Tính chất từ của vật liệu Ferit được hình thành khi tồn tại hai phân mạng có mô men từ khác nhau.
Đại lượng đặc trưng cho từ tính của vật liệu là từ độ, được định nghĩa là tổng các mômen từ trên một đơn vị thể tích hoặc một đơn vị khối lượng. Khi không có từ trường ngoài, các mômen từ tự phát sắp xếp theo một trật tự ổn định và vật liệu đạt đến trạng thái bão hoà từ trong từng đômen.
Sự phân bố mômen từ spin của Fe3+ và Fe2+ trong một ô cơ sở của Fe3O4 được trình bày trong bảng 1.5.
trong một ô mạng của Fe3O4
Ion Vị trí B(bát diện) Vị trí A(tứ diện) Mô men từ tổng Fe3+ (S =5/2) Bằng 0
Fe2+(S =2) -
Trong đó và là spin thuận và nghịch của các điện tử trong ion Fe2+ và ion Fe3+. Mômen từ spin của ion Fe3+
ở hai phân mạng khử lẫn nhau nên không đóng góp vào sự từ hoá của vật liệu. Còn ion Fe2+
với các mômen spin sắp xếp theo cùng một hướng sẽ có mômen tổng đảm bảo sự từ hoá. Do đó, độ từ hoá của ferit từ Fe3O4 có nguồn gốc từ mômen từ của ion Fe2+.
Về mặt cơ bản thì tất cả các vật liệu đều có từ tính với từ độ phụ thuộc vào cấu trúc nguyên tử và nhiệt độ của nó. Tính chất từ của vật liệu có thể được mô tả trong mối quan hệ giữa độ từ hoá của vật liệu (M) với từ trường đặt vào (H) như phương trình [1.11][2]:
M = .H (1.11) Trong đó: là độ cảm từ của vật liệu.
Magnetite (Fe3O4) thuộc loại vật liệu ferit từ. Trong đó, các mômen từ sắp xếp thành hai phân mạng phản song song nhưng độ lớn mômen từ trong hai phân mạng không bằng nhau, dẫn đến từ độ tổng cộng khác không ngay cả khi từ trường ngoài bằng không và được gọi là từ độ tự phát. Ở loại vật liệu này tồn tại nhiệt độ chuyển pha Tc (nhiệt độ Curie), khi T > Tc trật tự từ bị phá vỡ và vật liệu trở thành thuận từ.
Đối với vật liệu ferit Fe3O4, hình dạng của đường cong từ trễ được xác định một phần bởi kích thước hạt (hình 1.14). Các nghiên cứu [7]-[4], đã chỉ ra rằng bản thân kích thước hạt cũng ảnh hưởng đến cấu trúc đômen của vật liệu và do đó ảnh hưởng đến đường cong từ hoá của vật liệu đó. Khi hạt có kích thước lớn nó có cấu trúc đa đômen. Mỗi đômen có véctơ từ độ hướng theo các hướng khác nhau. Vì vậy cần có một từ trường ngoài đủ lớn để định hướng tất cả các véctơ từ độ của mỗi đômen theo hướng của từ trường ngoài, giá trị của lực kháng từ HC lớn. Khi kích thước của hạt từ giảm đến một giới hạn nhất định thì sự hình thành các đômen không còn mạnh và không còn được ưu tiên nữa. Lúc này hạt từ sẽ tồn tại như những đơn đômen (single domain), ở giới hạn này giá trị của Hc có giá trị cực đại, đường cong từ hoá được mở rộng (xem hình 1.13). Bán kính giới hạn để hạt tồn tại như một đơn đômen [13]:
2 0 2 / 1 . . . 9 S C M K A r (1.12)
trong đó A là hằng số trao đổi, K là hằng số dị hướng, MS là từ độ bão hòa. Đối với vật liệu Fe3O4 có A = 1.28 .10-11 J/m, K = 1.1x104 J/m3, tính được rC = 84 nm [19].
Hình 1.13. Đường cong từ hoá của vật liệu từ phụ thuộc vào kích thước [7]
Như vậy, ở kích thước dưới 84 nm, hạt sẽ tồn tại như một đơn đômen, ở đó sẽ không còn quá trình dịch vách đômen mà chỉ còn quá trình đảo từ trong hạt đơn đômen. Quá trình này bao gồm chuyển động quay của tất cả các mômen từ.
Khi hạt từ đạt đến kích thước rất nhỏ sẽ chuyển thành trạng thái siêu thuận từ. Đường cong từ hoá của hạt siêu thuận từ là một đường thuận nghịch, có từ dư Mr bằng không và giá trị của lực kháng từ Hc bằng không.
Hình 1.14. Sự phụ thuộc của lực kháng từ vào đường kính hạt
Lực kháng từ phụ thuộc rất nhiều vào kích thước của hạt, khi kích thước hạt giảm thì lực kháng từ tăng dần đến giá trị cực đại rồi tiến về không. Hình 1.14 cho sự phụ thuộc của lực kháng từ vào kích thước hạt [4]
Như vậy theo kích thước ta có thể chia thành các vùng sau:
Đa đômen Đơn đomen Siêu thuận từ Siêu thuận từ (2):Siêu thuận từ M H (1):Sắt từ 1 ) ( 2) (1) (2)
+ Vùng đa domain: vùng M - D
Trong vùng này kích thước hạt D nhỏ hơn kích thước hạt tại vị trí có HC lớn nhất DC (kích thước giới hạn đơn đô men). Lúc này quá trình từ hóa vật liệu phụ thuộc vào năng lượng dịch chuyển vách đô men và quay vectơ từ của đô men.
Lực kháng từ HC phụ thuộc vào kích thước của hạt, bằng thực nghiệm tìm được HC được tính qua công thức sau:
Hc = a + b/ D
trong đó a, b là các hằng số, D là đường kính hạt đa đô men + Vùng đơn domain: Vùng S-D
Khi đường kính hạt D < DC, hạt trở thành những đơn đô men. Ở giới hạn kích thước này lực kháng từ tăng dần đến cực đại. Sự thay đổi từ độ của hạt lúc này là do sự quay vectơ từ. Vùng đơn domain được chia thành hai miền nhỏ:
- Miền có kích thước hạt nằm trong khoảng Dp < D < DC
Trong miền này lực kháng từ giảm do có hiệu ứng nhiệt, sự phụ thuộc của lực kháng từ vào kích thước hạt được thể hiện qua biểu thức:
HC = g – h/ D3/2 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
trong đó g, h là hằng số
- Miền có kích thước hạt D < DP (vùng S - P)
Khi kích thước hạt tiếp tục giảm xuống dưới đường kính giới hạn DP thì lực kháng từ HC bằng không, điều này có thể được giải thích là do hiệu ứng nhiệt đủ mạnh để khử từ của hạt. Những hạt đạt kích thước như vậy gọi là giới hạn siêu thuận từ.