Bài giảng vật liệu (GV nguyễn văn dũng) chương 5 tính chất từ của vật liệu

LOGO

1


2

Đệ

ử

ạ

ạ

ỏ (bỏ qua)

ừ

Điện tử quay quanh trục của nó xuất hiện moment từ spin
+ Điện tử ghép đôi, spin trái dấu nên tự triệt tiêu moment từ của nhau
+Đệ

ử

đ

(electron độc thân) tạo

Tính chất từ của vật liệu phụ thuộc ự ắ
các moment từ

ừ

.

ế (chiều hướng) của


3

Electron độc thân thường xuất hiện ở các kim loại chuyển tiếp, ở các
lớp điện tử d và f.

NT hay
ion

Ti

Ti2+

V

V4+

V3+

V2+

Cr

Cr3+

Cr2+

Mn

Electron
độc thân

2

2

3

1

2

3

5

3

4

5

4

5

NT hay
ion

Fe

Fe3+

Fe2+

Co

Ni

Ni2+

Cu

Cu2+

Zn

Zn2+

Electron
độc thân

4

5

4

3

2

2

0

1

0

0

Co3+ Co2+
4

3

Mn3+ Mn2+


4

ự

ế 3 kim loại Fe, Co, Ni có số điện tử không ghép đôi không

giống như lý thuyết do điện tử từ lớp 4s có thể nhảy sang 3d.
→ Số electron tự do mỗi nguyên tử thay đổi so với lý thuyết

Moment từ spin của 1 electron (Bohr magneton) là µB = 9,27.1024 A.m2
→ Moment từ mỗi nguyên tử = số electron độc thân x µB


5

Từ

ườ g

ườ

a
ặc d

ư

đệ
ự

ồ

c

ậ

ế
ố

châm.

ể
ủa đ ệ

ừ

c

ấ đặc

ệ

độ

ườ g

ặc

ưỡ g cự

ừ


6

Từ ườ
H (A/m), được tạo ra bởi cuộn dây dẫn điện có
cường độ dòng I, quấn tròn n vòng và dài l là:

Khi đặc vật liệu có từ tính vào từ trường
ngoài H, vật liệu có cảm ứng từ B hay
mật độ từ trường B (Tesla)
B t lệ với H với hệ số tỷ lệ là từ thẩm
(độ thẩm từ) µ:
B: Tesla (T) hay


7

T

môi trường chân không, vật liệu có cảm ứng từ Bo và độ thẩm

từ µo = 4 .10-7 (H/m)
B = µ.H → µr = µ / µo (độ từ thẩm tương đối của chất rắn so với chân
không)
B = µ.H = µo.(H + M)
M (Magnetization): Độ từ hóa của chất rắn
(t ng moment từ mỗi đơn vị thể tích)
→M=

H

: từ cảm của vật liệu

µ = µo.(1 +

)


8

So sánh mật độ từ
dưới điều kiện chân
không và khi có đặt
vật liệu


9

Dựa vào sự sắp
xếp

khác

nhau

của các moment
từ mà vật liệu có
tính chất từ khác
nhau !!


10

V t li u ngh ch
µ < µo → µr < 1 (µr

i
5.10-6) →

<0

Vật liệu thuận từ (paramagnetic):
µ > µo → µr > 1 →

>0

Vật liệu s t từ (ferromagnetic):
µ

µo → µr

1 (µr

106) →

0

Vật liệu feri từ (ferrimagnetic):
0, nh hơn vật liệu sắt từ
Vật liệu ph n s t từ (antiferromagnetic):
> 0, nhưng rất nhỏ

11

Là các chất không có mômem từ (nhóm phi từ). Khi

t vào từ tr

ngoài trong các phân t sẽ xuất hi n dòng điện ph và t o ra từ tr
ng

c chiều từ tr

Ví dụ các khí hiếm

ng

ng phụ

ng ngoài.
e, Ne, Ar, Kr,...), các ion có các lớp electron giống khí

hiếm, kim loại (Bi, Zn, Ag, Cu, Pb), H2O, NaCl, SiO2, S, C. et al.


12

Thu n t là nh ng ch t có từ tính y u (nhóm phi t ), các moment t s p
x p m t cách t do.
Khi có tác d ng c a t tr
tr

ng ngoài, các mômen từ này sẽ b quay theo từ

ng ngoài, làm cho c m ứng từ tổng c ng trong chất t ng lên.


13

Sắt từ là các chất có từ tính mạnh, hay khả năng hưởng ứng mạnh
dưới tác dụng của từ trường ngoài, mà tiêu biểu là sắt (Fe).
Ví dụ: kim loại chuyển tiếp (Fe, Co, Ni), kim loại đất hiếm (Gd, Nd), etc.
Liên quan đến electron độc thân phân lớp 3d và 4f


Cấu trúc đa
tinh thể

Bề mặt
Al

Bề mặt
BaTiO3


15

Vật liệu sắt từ chứa những vùng không gian nhỏ có các moment từ
được sắp xếp trật tự (cùng chiều).
Các vùng này g i là domain, gi a các domain là đường ranh giới.
Từ tính của vật liệu là tổng từ tính (theo vector) của các domain.

16

Khi áp từ trường ngoài H
vào VL sắt từ, các domain
có khuynh hướng sắp xếp
theo hướng từ trường, làm
tăng B và M.
Khi H đủ lớn, tất cả các
domain đều sắp xếp theo
hướng từ trường ngoài, B
và M

t đến giá trị bão

hòa (Bs và Ms).


17

VD: Tính độ từ hóa bão hòa Ms và mật độ từ bão hòa Bs của Niken
biết dNi = 8,90 g/cm3.
Giải: với Ni


18

Khi từ trường ngoài H thay đổi, các domain có khuynh hướng sắp xếp
theo hướng mới. Tuy nhiên, sự sắp xếp này chậm có thể gây nên hiện
tượng trễ (hysteresis).

19

Khi H đạt đến giá trị 0 một vài domain vẫn còn duy trì sự sắp xếp
theo hướng trước đó tạo nên độ từ hóa dư (remanence) Mr

Khi độ từ hóa bằng 0, từ
trường đảo Hc gọi là độ
kháng từ (coercivity).


V t li u từ cứng (hard magnetic) là
vật liệu sắt từ, khó khử từ và khó từ
hóa → nam châm v nh cửu
V t liệu từ mềm (soft magnetic) là
vật liệu sắt từ, "mềm" về phương diện
từ hóa và khử từ, có nghĩa là dễ từ
hóa và dễ khử từ → nam châm điện
Tinh thể bị khuyết tật hoặc không tinh
khiết có thể làm giảm khả năng di
chuyển của các domain. VD: sắt và
thép


21

Khi gia nhiệt, các nguyên tử chuyển động nhiệt tăng làm cho các
moment từ sắp xếp mất trật tự. Nhiệt độ Curie (TC) là nhiệt độ mà tại
đó vật liệu sắt từ và ferri từ bị mất từ tính, trở thành chất thu n từ.

VD: Tc của Fe - 768 oC, Co – 1120 oC, Ni – 335 oC.


22


23

Siêu thuận từ (superparamagnetism) là một hiện tượng, một trạng
thái từ tính xảy ra ở các vật liệu từ, mà ở đó chất biểu hiện các tính
chất giống như các chất thuận từ.
ảy ra với các chất sắt từ và ferri từ
Khi kích thước hạt đủ nhỏ (< Dc – kích thước tới hạn), vật liệu s
chuyển từ trạng thái đa domain sang đơn domain (mỗi hạt s là
một domain).
Năng lượng nhiệt sẽ phá vỡ sự định hướng của các moment từ, hệ
hạt sẽ đạt trạng thái hỗn loạn như chất thuận từ.
Khi áp từ trường ngoài, vật liệu đáp ứng nhanh tạo độ từ hóa bão
hòa lớn.


Độ từ hóa bão hòa cao
Độ từ dư Mr = 0


25

Siêu dẫn (superconductor) là hiện tượng vật
liệu dẫn điện mà không có sự xuất hiện của
điện trở (điện trở rất nhỏ) khi dưới một nhiệt

độ tới hạn (TC - critical temperature)