Bài giảng vật lý đại cương A2 (Vật liệu từ)

1
1. Sự từ hóa và phân loạivậtliệutừ
2. Tính chấttừ nguyên tử
3. Nghịch từ và thuậntừ
4. Sắttừ
CHƯƠNG 6 –
VẬT LIỆU TỪ
2
Sự từ hóa
1. Sự từ hóa và phân loạivậtliệutừ
) Thanh sắtnon bị hút bởinam
châm, sau đótrở thành mộtthanh
nam châm ⇒ bị từ hóa!
0
B
r
) Vậtbị từ hóa trong từ trường ngoài
'B
r
⇒ có từ trường riêng
'
0
BBB
r
r
r
+=
ª Từ trường tổng hợp:
) Mọichấttrongtự nhiên cũng
đềuchịutácđộng củatừ trường
⇔ bị từ hóa, nhưng vớimức độ

khác nhau.
3
) Đạilượng vậtlýđặctrưng cho mức độ từ hóa củavậtliệu
đượcxácđịnh bằng số các moment từ trong 1 đơnvị thể tích
củakhốivậtliệu:
V
p
M
V
m
Δ
=
∑
Δ
r
r
) M =
χ
m
H (vớivậtliệunghịch từ và thuậntừ)
ª
χ
: độ cảmtừ (magnetic susceptibility)
ª
χ
và M thể hiệnbảnchất bên trong củavậtliệu
ª Đơnvị củatừđộ: A/m
Vector độ từ hóa (từđộ)
1. Sự từ hóa và phân loạivậtliệutừ
4

1. Sự từ hóa và phân loạivậtliệutừ
Phân loạivậtliệutừ
Thuậntừ
) Ví dụ: Ma-nhê (magnesium - Mg),
Mô-líp (molibdenum - Mo), li-ti
(lithium - Li)
Nghịch từ
) Ví dụ: Bismut, đồng (copper - Cu),
bạc (silver - Ag), vàng (gold - Au)….
) Vậtliệubịđẩybởitrường ngoài
H (Oe)
M =
χ
H
M (A/m)
χ
> 0
'B
r
(rấtnhỏ) ngượcchiều
0
B
r
⇒
0
BB
r
r
<
)

'B
r
(rấtnhỏ) cùng chiều
0
B
r
⇒
0
BB
r
r
>
)
5
) Ví dụ: Sắt (Iron - Fe), ni-ken
(nickel - Ni), cô-ban (cobalt – Co),
măng-gan (manganese – Mn), các
hợpkimcủasắt, fer-rít….
Mức bão hòa
H (Oe)
M (A/m)
1. Sự từ hóa và phân loạivậtliệutừ
Phân loạivậtliệutừ
Sắttừ
'B
r
(lớn) cùng chiều
0
B
r

⇒
0
BB
r
r
>>
)
6
2. Tính chấttừ củanguyêntử
ª Tính chấttừ củavậtchấtlàdo sự tồntạicủa các moment
từ (dipole) hình thành bởi các moment từ spin và moment từ
quỹđạocủa các electron bên trong các nguyên tử.
l
) e
-
là thành phầncấutạocủa
nguyên tử, CĐ quanh hạtnhân.
) Từ trường do dòng điệnsinhra,
) Dòng điện là dòng chuyểndời
có hướng của electron (e
-
).
7
Moment từ quĩđạocủa electron
ª Dòng điện do CĐ củae
-
:
r
eve
i

2
.
π
τ
==
ª Chu kỳ quay củae
-
trên quĩđạo:
ν
π
τ
r2
=
i
+
+
i
i
i
) Xét nguyên tử cô lập(B
ngoài
= 0) có e
-
CĐ trên quĩđạotròn
quanh hạtnhânvớivậntốc
v
r
Moment (lưỡng cực) từ –
Magnetic (dipole) moment
I

SIp
m
.
=
S
) Từđịnh nghĩamoment từ ⇒
moment từ quĩđạocủae
-
:
2
.
.
.2
.
2
rve
r
r
ev
Sip
mqđ
===
π
π
2. Tính chấttừ củanguyêntử
8
Moment động lượng của electron
l
mqđ
p

r
+
+
i
i
i
) Moment động lượng đối
vớigốcO củae
-
khi CĐ trên
quĩđạovớivector vậntốccó
chiềungượcvớivector
moment từ quĩđạo, có giá trị:
l = mv.r = m
ω
.r
2
l
r
v
2. Tính chấttừ củanguyêntử
) Tỉ số giữamoment từ và
moment động lượng củae
-
gọi
là tỉ số từ-cơ quĩđạo:
m
e
l
p

l
p
mqđmqđ
2
. −=
−
=
r
r
9
Moment spin electron
) e
-
vừa CĐ trên quĩđạo
quanh hạt nhân vừatự xoay
quanh chính mình ⇒ moment
động lượng riêng - moment
spin ⇒ moment từ spin
riêng
)(s
r
)(
ms
p
r
l
m
p
+
+

i
i
i
s
ms
p
r
ms
p
r
s
) Tỉ số giữamoment từ spin
và moment spin - tỉ số từ-cơ
spin củae
-
:
m
e
s
p
s
p
msms
−=
−
=
r
r
2. Tính chấttừ củanguyêntử
10

Moment từ và moment động lượng nguyên tử
) Moment động lượng nguyên tử:
(
)
∑
+=
electronsôTông
slL
r
r
r
) Tỉ số giữamoment từ và moment động lượng nguyên tử:
constg
m
e
L
p
m
=−=−
2
~.
r
ª
Lgp
m
Δ−Δ ~
r
) Moment từ nguyên tử:
(
)

∑
+=
electronsôTông
msmqđm
ppp
r
r
r
2. Tính chấttừ củanguyêntử
11
2. Tính chấttừ củanguyêntử
Ứng dụng trong kỹ thuậtchụp ảnh cộng hưởng từ (MR)
Cuộndâytạo
sóng tầnsố vô
tuyến (RF wave)
Cuộn gradient
Nam châm
Bộ xsr lý tạoành
(Computer)
Bệnh
nhân
Khay đẩy
) Sử dụng từ trường mạnh để
sắpxếp các moment từ của các
nguyên tử H
2
trong cơ thể, sau
đó, sóng tầnsố vô tuyếnbiến đổi
sự sắpxếpnày⇒ tạo ra tín hiệu
điện đượcnhậnbiếtbởibộ xử lý

thông tin (computer) dướidạng
hình ảnh của vùng được quét trên
cơ thể.
) Ứng dụng chụp ảnh các mô mềm:
Não Đầugối
Thận
12
ω
L
ω
L
l
r
ld
r
r’
r’
≡ moment động lượng quĩđạo(ngượcchiều) ⇒ e
-
có
thêm CĐ tuế sai quanh phương củavớivậntốcgóc ⇒
vẽ thành mặt nón tròn xoay vớitrục ≡ phương củavà
chiều quay ngượcchiều CĐ củae
-
và có thêm CĐ phụ với
quỹđạotrònbánkính
r’.
l
r
m

p
r
0
B
r
0
B
r
L
ω
r
) CĐ củae
-
trên quĩđạo quanh hạtnhân
giống CĐ của con quay có trục đốixứng
) Xét:
ª Nguyên tử có 1 e
-
, CĐ trên quĩđạo
quanh hạtnhân⇒ có moment từ
m
p
r
i
-
v
r
m
p
r

+
0
B
r
α
ª Nguyên tửđặt trong từ trường
ngoài , tạovới góc α
0
B
r
m
p
r
M
r
ª Từ trường tác dụng moment lựclên :
0
Bp
m
r
r
r
∧=
M
hay:
M
= p
m
.B
0

.sin
α
m
p
r
Hiệu ứng nghịch từ
3. Nghịch từ và thuậntừ
13
3. Nghịch từ và thuậntừ
) Áp dụng đ/l moment động lượng:
dtld
M
r
r
=
00
2
B
m
e
B
l
p
dt
d
m
L
==
θ
=ω

ª Vậntốc góc củae
-
trên quĩđạo:
l
dtBp
l
dtBp
l
ld
d
mm 00
sin.
.sin.
sin.
=
α
α
=
α
=θ
r
Có
Hiệu ứng nghịch từ
i
-
0
B
r
v
r

m
p
r
ω
L
ω
L
α
M
r
l
r
ld
r
+
d
θ
r’
r’
Δ
i
) CĐ phụ tạo ra dòng điệntrònphụ:
m
.Be
ee.vΔi
0
2
L
π
π

ω
42
L
===
ª Và moment từ phụ:
4m
.Br'e
m
r' Be
Δi.S'Δp
0
222
0
2
m
===
π
π
4
14
ª Do r’ ≠ const, nên:
m
Bre
p
m
4
.'
0
22
=Δ

ª Nguyên tử có Z e
-
với các quĩđạo
bán kính
r
i
:
∑
=
=Δ
z
i
im
r
m
Be
p
1
2
0
2
'
4
.
m
BrZe
p
m
6
0

22
=Δ
0
22
6
B
m
rZe
p
m
r
r
−=Δ
ª Trường hợp nguyên tử có đốixứng cầu:
Hay:
2. Nghịch từ và thuậntừ
Hiệu ứng nghịch từ
i
-
0
B
r
v
r
m
p
r
ω
L
ω

L
α
M
r
l
r
ld
r
+
d
θ
15
2. Nghịch từ và thuậntừ
ª Nguyên nhân: Không tồntạimoment từ nguyên từ do đặc
điểmkếtcặpcủa các điệntử.
Vậtliệunghịch từ trong từ trường ngoài
) Xét khốivậtliệunghịch từ có mật độ
nguyên tử
n
0
:
ª Vector từđộluôn ngượcchiều
vector cảm ứng từ và luôn có độ cảm
từ χ<0 ⇒ quá trình từ hóa vớivậtliệu
nghịch từ rấtyếu.
0
22
0
0
6

. B
m
rZen
pnM
m
r
r
r
−=Δ=
Mặtkhác:
6m
rZeμn
22
00
−=⇒
χ
ª Từđộ:
BHM
r
r
0
m
m
μ
χ
χ
==
16
3. Nghịch từ và thuậntừ
) Trong khốivậtliệuthuậntừ có tồntạimoment từ nguyên từ

(hoặc phân tử) nhưng xắpxếphỗnloạn do chuyển động nhiệt ⇒
moment từ tổng cộng bị triệttiêukhitừ trường ngoài
0
0
=B
r
0
2
m
mmB
B
3kT
p
cospp
0
==
α
) Coi
α
là góc giữa
0
và Bp
m
r
r
⇒ hình chiếu trung bình của
0
trên Bp
m
r

r
+ Quá trình từ hóa phụ thuộc nhiệt độ
+ Không có từ dư
) Kếtluận:
+ Độ cảmtừ > 0 và nhỏ
Vậtliệuthuậntừ trong từ trường ngoài
) moment từ sẽ sắpxếptheophương củatrường ngoài ⇒
khốivậtliệubị từ hóa nhưng sẽ trở lạitrạng thái cũ khi
0
0
=B
r
:0
0
≠B
r
3kT
μpn
0
2
m0
=
χ
⇒ Độ cảmtừ:
0
2
m0
mB0
B
3kT

pn
p.nM
0
rr
==
ª
17
Từ trường tổng hợptrongvậtliệunghịch từ và thuậntừ
3. Nghịch từ và thuậntừ
) Khi bị từ hóa, xuấthiệntừ trường phụ B’ ⇒
'
B
r
có mối liên hệ với
M
r
Thể tích 1 đơnvị dài củakhốivậtliệu
ª Độ từ hóa củakhốivậtliệu=
Moment từ củatoànbộ khốivậtliệu
) Mỗi nguyên tử sinh ra mộtdòngđiện i ⇒ cảm ứng từ phụ B’ do các
dòng điện này sinh ra trong lòng khốivậtliệu: B’ =
μ
0
.n
0
.i
) Khốivậtliệucó: + Tiếtdiện S, độ dài l ;
+ Mật dòng điệntrònn
0
) Từ trường tổng hợptrongkhốivậtliệu:

MBBBB
r
r
r
r
r
000
' μ+=+=
HBB
000
μμ=μ=
r
r
Đặt 1 +
χ
m
=
μ
⇒
0
0
BM
m
μ
χ
=
000
)1( BBBB
mm
r

r
r
r
χ+=χ+=
Với:
nên:
in
S.1
i.Sn
M
0
0
==
hay:
⇒
MB
0
'
μ
=
MB
r
r
0
' μ=
Tứclà:
18
4. Sắttừ
) Vậtliệuthể hiệntínhchấttừ mạnh nhất(lựctừ hay các đáp
ứng vớitừ trường) ⇒ đượcsử dụng để tạo ra nam châm vĩnh

cửuhoặc các cấutrúcmạch dẫntừ.
Đặc điểmcủavậtliệusắttừ
) Từ thẩmphụ thuộc phi
tuyếnvàotrường ngoài.
μ
H
μ
max
) Cảm ứng từ phụ thuộc
phứctạpvàotrường ngoài
⇒ đường cong từ hóa.
B
H
) Độ từ hóa tỉ lệ phi tuyến
vớitrường ngoài.
Mức bão hòa
H (Oe)
M (A/m)
19
) H ngoài tăng từ H = 0
cho đếnkhi
B đạtgiátrị
bão hòa
B
s
tại H
a
.
B
H

0
B
S
H
a
4. Sắttừ
Đường cong từ hóa củavậtliệusắttừ
) Giảm H ngoài → 0 ⇒ B
còn giá trị B
r
≠
0 ⇒ cảm
ứng từ dư.
B
H
0
B
r
B
S
H
a
B
H
0
B
r
-H
c
B

S
H
a
) Đổichiều H ngoài và
tiếptụctăng từ
H = 0 đến
khi
B = 0 ứng với giá trị H
= H
c
⇒ cường độ trường
khử từ -lựckhángtừ.
20
4. Sắttừ
Đường cong từ hóa củavậtliệusắttừ
) Tiếptụctăng H đến khi B
lại đạtgiátrị bão hào -B
s
và
khi giảm → 0 ⇒ có giá trị -B
r
rồilạităng để có giá trị H
c
và
B
s
ban đầu ⇒ khép kín một
chu trình ⇒ đường cong từ
trễ.
B

H
0
B
r
H
c
-H
c
-B
r
B
S
-B
S
H
a
H
d
)
μ
max
, B
s
và H
c
là các đặc
trưng cơ bảncủasắttừ.
) B
s
và H

c
quyết định dạng
đường cong từ trễ.
21
4. Sắttừ
Đường cong từ hóa củavậtliệusắttừ
) Căncứđặc điểm đường cong từ trễ ⇒ phân loạivậtliệusắttừ.
ª Sắttừ mềm: Chu trình trễ
hẹp(“gầy”),
B
r
lớn, và H
c
nhỏ ⇒ đượcsử dụng để làm
mạch dẫntừ trong các bộ
biếnthế, máy phát điện…
ª Sắttừ cứng: Chu trình
trễ rộng (“béo”),
B
r
bền,
và
H
c
lớn ⇒ đượcsử
dụng để làm nam châm
vĩnh cửu.
VậtliệuFerrite –hợp
chấtcủaFe
2

O
3
với
Mn, Ni (mềm) hoặc
Co, BaCO
3
(cứng).
22
ª Kích thước 1 domain
~ 10
-3
-10
-5
mm, chứa~
10
6
-10
9
nguyên tử.
) Trong cấutrúcvậtliệu, các của
moment từ spin củatừng nguyên tử
sắpxếp song song với nhau trong
từng vùng nhỏ (domain), nhưng
moment từ tổng cộng củatừng
vùng nhỏ nàycóchiều khác nhau
trong toàn bộ khốithể tích ⇒
moment từ tổng cộng = 0.
moment từ spin
domain
domain

moment từ tổng cộng
4. Sắttừ
Thuyếtmiềntừ hóa tự nhiên
(thuyết domain)
PIERRE-ERNEST
WEISS ( 1865 - 1940 )
23
) 2 cơ chế:
Vách
domain
Moment từ tổng cộng
củadomain
H
r
Domain có moment từ
≡ phương trường ngoài
chiếm ưuthế
ª Dịch vách domain
ª Quay moment từ
của domain theo
phương trường ngoài
4. Sắttừ
Thuyếtmiềntừ hóa tự nhiên
(thuyết domain)
) Biên giớigiữa các vùng – vách domain
Vách
domain
24
4. Sắttừ
Thuyếtmiềntừ hóa tự nhiên (thuyếtdomain)

Định hướng
theo phương
trường ngoài
Bão hòa
Domain
Dịch vách
bấtthuận
nghịch
Dịch vách
thuậnnghịch
Điểmghimgiữ
25
4. Sắttừ
Tính chấttừ phụ thuộc nhiệt độ củasắttừ
ª T > T
c
⇒ sắttừ trở thành thuậntừ khi đặt trong trường
ngoài ⇒ mất các tính chất đặctrưng củasắttừ cũng như một
số tính chấtvật lý khác (nhiệt dung, độ dẫn điện ).
ª T < T
c
⇒ các tính chất đặctrưng củasắttừđược khôi phục.
Vậtliệu Nhiệt độ Curie (
0
C)
Sắt 770
Cô-ban 1127
Ni-ken 357
Gadolini 16
) Tại nhiệt độ tớihạn T

c
⇒ tính chấttừ dư củasắttừ biếnmất
⇒
nhiệt độ Curie.
c
TT −
χ
1
~