Bài giảng vật liệu điện – điện tử chương 5 vật liệu từ

VAÄT LIEÄU ÑIEÄN - ÑIEÄN TÖÛ
(ELECTRONIC & ELECTRICAL MATERIALS)

VAÄT LIEÄU TÖØ
(MAGNETIC
MAGNETIC MATERIALS)
MATERIALS


VAÄT LIEÄU TÖØ
(MAGNETIC MATERIALS)


NỘI DUNG :
I. NGUỒN GỐC TỪ TÍNH CỦA VẬT LIỆU
II. ĐẶC TÍNH TỪ HOÁ CUẢ VẬT LIỆU
III. TỔN HAO TRONG VẬT LIỆU TỪ

IV. ỨNG DỤNG CỦA VẬT LIỆU TỪ


NGUỒN GỐC TỪ TÍNH CỦA VẬT LIỆU

MNT
Ms
ML

 Ms : Moment do electron
chuyển động tự quay (spin)
 Ml : Moment do electron
chuyển động quanh q đạo

của nó
Mnt : Moment từ nguyên tử
Mnt

=

Ms

+ Ml


NGUỒN GỐC TỪ TÍNH CỦA VẬT LIỆU


ĐỘ TỪ HOÁ CỦA VẬT LIỆU
Độ từ hoá của vật liệu là tổng moment từ
có trong 1 đơn vò thể tích khi đặt vật liệu
trong từ trường (: Độ cảm từ)
 Moment phân cực từ M khi
đặt vật liệu trong từ trường
Từ cảm B quan hệ tỉ lệ với
cường độ từ trường

M   .H

J M  0 .M  0 . .H
B = μ0 (H +M)
B = μ0(1 + χ).H

μr = (1 + χ) được gọi là hệ số từ thẩm tương đối

μ = 0.r : được gọi là hệ số từ thẩm tuyệt đối


HEÄ THOÁNG ÑÔN VÒ TÖØ


PHÂN LOẠI VẬT LIỆU TỪ
Vật liệu nghòch từ
= - 10-6
(Zn, Au, Hg, Si, P,
S)

Vật liệu thuận từ
  10-5  10-1

Vật liệu sắt từ
 = 106
(Fe, Ni, Co)


VAÄT LIEÄU NGHÒCH TÖØ

Chất nghịch từ (Diamagnetic substances), là chất không
có môment từ nguyên tử. Tổng môment từ của các điện
tử trong chất bằng =0, khi không có từ trường ngoài. Khi
đặt vào từ trường B0, có thể hiểu giống như quy tắc cảm
ứng điện từ là sẽ sinh ra một từ trường phụ bù trừ với từ
trường ngoài (B'< B0 ngược chiều với B0 ) Các chất như
Bi, H_2O, Si, Pb, Cu.. là các chất nghịch từ điển hình.
Bình thường, ta không quan sát thấy hiện tượng nghịch

từ vì tính nghịch từ là rất yếu trong các từ trường thông
thường. Nhưng nếu ta tiến hành các thí nghiệm ở từ
trường cao, sẽ thấy hiện tượng này rõ ràng hơn.


VAÄT LIEÄU THUAÄN TÖØ

Chất thuận từ (Paramagnetic substances), là chất có
mômen từ nguyên tử, nhưng các môment này không có
tương tác với nhau nên ở trạng thái thường, tổng mômen
từ bằng =0. Khi đặt vào từ trường ngoài B0, các mômen
từ này có xu hướng xoay theo chiều của từ trường (cũng
giống như sinh ra từ trường phụ) nên tính nghich từ của
từng nguyên tử không còn ý nghĩa. Các chất thuận từ
điển hình là Al, Na, O2... Hình ảnh quen thuộc mà các
bạn hay thấy là ôxy lỏng bị hút vào nam châm điện cũng
chỉ quan sát thấy trong các nam châm mạnh bởi tính
thuận từ cũng là tính chất yếu. Hình dưới đây mô tả cấu
trúc từ của chất thuận từ


VAT LIEU SAẫT Tệỉ
Cht st t l cỏc cht cú mụmen t nguyờn t. Nhng nú khỏc bit
so vi cỏc cht thun t ch cỏc mụmen t ny ln hn v cú kh
nng tng tỏc vi nhau (tng tỏc trao i st t - Ferromagnetic
exchange interaction).
Tng tỏc ny dn n vic hỡnh thnh trong lũng vt liu cỏc vựng
(gi l cỏc ụmen t - Magnetic Domain) m trong mi ụmen ny,
cỏc mụmen t sp xp hon ton song song nhau (do tng tỏc trao
i), to thnh t t phỏt - spontaneous magnetization ca vt liu

(cú ngha l t húa tn ti ngay c khi khụng cú t trng).
Nu khụng cú t trng, do nng lng nhit lm cho mụmen t ca
cỏc ụmen trong ton khi s sp xp hn n do vy tng t húa
ca ton khi vn bng = 0


VAÄT LIEÄU NGHÒCH TÖØ; THUAÄN TÖØ


VAT LIEU PHAN SAẫT Tệỉ; FERRIT Tệỉ

VAT LIEU PHAN SAẫT Tệỉ

VAT LIEU FERRI Tệỉ


VAT LIEU PHAN SAẫT Tệỉ
phn St t, ta ó bit rng cỏc cht st t l cỏc cht cú mụmen t
nguyờn t v cỏc mụmen ny tng tỏc vi nhau thụng qua tng tỏc trao
i lm cho cỏc mụmen t nh hng song song vi nhau. ú l tng
tỏc trao i dng.
Cht phn st t thỡ ngc li, chỳng cng cú mụmen t nguyờn t nhng
tng tỏc gia cỏc mụmen t l tng tỏc trao i õm v lm cho cỏc
mụmen t nh hng phn song song vi nhau (song song, cựng ln
nhng ngc chiu) nh hỡnh v di õy
S nh hng phn song song ny to ra 2 phõn mng t. Mn v Cr l 2
kim loi phn st t in hỡnh. Phn st t l cht thuc loi cú trt t t.
Nghiờn cu v phn st t thng c tin hnh cỏc mng mng (vớ d
cỏc lp kiu bỏnh kp st t-phn st t) to thnh hiu ng ng tr
dch, hay exchange bias, ng dng trong cỏc u c valse-spin trong u

c ca a cng


VAÄT LIEÄU FERRI TÖØ
Ferri từ - Ferrimagnetic Materials
Nếu như chất phản sắt từ có 2 phân mạng từ đối song
song và bù trừ nhau thì feri từ có cấu trúc gần giống như
vậy. Feri từ cũng có 2 phân mạng từ đối song song,
nhưng không có độ lớn như nhau nên không bù trừ hoàn
toàn. Do vậy feri từ còn được gọi là các phản sắt từ bù
trừ không hoàn toàn
Ferrite là các ferri từ điển hình. Chúng có hành vi gần
giống với các chất sắt từ.


VAÄT LIEÄU FERRI TÖØ
Vật liệu gốm Ferite (MeO.Fe2O3)
Là dạng hợp chất tạo từ hỗn hợp ôxit
Fe (Fe2O3) với ôxit của một kim loại
khác mang hóa trị 2 (MeO).
Về mặt bản chất, ferrite là nhóm vật
liệu ferri từ, có nghĩa là trong cấu trúc
của nó gồm 2 phân mạng có spin đối
song song với nhau, nhưng không bù
trừ hoàn toàn.
Các ferrite từ mềm điển hình là
MnZnFe2O4, ferite Cd, ferrite
NiMnFe2O4... Điểm mạnh của ferrite là
có điện trở suất rất cao (chúng có tính
dẫn bán dẫn và có bản chất gốm) nên

được sử dụng trong các ứng dụng sử
dụng ở tần số cao


ĐẶC TÍNH TỪ HOÁ CỦA VẬT LIỆU


ĐẶC TÍNH TỪ HOÁ CỦA VẬT LIỆU
DOMEN TỪ
(VÙNG TỪ HOÁ)

H=0

H

VẬT LIỆU TỪ

H0

H

H

H=0

BÃO HOÀ
TỪ

TRỄ TỪ

ĐẶC TÍNH TỪ HOÁ CỦA VẬT LIỆU


ĐẶC TÍNH TỪ HOÁ CỦA VẬT LIỆU


VẬT LIỆU TỪ MỀM; TỪ CỨNG
Vật liệu từ cứng: Là các vật liệu sắt từ khó từ hóa và
khó khử từ thường dùng cho các ứng dụng lưu trữ từ
trường như nam châm vĩnh cửu, vật liệu ghi từ... Các
vật liệu từ cứng điển hình là Nd2Fe14B, Sm2Co5,
FePt..
Vật liệu từ mềm: Là các vật liệu sắt từ dễ từ hóa và dễ
bị khử từ, thường dùng cho các ứng dụng hoạt động
trong từ trường ngồi như lõi biến thế, nam châm điện,
lõi dẫn từ, cảm biến từ trường... Các vật liệu từ mềm
điển hình là sắt silic (FeSi), hợp kim permalloy NiFe...


Năng lượng từ trong VẬT LIỆU từ cứng
Tích năng lượng từ cực đại
Là năng lượng từ lớn nhất có thể tồn trữ trong một đơn vị
thể tích vật từ, liên quan đến khả năng sản sinh từ trường
của vật từ, thường là tham số kỹ thuật của các nam châm
vĩnh cửu và vật liệu từ cứng. Tích năng lượng từ cực đại
được xác định trên đường cong khử từ B(H) trong góc 1/4
thứ 2, là điểm có giá trị tích B.H lớn nhất. Tích năng lượng
từ là tham số dẫn suất, phụ thuộc vào các tính chất từ nội
tại của vật liệu và hình dạng của vật liệu, thường mang ý

nghĩa ứng dụng trong các nam châm vĩnh cửu và vật liệu
từ cứng.
Tỉ số tích năng lượng từ cực đại chia cho tích lực kháng từ
và từ dư được gọi là hệ số lồi của đường cong từ trễ, hay
hệ số lồi của vật từ.


VẬT LIỆU TỪ MỀM - TỪ CỨNG
Hợp kim Permalloy (Ni {100-x} Fex) là hợp kim của Fe và Ni là vật
liệu sắt từ mềm cao cấp có độ từ thẩm rất cao, có tính dẻo rất tốt,
khả năng chịu mài mòn và chống ăn mòn cao, nhưng từ độ bão
hồ khơng cao.
Độ từ thẩm ban đầu của Permalloy có thể đạt tới 10.000 lần, độ từ
thẩm cực đại có thể đạt tới 600.000 và có lực kháng từ có thể nhỏ
tới 0,01 Oe (với permalloy chuẩn Ni {75} Fe {25}. Tuy nhiên,permalloy
là có điện trở suất thấp và cảm ứng từ bão hồ khơng cao nên nó
khơng được sử dụng trong các ứng dụng cao tần.
Permalloy được sử dụng nhiều trong các màng mỏng spintronics,
và các biến thế có chất lượng cao, hay lõi dẫn từ, stator của các
động cơ, máy phát điện.
Tính chất của permalloy phụ thuộc mạnh vào tỉ sớ Fe và Ni trong
vật liệu


VAT LIEU Tệỉ GIAO
T gio - Magntostriction (hiu ng t n hi): Hiu ng t gio l
hiu ng thay i kớch thc vt t di tỏc dng ca t trng ngoi.
Khi ta t mt t trng ngoi, kớch thc ca vt thay i, ú l hiu
ng t gio thun, cũn nu thay i kớch thc ca vt dn n thay i
t tớnh, ú l t gio nghch.

Hiu ng thay i chiu di, gi l t gio di, cũn thay i th tớch gi l
t gio khi.
bin dng c c trng bi cỏc thụng s nh t gio bóo hũa
(L) bin dng cc i, v cm t gio (susceptibility) bin
thiờn ca t gio theo t trng ngoi. Cú nhng loi vt liu cú t gio
bóo hũa gn bng khụng nh hp kim Invar nhng cng cú nhng vt
liu cú t gio bóo hũa rt ln nh liờn kim loi t him kim loi
chuyn tip
Vt liu cú t gio ln c ng dng rt nhiu trong cỏc h vi mụ nh
vi cm bin chng hn (microsensor) o bin dng c hc hoc
iu khin dch chuyn ca cỏc h kớch thc micromet


ẢNH HƯỞNG CỦA TẦN SỐ VÀ NHIỆT ĐỘ

NHIỆT ĐỘ CURIE
Sắt: 1043 K
Cơban: 1388 K
Niken: 627 K
Gađơli: 292,5 K
Dysproxium (Dy): 88 K
MnBi: 630 K
MnSb: 587 K
ẢNH HƯỞNG TẦN SỐ

ẢNH HƯỞNG NHIỆT
ĐỘ