tiểu luận từ học Vật liệu từ cứng

1. Vật liệu từ cứng
Vật liệu từ cứng là vật liệu sắt từ, khó khử từ và khó từ hóa. Ý nghĩa của tính từ
“cứng” ở đây chính là thuộc tính khó khử từ và khó từ hóa chứ không xuất phát từ cơ tính
của vật liệu từ.
Vật liệu từ cứng có nhiều đặc trưng từ học như lớn, tích năng lượng từ cực đại lớn…

Đường cong từ trễ và các đặc trưng vật liệu từ cứng.
Lực kháng từ: lực kháng từ là đại lượng quan trọng đặc trưng cho tính từ cứng của
vật liệu từ cứng. Vì vật liệu từ cứng là khó từ hóa và khó khử từ, nên ngược lại với vật
liệu từ mềm, có lực kháng từ cao. Điều kiện tối thiểu là trên 100 Oe, nhưng vật liệu từ
cứng phổ biến thường có lực kháng từ cỡ hàng nghìn Oe trở lên. Nguồn gốc của lực
kháng từ lớn trong các vật liệu từ cứng chủ yếu liên quan đến dị hướng từ tinh thể lớn


trong vật liệu. Các vật liệu từ cứng thường có cấu trục tinh thể có tính đối xứng kém hơn
các vật liệu từ mềm và có dị hướng từ tinh thể rất lớn.
Lực kháng từ của vật liệu từ cứng thông thường được biết đến qua công thức:

Trong đó:
Thành phần thứ nhất có đóng góp lớn nhất với là hằng số dị hướng từ tinh thể bậc 1,
là từ độ bão hòa.
Thành phần thứ hai đóng góp nhỏ hơn một bậc với , là thừa số khử từ đo theo hai
phương khác nhau.
Thành phần thứ ba có đóng góp nhỏ nhất với là từ gião bão hòa , τ là ứng suất nội.
Và a. b. c lần lược là các hệ số đóng góp.
Tích năng lượng từ cực đại: tích năng lượng cực đại là đại lượng đặc trưng cho độ
mạnh yếu của vật từ, được đặc trưng bởi năng lượng từ cực đại có thể tồn trữ trong một
đơn vị thể tích vật từ. Đại lượng này có đơn vị là đơn vị mật độ năng lượng .
Tích năng lượng từ cực đại được xác định trên đường cong từ khử thuộc về góc phần
tư thứ hai trên đường cong từ trễ, là một điểm sao cho giá trị của tích cảm ứng từ B và từ
trường H là cực đại. Vì thế tích năng lượng từ cực đại thường kí hiệu là .

Vì là tích của B và H nên tích năng lượng từ còn có một đơn vị khác là GOe, 1GOe=
Để có tích năng lượng từ cao, vật liệu cần có lực kháng từ lớn và cảm ứng từ dư cao.
Ngoài ra một số vật liệu từ cứng được ứng dụng trong nam châm hoạt động ở nhiệt độ
cao nên nó đòi hỏi nhiệt độ Curie rất cao. Đây là nhiệt độ mà tại đó vật liệu bị mất từ
tính, trở thành chất thuận từ.
Trong thực tế, vật liệu từ cứng được sử dụng nhiều trong chế tạo các nam châm vĩnh
cữu hoặc được sử dụng làm vật liệu ghi từ trong các ổ đĩa cứng, trong đó người ta thường
dùng các loại vật liệu sau:
Vật liệu từ cứng liên kim loại chuyển tiếp đất hiếm: điển hình là hai hợp chất và họ
SmCo là các vật liệu từ cứng tốt nhất hiện nay. Hợp chất có cấu trúc tứ giác, có lực


kháng từ có thể đạt tới trên 10000 Oe và có từ độ bão hòa cao nhất trong các vật liệu từ
cứng, do đó tạo ra tích năng lượng từ khổng lồ.
SmCo là vật liệu từ cứng có lực kháng từ lớn nhất và có nhiệt độ Curie rất cao nên
thường sử dụng trong các máy móc có nhiệt độ hoạt động cao. Tuy nhiên, nhược điểm
của các nam châm đất hiếm là có độ bền không cao, có giá thành cao, vật liệu NdFeB có
nhiệt độ Curie không cao lắm nên không sử dụng ở điều kiện khắc nghiệt được. Nam
châm đất hiếm có tích năng lượng từ kỉ lục là đạt tới 57MGOe. Hệ vật liệu có tích năng
lượng cực đại =31 MGOe.
Hợp kim FePt và CoPt bắt đầu được nghiên cứu từ những năm 1950. Hệ hợp kim này
cấu trúc tinh thể tứ giác tâm diện, thuộc loại có trật tự hóa học L10, có ưu điểm là có lực
kháng từ lớn, có khả năng chống mài mòn, chống oxi hóa rất cao. Loại hợp kim này hiện
đang sử dụng làm vật liệu ghi từ trong các ổ cứng. Vật liệu có =7,5 kOe, =14MGOe.

a. Quá trình từ hóa
i. Đường cong từ hóa và hiện tượng từ trễ

Các quá trình b và c trong toàn bộ quá trình từ hóa bên hình 2 có thể xảy ra đồng thời
với nhau ở một khoảng giá trị nào đó của H. Lúc khử từ, trạng thái sắt từ được biểu diễn

bởi
Với là thể tích đômen thứ i, là góc giữa vecto từ độ bão hòa của đômen này đối với
một phương nhất định.


Hình 2 Quá trình từ hóa dưới ảnh hưởng của từ trường tăng dần:
a) Mẫu hoàn toàn khử từ.
b) H≠0 và nhỏ, các đômen gần hướng với từ trường ngoài nở ra, ngược hướng với từ trường
ngoài co lại.
c) H≠0 và đủ lớn, vecto từ độ quay trùng hướng của H.
Khi H≠0, từ độ trở nên khác không và đạt giá trị ΔI. Sau khi lấy vi phân phương trình
trên, ta có
Số hạng thứ nhất mô tả phần đóng góp vào từ độ gây nên bởi sự dịch chuyển vách
đômen và tương ứng với quá trình trên hình 2 gọi là quá trình dịch chuyển vách. Số hạng
thứ hai gây bởi sự quay của momen từ theo phương của trường ngoàivà tương ứng quá


trình trên hình 4 gọi là quá trình quay. Tương ứng với hai quá trình đó độ cảm từ cũng có
thể chia hai thành phần, một thành phần tương ứng với biến thiên từ độ gây bởi sự dịch
chuyển vách và một thành phần ứng với biến thiên từ độ do sự quay của vecto , do đó ta
có

Hay
Thông thường vật liệu từ được chia làm hai loại căn cứ theo giá trị của χ và . Vật liệu
mềm có χ lớn và nhỏ và quá trình từ hóa ban đầu cơ bản quy định bởi quá trình dịch
chuyển vách và vật liệu từ cứng χ nhỏ và lớn và quá trình từ hóa ban đầu cơ bản quy
định bởi quá trình quay.
Quá trình từ bất thuận nghịch – nguyên nhân sự trễ từ:
Ta xét vách ngăn cách hai đômen theo mặt phẳng yz trong một tinh thể thực (hình 6).
Nếu đặt từ trường H song song với trục z thì vách đômen dịch chuyển và đômen có I

song song với H nở ra, đômen có I phản song song với H bị co lại. Phương trình cho
trạng thái cân bằng của vách là
( Năng lượng tự do đảo từ) = (Công dịch chuyển vách đômen)
Do đó ta có:

Trong từ trường ngoài, vị trí mới của vách tương ứng với một năng lượng vách đômen
khác trước. Nếu do tác dụng của từ trường ngoài H vách dịch một đoạn dx < OA (hình 3)
thì bởi vì tại đấy năng lượng vách lớn hơn tại vị trí x = 0 nên sau khi ngắt từ trường
ngoài, vách đômen lại nghịch chuyển về x = 0, phục hồi lại trạng thái khử ban đầu. Đây
là quá trình dịch chuyển vách thuận nghịch.


Hình 3. a) Mô hình hai đômen được phân cách bởi một vách nằm trên mặt phẳng yz;
b) và c) sự phụ thuộc năng lượng vách γ và gradient của lớp chuyển tiếp của các
đômen vào từ độ.
Nếu từ trường đủ lớn để vách dịch chuyển qua điểm A, vì tại đây năng lượng vách biến
thiên cực đại, nên vách có thể tự động dịch chuyển đến điểm C có giá trị tương đương
mà không cần phải có từ trường ngoài. Đoạn dịch chuyển AC gọi là bước nhảy
Barkhausen.
Sau quá trình từ hóa đó, nếu ngắt từ trường ngoài thì vách không về vị trí x = 0 mà về vị
trí B ứng với cực tiểu năng lượng. Kích thước các đômen thuận vẫn lớn hơn kích thước
các đômen nghịch gây ra độ từ hóa còn dư giữa một cặp đômen với là độ rộng của


đômen, dx là độ dịch vách. Quá trình này là quá trình từ hóa bất thuận nghịch và là
nguyên nhân gây ra sự từ trễ.
ii.
Đường cong từ trễ

Hình 4.Đường cong từ trễ.

Đặc tính lí thú của vật liệu sắt từ, vật liệu được từ hóa tới bão hòa khi từ trường
ngoài tăng lên và vẫn giữ giá trị khác 0 khi từ trường ngoài giảm tới 0 (hình 4).
Đó chính là hiện tượng từ trễ được thể hiện trên đường cong từ trễ. Hiện tượng
này có liên quan trực tiếp tới cấu trúc đômen của vật liệu. Chính nhờ khả năng
nhớ từ này mà một số vật liệu sắt từ được sử dụng để làm vật liệu ghi từ.
1.2.3 Độ nhớt từ
Độ nhớt từ là thuật ngữ để mô tả sự thay đổi từ độ phụ thuộc vào thời gian mà
không liên quan đến trường tác dụng. Thực nghiệm đã chứng tỏ rằng, khi đặt
hay ngắt từ trường ngoài, từ độ, độ từ thẩm,… của vật liệu từ chỉ đạt ổn định
sau một thời gian, nghĩa là từ tính của vật liệu không thay đổi đồng bộ với từ
trường từ hóa.