Trật tự từ tự nhiên của các vật liệu sắt từ có được là do tương tác trao đổi giữa các mômen từ nguyên tử, ở trên nhiệt độ Curie vật liệu không còn trật tự từ. Trạng
9 thái cân bằng tĩnh của chất sắt từ được xác định bởi sự cực tiểu hóa năng lượng tự do Gibbs trong trường ngoài được cho bởi công thức sau:
E = EH + ES + Eex + EA (1.1)
Trong biểu thức (1.1) EH là năng lượng tĩnh từ, ES là năng lượng từ phân tán,
Eex là năng lượng trao đổi và EA là năng lượng dị hướng từ tinh thể. Các đặc tính từ nội tại của chất sắt từ là nhiệt độ Curie (Tc), từ độ bão hòa (Ms) và trường dị hướng (HA). Để đạt được từ độ bão hòa thì từ trường ngoài đặt vào phải lớn hơn trường dị hướng. Trường dị hướng là từ trường mà tại đó năng lượng dị hướng từ tinh thể bị vượt qua và tất cả các mômen từ sắp xếp dọc theo từ trường ngoài. Năng lượng dị hướng từ tinh thể cho cấu trúc tinh thể có tính đối xứng thấp (lục giác hay tứ giác) được cho bởi biểu thức sau [51].
EA = K1sin2 + K2sin4 + K3sin6 + K’2sin4cos4 + K’3sin6 cos4 (1.2) Trong biểu thức (1.2) Ki và K’i là hằng số dị hướng, là góc giữa hướng từ hóa và trục c, là góc tạo thành bởi phép chiếu véctơ từ độ lên mặt phẳng cơ sở và trục a. Các số hạng bậc cao nói chung là không cần thiết và đôi khi có thể bỏ cả số hạng K2. Các vật liệu đơn trục có một trục dễ thành ra năng lượng dị hướng phụ thuộc vào góc là góc giữa hướng được từ hóa và trục dễ. Ở nhiệt độ phòng K1
nhận giá trị dương 4,5 MJ/m3 đối với Nd2Fe14B, dị hướng đơn trục của pha Nd2Fe14B với trục dễ từ hóa nằm dọc theo trục c của cấu trúc tinh thể hệ tứ giác [116], trường dị hướng của Nd2Fe14B bằng 6,7 T [91].
Dị hướng từ tinh thể của Nd2Fe14B là kết quả của sự liên kết spin - quỹ đạo của các trạng thái 3d - 4f, được ổn định bởi điện trường tinh thể (the crystalline electric field). Dị hướng từ tinh thể của pha này tăng lên chủ yếu do sự tương tác của lớp vỏ 4f của nguyên tố đất hiếm có dạng phỏng cầu được lấp đầy và sự liên kết của từ độ 3d (chủ yếu được tạo bởi spin) với mômen từ quỹ đạo. Cả hai mạng con Nd và Fe đều sắp xếp song song trong Nd2Fe14B tạo ra từ độ ở nhiệt độ phòng lớn đến 1,61 T. Nhiệt độ Curie của pha Nd2Fe14B là 585 K.
Vi cấu trúc (thành phần pha, sự phân bố kích thước hạt, định hướng trong không gian của các hạt, hình dạng hạt, độ xếp chặt của các hạt) của một nam châm
10 tác động đến đặc tính từ như lực kháng từ, từ độ bão hòa, cảm ứng từ dư, hệ số vuông góc và tích năng lượng từ. Các đặc tính từ của nam châm có thể được xác định bằng đường cong từ trễ. Hình 1.4 là đường cong từ trễ của một nam châm vĩnh cửu lý tưởng. Ở đây, độ phân cực từ (J) và cảm ứng từ (B) được xác định như sau:
J = 0M (1.3)
B = 0H + J (1.4)
Với 0 là độ từ thẩm trong chân không, 0 = 4.10-7 Tm/A
Hình 1.4: Đường cong từ trễ
của một nam châm lý tưởng (đường J-H và B-H)
Nguyên nhân cơ bản của hiện tượng trễ là sự tương tác giữa các mômen từ với nhau và giữa chúng với trục dễ tinh thể có tác dụng giữ chúng song song với nhau và ngăn cản chúng quay theo hướng của từ trường ngoài. Có nhiều cơ chế khác nhau để tạo nên hiện tượng trễ, tạo nên hình dạng của đường cong từ trễ: i) Cơ chế quay kết hợp của các mômen từ là cơ chế đảo từ khi các mômen từ bị ghim ở trạng thái định hướng sau đó đột ngột quay theo hướng từ trường của trường đảo từ khi từ trường vượt giá trị trường đảo từ. Cơ chế này thường xuất hiện trong các vật liệu sắt từ có cấu trúc gồm các hạt đơn đômen, nó thường tạo ra đường cong từ trễ có dạng hình chữ nhật; ii) Cơ chế hãm dịch chuyển vách đômen do ghim lại tại các tâm tạp chất, các sai hỏng của mạng tinh thể hoặc trên bề mặt của một pha thứ hai tạo nên hiện tượng trễ; iii) Cơ chế hãm sự phát triển của mầm đảo từ cũng tạo nên hiện tượng trễ.
Cơ chế hãm dịch chuyển vách đômen và hãm mầm đảo từ là hai cơ chế chính gây ra hiện tượng trễ trong các vật liệu sắt từ được tạo ra. Thông thường đối với các
11 nam châm bột thiêu kết Nd-Fe-B thì cơ chế hãm mầm đảo từ sẽ là cơ chế quyết định chính đối với giá trị trường kháng từ. Đối với nam châm Nd-Fe-B chế tạo trên cơ sở bột nguội nhanh bao gồm các vi hạt tinh thể kích thước nanomét, hai cơ chế nói trên có thể cùng tồn tại song song.