ) M.
Cảm ứng từ B ( hay mật độ từ thông) thường được dùng trong ứng dụng kỹ thuật để mô tả sự từ hoá. Quan hệ giữa B và M cho bởi công thức:
B = M + μ0H (3.14) μ0 : độ từ thẩm chân không
Mật độ từ thông xác định hiệu quả làm việc của tất cả các thiết bị sử dụng các linh kiện từ tính, thí dụ chất lượng ghi âm, ghi hình, hiệu suất của động cơ điện…
Cảm ứng từ B phụ thuộc vào từ độ M và cường độ từ trường H tác dụng vào vật liệu, bản thân từ độ M cũng phụ thuộc vào H :
M = χ H (3.15)
χ là hệ số từ hoá
(3.14) và (3.15) thường được thể hiện trên đường từ hoá đo trên mẫu đã được khử từ, đường đó gọi là đường từ hố cơ bản (hình 3.10). Các đường này là đặc trưng cơ bản nhất của vật liệu từ.
Hệ số từ hoá tương đối : χr =
0
(3.16) là đại lượng không thứ nguyên và giá trị của nó 4π lần lơn hơn χ đo ở hệ cgs.
Thay thế cho M ở (3.14) biểu thức (3.15) trở thành :
B = ( χ + µ0 ) H = µH (3.17) µ : độ từ thẩm
Người ta cũng thường dùng độ từ thẩm tương đối :
µr= µ / µ0 = χr+ 1 (3.18)
3.3.2 Quá trình từ hố và từ trễ
a) Q trình từ hố
Một đặc trưng quan trọng nhất của vật liệu sắt từ là, dưới nhiệt độ Curie, chúng bao gồm các vùng nhỏ được bão hồ từ gọi là đơmen. Các đômen cạnh nhau được tách biệt nhau bởi vách đơmen (hình 3.7). Đơ men cạnh nhau có vectơ từ độ hợp với nhau một góc 1800 gọi là đô men 1800 (hay vách 1800). Trong vật liệu có ba hướng dễ từ hố ( thí dụ Fe ) cấu trúc từ phức tạp hơn, bởi vì rằng ngồi đơ men 1800 cịn có đơ men 900.
Hình 3.8 là cấu trúc đơmen của đa tinh thể Fe-3%Si được quan sát dưới kính hiển vi điện tử quét (SEM).
Ta hãy xét q trình từ hố và khử từ của chất sắt từ có cấu trúc đơ men. Khi khơng có từ trường ngồi, các mẫu được làm nguội từ nhiệt độ thiêu kết đến nhiệt độ phịng, từ độ bằng khơng. Khi đặt từ trường ngồi xảy ra q trình tái định hướng các đơ men kết quả là mẫu được từ hoá. Sự từ hoá chất sắt từ xảy ra bởi quá trình dịch chuyển vách đơ men và q trình quay vectơ từ độ. Khi H = H1, các đô men dọc theo hướng trường ngồi sẽ nở ra và các đơ men có hướng phản song sẽ co hẹp lại và mất đi khi H = H2. Nếu từ trường đặt vào khơng dọc theo trục dễ mà tạo một góc nào đó với từ trường thì q trình từ hố được thực hiện bắt đầu do dịch chuyển vách đô men, cịn sau đó là quay vectơ từ độ theo hướng từ trường ngoài.
a) Vách đômen b) Bề rộng vách đômen
Hình 3.7- Đơmen từ a) và hình minh hoạ trạng thái mômen từ (mũi tên) trong mỗi đômen và vách đơmen b)
Q trình từ hố khi từ trường tương đối yếu là dịch chuyển vách đô men và các đơ men có hướng hợp với từ trường góc nhỏ nhất sẽ nở ra và ở trường mạnh sẽ xảy ra quá trình quay vec tơ từ độ theo hướng trường ngồi.
Khi từ hố các chất sắt từ, thực tế không thể phân định một cách rõ rệt sự kết thúc quá trình dịch chuyển và bắt đầu quay mà ở một vùng trường nào đó hai q trình đó diễn ra đồng thời. Người ta phân biệt ra quá trình dịch chuyển vách thuận nghịch và bất thuận nghịch. Sự dịch chuyển thuận nghịch xảy ra ở từ trường rất nhỏ ( thí dụ ở hợp kim Fe-Si - thường được gọi là tơn silic- trường đó cỡ phần mười A/m) đặc trưng của nó là khi tắt từ trường ngoài vách lại trở về vị trí ban đầu. Tại từ trường đủ lớn ( với Fe-Si cỡ 5.104 A/m) từ độ hầu như đạt giá trị giới hạn gọi là bão hoà kỹ thuật. Khi tiếp tục tăng từ trường, từ độ tăng không đáng kể đạt đến giá trị bão hoà thật.
Xuất phát từ lý thuyết sắt từ hiện đại đường từ hoá cơ bản được chia làm bốn đoạn (hình 3.10).
1. Đoạn 1 tương ứng với dịch chuyển vách (ở từ trường rất nhỏ)
2. Đoạn 2 tương ứng với dịch chuyển vách bất thuận nghịch. Sự thay đổi từ độ khi đó có bước nhẩy (do bước nhẩy Bachausen). Đường từ hố (đoạn 2) có dạng bậc thang. Đoạn này là đoạn dốc nhất của đường từ hoá.
3. Đoạn 3 tương ứng với quá trình quay vectơ từ độ theo hướng trường ngoài và ở đoạn này từ độ đạt giá trị bão hồ kỹ thuật.
Hình 3.9- Q trình từ hố do dịch chuyển vách và quay mơmen từ trong các đơmen a) H=0, b) Q trình dịch chuyển khi H=H1 kết thúc,
c) H>H1 xảy ra quá trình quay, d) H>H2 quá trình quay kết thúc.
a) b) c) d)
4. Đoạn 4 tương ứng với với quá trình từ hố thực của chất sắt từ được gọi là para-q trình. Trên đoạn đó q trình quay hồn tồn kết thúc ở trường H cỡ 106 A/m với tôn Si.
b) Đường từ trễ
Khi đặt từ trường thay đổi theo chu kỳ về dấu và đại lượng vào mẫu sắt từ ta có đường từ trễ (hình 3.11). Từ đường từ trễ ta có thể xác định được các thơng số : từ độ bão hồ Bs, từ độ cực đại BM, từ độ dư HC , các loại độ từ thẩm như độ từ thẩm ban đầu µi , độ từ thẩm cực đại µmax …. Diện tích của chu kỳ đường từ trễ tỷ lệ với năng lượng tiêu tốn để từ hoá một đơn vị thể tích mẫu sắt từ.
Hình 3.10- Đường từ hoá cơ bản của mẫu sắt từ
Độ nghiêng=µi
Hình 3.11- Đường từ trễ của vật liệu từ chỉ ra sự phụ thuộc B-H. Đường
từ hoá cơ bản trạng thái khử từ chỉ ra độ từ thẩm ban đầu µi . Độ từ dư
Br và trường khử từ Hc. Các đômen vẽ ở bên phải chỉ ra trạng thái khử
từ và gần bão hồ. ( Md : mơmen từ của từng đômen)