TRÚC VÔ ĐỊNH HÌNH
4.7. Ảnh hưởng của tỷ lệ kích thước dài/rộng
4.7.2. Lý thuyết trường khử từ giải thích qui luật phụ thuộc kích thước
Từ trường nội tại trong lòng vật liệu được xác định theo biểu thức:
hint = hạ — N.m = hạ — N. xụ. hit (4.17)
— hạ = hg. (1+ N. xu)
Thay biểu thức (4.22) vào công thức (2.13) thu được:
Vựp Vựp œz(0) (4.18)
đp(N) = 7 = aed ay) ~ END)t.ho tA .(1+N.xy) (1+N.Zw)
Do đó ta có:
œg(N) _ 1 (4.19)
ap(0) m +#„.N
Trong đú ứz(N) và ar(0) là hệ số thộ từ-điện ứng với trường hợp cú tớnh đến hệ số trường khử từ và không tính đến hệ số trường khử từ.
Từ biểu thức trên có thể nhận xét rằng: hệ số thế từ-điện phụ thuộc vào độ
cảm từ và hệ số trường khử từ. Điều này có nghĩa là để đạt được hệ số thế từ-điện cao thì vật liệu tô hợp tu-dién ngoài việc phải được chế tạo từ vật liệu từ giảo có độ cảm từ giảo cao còn phải có hình dạng thích hợp để có hệ số trường khử từ
càng cao càng tot.
Đề xây dựng co sở dt liệu thực nghiệm về hiện tượng từ hóa, luận án đã sử dụng các phép đo trên thiết bị từ kế mẫu rung (VSM). Các mẫu được sử dụng cho phép đo là các mẫu Metglas hình hộp chữ nhật có chiều dầy 7 = 18 um, chiều dài L = 15 mm và chiều rộng W thay đổi từ 0.1 đến 15 mm (có thé coi L >
W>T).
Su khác biệt này có thé được giải thích là do các mẫu có hệ số trường khử từ N khác nhau. Điều này được khang định nhờ đồ thị sự phụ thuộc của độ cảm
từ theo từ trường với các mẫu khác nhau. Độ cảm từ đạt giá trị lớn nhất Xo =
29.217 đối với mẫu dài nhất (r = 140) (hình 4.5). Tuy nhiên, gid trị nay được
đánh giá là còn thâp hơn nhiêu so với giá tri nội tại cua nó.
108
Các phép đo thực nghiệm từ-điện được thực hiện tập trung trên các mẫu có tỷ số r= 1, 2, 3, 5, 7.5 và 15. Hệ số trường khử từ N trong các thực nghiệm
này được tính toán theo công thức:
ng=1_1 (4.20)1 1 Xo Xm
Có thé thấy răng giá trị 1/yy thì nhỏ hon 1/7, ít nhất là hai bậc độ lớn, do đó có thé bỏ qua thành phan 1/7, trong tính toán mà không làm thay đổi kết quả. Kết quả thực nghiệm và lý thuyết của sự phụ thuộc của hệ số trường khử từ N và hệ số thế từ-điện ứz vào giỏ trị r được thộ hiện trong hỡnh 4.33. Bờn cạnh đó, hệ số trường khử từ cũng có thé được tinh toán trực tiếp từ kích thước mẫu (chiều dài L, chiều rộng W và chiều day 7) thông qua phần mềm hỗ trợ [106].
Kết quả tính toán được thê hiện trong hình 4.33.
So sánh kết quả tính toán lý thuyết với kết quả thực nghiệm cho thấy, giá trị hệ số trường khử từ theo lý thuyết (Wz„.ứ;) thỡ lớn hơn giỏ trị hệ số trường khử
từ thu được từ thực nghiệm (Nex) với cùng một kích thước mẫu. Tuy nhiên sự
mô phỏng về sự thay đổi của hệ số thé từ-điện tỷ đối theo hệ số trường khử từ NeExp cho thay su tuong đồng tốt hơn so với sự phụ thuộc của hệ số thế từ-điện tỷ đối theo hệ số trường khử từ Nrneory. Kết quả cho thấy các lý thuyết gần đúng về hệ số trường khử từ N của các mẫu dang mang mỏng vẫn cần bé xung thêm các giả thiết khoa học thích hợp hơn. Bên cạnh đó, hệ số trường khử từ N đã được lưu ý là có sự khác biệt khá lớn giữa các mẫu khối với các mẫu có
dạng màng mỏng.
Sử dụng giá trị hệ số trường khử từ Nexp thu được từ công thức N = 1/#s — 1/yw và Nrneory [106], sự phụ thuộc của hệ số thế từ-điện ty đối vào r tại các giá tri từ trường một chiều 1, 2, 5, 10 Oe được thé hiện tương ứng trong hình 4.33. Kết quả cho thay hệ số thé từ-điện tỷ đối thu được từ giá trị Nexp có sự biến đổi lớn hon so với khi sử dụng giỏ trị của Wz;ô„„. Cụ thộ là hệ số thế từ-điện tỷ đối thay đổi 2,6 lần khi giá trị r thay đổi từ 1 đến 15 đo tai từ trường một chiều 1
109
Oe và với giá trị Nzụ, trong khi sự thay đổi tương ứng khi sử dụng Nrneory chỉ là 1,3 lần› `
T T T T T T T T T T T TT T T TT
+0Ƒ 4 `9 (a) |
— 4ơ 25/1 +
2 0.5 š 1x” | “¿0 4
Ệ J 3
z Z 45/ 40.0 a 1.5
FP a gu Du Du Du. Da Dàn 2 a h..
0 20 40 60 80 100 120 140 160 0 20 40 60 80 100 120 140 160
§.0 tot 2.5 — T T T T T T T T
10e e 1Oe
_ 40+ (b) 4 : (e) 20e
= 20e|] = OF '
5 3.0 + ụ sOelII
ơ # 9ƒ 10 0e|
= 2.0 so # °
“4soL 100e] #” 4.9
pe "...
40 0 20 40 60 80 100 120 140 160 0 20 40 60 80 100 120 140 160
. r r 1 r r r 1 r r r
1.4L 1 Oe}
2ứ (Â) 109] (f) 206.
> 20e] — L 4
_ = 1$ 50e
"20+ 1+1
= & 1.2} 4 3 45 soi 2 10 Oe!
® 2 11
= 1006) Tu
3 1.0} 7 4.0L
+ + + + + + +— L L L
0 3 6 12 15 3 6 9 12 15
1
9
r=L/W
Hình 4.33: Sự phụ thuộc của Nexp (a) va Nineory (đ), ty số hệ số thé từ-điện thực
nghiệm (b,e) và từ lý thuyết (c,f) theo r
Dé thấy được sự đúng đắn của công thức N = 1/7) — 1/Z„ so với lý thuyết [106], giá trị hệ số thế từ-điện của các mẫu vật liệu tổ hợp từ-điện có kích thước 15x15, 15x3 và 15x1 mm (r= 1, 5 và 15) được do tại từ trường một chiều 1, 2, 5 và 10 Oe (hình 4.33). Kết quả cho thấy khi tăng giá trị r từ 1 đến 15 thì hệ số thế từ-điện tỷ đối tăng 4,4 lần, 3,4 lần và 1,2 lần tương ứng với khi đo tại các giá trị từ trường một chiều là 1 Oe, 2 Oe và 10 Oe. Sự biến đổi của hệ số thé từ- điện tỷ đối này là tương đối phù hợp so với các kết quả thu được khi tính toàn theo giá trị Nmeory. Tuy nhiên, kết quả thu được từ việc phân tích tĩnh từ và từ thực nghiệm đã chỉ ra rằng hình dạng của Metglas đóng một vai trò quan trọng trong việc làm tăng mật độ từ thông bên trong vật liệu tổ hợp từ-điện. Kết quả thực nghiệm va lý thuyết đều cho thấy đối với vật liệu tổ hợp từ-điện có kích
thước 15x1 mm thì cho độ nhạy đối với từ trường thấp lớn nhất. Điều này có
được là do câu hình này đã tôi ưu hóa tât cả các yêu tô ảnh hưởng.
110
Kết luận này thêm một lần nữa khang định việc sử dụng cấu hình vật liệu tổ hợp từ-điện có kích thước 15x1 mm cho việc chế tạo cảm biến từ trường trái đất là tối ưu.