CHƯƠNG 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
1.3.3. Thuận từ, nghịch từ, sắt từ
1.3.3.1. Thuận từ, nghịch từ.
"Nghịch" ở đây có thể hiểu là chống lại từ trường. Đó là thuộc tính cố hữu của mọi vật chất. Ta biết rằng, khi đặt một vật vào từ trường, th o quy tắc cảm ứng điện từ, trong nội tại của nguyên tử sẽ sinh ra dòng cảm ứng th o quy tắc L nz, tức là dòng sinh ra sẽ có xu thế chống lại nguồn sinh ra nó (từ trường), và tạo ra một m m n từ phụ ngược với chiều của từ trường ngoài. Đó là tính nghịch từ.
Chất nghịch từ là chất kh ng có m m n từ nguyên từ (tức là m m n từ sinh ra do các điện tử bù trừ lẫn nhau), vì thế khi đặt một từ trường ngoài vào, nó sẽ tạo ra các
Trang 32
m m n từ ngược với từ trường ngoài. Th o nguyên lý, vật nghịch từ sẽ bị đẩy ra khỏi từ trường. Nhưng th ng thường, ta khó mà quan sát được hiệu ứng này bởi tính nghịch từ là rất yếu (độ từ thẩm của chất nghịch là nhỏ hơn và xấp xỉ 1 - độ cảm từ âm và rất bé, tới cỡ 10-6). Các chất nghịch từ điển hình là H2O, Si, Bi, Pb, Cu, Au...
Chất thuận từ là chất có m m n từ nguyên từ, nhưng m m n từ này cũng rất nhỏ, có thể x m một cách đơn giản các nguyên tử của chất thuận từ như các nam châm nhỏ, nhưng kh ng liên kết được với nhau (do khoảng cách giữa chúng xa và m m n từ yếu).
Hình 1.6. Hình ảnh đơn giản về chất thuận từ.
Khi đặt từ trường ngoài vào chất thuận từ, các "nam châm" (m m n từ nguyên tử) sẽ có xu hướng bị quay th o từ trường, vì thế m m n từ của chất thuận từ là dương, tuy nhiên do mỗi "nam châm" này có m m n từ rất bé, nên m m n từ của chất thuận từ cũng rất nhỏ. Hơn nữa, do các nam châm này kh ng hề có tương tác với nhau nên chúng kh ng giữ được từ tính, mà lập tức bị mất đi khi ngắt từ trường ngoài.
Như vậy, chất thuận từ về mặt nguyên lý cũng bị hút vào từ trường (một hình ảnh ví dụ là Ôxy lỏng bị hút vào cực của nam châm điện (hình dưới - Haliday et al.
Fundamentals of Physics, 7th Ed.) nhưng thực tế, bức tranh này ta chỉ quan sát thấy trong từ trường mạnh.
Trang 33
Hình 1.7:Sự phân cực oxi lỏng.
Ôxy lỏng (chất thuận từ) bị hút vào cực của nam châm điện.
Các chất thuận từ điển hình là l, Na, O2, Pt...
Trước đây, người ta thường coi các chất thuận từ và nghịch từ là các chất từ tính yếu, hay phi từ, gần đây, các chất có tính chất giống thuận từ (siêu thuận từ) lại được nghiên cứu ứng dụng mạnh, và kh ng phải là từ tính kém.
1.3.3.2. Giải thích sự từ hóa của các chất thuận từ.
Các chất thuận từ phải là những chất có m m n từ nguyên tử khác kh ng. Khi kh ng có từ trường ngoài các m m n từ sắp xếp hoàn toàn hỗn loạn, kh ng có phương ưu tiên do chuyển động nhiệt. Vì vậy m m n từ tổng hợp trong toàn vật thuận từ bằng kh ng và vật kh ng có từ tính.
Khi có từ trường ngoài thì các m m n từ phân tử có xu hướng sắp xếp th o hướng của từ trường đó là phương ưu tiên. Do đó toàn bộ vật thuận từ có m m n từ khác kh ng và m m n từ tổng hợp có chiều cùng chiều với từ trường ngoài. Đó là hiệu ứng thuận từ.
1.3.3.3. Giải thích sự từ hóa của các chất nghịch từ.
Các chất nghịch từ là những chất có tổng các v cto m m n từ quỹ đạo và môm n từ riêng bằng kh ng (do cấu trúc nguyên tử đối xứng), là các chất nghịch từ.
Khi đặt chúng vào từ trường, do hiệu ứng nghịch từ (dưới tác dụng của từ trường ngoài chuyển động phụ của l ctron sinh ra m m n từ cảm ứng ngược chiều từ trường ngoài) toàn bộ các nguyên tử có m m n từ phụ lu n ngược chiều với từ trường ngoài.
Trang 34 1.3.3.4. Sắt từ
Chất sắt từ được biết đến là chất có từ tính mạnh, tức là khả năng cảm ứng dưới từ trường ngoài mạnh.
Fe, Co, Ni, Gd.. Là những ví dụ điển
hình về loại chất này. Chất sắt từ là các
chất có m m n từ nguyên tử. Nhưng nó
khác biệt so với các chất thuận từ ở chỗ
các m m n từ này lớn hơn và có khả năng tương tác với nhau. Ta tưởng tượng tương tác này như là các nam châm đứng gần nhau, chúng hút nhau và giữ cho nhau song song nhau. Tất nhiên, bản chất vật lý của
tương tác trao đổi kh ng như thế, bản
chất của tương tác trao đổi là tương tác
tĩnh điện đặc biệt. Tương tác này dẫn đến
việc hình thành trong lòng vật liệu các
vùng (gọi là các đ m n từ) mà trong
mỗi đ m n này, các m m n từ sắp xếp
hoàn toàn song song nhau (do tương tác
trao đổi), tạo thành từ độ tự phát của vật
liệu (có nghĩa là độ từ hóa tồn tại ngay cả khi kh ng có từ trường).
Nếu kh ng có từ trường, do năng lượng nhiệt làm cho m m n từ của các đ m n trong toàn khối sẽ sắp xếp hỗn độn do vậy tổng độ từ hóa của toàn khối vẫn bằng 0 các domain từ, trong các domain, m m n từ hoàn toàn song song với nhau.
Nếu ta đặt từ trường ngoài vào vật liệu sẽ có 2 hiện tượng xảy ra:
- Sự lớn dần của các đ m n có m m n từ th o phương từ trường - Sự quay của các m m n từ th o hướng từ trường
khi tăng dần từ trường đến mức đủ lớn, ta có hiện tượng bão hòa từ, lúc đó tất cả các m m n từ sắp xếp song song với nhau và trong vật liệu chỉ có một đ m n duy nhất. Nếu ta ngắt từ trường, các m m n từ sẽ lại có xu hướng hỗn độn và lại tạo thành các đ m n, tuy nhiên, các đ m n này vẫn còn tương tác với nhau (ta tưởng tượng hình ảnh các nam châm hút nhau làm chúng kh ng hỗn độn được) do vậy tổng m m n từ trong toàn khối kh ng thể bằng 0 mà bằng một giá trị khác 0, gọi là độ từ dư. Điều này tạo thành hiện tượng trễ của vật liệu . Nếu muốn khử hoàn toàn m m n từ của vật liệu, ta cần đặt một từ trường ngược sao cho m m n từ hoàn toàn bằng 0, gọi là lực kháng từ. Đường cong từ hóa (sự phụ thuộc của từ độ vào từ
Hình 1.8: Mom n từ của chất sắt từ.
Trang 35
trường ngoài của chất sắt từ khác với chất thuận từ ở chỗ nó là đường cong phi tuyến (của thuận từ là tuyến tính) và đạt tới bão hòa khi từ trường đủ lớn (hình 7).
Hình 7. Đường cong từ trễ (a) và nhiệt độ Curi (b) của chất sắt từ.
Hai đặc trưng cơ bản cần nhớ của chất sắt từ là (x m hình 7):
- Đường cong từ trễ.
- Và nhiệt độ Curie tc.
Nhiệt độ curi là nhiệt độ mà tại đó, chất bị mất trật tự từ, và khi t>tc chất trở thành thuận từ.
Mỗi chất sắt từ có khả năng "từ hóa" (tức là chịu biến đổi về từ tính dưới tác động của từ trường ngoài) và khử từ (sự mất từ tính dưới tác dụng của từ trường ngoài ngược với nội trường) khác nhau. Từ tính chất này, người ta lại phân chia chất sắt từ thành những nhóm khác nhau, mà cơ bản có 2 nhóm chất sắt từ là sắt từ mềm và sắt từ cứng.
Trang 36
Sắt từ cứng là loại sắt từ có cảm ứng khử từ B lớn. Tính từ dư của loại này vừa mạnh vừa bền vững. Vì vậy người ta dùng loại sắt từ này để chế tạo nam châm vĩnh cửu.
Sắt từ mềm là loai sắt từ có cảm ứng khử từ nhỏ. Loại sắt từ này làm tăng cảm ứng từ trong nó lên rất mạnh nhưng đồng thời tính từ dư của nó lại dể khử. Vì vậy người ta dung nó để làm lõi trong nam châm điện, lõi biến thế…