Bài giảng Vật liệu kỹ thuật điện: Chương 4 - Phạm Thành Chung

Chương 4. Vật liệu từ
1. Một số khái niệm cơ bản
1.1. Các đơn vị cơ bản

• Khi một vật liệu đặt trong từ trường ngồi, nó đáp ứng với từ trường ngoài này
bằng cách sinh ra một từ trường được gọi là độ từ hóa hay từ độ
(magnetisation) M.
• Cường độ của từ trường ngồi được ký hiệu là H.
• Cảm ứng từ B (magnetic induction) hay còn gọi là mật độ từ thông (magnetic
flux density) là tổng thông lượng từ trường tạo bởi từ trường ngoài H và độ từ
hóa M của vật liệu.
(hệ đơn vị S.I- tồn TG)

Với μ là độ từ thẩm của vật liệu còn
μ0 là độ từ thẩm của chân không =4π.10-7 H.m-1.
Trong hệ cgs (hay còn gọi là hệ Gauss) được người Mỹ sử dụng

• Độ từ cảm χ (magnetic susceptibility) đo mức độ từ hóa của vật liệu theo
cường độ tác dụng của từ trường ngoài:
69


Chương 4. Vật liệu từ
1. Một số khái niệm cơ bản
1.1. Các đơn vị cơ bản

Quan hệ giữa một số đại lượng trong hệ SI và hệ Gauss (cgs)

70

Chương 4. Vật liệu từ
1. Một số khái niệm cơ bản
1.2. Khái niệm lực Lorentz

71


(gt từ trường đều)

72


Chương 4. Vật liệu từ
1. Một số khái niệm cơ bản
1.2. Khái niệm lực Lorentz

Đường sức từ trường là các đường cong mà tiếp tuyến của nó tại từng điểm
chính là xác định hướng của từ trường B tại điểm đó.

Đường sức từ trường trong một số trường hợp thường gặp:
a- do một nam châm sinh ra; b- do một ống dây sinh ra; c- trong lõi thép máy biến áp;
d- do dòng điện chạy trong một dây dẫn thẳng; e- do dòng điện chạy trong một vòng dây
73


Chương 4. Vật liệu từ
2. Tính chất từ của nguyên tử
 Chuyển động của điện tử xung quanh hạt nhân và quanh
trục của chính nó là ngun nhân gây ra tính chất từ của vật
liệu.

 Nếu sự có mặt của điện tích là ngun nhân gây ra
điện trường thì sự chuyển động của điện tích (hay nói cách
khác là dịng điện) là nguyên nhân gây ra từ trường
Trạng thái năng lượng chiếm giữ bởi điện tử trong nguyên tử được đặc trưng bởi bốn số
lượng tử:
-Số lượng tử chính n với các giá trị 1, 2, 3 …xác định kích cỡ quỹ đạo (orbit) của điện
tử và năng lượng của nó.
- Số lượng tử orbital l (hay cịn gọi là số lượng tử mơmen góc quỹ đạo) mơ tả
mơmen góc của chuyển động quỹ đạo.
- Số lượng tử từ m mơ tả thành phần của mơmen góc quỹ đạo l theo một phương
nhất định, còn gọi là phương lượng tử hóa. Đa số các trường hợp phương lượng
tử hóa được chọn trùng với phương của trường ngoài.
- Số lượng tử spin ms mô tả thành phần của spin điện tử theo một phương nhất định,
thông thường là phương của trường đặt vào.
74


Chương 4. Vật liệu từ
3. Phân loại vật liệu từ
Tổng của mômen từ quỹ đạo mo và mô men từ spin ms trong ngun tử chính là
mơ men từ của nguyên tử mi.
mi=mo+ms

Tùy theo trị số của mô men từ nguyên tử mà người ta chia vật liệu từ thành các
loại khác nhau:

Ferromagnetic: vật liệu sắt từ
Antiferromagnetic: vật liệu phản sắt từ
Paramagnetic: Vật liệu thuận từ
Diamagnetic: Vật liệu nghịch từ

75


Chương 4. Vật liệu từ
3. Phân loại vật liệu từ

76


Chương 4. Vật liệu từ
3.1. Vật liệu thuận từ (Paramagnetic)
Thuận từ là những chất có từ tính yếu (trong ngành từ học xếp vào nhóm phi từ, có
nghĩa là chất khơng có từ tính). Tính chất thuận từ thể hiện ở khả năng hưởng ứng thuận
theo từ trường ngồi, có nghĩa là các chất này có mơmen từ ngun tử (nhưng giá trị
nhỏ), khi có tác dụng của từ trường ngồi, các mơmen từ này sẽ bị quay theo từ trường
ngoài, làm cho cảm ứng từ tổng cộng trong chất tăng lên.
Các lớp e không được lấp đầy -> mô men từ quỹ đạo Σmo=0 Σmi≠0
Không tồn tại các cặp e có spin trái dấu -> mơ men spin Σms≠0
Σmi = Σmo+ Σms ≠0

Ví dụ: Al, Mn…
77


Chương 4. Vật liệu từ
3.2. Vật liệu nghịch từ (Diamagnetic)
Các chất nghịch từ là các chất khơng có mơmen từ (tổng vecto từ quỹ đạo và
từ spin của toàn bộ điện tử bằng 0 khi khơng có từ trường ngồi). 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 theo xu hướng cảm ứng điện từ (hiệu ứng vật lý lượng
tử)
Đa số vật liệu nghịch từ rất nhỏ và khó phá hiện.
Các lớp e luôn được lấp đầy -> mô men từ quỹ đạo Σmo≠0
Ln tồn tại các cặp e có spin trái dấu -> mơ men spin Σms=0
Σmi = Σmo+ Σms ≠0

Ví dụ: Cu, Ag, Zn…
Đẩy bất kỳ nam chậm nào lại gần

78


Chương 4. Vật liệu từ
3.3. Vật liệu sắt từ (Ferromagnetic)
Sắt từ là một trong những vật liệu được sử dụng sớm nhất trong lịch sử loài người, với việc
sử dụng các đá nam châm làm la bàn hoặc làm các vật dụng hút sắt thép (thực chất đó là
các quặng Fe3O4) từ hơn 2000 năm trước (mà xuất phát là từ Trung Hoa và Hy Lạp cổ đại).
- Sắt từ là các chất có từ độ M rất mạnh, hay khả năng hưởng ứng mạnh (độ thẩm từ
µ>>1 dưới tác dụng của từ trường ngồi H.
- Có khả năng lưu giữ từ tính s
- Các chất sắt từ có hành vi gần giống với các chất thuận từ ở đặc điểm hưởng ứng
thuận theo từ trường ngoài.
- Một số e không ghép đôi nên nguyên tử của chúng tồn tại mômen từ.
Khác với vật liệu thuận và nghịch từ
Trong VLST có sự tương tác mạnh mẽ giữa các mơmen từ của các nguyên tử liền
kề. Sự tương tác này là do lực qua lại của các e giữa các nguyên tử.
Độ lớn của lực qua lại này rất lớn tương đương với từ trường 1000 Tesla (gấp 100
triệu lần từ trường trái đất (có độ lớn cỡ 50μT)).

79


Chương 4. Vật liệu từ
3.3. Vật liệu sắt từ (Ferromagnetic)
 Ở nhiệt độ thấp sự tương tác giữa các mô men từ cạnh nhau
đủ lớn để vượt quá chuyển động nhiệt của các mô men từ, dẫn
đến kết quả là mô men từ không sắp xếp một cách hỗn loạn mà
song song với nhau, hay ta nói trong vật liệu sắt từ có hiện
tượng từ hóa tự nhiên. Do đó đôi khi từ độ của vật liệu sắt từ
rất lớn ngay cả khi khơng có từ trường ngồi.
 Khi nhiệt độ tăng, chuyển động nhiệt tăng
và từ độ giảm dần và bằng không ở nhiệt
độ TC .
Ở nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ Curie, vật
liệu sắt từ trở thành vật liệu thuận từ.
Như vậy hai đặc tính quan trọng nhất của vật
liệu sắt từ là hiện tượng từ hóa tự nhiên và
nhiệt độ Curie.

Phân bố mô men từ
trong một vùng từ hóa

Phụ thuộc của từ độ và nghịch đảo độ từ
cảm theo nhiệt độ trong vật liệu sắt từ

Sự phụ thuộc của độ từ thẩm vào nhiệt độ được gọi là định luật
Curie (Curie law) và được biểu diễn bởi phương trình:
C là hằng số Curie cịn T là nhiệt độ và nhiệt độ chuyển pha TC (hay nhiệt độ Curie)
80

Chương 4. Vật liệu từ

A. Hiện tượng từ hóa tự nhiên và bão hòa từ

Hiện tượng này là trong vật liệu tồn tại M rất lớn khi từ trường ngoài H =0
Độ lớn của từ độ ở 0oK phụ thuộc vào mô men từ spin của điện tử.
Hiện tượng bão hòa từ là khi đặt vật liệu vào trong từ trường ngồi độ lớn mơ men từ của vật
liệu là lớn nhất, dù từ trường đặt vào tăng cũng không làm tăng thêm độ lớn của mô men từ.

Phân bố mơ men từ trong một vùng từ hóa và
đường cong từ hóa trong vật liệu sắt từ

Sự khác nhau giữa hai hiện tượng từ hóa tự nhiên và bão hịa từ là do cấu trúc của vùng từ
hóa (magnetic domain).
Theo lý thuyết về cấu trúc vùng từ hóa, tương tác giữa các mô men nguyên tử liền kề
không xảy ra trong tồn bộ thể tích vật liệu mà nó chỉ xảy ra ở những thể tích nhỏ cỡ từ 1÷100
μm (nhưng vẫn lớn hơn nhiều khoảng cách giữa các nguyên tử), thể tích này được gọi là một
vùng từ hóa.
Trong mỗi vùng chứa từ 1012 ÷ 1015 nguyên tử với các mômen từ sắp xếp song song với nhau.
81


Sự chuyển hướng 180o của các mô men từ trong
vách ngăn Bloch giữa hai vùng từ hóa tự nhiên

Các vùng ngăn cách với nhau bởi các đường biên (bounderies) còn gọi là vách ngăn
Bloch (Bloch wall).
Vách ngăn Bloch là một vùng hẹp trong đó có sự chuyển hướng dần dần các mơ

men từ ngun tử từ 0 ÷180o.
 Khi chưa bị nhiễm từ (hay chưa đặt trong từ trường ngoài), các mô men từ trong các
vùng phân bố theo các hướng một cách ngẫu nhiên, do đó từ độ tổng cộng của cả vật
liệu là bằng không.
Khi đặt vật liệu trong từ trường, mô men từ của các miền sẽ được định hướng lại theo
chiều của từ trường ngoài do đó sinh ra từ trường rất lớn bên trong bản thân vật liệu.
Sự định hướng lại này có thể diễn ra theo hai cách:
- Hoặc làm tăng thể tích của vùng từ hóa có mơ men song song với từ trường ngồi
- Hoặc làm xoay mơ men của tất cả các vùng theo hướng của từ trường ngoài.
Hiện tượng bão hịa từ xảy ra khi mơ men từ của tất cả các miền định hướng
song song với nhau và theo hướng của từ trường ngoài.
82


B. Đường cong từ trễ của vật liệu sắt từ
Một đặc tính quan trọng nữa của vật liệu sắt là khả năng giữ lại từ tính sau khi bỏ đi từ
trường đặt vào, hay chính là hiện tượng từ trễ.
Đường cong từ trễ là quan hệ giữa cảm ứng từ B và cường độ từ trường ngoài H khi H thay
đổi.
•Đối với vật liệu chưa hề bị nhiễm từ, khi tăng dần từ

trường ngoài đặt vào trị số của cảm ứng từ sẽ tăng dần
theo đường đứt nét đứt.
•Khi hầu hết các mơ men từ trong các vùng từ hóa được
định hướng song song với từ trường ngoài, dù từ trường
ngồi có tiếp tục tăng thì trị số của cảm ứng từ B cũng tăng
ít và đạt tới giá trị Bs bão hịa khi tất cả các mơ men từ
song song với nhau và với từ trường ngồi (điểm a).
•Sau đó khi ta giảm trị số từ trường ngồi H về 0 thì giá trị
của B khơng giảm về 0 mà chỉ giảm nhẹ so với Bs để đạt giá

trị Br tại điểm b, còn gọi là cảm ứng từ dư.

•Điểm b này tương ứng với mức độ từ hóa còn dư trong vật liệu sau khi loại bỏ từ trường ngoài ( tại
thời điểm này một số vùng từ hóa vẫn cịn song song với từ trường ngồi trong khi một số vùng khác
đã mất đi trật tự song song có được khi vẫn cịn từ trường ngồi)
•Khi lực từ của từ trường ngoài đổi hướng, giá trị cảm ứng từ sẽ giảm về 0 tại vị trí c ứng với trị số lực
từ là–Hc hay còn gọi là lực kháng từ. Đó là lực từ cần thiết để loại bỏ hồn tồn cảm ứng từ cịn dư
trong vật liệu.
Tiếp tục giảm trị số của từ trường ngoài, ta sẽ đạt tới trị số bão hòa –Bs tại điểm d, sau đó đổi dấu của
từ trường ngồi đường cong sẽ đi qua e, f và trở về a để kết thúc một vòng từ trễ (hysteresis loop).
83


B. Đường cong từ trễ của vật liệu sắt từ
Từ vịng từ trễ ta xác định được các đặc tính
quan trọng của vật liệu sắt từ, bao gồm:
 Cảm ứng từ dư là mật độ từ thơng cịn sót
lại tương ứng với cảm ứng từ bão hòa của một
vật liệu từ. Hay nói cách khác nó là khả năng
giữ lại một lượng từ trường sau khi đã đạt
được trị số cảm ứng từ bão hịa và bỏ đi từ
trường ngồi đặt vào
 Từ tính dư hay từ thơng dư là mật độ từ thơng cịn sót lại trong vật liệu sau khi bỏ đi
từ trường ngoài. Chú ý là từ tính dư khác với cảm ứng từ dư ở chỗ từ trường ngoài
được bỏ đi ngay cả khi cảm ứng từ chưa đạt tới trị số bão hịa. Do đó, từ tính dư có thể
nhỏ hơn cảm ứng từ dư và chỉ bằng khi vật liệu đã được từ hóa tới trị số bão hòa
 Lực kháng từ là trị số từ trường ngoài ngược hướng đặt vào để đưa giá trị từ thông
dư về 0.
 Độ từ thẩm đặc trưng cho khả năng dễ hình thành từ thơng trong một vật liệu.
 Từ trở là khả năng chống lại sự hình thành từ thơng trong vật liệu, nó giống như điện

trở trong mạch điện.
84


Chương 4. Vật liệu từ
C. Phân loại vật liệu sắt từ

Từ mềm (soft magnetic material)
- Dễ dàng nhiễm từ và khử từ.
- Lực kháng từ nhỏ hơn 1000 A/m.
- Chúng được sử dụng để tăng cường hoặc
trung chuyển từ thông sinh bởi dòng điện.
- Ứng dụng nhiều nhất của vật liệu từ mềm là
trong lĩnh vực phát dẫn điện, vật liệu từ sử
Từ cứng (hard magnetic material)
dụng trong lõi từ của máy biến áp và động cơ
- Khó nhiễm từ và khó khử từ. Hc >10kA/m
điện.
- Do loại vật liệu này có vịng từ trễ nhỏ nên tổn - Có khả năng lưu lại từ tính sau khi bị nhiễm từ
- Tổn hao vòng từ trễ lớn.
hao tiêu tán trên trong một vòng từ trễ nhỏ.
- Ứng dụng của loại vật liệu này là nam châm
-Ứng dụng ở điện áp một
vĩnh cửu được sử dụng rộng rãi trong động cơ,
chiều có thể kể đến nam
máy phát điện, loa, các thiết bị đo lường, các
châm điện dùng để nâng
thiết bị ghi dữ liệu từ…
các vật thể bằng thép hay
màng ngăn từ.

85


Chương 4. Vật liệu từ

3.4. Vật liệu phản sắt từ (Antiferromagnetic)
Vật liệu phản sắt từ có cấu trúc gần giống như vật liệu sắt từ, tuy nhiên khi khơng có từ
trường ngoài tương tác qua lại giữa các vùng từ hóa dẫn tới việc định hướng các mơ
men từ ngược nhau sao cho mô men tổng cộng của vật liệu bằng 0.
Ta có thể tưởng tượng như trong tinh thể của vật liệu phản sắt từ có hai họ vùng từ hóa A
và B với các mơ men từ tương ứng lần lượt là mA và mB song song và ngược hướng với nhau
(có spin đối song song với nhau). Số lượng vùng A bằng với số lượng vùng B, dẫn đến mA=mB
và do đó từ độ tự phát bằng 0.
Khi đặt trong từ trường ngoài vật liệu phản sắt từ cư xử giống như vật liệu thuận từ.
Giống như vật liệu sắt từ, vật liệu phản sắt từ trở thành vật liệu thuận từ ở nhiệt độ lớn
hơn nhiệt độ chuyển pha hay còn gọi là nhiệt độ Néel TN (đặt theo tên nhà vật lý người
Pháp Louis Néel) Ví dụ Cr có TN=310oK và độ từ cảm

Phân bố mơ men từ trong một vùng từ hóa
và đường cong từ hóa trong vật phản sắt từ

86


Vật liệu từ

3.5. Thép hợp kim vơ định hình

Đặc tính

Kim loại vơ định hình hay thủy tinh kim loại là một hợp kim có cấu trúc vơ định
hình.
Hầu hết kim loại đều có cấu trúc định hình, với các ngun tử bố trí rất chặt chẽ.
Kim loại vơ định hình có cấu trúc vơ định hình giống như chất lỏng và thủy tinh.
Nhưng không giống như thủy tinh thông thường khơng dẫn điện, kim loại vơ định
hình có độ dẫn điện tốt.
Để tạo kim loại vơ định hình có thể dùng các phương pháp: công nghệ nguội
nhanh, ngưng tụ vật lý, phản ứng trạng thái rắn, chiếu xạ ion và hợp kim cơ khí.
Loại vật liệu này có độ chống chịu gấp 3 lần và đàn hồi gấp 10 lần thép cơng
nghiệp. Hơn nữa chúng cịn có điểm nóng chảy thấp

87


Vật liệu từ

3.5. Thép hợp kim Vơ định hình dùng cho Máy biến thế phân phối
Ưu điểm
Hiệu suất năng lượng và tiết kiệm năng lượng:
MBA hiệu suât cao sử dụng thép hợp kim vơ định hình góp phần làm giảm
tổn hao điện năng trong mạng lưới điện phân phối vì máy có tổn hao khơng tải
nhỏ (tương đương với tổn hao ở chế độ không tải) vào khoảng 1/3 tổn hao
không tải của một máy biến áp sử dụng thép điện cán lạnh có định hướng (cold
rolled grain oriented – CRGO).
Máy cũng góp phần làm giảm khí thải CO2 trong quá trình sản xuất điện
do máy sử dụng điện năng một cách hiệu quả.
Kháng thời tiết và có độ bền, v.v…: Tương đương với máy biến áp sử dụng
thép điện có định hướng cán lạnh (cold rolled grain oriented – CRGO).
Chi phí ban đầu của máy biến áp sử dụng thép hợp kim vơ định hình cao
hơn so với máy biến áp thông thường sử dụng thép điện cán lạnh có định

hướng, nhưng vì tổn hao điện năng thấp hơn, chi phí vận hành ít hơn và do đó
về mặt chi phí vịng đời thì máy biến áp sử dụng thép hợp kim vơ định hình rẻ
hơn 1 nửa.
88


Vật liệu từ

3.5. Đặc tính của hợp kim vơ định hình (khơng tinh thể)
So sánh

89


Vật liệu từ

3.5. Đặc tính của hợp kim vơ định hình (khơng tinh thể)
So sánh
Tổn hao khơng tải của lõi thép hợp kim vơ định hình bằng khoảng một phần ba lõi
thép điện cán lạnh có định hướng

90


4. Tổn hao từ
Mọi sự thay đổi độ lớn của cảm ứng từ B đều gây ra trong lòng vật liệu một tổn hao về
mặt năng lượng. Loại năng lượng này thường được thể hiện dưới dạng nhiệt năng
và được gọi là tổn hao từ.

a. TỔN HAO TỪ TRỄ

Tổn hao từ trễ sinh ra bởi công của lực hãm tác động lên vách ngăn Bloch khi các
mô men từ xoay theo chiều của từ trường ngoài. Tổn hao này càng lớn nếu các mơ men
từ càng khó định hướng trong từ trường ngoài (trường hợp như đối với vật liệu từ
cứng). Tổn hao từ trễ tương đương với công cần thiết để đi dọc theo vịng từ trễ .
b. DỊNG ĐIỆN VÀ TỔN HAO FOUCAULT
Chính là tổn hao do hiệu ứng Joule, gây bởi dòng điện sinh ra trong vật liệu khi từ
thơng qua nó biến thiên. Tổn hao này lớn trong các vật liệu có điện trở suất nhỏ như
trong các vật liệu từ hợp kim, và lớn trong các vật liệu ferri từ. Tổn hao PF gây bởi dịng
điện Foucault có mật độ iF (giá trị hiệu dụng) trong vật liệu từ có điện trở suất ρ và thể
tích V được tính bởi cơng thức
Trong thực tế để giảm dòng Foucault trong mạch từ người ta chia nhỏ mạch từ thành
các phần tử được cách điện với nhau (ví dụ như các tấm tơn trong gơng từ máy biến áp)
c. TỔN HAO TỪ DƯ
Tổn hao này do sự chậm trễ của cảm ứng từ B so với từ trường ngồi H (như đã đề cập
đến trong phần nói về vịng từ trễ). Khi từ trường ngồi H tăng đột ngột từ giá trị H1 lên
giá trị H2, cảm ứng từ B tăng đột ngột từ B1 đến B1’ và sau đó tăng dần dần đến giá trị B2
(ứng với H2)
91


Chương 4. Vật liệu từ

5. Hiệu ứng Kelvin (Hiệu ứng bề mặt)
Khi có dịng điện thay đổi chạy trong vật dẫn, nó sinh ra từ trường biến thiên
trong lịng vật dẫn (hiện tượng tự cảm). Từ trường này có tác dụng “kéo” các điện
tích ra phía bề mặt của vật dẫn, kết quả là dòng điện chỉ chạy chủ yếu ở phía ngồi
của vật dẫn cịn phía lõi gần như khơng có dịng điện. Hiện tượng này được gọi là
hiệu ứng bề mặt.
Hiệu ứng bề mặt càng nổi bật nếu tần số dòng điện càng cao (tương đương với từ

trường biến thiên càng mạnh), tương đương với việc điện trở của vật dẫn càng lớn.
Hiện tượng bề mặt được đặc trưng bởi “độ dày bề mặt” δ (skin depth), nghĩa là
độ dầy phía bề mặt nơi tập chung chủ yếu dòng điện. Thực tế độ dày bề mặt được
định nghĩa thơng qua biểu thức tính mật độ dịng điện chạy trong vật dẫn theo độ
sâu đối với bề mặt x:
Với JS là mật độ dịng điện chạy ở phía mặt ngồi cùng.
Như vậy độ dày bề mặt δ chính là độ sâu so với bề mặt mà kể từ đó mật độ dòng
điện giảm theo hàm mũ. Độ lớn của δ phụ thuộc vào tần số của dòng điện, điện trở
suất và độ từ thẩm của vật dẫn theo công thức:
92


Chương 4. Vật liệu từ

6. Hiệu ứng Kelvin (Hiệu ứng bề mặt)

Độ dày bề mặt ở các tần số khác
nhau của đồng

Hiệu ứng mặt ngồi gây tổn hao vơ ích trong vật dẫn
(do làm điện trở tăng cao),
Để giảm bớt ảnh hưởng này người ta dùng biện pháp
chia nhỏ dây dẫn thành nhiều dây thành phần cách
điện với nhau sao cho bán bán kính mỗi dây thành
phần càng gần độ dày bề mặt càng tốt.
Hoặc để tăng độ bền cơ cho dây dẫn người ta làm
dây dẫn từ hai loại vật liệu, vật liệu trong lõi cứng có
điện trở suất cao cịn vật liệu ở bề mặt có điện trở suất
thấp (ví dụ dây nhơm lõi thép) AC-70, AC-120, ACSR…

93