Khi vật liệu được đặt trong từ trường, lực từ của các điện tử trong các nguyên tử sẽ bị ảnh hưởng. Hiệu ứng này được gọi là định luật Faraday về cảm ứng điện từ.
Tuy nhiên, vật liệu có thể có các phản ứng khác nhau với sự hiện diện của một từ trường bên ngoài. Phản ứng này phụ thuộc vào một số yếu tố, chẳng hạn như cấu trúc nguyên tử và phân tử của vật liệu và từ trường bên trong nguyên tử.
Mô men từ liên kết với các nguyên tử xuất phát từ ba nguồn. Do chuyển động của điện tử xung quanh hạt nhân gây ra mô men từ quỹ đạo, do sự thay đổi quỹ đạo của các điện tử do từ trường bên ngoài gây ra và spin của điện tử. Trong hầu hết các nguyên tử, các electron liên kết từng cặp, các cặp này có spin điện tử ngƣợc chiều
7
nhau khiến cho từ trường của chúng triệt tiêu nhau nên nguyên tử không có từ trường. Đối với các vật liệu có điện tử trong nguyên tử không kết cặp luôn tồn tại một từ trường nội tại và sẽ phản ứng mạnh hơn khi được đặt trong từ tường ngoài.
Hầu hết các vật liệu có thể đƣợc phân loại là: Nghịch từ (diamagnetic), thuận từ (paramagnetic), sắt từ (ferromagnetic), phản sắt từ (antiferromagnetic) và ferit từ (ferrimagnetic).
Tất cả các vật liệu dạng khối có thể đƣợc phân loại theo tính chất từ và phân ra làm 5 loại phụ thuộc vào độ tự cảm từ (magnetic susceptibility) của chúng. Hai loại vật liệu từ phổ biến nhất là thuận từ và nghịch từ chiếm phần lớn trong bảng hệ thống tuần hoàn các nguyên tố ở nhiệt độ phòng (hình 1.3).
Hình 1.3. Bảng hệ thống tuần hoàn phân loại theo từ tính của các nguyên tố ở nhiệt độ phòng [19]
Vật liệu từ tính cũng có thể đƣợc tìm thấy trong các hợp chất, chẳng hạn nhƣ các hỗn hợp oxit, đƣợc gọi là ferrit từ... Việc phân loại vật liệu từ dựa vào sự phản ứng của chúng với từ trường ngoài, nguyên nhân chính ở đây là do ở một số vật liệu không có tương tác trao đổi tầm xa giữa các mô men từ nguyên tử trong khi đó một số vật liệu khác lại có tương tác rất mạnh [19, 20].
1.1.4.1. Vật liệu nghịch từ
Vật liệu nghịch từ nhƣ SiO2, H2O, Cu, Pb, CO2 …là các chất không có mômen từ (tổng vectơ mô men từ quỹ đạo và từ spin của toàn bộ điện tử bằng 0). Khi đặt vào từ trường ngoài trong các phân tử sẽ xuất hiện dòng điện phụ và tạo ra từ trường phụ ngược chiều từ trường ngoài (hiện tượng cảm ứng điện từ). Cho nên vật liệu nào cũng phát sinh nghịch từ khi có từ trường tác dụng nhưng trong đa số chất liệu hiệu ứng nghịch từ rất nhỏ và khó phá hiện. Chỉ trong chất siêu dẫn điện có hiệu ứng này rất mạnh.
1.1.4.2. Vật liệu thuận từ
Vật liệu thuận từ nhƣ Cs, O, Al, Pt … là những chất có từ tính yếu (trong ngành từ học xếp vào nhóm phi từ, có nghĩa là chất không có từ tính). Tính chất thuận từ thể hiện ở khả năng phản ứng thuận theo từ trường ngoài, có nghĩa là các chất này có mômen từ nguyên tử (nhưng giá trị nhỏ), khi có tác dụng của từ trường ngoài, các mômen từ này sẽ bị quay theo từ trường ngoài, làm cho cảm ứng từ tổng cộng trong chất tăng lên (hình 1.4) .
8
Hình 1.4. Cấu trúc vật liệu thuận từ 1.1.4.3. Vật liệu sắt từ
Vật liệu nhƣ sắt (Fe), nickel (Ni), gadolinium (Gd), sắt oxit (Fe3O4), Mangan Bismut (Mn-Bi) và Coban Ferrite (CoFe2O4) là vật liệu sắt từ. Những vật liệu này bị ảnh hưởng rất mạnh bởi từ trường ngoài, bị phân cực mạnh theo hướng của từ trường. Hơn nữa, chúng giữ lại sự phân cực của chúng sau khi từ trường bị loại bỏ.
Vật liệu sắt từ phân cực tạo ra từ trường của riêng chúng và có khả năng thu hút lẫn nhau. Tất cả các vật liệu mà chúng ta thường gọi là "nam châm" là vật liệu sắt từ.
Nguyên nhân chính gây ra là kết quả từ sự tương tác giữa các điện tử trong nguyên tử của vật liệu. Đây là lý do tại sao mà vật liệu sắt từ có thể vẫn bị phân cực từ tính ngay cả khi không có từ trường tác dụng lên nó (hình 1.5).
Hình 1.5. Cấu trúc vật liệu sắt từ 1.1.4.4. Vật liệu phản sắt từ
Vật liệu phản sắt từ (nhƣ: MnO, NiO, Cr… ) là nhóm các vật liệu từ có mô men từ nguyên tử hoặc phân tử đƣợc sắp xếp song song, trong đó các mô men từ lân cận có hướng ngược nhau và cân bằng nhau về mặt giá trị (hình 1.6). Nói chúng, vật liệu ở trạng thái phản sắt từ tồn tại ở nhiệt độ đủ thấp nhƣng bị phá vỡ khi nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ TN và vật liệu sẽ chuyển sang trạng thái thuận từ [21].
Hình 1.6. Cấu trúc từ của vật liệu phản sắt từ
9
1.1.4.5. Vật liệu ferit từ
Vật liệu ferit từ là nhóm các vật liệu từ có mô men từ nguyên tử hoặc phân tử được sắp xếp song song, trong đó các mô men từ lân cận có hướng ngược nhau nhƣng không cân bằng nhau về mặt giá trị (hình 1.7). Ferit từ xảy ra chủ yếu trong các oxit từ tính đƣợc gọi là ferrites, ví dụ nhƣ: hợp chất chứa O2-, Fe2+, Fe3+. Vật liệu tồn tại ở trạng thái ferit từ ở nhiệt độ dưới nhiệt độ Tc (nhiệt độ Curi), khi nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ Tc vật liệu sẽ chuyển sang trạng thái thuận từ.
Hình 1.7. Cấu trúc từ của vật liệu ferit từ