Như đã được trình bày trong chương 1, hiệu ứng từ - điện được đặc trưng bởi hệ số từ - điện E và được xác định thông qua thế áp điện VME được sinh ra trên hai mặt của tấm áp điện dưới tác dụng của từ trường ngoài. Hình 2.14 là sơ đồ minh họa hệ đo hiệu điện thế từ - điện. Thế áp điện VME là thế hiệu xoay chiều sinh ra do cảm ứng bởi từ trường xoay chiều hac = h sin(2 f t) được đặt trong từ trường một chiều HDC. Từ trường một chiều DC được tạo ra nhờ một nam châm điện với cường độ cực đại lên tới hơn 1 T (10 kOe). Để tạo ra từ trường xoay chiều hac, chúng tôi sử dụng một cuộn Helmholtz đặt vào bên trong vùng không gian của từ trường DC và được điều khiển bằng một máy phát chức năng (FG-202C Function Generator). Biên độ của hac có thể thay đổi từ h= 0 đến 12 Oe với dải tần số từ f = 1 Hz đến 2.5 MHz. Góc tạo giữa véc tơ phân cực điện và phương các từ trường tác dụng có thể được thay đổi nhờ một hệ thống mâm quay. Thế hiệu lối ra từ
tấm áp điện được đưa vào bộ khếch đại lock-in (7265 DSP Lock-in Amplifier). Độ lớn và pha của tín hiệu VME được hiển thị trên màn hình tinh thể lỏng. Hệ số thế từ - điện E =
dE/dH được xác định qua thế hiệu từ - điện lối ra VME sử dụng công thức (1.19)
Chƣơng 3
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1.Tính chất từ của băng Metglas
3.1.1. Tính chất từ siêu mềm
Tính chất từ của băng từ Metglas có pha Ni đã được nghiên cứu thông qua việc đo đường cong từ hóa theo cả 3 phương: phương vuông góc với mặt phẳng mẫu (hướng theo phương pháp tuyến với mặt phẳng băng), phương nằm trong mặt phẳng mẫu dọc theo chiều dài L và chiều rộng W. Trên hình 3.1 là kết quả đo đường cong từ hóa đo trên mẫu hình vuông có kích thước W = L = 5 mm. Kết quả cho thấy tính chất từ siêu mềm trong mặt phẳng mẫu được thể hiện, quá trình từ hóa quan sát được trong từ trường thấp với từ trường bão hòa rất thấp (Hs ~ 70 Oe), từ độ bão hòa cao (Ms ~ 1216 emu/cm3) và đặc biệt hầu như không có độ từ dư và lực kháng từ (Mr, Hc~ 0 Oe). So sánh với băng từ FeCoBSi trước đây đã được chế tạo và nghiên cứu tại PTN băng từ này thể hiện tính chất từ mềm vượt trội. Với kết quả này, chúng tôi trông đợi băng từ Fe76.8Ni1.2B13.2Si8.8 sẽ cho tính chất từ giảo mềm, hiệu ứng từ-điện tốt hơn nhiều trong vùng từ trường thấp cỡ trái đất (Oe).
Hình 3.1.Đường cong từ hóa của mẫu băng từ Metglas pha Ni hình vuông kích thước 5×5 mm được thực hiện với từ trường nằm trong mặt phẳng, hướng dọc theo chiều dài
(L), chiều rộng (W) và theo phương vuông góc với mặt phẳng băng từ
Chú ý đến dáng của đường cong ta thấy khi từ hóa theo 2 phương dọc theo chiều dài L và chiều rộng W của băng thì 2 đường cong từ hóa này trùng khít với nhau chứng tỏ với mẫu có kích thước L = W, băng từ chế tạo được đẳng hướng hoàn toàn trong mặt
-1500 -1000 -500 0 500 1000 1500 -4000 -3000 -2000 -1000 0 1000 2000 3000 4000 H (Oe) M (e m u /c m 3 ) H // L H // W H vuông góc H vuông góc H // L H // W
phẳng băng. Tính chất này có được là do băng từ có trạng thái vô định hình tốt với độ đồng nhất cao và các thông số chế tạo tối ưu không có sự tồn tại của ứng suất nội ảnh hưởng đến trạng thái từ của băng. Trong 3 phương này thì phương vuông góc với mặt phẳng băng là phương khó từ hóa, tại đó với từ trường rất lớn H = 4000 Oe, từ độ của mẫu vẫn chưa đạt tới trạng thái bão hòa.
3.1.2. Ảnh hƣởng của dị hƣớng hình dạng đến tính chất từ mềm
3.1.2.a Tính chất từ phụ thuộc vào hình dạng của băng từ
Ảnh hưởng của hình dạng mẫu (kích thước chiều dài (L) và chiều rộng (W) lên các tính chất từ đã được khảo sát. Trong các phép đo này, các băng từ có chiều dày cố định
tMetglas = 18 m và các kích thước L và W thay đổi từ 0,25 mm đến 10 mm tương ứng với tỉ số giữa 2 kích thước này n = L/W dao động từ 0.025 đến 40. Từ trường ngoài luôn hướng dọc theo chiều (L) của băng. Trên hình 3.2 là đường cong từ hóa đo được trên các băng từ Metglas với các tỉ lệ kích thước n = L/W khác nhau. Kết quả cho ta thấy tính chất từ của băng thay đổi rất rõ phụ thuộc vào tỉ lệ kích thước. Nếu như với mẫu có hình vuông, n = 1, từ trường cần thiết để thiết lập trạng thái từ độ bão hòa vào khoảng Hs ~ 70 Oe thì với mẫu có tỉ số n = 40, chỉ cần một từ trường ngoài nhỏ hơn rất nhiều Hs ~ 15 Oe cũng đủ để bão hòa. Trong khi đó, với mẫu n = 0.025 thì cần một từ trường bão hòa rất lớn Hs ~ 1000 Oe. Tỉ lệ n càng lớn đường cong càng dễ bão hòa dọc theo phương chiều dài của băng và ngược lại.
Hình 3.2.Đường cong từ hóa của mẫu băng từ Metglas pha Ni có kích thước L×W khác nhau. Phép đo được thực hiện với từ trường nằm trong mặt phẳng băng song
song với chiều L của băng. L và W thay đổi từ 0,25 mm đến 10 mm.
-1.200 -800 -400 0 400 800 1.200 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 HDC (Oe) M ( e m u /c m 3 ) 10x0.25 10x1 5x10 10x10 3x10 2x10 10x2 1x10 0.25x10 H L W
Ảnh hưởng của hình dạng, kích thước mẫu đến tính chất từ mềm còn được thể hiện rõ hơn trên các đường cong độ cảm từ χM = dM/dH thu được từ các đường cong thực nghiệm được vẽ trên hình 3.3. Tất cả các đường cong này đều cho thấy độ cảm từ cực đại quan sát thấy trong vùng từ trường rất thấp H ~ 1 Oe chứng tỏ khả năng nhạy từ trường thấp của các băng từ Metglas khi có mặt của Ni. Nhìn vào đường cong này ta thấy rất rõ khi n tăng lên, đường cong độ cảm này tăng mạnh. Với mẫu có hình chữ nhật 10×0.25 mm (n = 40) với L >> W, độ cảm từ đạt đến giá trị M = 220 emu/cm3Oe, lớn hơn gấp 5 lần so với mẫu có dạng hình vuông 10×10 mm (n = 1), lớn hơn gấp 200 lần so với mẫu 0.25×10 mm có L << W.
Hình 3.3.Đường cong độ cảm từ của vật liệu với các tỉ lệ kích thước n = L/W khác nhau.
Sự thay đổi mạnh của tính chất từ mềm phụ thuộc vào hình dạng và kích thước của mẫu băng từ đã mở ra một khả năng ứng dụng chế tạo cảm biến đo từ trường trái đất.
3.1.2.b Tính toán hệ số trường khử từ
Đường cong từ hóa và độ cảm từ quan sát được khác nhau rất nhiều phụ thuộc vào hình dạng và kích thước của mẫu băng từ được giải thích dựa trên hiện tượng trường khử từ hay dị hướng hình dạng. Như ta đã biết, với một vật liệu từ có từ độ M, các cực từ tự do luôn luôn tồn tại ở hai đầu (hình 3.4.a) nên ta thấy rằng ở bên ngoài và đặc biệt ở cả bên trong, từ trường H mà các lưỡng cực từ này sinh ra luôn có chiều ngược với M. Đó là trường khử từ Hd [17]. Cường độ trường khử từ Hd tỉ lệ với từ độ M của vật liệu đồng thời phụ thuộc vào khoảng cách giữa các cực và diện tính bề mặt của các cực. Ví dụ, đối với một khối chữ nhật như trên hình 3.5, khi véc tơ M hướng dọc theo chiều dài, hai cực khá xa nhau nên Hd sẽ nhỏ. Ngược lại, khi M hướng vuông góc, hai cực rất gần nhau nên Hd
sẽ rất lớn. Trên cơ sở đó, có thể viết được như sau:
0 50 100 150 200 250 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 HDC (Oe) M ( e m u /c m 3 ) 10x0.25 10x1 10x2 10x10 5x10 3x10 2x10 1x10 0.25x10 H L W
d
H NM (3.1)
Khi mẫu vật liệu được chế tạo dạng màng hoặc băng có độ dày rất mỏng so với kích thước của mẫu thì các mômen từ có xu hướng nằm trong mặt phẳng mẫu để cực tiểu hóa năng lượng trường khử từ. Đây chính là trường hợp các băng từ được nghiên cứu trong luận văn này.
Hình 3.4. (a) Biểu diễn sự hình thành của các mômen lưỡng cực trong vật liệu bị từ hoá (b) Cảm ứng từ B, từ độ M và trường khử từ Hd của mẫu bị từ hoá
Hình 3.5.Trường khử từ bên trong một thanh chữ nhật đã được từ hoá theo phương song song (a) và vuông góc với chiều dài thanh (b).
Trong trường hợp mẫu băng từ có dạng hình vuông, L = W, các mômen nằm trong mặt phẳng và đẳng hướng. Nói khác đi, quá trình từ hóa xảy ra khi đặt từ trường dọc theo phương chiều dài hay chiều rộng có kết quả như nhau. Điều này đã được quan sát đúng đối với mẫu 5x5 mm được đưa ra trên hình 3.1.
Đối với mẫu băng từ có hình chữ nhật, các mômen từ sẽ có xu hướng nằm trong mặt phẳng băng và hướng dọc theo chiều dài của mẫu. Điều này đã được khẳng định rất rõ ràng trên các đường cong từ hóa được đưa ra trên hình 3.4. Mẫu càng dài (tỉ số L/W) càng lớn thì
dị hướng này càng thể hiện rõ và có xu hướng trở thành vật liệu có dị hướng đơn trục. Điều này là rất cần thiết cho một số ứng dụng nhạy với định hướng của từ trường.
Để đánh giá mức độ đóng góp của trường khử từ trong trường hợp này, ở đây chúng tôi vận dụng cách tính toán thực nghiệm xuất phát từ các đường cong từ hóa trên các mẫu có tỉ số L/W khác nhau. Phương pháp tính được minh họa trên hình 3.6.
Hình 3.6.Hình minh họa cách tính trường khử từ thu được từ các đường cong từ hóa thực nghiệm
Áp dụng phương pháp tính thực nghiệm này, ở đây chúng tôi lựa chọn giá trị từ độ
Mo = 970 emu/cm3 (hình 3.7), dùng phương pháp trên cho các số liệu thực nghiệm đã thu được. Các mẫu có kích thước khác nhau sẽ có giá trị từ trường ngoài Ho khác nhau. Ở đây, giả thiết mẫu 10×0,25 mm với tỉ số lớn nhất n = 40 là mẫu có dị hướng đơn trục hoàn toàn, tức là không chịu ảnh hưởng của trường khử từ. Khi đó từ trường Ho = 31 Oe của mẫu này chính là từ trường nội tại Hint bên trong lòng vật liệu cần thiết để từ độ đạt đến giá trị Mo. Mẫu có tỉ số n càng lớn thì Ho càng tăng theo công thức:
Hint = Ho - Hd (3.2)
với Hd phụ thuộc vào từ độ theo công thức (3.1).
Kết hợp cả 2 công thức (3.1) và (3.2) ta thu được bảng số liệu cho độ lớn của trường khử từ và hệ số trường khử từ được tổng hợp trên bảng 3.1. Đường cong sự phụ thuộc của hệ số trường khử từ vào tỉ số kích thước của mẫu được đưa ra trên hình 3.7.
Kết quả thu được này có ý nghĩa rất quan trọng trong việc tăng cường tính chất từ mềm và do đó có thể tăng cường được tính chất từ giảo và từ-điện nhờ khai thác dị hướng hình dạng của các băng từ. Theo xu hướng này thì mẫu càng dài và hẹp thì hiệu ứng từ- điện quan sát được trong vùng từ trường thấp càng cao. Đây cũng là ý tưởng thực hiện của luận văn để định hướng ứng dụng chế tạo các cảm biến nhạy từ trường thấp, đặc biệt là từ trường trái đất.
Hình 3.7.Đường cong từ hóa của mẫu băng từ Metglas pha Ni có kích thước L×W khác nhau sử dụng để đánh giá đóng góp trường khử từ vào dị hướng từ của mẫu.
Bảng 3.1. Bảng tổng hợp số liệu từ trường khử từ và hệ số trường khử từ trên các mẫu khác nhau tính toán được từ các số liệu thực nghiệm
Kí hiệu Kích thƣớc mẫu đo Tỉ số kích thƣớc n = L/W Ho (Oe) Hd (Oe) N Chiều dài L (mm) Chiều rộng W (mm) No 1 10 0.25 40.00 31 0.0 0.000 No 2 10 1.04 9.62 40.8 9.8 0.010 No 3 10 1.925 5.19 44 13.0 0.013 No 4 10 2.83 3.53 47.5 16.5 0.017 No 5 10 4.8 2.08 52.8 21.8 0.022 No 6 10 10 1.00 65.2 34.2 0.035 No 7 4.8 10 0.48 86.3 55.3 0.057 No 8 2.83 10 0.28 119 88.0 0.091 No 9 2 10 0.20 157.7 126.7 0.131 No 10 0.9 10 0.09 278.2 247.2 0.255 No 11 0.4 10 0.04 478 447.0 0.461 No 12 0.2 10 0.02 765 734.0 0.757 0 300 600 900 1,200 0 200 400 600 800 1000 HDC (Oe) M ( e m u /c m 3 ) 10x0.25 10x1 5x10 10x10 3x10 2x10 10x2 1x10 0.25x10 H L W Mo = 970 emu/cm3 Ho Mo
3.2.Tính chất từ giảo của băng Metglas 3.2.1. Nghiên cứu tính chất từ giảo tĩnh 3.2.1. Nghiên cứu tính chất từ giảo tĩnh
Đường cong từ giảo của băng từ Metglas cũng được khảo sát trong mặt phẳng mẫu theo hai phương dọc theo chiều dài L và chiều rộng mẫu W. Trong trường hợp này, từ trường tác dụng vào mẫu là từ trường một chiều DC. Kết quả được đưa ra trên hình 3.8 cho mẫu đo hình vuông có kích thước L = W = 12 mm. Nhìn vào đồ thị ta thấy tương tự như kết quả đo đường cong từ hóa, đường cong từ giảo đo theo hai phương trong mặt phẳng băng trùng khít nhau. Điều này thêm một lần nữa khẳng định tính đẳng hướng trong mặt phẳng của băng từ nghiên cứu. Các băng từ Metglas có từ giảo bão hòa cỡ 30x10-6 và đạt được ở từ trường rất thấp Hs ~ 100 Oe. Giá trị từ trường bão hòa này tương ứng với từ trường bão hòa của từ độ như đã trình bày trong phần 3.1. Từ độ dốc của đường cong từ giảo thực nghiệm đo được, độ cảm từ giảo được tính toán theo công thức
χλ = dλ/dH được biểu diễn trên hình 3.9. Với mẫu băng từ này, độ cảm từ giảo đạt được cực đại χλ = 0.36x10-6 Oe-1 (tương đương với 0.36x10-2 T-1) tại từ trường ngoài rất thấp khoảng H ~ 30 Oe. 0 5 10 15 20 25 30 -300 -200 -100 0 100 200 300 H (Oe) λ ( 1 0 -6 ) 12x12 12x12 H vuông góc H // L H // W H // W
Hình 3.8.Đường cong từ giảo của băng từ mẫu 12x12 đo theo 2 phương chiều dài và chiều rộng của mẫu
So sánh các tính chất này với các loại vật liệu nổi tiếng trên thế giới ta thấy, dù từ giảo của vật liệu chúng tôi đang nghiên cứu rất nhỏ nhưng điều đáng chú ý ở đây là tính từ giảo siêu mềm của băng từ này được đặc trưng bởi độ cảm từ giảo là hoàn toàn có thể so sánh được (xem bảng 3.2).
1 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 -200 -100 0 100 200 H (Oe) χ λ ( 1 0 -6 Oe -1 )
Hình 3.9.Đường cong độ cảm từ giảo theo phương song song với chiều dài băng từ của mẫu 12x12 mm
Bảng 3.2. So sánh tính chất từ và từ giảo trên một số vật liệu nổi tiếng
Vật liệu từ giảo Hệ số từ giảo λ (10-6) Độ cảm từ giảo χλ (10-6 Oe-1)
Terfernol-D khối 2400 0.01
Tefecohan 1140 0.23
Băng từ FeCoBSi 60 0.15
Băng từ Metglas 30 0.36
3.2.2. Ảnh hƣởng của dị hƣớng hình dạng đến tính chất từ giảo
Đường cong từ giảo đo trên các mẫu với chỉ số n thay đổi từ 0.5 đến 6 được chỉ ra trên hình 3.10. Nhìn vào hình vẽ ta thấy, trạng thái bão hòa của các mẫu đạt được lần lượt tại các giá trị từ trường khác nhau và các giá trị này phụ thuộc vào chỉ số n của từng mẫu. Đối với mẫu có chỉ số n = 0.5 từ trường cần tác dụng để làm mẫu bão hòa là khoảng 200 Oe, với mẫu có n = 1 giá trị này giảm xuống còn khoảng 100 Oe và khi n = 6 giá trị này chỉ còn là 70 Oe. Mặt khác độ dốc của đường cong từ giảo cũng tăng tương ứng khi n