tính chất từ, các phương pháp đo tính chất từ

ĐẠI HỌC HUẾ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM
KHOA VẬT LÝ

------

BÀI TIỂU LUẬN
HỌC PHẦN: CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
VẬT RẮN

Đề tài: Tính chất từ và các phương pháp
đo tính chất từ của vật rắn
Giảng viên giảng dạy:

Học viên thực hiện:

TS. Nguyễn Thị Thủy

Trần Thị Như Quỳnh
Lê Chiêu Phước
Trần Thị Bích Ngọc
Trương Thị Minh Nguyệt
Lê Thị Thu Thảo
Hồ Thị Kim Loan
Huế, tháng 5 năm 2016


MỞ ĐẦU
Mục đích cuả học phần là hướng đến các phương pháp nghiên cứu vật rắn. Các
phương pháp nghiên cứu đóng vai trò quan trọng nghiên cứu cấu trúc, thành phần,
xác định tính chất vật rắn. Và tùy vào từng mục đích, thông số cần xác định của vật

liệu mà áp dụng các phương pháp nghiên cứu khác nhau.
Có nhiều phương pháp nghiên cứu vật rắn như phổ hồng ngoại, X-ray, phân tích
nhiệt,…Các phương pháp vừa mang tính độc lập, vừa mang tính hỗ trợ. Với một vật
liệu phức tạp có thể áp dụng nhiều phương pháp nghiên cứu để xác định tính chất,
cấu trúc vật liệu.
Ngày nay, vật liệu có tính chất từ được ứng dụng rộng rãi, ngày càng phát triển
góp phần vào đời sống và sản xuất. Vì vậy, trong bài tiểu luận này, nhóm em đã đi
tìm hiểu: “ Tính chất từ và các phương pháp đo tính chất từ của vật rắn”.

I.

Các tính chất từ của vật rắn


1. Một số khái niệm về từ học
1.1.Cực từ
Nếu ta gọi p1, p2 là cường độ từ ở hai điểm cực dương và cực âm (của một nam châm)
cách nhau một khoảng cách là d lực tác dụng của hai cực theo định luật Coulomb là:

1.2.Cường độ từ trường H
Đặt thanh nam châm vào một từ trường đồng nhất tạo bởi cuộn dây có cường độ H,
nam châm với cực từ có độ lớn là p, sẽ chịu tác dụng một lực từ là:

Từ trường tạo bởi lực từ là:

1.3. Cảm ứng từ
Từ trường: Khoảng không gian trong đó một cực từ chịu một lực tác dụng. Từ trường
có thể gây bởi một cực từ hoặc bởi một dòng điện.
Cường độ từ trường: Chỉ độ mạnh yếu của từ trường, không phụ thuộc vào môi
trường xung quanh.Ký hiệu: H

H = ni
Độ cảm từ: là đại lựơng vật lý đặc trưng cho khả năng từ hóa của vật liệu hay nói lên
phản ứng của chất duới tác dụng của từ truờng ngoài. Độ cảm từ thể hiện mối quan hệ
giữa từ độ và từ trường ngoài. Ký hiệu χ
Cảm ứng từ: chỉ cường độ từ trường trong môi trường. Ký hiệu là B
1.4.Độ từ thẩm và độ cảm từ


Trong lòng ống dây không phải là chân không mà là một vật nào đó thì sự có
mặt của vật đó sẽ làm thay đổi cảm ứng từ trong ống dây. Cảm ứng từ này tỷ lệ với từ
trường với hệ số tỷ lệ được gọi là từ thẩm µ thì cảm ứng từ trong lòng vật đó là: B =
µH
Mối liên hệ giữa dộ từ hóa M và từ trường H có thể được biểu diễn dưới dạng:
M= χH
Đại lượng χ được gọi là độ cảm từ hay hệ số từ hóa. Độ cảm từ là đại lượng vật
lý đặc trưng cho khả năng phản ứng của chất dứơi tác dụng của từu trường ngoài.
Đơn vị của χ là H/m. Ta còn định nghĩa độ cảm từ tương đối (không thứ nguyên):
Cảm ứng từ gồm từ trường tạo bởi cuộn dây và từ độ của vật liệu từ được từ hóa
trong lòng cuộn dây: B = M + µ 0H; B = (χ + µ 0) H = µH
µ

Ta cũng định nghĩa độ thẩm từ tương đối: µ = µ = χ + 1
0

1.5.Từ hóa-độ từ hóa
Từ hóa là quá trình thay đổi các tính chất từ (cấu trúc từ, mômen từ...) của vật
chất dưới tác dụng của từ trường ngoài. Khi được sử dụng như một động từ, từ hóa có
nghĩa là làm thay đổi tính chất từ của chất bằng từ trường ngoài.
Từ hóa là sự thay đổi tính chất từ của vật chất theo từ trường ngoài, xét về mặt
bản chất, đây là sự thay đổi các mômen từ nguyên tử. Khi đặt vào từ trường ngoài,

các mômen từ nguyên tử có xu hướng bị quay đi theo từ trường ngoài dẫn đến sự thay
đổi về tính chất từ. Tùy theo sự hưởng ứng này mà có thể phân ra nhiều loại vật liệu
từ khác nhau: thuận từ, nghịch từ, sắt từ,….
Độ từ hóa là một đại lượng vật lý nói lên khả năng bị từ hóa của một vật từ,
được xác định bằng tổng mômen từ nguyên tử trên một đơn vị thể tích, hoặc một đơn
vị khối lượng.
Cụ thể: Độ từ hóa của thanh nam châm là số momen từ trong một đơn vị thể tích nam
châm.
với ma= pl

Đường cong từ hóa là đồ thị mô tả quá trình từ hóa vật từ từ trạng thái ban đầu
chưa nhiễm từ (trạng thái khử từ), mà thể hiện trên đồ thị là sự thay đổi của tính chất
từ (thông qua giá trị củatừ độ, cảm ứng từ...) theo giá trị của từ trường ngoài. Ở phạm


vi cấu trúc vi mô, quá trình từ hóa chính là sự thay đổi về cấu trúc từ (cấu trúc
đômen) thông qua các cơ chế khác nhau.

Đường cong từ hóa có dạng tuyến tính trong các chất thuận từ và nghịch từ
1.6.Từ giảo
Từ giảo là hiện tượng hình dạng, kích thước của các vật từ (thường là sắt từ) bị thay
đổi dưới tác dụng của từ trường ngoài (từ giảo thuận) hoặc ngược lại, tính chất từ của
vật từ bị thay đổi khi có sự thay đổi về hình dạng và kích thước (từ giảo nghịch).

Cơ chế hiện tượng từ giảo do tương tác spin-quỹ đạo và sự phân bố đám mây điện tử:
a) dạng đối xứng cầu: không có từ giảo; b) không có đối xứng cầu: có từ giảo
Độ cảm từ giảo, là sự biến thiên của hệ số từ giảo theo từ trường:

Độ cảm từ giảo có thứ nguyên là nghịch đảo của từ trường, có đơn vị là m/A hay
Oe−1.

1.7.Từ trễ- đường cong từ trễ


Từ trễ là hiện tượng bất thuận nghịch giữa quá trình từ hóa và đảo từở các vật
liệu sắt từ do khả năng giữ lại từ tính của các vật liệu sắt từ. Hiện tượng từ trễ là một
đặc trưng quan trọng và dễ thấy nhất ở các chất sắt từ.
Hiện tượng từ trễ được biểu hiện thông qua đường cong từ trễ (Từ độ - từ trường,
M(H) hay Cảm ứng từ- Từ trường, B(H)). Khi từ hóa một vật sắt từ đến một từ
trường bất kỳ, nếu ta giảm dần từ trường và quay lại theo chiều ngược, thì nó không
quay trở về đường cong từ hóa ban đầu nữa, mà đi theo đường khác. Và nếu ta đảo từ
theo một chu trình kín (từ chiều này sang chiều kia), thì ta sẽ có một đường cong kín
gọi là đường cong từ trễ hay chu trình từ trễ. Tính chất từ trễ là một tính chất nội tại
đặc trưng của các vật liệu sắt từ, và hiện tượng trễ biểu hiện khả năng từ tính của các
chất sắt từ.

Đường cong từ trễ của 2 loại vật liệu sắt từ, vật liệu từ cứngvà vật liệu từ mềm, và các
thông số của vật liệu được xác định trên đường cong từ trễ.
1.8.Đô men từ
Đômen từ là những vùng trong chất sắt từ mà trong đó các mômen từ hoàn
toàn song song với nhau tạo nên từ độ tự phát của vật liệu sắt từ. Thuật ngữ "đômen
từ" được những người dạy vật lý ở bậc phổ thông và những người không làm công
tác nghiên cứu vật lý ở Việt Nam dịch là "miền từ hóa", tuy nhiên những người làm
nghiên cứu vật lý (đặc biệt là những người trong lĩnh vực từ học) không chấp nhận
tên gọi này mà chỉ gọi là "đômen từ".
Vách đômen (domain wall) là vùng chuyển tiếp ngăn cách giữa 2 đômen từ liền
kề nhau. Giữa hai đômen từ, mômen từ không thể đột ngột biến đổi về chiều vì sẽ dẫn
đến trạng thái kém bền do đó hình thành nên vùng chuyển tiếp là các vách đômen.
Trong các vách đômen, mômen từ biến đổi về chiều dần dần từ chiều của đômen này
tới đômen kia. Tùy theo sự định hướng mà sẽ có thể có 2 kiểu vách đômen từ chính:

•
•

Vách Bloch: Là cấu hình vách tồn tại trong các vật liệu khối hoặc màng dày,
có các mômen từ trong vách phân bố trong không gian 3 chiều.
Vách Néel: Là loại vách đômen hình thành trong các màng mỏng từ (khi kích
thước một chiều bị hạn chế), các mômen từ sắp xếp trong một mặt phẳng.

Các nghiên cứu về vách đômen đang là một chủ đề thu hút nhiều nghiên cứu bởi triển
vọng ứng dụng trong các linh kiện spintronic điều khiển bằng vách đômen. Trong các
linh kiện này, thông tin được mã hóa nhờ sự vận chuyển của các vách đômen trong
các cấu trúc nano từ tính (các dây nano, các chấm nano...), có khả năng tạo ra các
cổng logic, các bộ nhớ, máy phát chất lượng cao.

Ví dụ về vách đômen: vách 180o và vách 90o
2. Các vật liệu từ
Mọi chất đặt trong từ trường sẽ bị từ hóa. Khi đó chúng trở nên có từ tính và
r

r

sinh ra một từ trường phụ H ' , khiến từ trường tổng hợp H trong chất bị từ hóa trở
r

r

r

thành: H = H 0 + H ' .

21. Nghịch từ
Nghịch từ là các chất không có momen từ (tổng véc tơ từ quỹ đạo và từ spin của
toàn bộ điện tử bằng 0). 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 Hr ' ↑↓ Hr 0 .

2. Thuận từ
Thuận từ là những chất có từ tính yếu (trong ngành từ học xếp vào nhóm phi
từ, có nghĩa là chất không có từ tính). Tính chất thuận từ thể hiện ở khả năng hưởng
ứng thuận theo từ trường ngoài, có nghĩa là các chất này có mômen từ nguyên tử
(nhưng giá trị nhỏ), khi có tác dụng của từ trường ngoài, các mômen từ này sẽ bị
quay theo từ trường ngoài, làm cho cảm ứng từ tổng cộng trong chất tăng lên
r
r
H ' ↑↑ H 0 .


Khi không có từ trường ngoài

Khi có từ trường ngoài

3. Siêu thuận từ
Siêu thuận từ 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, ngay ở dưới nhiệt
độ Curie hay nhiệt độ Neél. Đây là một hiệu ứng kích thước, về mặt bản chất là sự
thắng thế của năng lượng nhiệt so với năng lượng định hướng khi kích thước của hạt
quá nhỏ.
4. Phản sắt từ:
Phản sắt từ là nhóm các vật liệu từ có trật tự từ mà trong cấu trúc gồm có 2 phân

mạng từ đối song song và cân bằng nhau về mặt giá trị. Thuật ngữ "phản sắt từ" còn
được dùng để mô tả tính chất của các vật liệu phản sắt từ, hoặc dùng để chỉ các liên
kết pin trong từ học có spin đối song song với nhau.

Cấu trúc từ của vật liệu phản sắt từ, gồm 2 phân mạng spin đối song và bằng nhau


5. Ferit từ
Ferit từ là tên gọi chung của nhóm các vật liệu có trật tự từ mà trong cấu trúc từ
của nó gồm 2 phân mạng đối song song nhưng có độ lớn khác nhau. Ferrit từ còn
được gọi là phản sắt từ bù trừ không hoàn toàn.

6. Sắt từ
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), và tên gọi "sắt từ" được đặt cho nhóm
các chất có tính chất từ giống với sắt. Các chất sắt từ có hành vi gần giống với các
chất thuận từ ở đặc điểm hưởng ứng thuận theo từ trường ngoài Hr ' ↑↑ Hr 0 .


6.1. Sắt từ cứng
Sắt từ cứng là các chất khó khử từ và khó từ hóa. Ýnghĩa của tính từ "cứng" ở
đây chính là thuộc tính khó khử từ và khó bị từ hóa, chứ không xuất phát từ cơ tính
của vật liệu từ.
Các thông số của sắt từ cứng:
•Lực kháng từ: Sắt từ cứng có lực kháng từ cao. Điều kiện tối thiểu là trên
100Oe, nhưng vật liệu từ cứng phổ biến thường có lực kháng từ cỡ hàng ngàn Oe trở
lên.

•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.
•Cảm ứng từ dư: Muốn có tích năng lượng từ cực đại lớn, sắt từ cứng cần có
lực kháng từ lớn, từ dư cao và hệ số chữ nhật của đường cong từ trễ lớn.
•Nhiệt độ Curie: là nhiệt độ mà tại đó vật liệu bị mất từ tính, trở thành chất
thuận từ. Một số vật liệu từ cứng được ứng dụng trong các nam châm hoạt động ở
nhiệt độ cao nên nó đòi hỏi nhiệt độ Curie rất cao.
6.2. Sắt từ mềm


Sắt từ mềm là các chất dễ từ hóa và dễ khử từ.
Các thông số của sắt từ mềm:
•Lực kháng từ: là từ trường ngoài ngược cần thiết để triệt tiêu từ độ của mẫu.
Lực kháng từ của các vật liệu từ mềm phải nhỏ hơn cỡ 100 Oe. Những vật liệu có
tính từ mềm tốt, thậm chí có lực kháng từ rất nhỏ (tới cỡ 0,01Oe).
•Độ từ thẩm ban đầu: Vật liệu từ mềm có độ từ thẩm ban đầu từ vài trăm, đến
vài ngàn, các vật liệu có tính từ mềm tốt có thể đạt tới vàichục ngàn, thậm chí hàng
trăm ngàn.
•Độ từ thẩm cực đại: Ta biết rằng vật liệu sắt từ không những có độ từ thẩm
lớn mà còn có độ từ thẩm là một hàm của từ trường ngoài. Và độ từ thẩm cực đại
cũng là một thông số quan trọng. Có những vật liệu sắt từ mềm có độ từ thẩm cực đại
rất cao, tới hàng vài trăm ngàn. Ví dụ như permalloy, hay hợp kim nano, tinh thể
Finemet...
•Cảm ứng từ bão hòa, hay từ độ bão hòa : Vật liệu từ mềm thường có từ độ
bão hòa rất cao.
•Tổn hao dòng xoáy: Như đã biết, vật liệu từ mềm được sử dụng trong từ
trường ngoài, và nếu sử dụng trong trường xoay chiều, sẽ sinh ra các dòng điện
Foucault gây mất mát năng lượng và tỏa nhiệt.
•Tổn hao trễ: Khi vật liệu từ mềm được sử dụng trong trường ngoài, nó sẽ bị từ
hóa và tạo ra chu trình trễ, và sẽ có năng lượng bị tổn hao cho việc từ hóa vật liệu.

•Đặc trưng tần số: Khi sử dụng ở tần số càng cao, phẩm chất của vật liệu càng
bị suy giảm, do đó sự thay đổi của phẩm chất theo tần số là một thông số rất đáng
quan tâm.
•Từ giảo: Về mặt bản chất, từ giảo là sự thay đổi hình dạng vật liệu từ dưới tác
dụng của từ trường ngoài. Việc khử từ giảo giúp cho việc tạo ra tính từ mềm tốt.
II. Các phương pháp đo tính chất từ của vật rắn
1. Kính hiển vi lực từ-MFM
Kính hiển vi lực từ-MFM xác định sự định hướng khác nhau của đômen từ. Được sử
dụng để xây dựng hình ảnh sự phân bố của tính chất từ trên bề mặt vật rắn dựa trên
việc ghi nhận lực tương tác (lực từ) giữa mũi dò từ tính với bề mặt của mẫu.


Nguyên lý hoạt động
Dựa vào lực tương tác giữa mũi dò và bề mặt mẫu được cho bởi biểu thức.

Ưu nhược điểm
Ưu điểm:
• Mẫu không nhất thiết phải là chất dẫn điện.
• Có khả năng phân tích cấu trúc từ mà không đòi hỏi sự phá hủy hay xử lý mẫu
• Không đòi hỏi phải kĩ thuật xử lí mẫu hay bao phủ gì đặc biệt.
• MFM có thể dùng như máy STM hay AFM

Nhược điểm:
• Nếu từ trường của mũi dò quá mạnh nó có thể làm thay đổi đômen từ trên bề
mặt mẫu.
• MFM ghi ảnh dựa vào hiện tượng quét nên khả năng ghi ảnh chậm. Đồng thời,
việc ghi ảnh tức thời trong quá trình từ hóa của MFM kém .

2. Phương pháp đo tính chất từ bằng từ kế mẫu rung
Từ kế mẫu rung, (VSM) là một dụng cụ đo các tính chất từ của vật liệu từ, hoạt
động trên nguyên tắc thu tín hiệu cảm ứng điện từ khi rung mẫu đo trong từ trường.
2.1. Nguyên lý hoạt động
Như đã nói, từ kế mẫu rung hoạt động
theo nguyên tắc cảm ứng điện từ. Nó đo
mômen từ của mẫu cần đo trong từ trường
ngoài.
Mẫu đo được gắn vào một thanh rung không
có từ tính, và được đặt vào một vùng từ
trường đều tạo bởi 2 cực của nam
châm điện. Mẫu là vật liệu từ nên trong từ
trường thì nó được từ hóa và tạo ra từ
trường. Khi ta rung mẫu với một tần số nhất
định, từ thông do mẫu tạo ra xuyên qua cuộn
dây thu tín hiệu sẽ biến thiên và sinh ra suất điện động cảm ứng V, có giá trị tỉ lệ
thuận với mômen từ M của mẫu theo quy luật cho bởi:
Ta có: Hiệu điện thế sinh ra do hiện tượng cảm ứng được cho bời biểu thức:

Từ trường xuyên qua cuộn dây trước khi có mẫu đặt vào là:

Từ trường xuyên qua cuộn dây sau khi có mẫu đặt vào là:


Vậy:

Suy ra:

Hay
với M là mômen từ của mẫu đo,

là tiết diện vòng dây, n là số vòng dây của cuộn

dây thu tín hiệu.
Trong các từ kế phổ thông, người ta sử dụng 2 cuộn dây thu tín hiệu đối xứng nhau,
gọi là cặp cuộn dây pick-up (pick-up coil), là hệ 2 cuộn dây đối xứng nhau, cuốn
ngược chiều trên lõi là một vật liệu từ mềm. Ngoài ra, để tăng độ nhạy cho từ kế,
người ta có thể thay cuộn dây thu tín hiệu bằng thiết bị giao thoa kế lượng tử siêu dẫn
(superconducting quantum interference device - SQUID), là một tiếp xúc chui hầm
Josephson có thể đo các lượng tử từ thông, do đó độ nhạy của thiết bị được tăng lên
rất nhiều. Với cuộn dây thu này, ta có từ kế SQUID, thường hoạt động ở nhiệt độ thấp
(vì hiện nay chỉ có các vật liệu siêu dẫn đạt trạng thái siêu dẫn ở nhiệt độ thấp.
Nam châm điện trong từ kế cũng là một bộ phận rất quan trọng để tạo ra từ trường từ
hóa vật liệu cần đo. Nếu nam châm điện là cuộn dây tạo từ trường bằng dòng điện một
chiều ổn định, thì từ trường tạo ra là một chiều ổn định, nhưng thường không lớn, do
bị hạn chế bởi từ độ bão hòa của lõi thép và cuộn dây một chiều không thể cho dòng
điện lớn chạy qua (sẽ tỏa rất nhiều nhiệt). Loại nam châm kiểu này chỉ sử dụng từ
trường cực đại cỡ xung quanh 3 T.


Người ta có thể tạo ra từ trường lớn bằng cách sử dụng từ trường xung. Tức là dùng
một dòng điện cực lớn dạng xung phóng qua cuộn dây, để tạo ra từ trường lớn (có thể
tới hàng chục Tesla) trong một thời gian cực ngắn. Tuy vậy, hạn chế của cách này là
vì thời gian của từ trường ngắn, nên phải có cách ghi tín hiệu khác (vì từ trường quá
ngắn có thể ảnh hưởng đến khả năng cảm ứng của vật liệu trong từ trường ngoài).
Cuộn dây siêu dẫn cũng là một cách tạo từ trường một chiều lớn và ổn định. Người ta
sử dụng những cuộn dây siêu dẫn (hoạt động ở nhiệt độ thấp) để tạo ra từ trường cực
lớn ổn định. Hạn chế của cách này là cuộn dây phải hoạt động ở nhiệt độ thấp nên chi
phí hoạt động thường cao. Cuộn dây siêu dẫn thường sử dụng trong từ kế SQUID.
3.2. Các phép đo đạc sử dụng từ kế mẫu rung

Từ kế mẫu rung đo mômen từ của vật từ. Đơn vị của mômen từ thường sử dụng
trong từ kế mẫu rung là emu (electromagnetic unit),

,
và tùy theo việc đo mômen từ theo đại lượng nào sẽ có tương ứng phép đo đó: Phép
đo từ hóa, từ trễ: đo sự biến đổi của mômen từ theo từ trường ngoài. Phép đo mômen
từ theo sự thay đổi của nhiệt độ dưới tác dụng của một từ trường ngoài: phép đo từ
nhiệt. Dựa vào phép đo từ nhiệt, có thể thực hiện các phép đo động học từ tính, hay
động học kết tinh của vật liệu từ. Đo thay đổi mômen từ theo thời gian: đo phục hồi.
Xác định các tính chất dị hướng dựa vào việc quay vật liệu (bộ phận quay của VSM).
Và nhiều phép đo khác tùy thuộc vào độ mạnh yếu của mỗi thiết bị.
3.3.Ứng dụng
• Phép đo từ hóa, từ trễ: đo sự biến đổi của mômen từ theo từ trường ngoài


• Phép đo mômen từ theo sự thay đổi của nhiệt độ dưới tác dụng của một từ trường
ngoài: phép đo từ nhiệt. Dựa vào phép đo từ nhiệt, có thể thực hiện các phép đo
động học từ tính, hay động học kết tinh của vật liệu từ.
• Đo thay đổi mômen từ theo thời gian: đo phục hồi
• Xác định các tính chất dị hướng dựa vào việc quay vật liệu (bộ phận quay của
VSM)
• Ví dụ cụ thể: