Bài thảo luận vật liệu từ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM HUẾ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM HUẾ
Khoa Cơ Khí - Công Nghệ
Khoa Cơ Khí - Công Nghệ
Chuyên đề:
Chuyên đề:
Vật Liệu Từ
Vật Liệu Từ
SV thực hiện: Nguyễn Thị Ái Nhi
Nguyễn Thị Luyến
Mai Thị Ngọc Thủy
Trần Hữu Duẫn
Lê Thị Thủy Tiên
Trần Văn Ánh
Lớp: Công thôn 43
GVHD: Nguyễn Đăng Nhật
Năm 2012

Phần 1.
Phần 1.
LỜI MỞ ĐẦU
LỜI MỞ ĐẦU
Vật liệu là các chất liệu để làm ra hoặc tạo ra một
vật. Từ khi nền văn minh loài người xuất hiện, con
người sử dụng các vật liệu theo cùng với năng lượng
để nâng cao cuộc sống của mình. Vật liệu có ở khắp
nơi bao quanh chúng ta bởi các sản phẩm được làm từ

các vật liệu. Một vài vật liệu thông dụng như: Gỗ xây
dựng, bê tông, gạch, thép, chất dẻo, cao su, thuỷ tinh,
nhôm, đồng, giấy.
Và vật liệu từ là một loại vật liệu công nghiệp quan
trọng cần thiết cho nhiều dạng thiết kế kĩ thuật: Kĩ
thuật điện công nghiệp thông tin liên lạc, công nghiệp
chế tạo ôtô, tàu thủy Vật liệu từ đã được phát hiện
cách đây hàng nghìn năm. Cho đến nay, vật liệu từ
vẫn là đối tượng được con người quan tâm tìm hiểu,
nghiên cứu và đưa vào ứng dụng.

Phần 2.
Phần 2.
NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
2.1. Lịch sử của từ học
1600. Dr, William Gilbert - những thí nghiệm đầu tiên
về từ học:” De Magnete”.
1819. Oerstead - sự gắn liền giữa từ học và điện học.
1825. Sturgeon đã phát minh ra nam châm điện.
1880. Warburg đã vẽ ra chu trình trễ đầu tiên của sắt.
1895. Định luật Curie đã được đề xuất
1905. Langevin lần đầu tiên đã giải thích tính chất của
nghịch từ và thuận từ.
1906. Weiss đã đưa ra lý thuyết sắt từ.
Những năm 1920, Vật lý của từ học đã được phát trỉển
với các lý thuyết liên quan đến spin electron và tương tác
trao đổi, những sự bắt đầu của cơ học lượng tử.

2.2. Nguồn gốc của từ tính

Hầu hết mọi người đều biết vật liệu từ là gì, nhưng
rất ít người biết một nam châm họat động như thế nào?
Một nam châm điện đơn giản có thể tạo ra bằng
cách cuộn dây đồng thành cuộn và nối cuộn dây với một
accu. Một từ trường được tạo ra bên trong cuộn dây,
nhưng nó chỉ tồn tại khi dòng điện vẫn còn chạy qua
cuộn dây.
Trường được tạo ra bởi nam châm được liên hệ với
sự chuyển động và các tương tác của các electron, các
hạt tích điện âm, chuyển động theo quỹ đạo hạt nhân
của mỗi nguyên tử.
Trong các vật liệu từ nào đó, các mômen từ với một
tỷ lệ lớn của các electron đã được sắp xếp, khi tạo ra
một từ trường đồng nhất. Trường được tạo ra trong vật
liệu, có một hướng chảy và nam châm bất kỳ nào đều
thể hiện một lực để cố gắng sắp xếp nó theo từ trường
ngoài.

2.3. Phân loại các vật liệu từ
2.3. Phân loại các vật liệu từ
VẬT LIỆU TỪ
Chất nghịch từ
Chất phản sắt từChất thuận từ
Tính sắt từ
Ferit từ
Ferit từ

a. Chất nghịch từ:
Hình 1: Mô hình chất nghịch từ
Trong một vật liệu nghịch từ, các nguyên tử không có

mômen từ riêng khi không có từ trường ngoài đặt vào.
Dưới ảnh hưởng của một từ trường ngoài (H) các electron
đang quay sẽ tiến động và chuyển động này là một loại
dòng điện, tạo ra một độ từ hóa (M) trong hướng đối diện
với phương của từ trường ngoài.


b. Chất thuận từ:
Hình 2: Mô hình chất thuận từ
Mô hình Langevin đúng cho các vật liệu với các
electron định xứ không tương tác với nhau, ở các trạng thái
mà mỗi nguyên tử có một mômen từ định hướng hỗn loạn
do sự chuyển động nhiệt. Khi tăng nhiệt độ, do sự chuyển
động nhiệt sẽ tăng lên, nó sẽ trở nên khó hơn để sắp xếp các
mômen từ nguyên tử ,vì vậy độ cảm từ sẽ giảm xuống.

c. Tính sắt từ:
Hình 3: Mô hình tính sắt từ
Tính sắt từ chỉ có thể khi các nguyên tử được sắp xếp
trong một mạng và các mômen từ nguyên tử có thể tương tác
lên nhau và sắp xếp song song với nhau. Hiệu ứng này được
giải thích theo lý thuyết cổ điển bằng sự có mặt của một
trường phân tử bên trong vật liệu sắt từ.
Weiss đã đưa ra sự có mặt của các đômen từ bên trong
vật liệu, là các vùng mà ở đó các mômen từ nguyên tử được
định hướng. Vì vậy, các vật liệu sắt từ thường được so sánh
theo độ từ hóa bão hòa hơn là theo độ cảm từ.

d. Chất phản sắt từ:
Hình 4: Mô hình chất phản sắt từ

Các vật liệu phản sắt từ rất giống như các vật liệu
sắt từ, nhưng tương tác trao đổi giữa các nguyên tử lân
cận dẫn đến sự sắp xếp phản song song của các mômen
từ nguyên tử. Vì vậy, từ trường trượt tiêu và vật liệu
xuất hiện bản chất giống như là một vật liệu thuận từ.

e. Ferit từ:
Hình 5: Mô hình Ferit từ
Ferit từ chỉ được quan sát trong các hợp chất có cấu
trúc tinh thể phức tạp hơn so với các nguyên tố thuần
khiết. Bên trong các vật liệu này các tương tác trao đổi
dẫn đến một sự sắp xếp song song của các nguyên tử trong
cùng một vị trí tinh thể và sự sắp xếp phản song song
trong các vị trí khác.
Vật liệu bị chia thành các đômen, giống như trong
vật liệu sắt từ và bản chất từ cũng như vậy.

Tùy thuộc vào cách ứng xử của vật liệu từ trong từ
trường, chúng được chia làm hai nhóm chính: vật liệu
từ mềm và vật liệu từ cứng.
2.4. Vật liệu từ cứng
Là nhóm các vật liệu khó khử từ và cũng có nghĩa là
khó từ hoá.
2.4.1. Tính chất:
Có từ trường khử từ và từ dư lớn, một cách tương
ứng thì đường cong từ trễ của nó rộng, rất khó bị từ
hóa. Một khi bị từ hóa thì năng lượng từ của vật liệu
được giữ lại lâu, có thể được dùng làm nam châm "vĩnh
cữu".

VẬT LIỆU TỪ CỨNG
Vật liệu kim loại
Vật liệu từ kim loại có thể là kim loại đơn
chất (sắt, cobalt, niken) và hợp kim từ của một
số kim loại.
Vật liệu phi kim loại
Thường là ferrite, thành phần gồm hỗn
hợp bột của các oxit sắt và các kim loại khác.
Điện môi từ
Điện môi từ là vật liệu tổ hợp, gồm 60
- 80% vật liệu từ dạng bột và 40 - 20% điện
môi. Ferrite và điện môi từ có điện trở suất
lớn, nên làm giảm đáng kể mất mát do dòng
điện xoáy Fucault
2.4.2. Về thành phần cấu tạo:

2.4.3. Ứng dụng
a. Xe hơi:
Môtơ khởi động, hệ thống phanh chống khóa
(ABS), môtơ điều khiển gạt nước, các bơm phun, quạt
và điều khiển của sổ. Chỗ ngồi , loa, phanh bằng
dòng xoáy, máy phát điện xoay chiều.
Hình 6: a) Môtơ xe hơi; b) Môtơ khoá cửa

b. Viễn thông:
Hệ loa, micro, chuông điện thoại, ống nghe, nói, chuyển
mạch và rơle.
Hình 7. a) Loa mini điện thoại ; b) Cổng micro
c. Xử lý sô liệu:

Bộ điều khiển và actuator đĩa cứng, các môtơ bước, máy in.
Hình 8: a)Máy in; b) Actuator đĩa cứng

d. Hàng điện tử tiêu dùng:
Môtơ DC cho vòi tắm, máy giặt, khoan, bộ điều khiển DC thế
thấp cho các thiết bị không dây, bộ loa cho TV và Audio, dụng cụ
sửa chữa và tập trung tiêu điểm của chùm TV, đĩa copact disc,
computer gia đình, máy quay video, bộ khóa.
Hình 9: a) Máy quay video; b) Bộ loa cho ti vi
e. Các thiết bị điện tử:
Các cảm biến, các công tắc không tiếp xúc, các phổ kế NMR,
đĩa đo năng lượng, các thiết bị biến đội điện –cơ, các ống dẫn trường
chéo nhau, dụng cụ họat động chuyển dòng, thiết bị hãm.

Hình 10: Cảm biến
f. Công nghiệp:
Môtơ DC cho các dụng cụ từ tính, robot, các thiết bị tách từ cho
việc tách kim loại và quặng, các vật mang từ, các máy nâng, các bộ
hãm và khớp nối, các thiết bị đo.
Hình 11: a) Rôbôt; b) Máy nâng

g. Thiên văn và không gian:
Các vật mang không ma sát, các môtơ bước, các liên kết cặp,
thiết bị, các ống truyền sóng, la bàn tự động.
Hình 12: a) La bàn ; b) Ống dẫn sóng
h. Phẫu thuật sinh học:
Hàm răng, nha khoa, khoa chỉnh hình, lành vết thương, trét lổ
thủng dạ dày, các vòng đai đẩy, trái tim nhân tạo tự động, thiết bị
quét cơ thể cho chụp ảnh cộng hưởng từ (MRI).

2.5. Vật liệu từ mềm
Các vật liệu từ mềm là các vật liệu được từ hoá và khử từ dễ
dàng.
2.5.1. Tính chất:
Vật liệu từ mềm có độ từ thẩm lớn, từ trường khử từ nhỏ,
tổn hao từ trễ nhỏ (đường cong từ trễ hẹp). Các tính chất của
vật liệu từ mềm phụ thuộc vào độ tinh khiết hóa học của chúng,
và mức độ biến dạng của cấu trúc tinh thể. Nếu có càng ít các
loại tạp chất trong vật liệu, thì các đặc tính của vật liệu càng tốt.
2.5.2. Thành phần cấu tạo:
thép kỹ thuật
thép ít carbon
thép lá kỹ thuật điện
hợp kim sắt
niken có độ từ thẩm cao
oxit sắt từ (ferrite)
VẬT LIỆU TỪ MỀM

2.5.3. Ứng dụng
a. Ứng dụng DC:
Vật liệu được từ hóa nhằm thực hiện một họat động và sau đó bị
khử từ tại kết thúc của hoạt động.
Ví dụ: Một nam châm điện trên một cần trục cẩu hàng, được
nối mạch để hút lõi thép và sau đó bị ngắt mạch để tháo rời thép ra.
Một trong những ứng dụng DC chính là trong lĩnh vực che
chắn từ. Một vật liệu từ có độ từ thẩm cao được sử dụng để bảo
quản một thiết bị cần phải được che chắn.
Hình 13: Vật chắn từ bằng ống tup hay quả cầu vật liệu từ mềm

b. Ứng dụng AC:

Vật liệu sẽ liên tục xoay vòng từ hóa theo phương này
đến phương khác, qua một chu kỳ họat động.Ví dụ: Biến thế
công suất.
Các ứng dụng AC liên quan đến các mạch điện và chủ
yếu trong các biến thế khi chuyển đổi thế AC này thành một
thế khác.
Các vật liệu từ mềm cũng đóng một vai trò quan trọng
trong các motơ điện, ở đó chúng tăng cường trường được
tạo ra bởi các vòng quấn môtơ. Trong các mơtơ nam châm
vĩnh cửu, chúng cũng được dùng để che chắn từ thông được
tạo ra bởi các nam châm vĩnh cửu.
Các vật liệu từ mềm cũng được sử dụng cho các đầu
cực điện từ, để tăng cường trường được tạo ra bởi nam
châm. Các chuyển mạch solenoit cũng sủ dụng các vật liệu
từ mềm để tăng độ tin cậy. Hầu hết các thiết bị nam
châm vĩnh cửu đều sử dụng các vật liệu từ mềm để che chắn
từ thông hoặc là cung cấp một đường trở về cho từ trường.

Hình 14: Mạch điện
2.6. Các vật liệu từ khác
2.6.1. Vật liệu từ giảo:
Hầu hết các vật liệu từ đều biểu hiện tính từ giảo, đó là sự
thay đổi trong kích thước vật lý do kết quả của trật tự từ. Có hai
loại từ giảo: Từ giảo tự phát, xuất hiện từ trật tự từ của mômen
nguyên tử ở dưới nhiệt độ Curie (thường gây ra sự nở thể tích)
và từ giảo cảm ứng từ, xuất hiện từ sự sắp xếp của các đômen từ
khi có tác dụng của một từ trường ngoài.

2.6.2. Từ trở:
Từ trở (MR) là hiệu ứng mà điện trở của một vật liệu

từ thay đổi phụ thuộc vào hướng tương đối của dòng điện
và độ từ hóa. Trong hầu hết các trường hợp, điện trở là cao
nhất khi dòng điện và độ từ hóa là song song và thấp nhất
khi chúng vuông góc. Ứng dụng chính cho các sensor MR
là ở trong các đầu đọc của các đĩa cứng.
2.6.3. Vật liệu ghi từ:
Sử dụng kỹ thật từ ghi tiếng nói con người lần đầu
tiên được kỹ sư người Đan Mạch, Poulsen, thực hiện vào
năm 1898. Việc ghi được thực hiện trên một dây sắt từ,
nhưng do thiếu phần khuếch đại nên chất lượng ghi rất tồi.
Đĩa cứng đầu tiên, có ký hiệu là RAMAC, đã được giới
thiệu bởi IBM vào năm 1957 và có dung lượng tồ trữ 2000
bit in-2. Dung lượng trữ đã tăng lên một cách nhanh chóng
và đều đặn từ RAMAC và vào năm 2000 đã đạt xấp xỉ 1
Gbit in-2, tức là một sự tăng bằng hệ số nhân 5 triệu. Sự
tăng này trong dung lượng lưu trữ được minh họa trong
hình dưới đây.

Hình 15. Theo sự giảm trong diện tích trên đĩa được đòi
hỏi để trữ thông tin
2.6.4. Băng từ:
Các băng từ đã được sử dụng mạnh cho việc ghi các tín
hiệu audio và video, tuy nhiên không biết rõ là kỹ thuật này sẽ
được tiếp tục sử dụng bao nhiêu lâu nữa với sự xuất hiện tính
phổ biến của digital versatile disk (DVD).
Lớp từ trên băng hạt chỉ có 40% vật liệu từ, trong khi đó
băng ME có 100% lớp từ. Vì vậy, các băng ME cho ta ghi chất
lượng tốt hơn.

2.6.5. Các đĩa từ:

Có hai loại đĩa: mềm và cứng. Các nguyên lý của việc
sản xuất và ghi trên các dĩa mềm rất giống với băng từ hạt,
tức là giống như các vật liệu hạt trên đế plastic.
Cấu trúc của một đĩa cứng được chỉ ra trên hình. Đĩa
được kèm theo một môtơ quay, sẽ quay đĩa, đối với dung
lượng trữ lớn, một vài đĩa có thể được dựng thành một
chồng. Các đầu đọc và ghi được kèm với một cánh tay nhún
có thể được quét ngang qua đĩa khi sử dụng một cuộm
tiếng.
Hình 16: Sơ đồ biểu diễn cấu tạo của một đĩa cứng

Phần 3.
Phần 3.
KẾT LUẬN
KẾT LUẬN
Ngành vật liệu rất đa dạng và phong phú. Tất cả các vật liệu, ở
mọi trạng thái, dù ít hay nhiều đều biểu hiện tính chất từ. Các vật liệu
có những ứng dụng rất quan trọng, không thể thiếu được trong khoa
học kỹ thuật và đời sống. Qua một thời gian tìm hiểu khá kĩ về vật liệu
từ, chúng ta đã hiểu thêm được một số vấn đề sau:
Khái niệm, tính chất cũng như ứng dụng trong đời sống của vật
liệu từ.
Nguyên nhân chủ yếu gây nên từ tính của vật liệu từ là do các
điện tích luôn luôn chuyển động theo các quĩ đạo kín tạo nên những
dòng điện vòng.
Với xu thế hội nhập như hiện nay đòi hỏi Việt Nam phải tìm tòi
nghiên cứu thêm những ứng dụng của vật liệu từ. Chúng tôi mong rằng
không những nhà khoa học mà cả học sinh, sinh viên ra sức tham gia
nghiên cứu khoa học để ngành vật liệu của nước nhà có thể phát triển
ngang tầm với các nước bạn.