tìm hiểu về một số hệ đo từ độ thông dụng hiện nay

MỤC LỤC
Stt
1
2
3

Nội dung
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU

Trang
1
3

Chương 1: Tổng quan về một số hệ đo từ độ thông dụng
1.1.

Lịch sử phát triển của Từ học và vật liệu từ

1.2. Nguyên lý chung của một hệ đo từ độ
1.3. Một số kỹ thuật để tạo từ trường cao

5
5
6
8

1.3.1. Phương pháp Bitter

8

1.3.2. Cuộn dây siêu dẫn

8

1.3.3. Phương pháp tạo từ trường xung

8

1.4. Một số hệ đo từ độ thông dụng

9
9

1.4.1. Cân từ Faraday

9

1.4.2. Hệ đo giật mẫu

11

1.4.3. Hệ đo từ kế mẫu rung

12

1.4.4. Hệ đo SQUID
Chương 2: Hệ đo từ trường xung

13

2.1. Cơ sở vật lý của quá trình phát từ trường xung cao

13

2.2. Nguyên lý hoạt động

17

2.3. Các đặc điểm kỹ thuật của hệ từ kế từ trường xung cao

17

2.4. Điều khiển nạp và phóng điện trong nguồn phát từ trường xung

19

cao
2.5. Một số phép đo ứng dụng của hệ từ trường xung
2.6. Thực hành đo mẫu Nd – Fe – B trên hệ PFM (Từ trường xung)

20
21

2.6.1. Hệ đo từ trường xung tại Viện Khoa học Vật liệu
2.6.2. Đo từ độ phụ thuộc từ trường

21
23

1

4

KẾT LUẬN

26

5

TÀI LIỆU THAM KHẢO

27

Mở đầu

2


Lịch sử của từ học được bắt đầu từ khi người Trung Hoa cổ đại phát hiện ra các
đá từ thạch có khả năng định hướng Nam - Bắc, và có khả năng hút các vật bằng sắt.
Nghiên cứu về từ học được mở ra vào thế kỷ 18 khi Girlbert viết cuốn sách về Điện và
Từ, sau đó là thí nghiệm về sự tương tác giữa từ trường và dòng điện của Oersted, các
công trình của Ampere và Faraday... Các nghiên cứu về từ học và các vật liệu từ phát
triển như vũ bão ở thế kỷ 20, và vật liệu từ đã thực sự được đưa vào ứng dụng rộng rãi
trong cuộc sống và sản xuất.
Các phép đo trên hệ từ trường cao cho biết khá nhiều thông tin quan trọng về
tính chất vật lý của vật liệu, nhất là vật liệu từ hiện đại. Từ trường cao có thể phá vỡ
cấu trúc của các phân mạng từ trong một số vật liệu. Các phép đo thực hiện trong từ
trường cao có thể phát hiện một số hiệu ứng đặc biệt chẳng hạn như hiệu ứng lai hóa

vùng năng lượng của vật liệu chứa Uran dẫn đến dị hướng từ khổng lồ. Từ trường cao
còn có thể gây ra các chuyển pha từ trạng thái Femion nặng hoặc trạng thái siêu dẫn
sang trạng thái thường và một số chuyển pha từ giả bền chỉ có thể thực hiện được tại từ
trường có cường độ hơn 10 T . Việc nghiên cứu vật liệu từ cứng chứa đất hiếm cũng rất
cần từ trường lớn để nạp từ cho các nam châm hoặc để đạt được một đường từ trễ đầy
đủ của chúng. Tuy nhiên để có được nguồn từ trường tĩnh có cường độ trên 10 T lại là
việc không dễ dàng, nó cần có những phương tiện đắt tiền để tạo ra nguồn điện có năng
lượng hàng MJ và công suất hàng MW cùng cuộn dây nam châm khổng lồ được làm
lạnh đặc biệt bằng hệ cấp nước áp suất cao. Tuy vậy, nó cũng chỉ tạo ra được từ trường
cực đại khoảng 20 T. Bằng phương pháp tạo các từ trường xung, dựa trên nguyên tắc
nạp điện cho bộ tụ điện năng lượng lớn rồi phóng điện rất nhanh qua cuộn dây nam
châm điện cảm, có thể tạo ra các xung từ trường có biên độ lên tới hàng chục Tesla mà
tránh được những đầu tư đắt tiền. Kỹ thuật từ trường xung có thể đáp ứng được yêu cầu
tạo ra các xung từ trường có biên độ trên 10 T trong khoảng thời gian tồn tại từ ms đến
1 s mà năng lượng chỉ cần cỡ vài chục kJ. Có hai phương pháp tạo ra các từ trường
xung cao, là phương pháp phá hủy (destructive) và phương pháp không phá hủy (non destructive). Để tạo ra các xung từ trường có cường độ lớn hơn 100 T trong thời gian

3


cỡ µs người ta dùng phương pháp phá hủy, các đường sức từ bị nén lại do một cú nổ
trước khi vách ngăn không gian chứa các đường sức đó và các vật bên trong bị vụ nổ
phá hủy hoàn toàn. Phương pháp này được áp dụng cho hệ tạo từ trường phá hủy tại
phòng thí nghiệm Megagauss ở Viện Vật lý chất rắn, Đại học Tổng hợp Tokyo cho
một xung từ trường lên tới 500 T, thời gian tồn tại 4 µs trong không gian có đường
kính 10 mm. Phương pháp không phá hủy là dùng các cuộn nam châm gồm 1 vòng
hoặc nhiều vòng, cho dòng điện lớn phóng qua cuộn nam châm nhằm tạo ra trong lòng
chúng một từ trường xung cao có giá trị nhỏ hơn 100 T, các xung từ trường này dài từ
vài ms đến vài s. Nguyên lý của phương pháp này được thực hiện thành công đầu tiên
bởi Kapitza vào năm 1924. Ưu điểm của hệ từ trường xung là tạo ra được từ trường lớn

để vừa xác định được các tính chất vật lý của vật liệu, vừa nạp được từ cho nam châm
mà không cần những phương tiện đắt tiền (có lợi về mặt kinh tế). Do vậy, không những
ở nước ta mà ngay cả các nước tiên tiến hiện nay đều xây dựng các trung tâm nghiên
cứu sử dụng từ trường xung cao. Đề tài này tập trung tìm hiểu về một số hệ đo từ độ
thông dụng hiện nay. Bố cục được chia làm hai chương:
Chương 1: Tổng quan về một số hệ đo từ độ thông dụng
Chương 2: Hệ đo từ trường xung

Chương 1: Tổng quan về một số hệ đo từ độ thông dụng

4


1.2.

Lịch sử phát triển của Từ học và vật liệu từ
Từ học là một ngành được ứng dụng trong cuộc sống con người từ rất sớm mà

đầu tiên là ở Trung Hoa và Hy Lạp cổ đại. Ở Hy Lạp, lịch sử ghi nhận những đối thoại
về từ học giữa Aristotle và Thales từ những năm 625 đến 545 trước công nguyên song
song với việc sử dụng nam châm vĩnh cửu (là những đá thiên nhiên) cho một số mục
đích khác nhau. Ở phương Đông, Trung Hoa là nơi sớm nhất sử dụng các đá nam châm
làm kim chỉ nam để chỉ phương Nam-Bắc từ thời đại của Chu Công (thời đại nhà Chu,
1122 - 256 trước Công nguyên), và cuốn sách chính thức ghi lại việc sử dụng các đá
nam châm là cuốn Quỷ Cốc tử (thầy dạy của Tôn Tẫn) vào thế kỷ thứ 4 trước công
nguyên. Alexander Neckham là người Châu Âu đầu tiên mô tả về la bàn và việc sử dụng
la bàn cho việc định hướng vào năm 1187. Vào năm 1269, Peter Peregrinus de Maricourt
viết cuốn Epistola de magnete, được coi là một trong những luận thuyết đầu tiên
về nam châm và la bàn. Năm 1282, các tính chất của các nam châm và la bàn khô được
thảo luận bởi Al-Ashraf, một nhà vật lý, thiên văn, địa lý người Yemeni.

Cuốn sách khảo cứu chi tiết đầu tiên về các hiện tượng từ là cuốn De
Magnete, Magneticisque Corporibus, et de Magno Magnete Tellure
(On the Magnet and Magnetic Bodies, and on the Great Magnet the
Earth) của William Gilbert xuất bản năm 1600 ở Anh Quốc. Cuốn sách thảo luận về
nhiều thí nghiệm điện từ do ông xây dựng, đồng thời giả thiết về từ trường của Trái Đất,
nguyên nhân gây ra sự định hướng Nam-Bắc của các la bàn. Tương tác giữa dòng điện
và từ trường lần đầu tiên được phát hiện và mô tả bởi Hans Christian Oersted, một giáo
sư Đại học Copenhagen (Đan Mạch). Ông đã phát hiện ra việc kim la bàn bị lệch hướng
khi đặt gần một dây dẫn mang dòng điện. Thí nghiệm này được coi là bước ngoặt trong
lịch sử ngành từ học, và được đặt tên là Thí nghiệm Oersted. Sau Oersted, hàng

5


loạt các nhà khoa học đã tiến hành các thí nghiệm và các công trình nghiên cứu về mối
quan hệ giữa điện và từ trường như André-Marie Ampère, Carl Friedrich Gauss, Michael
Faraday dẫn đến việc hình thành những kiến thức cơ bản về từ học cũng như từ trường.
James Clerk Maxwell đã tổng hợp các lý thuyết về từ trường, điện trường, và quang học
để phát triển thành lý thuyết tổng quát về trường điện từ. Vào năm 1905, Albert Einstein
đã sử dụng những định luật này để xây dựng lý thuyết tương đối hẹp .
Thế kỷ 20 cũng là thế kỷ mà từ học được phát triển mạnh mẽ từ việc tạo ra các
vật liệu từ đa chức năng, xây dựng các lý thuyết vi mô về hiện tượng từ dựa trên các lý
thuyết của cơ học lượng tử và vật lý chất rắn như lý thuyết vi từ học, lý thuyết về đômen
từ, vách đômen, vật liệu sắt từ, tương tác trao đổi, phản sắt từ,... Đi kèm với nó là sự
pháttriển của nhiều kỹ thuật chụp ảnh cấu trúc từ và đo đạc các tính chất từ của vật liệu.
Cuối thế kỷ 20, đầu thế kỷ 21, ngành mới spintronics ra đời dựa trên những thành tựu
của từ học và điện tử học.
1.2. Nguyên lý chung của một hệ đo từ độ
Một hệ từ kế bất kỳ đều bao gồm hai khối: khối phát từ trường và khối đo lường
các thông số của vật liệu đặt trong từ trường đó, như sơ đồ hình 1.

Khối phát từ trường
Cơ cấu
điều khiển
và tích lũy
năng lượng

Khối đo

Bộ
cảm
biến

Cơ cấu
chuyển
hóa năng
lượng
Buồng đo chứa mẫu đặt
trong vùng từ trường

Hình 1. Sơ đồ nguyên lý của một từ kế.

6

Thu
thập và
xử lý
số liệu


Khối phát từ trường gồm các cơ cấu điều khiển quá trình tích lũy và chuyển hóa

các nguồn năng lượng (Ví dụ: năng lượng nguồn điện thành phố, năng lượng do một
vụ nổ sinh ra...) thành năng lượng từ có độ lớn cần thiết trong một không gian có thể
tích xác định. Mẫu vật liệu được đặt trong không gian đó. Khối đo gồm các cảm biến
có nhiệm vụ biến đổi các thông số cần đo của mẫu (thí dụ từ độ) thành các tín hiệu điện
tỷ lệ rồi đưa vào bộ xử lý tín hiệu. Trong các từ kế hiện đại hầu hết các quá trình điều
khiển và đo lường kể trên đều được xử lý bằng máy tính qua các chương trình phần
mềm. Các tín hiệu thường được số hóa và được xử lý số nhằm nâng cao độ tin cậy và
tính linh hoạt của hệ đo.
Độ từ hóa hay từ độ (Magnetization) được xác định bằng tổng mômen
từ nguyên tử trên một đơn vị thể tích của vật từ, hoặc tổng mômen từ trên một đơn vị
khối lượng. Từ độ là một đại lượng véctơ. Từ độ có cùng thứ nguyên với cường độ từ
trường, được liên hệ với từ trường qua hệ số từ hóa (hay còn gọi là độ cảm từ của vật
liệu, ký hiệu là χ):
M = χH
Khi đo từ độ theo sự biến thiên của từ trường thì thu được đường cong từ trễ. Từ
trễ (magnetic hysteresis) là hiện tượng bất thuận nghịch giữa quá trình từ hóa và đảo
từ ở các vật liệu sắt từ do khả năng giữ lại từ dư của các vật liệu sắt từ. Hiện tượng từ
trễ được biểu hiện thông qua đường cong từ trễ (từ độ phụ thuộc từ trường M(H)
hay cảm ứng từ phụ thuộc từ trường B(H)), được mô tả như sau: sau 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. Từ độ bão bòa l à giá
trị từ độ đạt được khi được từ hóa đến từ trường đủ lớn (vượt qua giá trị trường dị
hướng) sao cho vật ở trạng thái bão hòa từ, có nghĩa là các mômen từ hoàn toàn song
song với nhau. Khi đó đường cong từ trễ M(H) có dạng nằm ngang. Từ độ bão hòa là

7

tham số đặc trưng của vật liệu sắt từ. Nếu ở không độ tuyệt đối (0 K) thì nó là giá trị từ
độ tự phát của chất sắt từ. Từ độ bão hòa thường được ký hiệu là Ms hoặc Is.
Nguyên tắc chung của phép đo từ độ là đo sự biến đổi của mômen từ hoặc cảm
ứng từ theo sự thay đổi của từ trường. Từ trường đặt vào được biến đổi theo một chu
trình (từ giá trị 0 đến giá trị cực đại, sau đó giảm dần và đổi chiều đến từ trường ngược
hướng, và lại đảo trở lại giá trị cực đại ban đầu).
1.3. Một số kỹ thuật để tạo từ trường cao
1.3.1. Phương pháp Bitter
Phương pháp Bitter hay nam châm Bitter sử dụng cuộn dây cuốn trên những
đĩa kim loại mỏng tách biệt có các lỗ tròn bán kính khác nhau được ép với nhau. Cấu
trúc như vậy cho phép làm lạnh được nam châm khi có dòng điện lớn chạy qua do đó
tăng được dòng điện, dẫn đến tăng được từ trường H. Dùng phương pháp này từ trường
có thể đạt tới ∼ 100 kOe (10 T). Đường kính của cuộn dây rất lớn 0,5 ÷ 1 m và công
xuất tiêu thụ điện năng lớn từ 2,5 đến 10 MW.
1.3.2. Cuộn dây siêu dẫn
Cuộn dây siêu dẫn có thể cho dòng điện lớn chạy qua liên tục (do điện trở ở
trạng thái siêu dẫn R = 0) nên có thể tạo được từ trường lớn với các cuộn dây có kích
thước nhỏ. Các cuộn dây siêu dẫn dùng để tạo từ trường hiện nay thường là hợp kim
của Nb như Nb(Sn), Nb(Zr) hay Nb(Ti). Từ trường tạo bằng phương pháp này thường
đạt khoảng 50 ÷ 100 kOe (5 ÷ 10 T). Tuy nhiên, cũng cần phải lưu ý rằng các cuộn dây
siêu dẫn phải được duy trì ở nhiệt độ thấp dưới nhiệt độ chuyển pha siêu dẫn T c. Thông
thường phải dùng He lỏng có giá thành tương đối cao
1.3.3. Phương pháp tạo từ trường xung
Nạp điện cho một bộ tụ với điện thế cao, sau đó phóng điện qua cuộn dây trong
thời gian ngắn cỡ vài chục ms do đó dòng điện qua cuộn dây rất lớn. Nhờ vậy có thể
tạo được từ trường lớn với cuộn dây có kích thước nhỏ và công suất tiêu thụ điện năng
nhỏ. Phương pháp này có thể tạo từ trường đạt tới vài trăm kOe (vài chục Tesla). Tuy

8

nhiên, từ trường chỉ tồn tại trong thời gian ngắn. Phương pháp tạo từ trường xung và
kỹ thuật đo từ độ bằng từ trường xung được trình bày kỹ trong chuyên đề này.

1.4. Một số hệ đo từ độ thông dụng
1.4.1. Cân từ Faraday
Nạp điện cho một bộ tụ với điện thế cao, sau đó phóng điện qua cuộn dây trong thời
gian ngắn cỡ vài chục ms do đó dòng điện qua cuộn dây rất lớn. Nhờ vậy có thể tạo
được từ trường lớn với cuộn dây có kích thước nhỏ và công suất tiêu thụ điện năng
nhỏ. Phương pháp này có thể tạo từ trường đạt tới vài trăm kOe (vài chục Tesla). Tuy
nhiên, từ trường chỉ tồn tại trong thời gian ngắn. Phương pháp tạo từ trường xung và
kỹ thuật đo từ độ bằng từ trường xung được trình bày kỹ trong chuyên đề này.
Mẫu đo

Hình 2. Mô hình cân từ Faraday.
1.4.2. Hệ đo giật mẫu
Hệ đo giật mẫu (hay kéo đẩy) được biểu diễn trên hình 3. Khi từ thông xuyên qua thiết
diện ngang của khung dây biến thiên theo thời gian thì hai đầu của khung dây sẽ xuất
hiện một suất điện động cảm ứng E:
E(t) =

dΦ
dt

Φ: là từ thông qua thiết diện ngang của khung dây.

Hệ đo từ bằng phương pháp kéo đẩy được thiết kế theo nguyên tắc của mối liên
hệ cơ bản này. Nếu mẫu đo có momen từ M ở gần cuộn dây thu, sẽ có từ thông Φ đi

9

qua thiết diện ngang của cuộn dây. Từ thông được sinh ra bởi mômen từ M trong một
cuộn dây sẽ tương đương với một từ trường H (ở vị trí mômen từ M) được sinh ra bởi
cùng cuộn dây khi có dòng điện I chạy qua. Theo định luật bảo toàn năng lượng ta có:
H.M = I.Φ
Mật độ từ thông đi qua thiết diện ngang của các cuộn dây thu (cuộn pick-up)
thay đổi.
Nếu M thay đổi, suất điện động E được biểu diễn: E =

H dM
I dt

Trong trường hợp M không đổi, vị trí tương đối giữa mẫu đo và cuộn pick-up
thay đổi theo thời gian, khi đó:

E=

M dH dr
I dr dt

r: khoảng cách tương đối giữa mẫu và cuộn pick-up.
dr
: vận tốc chuyển động của mẫu.
dt

G® =

1 dH
là hàm độ nhạy phụ thuộc vị trí mẫu.

I dr

Trong phương pháp này, mẫu đo được

Mẫu đo

từ hóa trong trường đồng nhất và được giật
nhanh qua các cuộn dây thu. Tín hiệu điện E
của cuộn dây được đưa đến máy khuếch đại
tích phân. Từ độ M của mẫu tỉ lệ với điện áp
ra U của bộ tích phân:
U = A∫Edt =

A
M[ Hz(x1) - Hz(x2)]
i

A là hằng số tỉ lệ.

Hình 3. Sơ đồ hệ đo giật mẫu.

Hz(x1) và Hz(x2) là từ trường sinh ra do dòng cảm ứng i chạy trong cuộn dây thu
từ vị trí x1 đến vị trí x2 trong thời gian từ t1 đến t2.

10


Phương pháp này đơn giản, dễ sử dụng và giá thành rẻ. Nhưng nhược điểm của
nó là không đo được các đường đo liên tục nên số liệu rời rạc.

1.4.3. Hệ đo từ kế mẫu rung
Từ kế mẫu rung hoạt động theo nguyên tắc cảm ứng điện từ. 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 (hình
4).
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:
V∼ 4.π.N.Sm.M
với M là mômen từ của mẫu đo, Sm là tiết diện vòng dây, N là số vòng dây của cuộn
dây thu tín hiệu.
Trong các từ kế mẫu rung 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). Tín hiệu của các cuộn thu
được khuếch đại bằng máy khuếch đại lọc tần nhạy pha.

11


(a)
(b)
Hình 4. Sơ đồ khối hệ đo từ kế mẫu rung (VSM) (a), Ảnh chụp hệ đo từ kế mẫu rung
DMS880 tại ITIMS, trường Đại học Bách khoa Hà Nội (b).
Ưu điểm của phương pháp này là độ nhạy khá cao, tín hiệu đo liên tục nên số
liệu thu nhận được sẽ liên tục, dễ khuếch đại được tín hiệu và dễ dàng thay đổi nhiệt
độ. Hệ đo từ kế mẫu rung (VMS) được dùng khá phổ biến trong các phòng thí nghiệm,
máy có thể đo được đường M(H) và M(T). Nhược điểm chính của phép đo này là sai số
lặp lại lớn khi vị trí mẫu thay đổi giữa các phép đo, mặt khác giá trị đo cũng sẽ gặp sai
số nếu trong quá trình đo mẫu bị dao động theo các hướng vuông góc với hướng rung
do biên độ rung bị thay đổi
1.4.4. Hệ đo SQUID

SQUID (Superconducting Quantum Inteference Device) là thiết bị giao thoa kế lượng
tử siêu dẫn mà sơ đồ khối được mô phỏng trên hình 5. SQUID là một sensor đo tín
hiệu nhỏ, cấu tạo bởi 2 vòng nhỏ làm bằng chất siêu dẫn, cách qua 2 lớp tiếp xúc là lớp
cách điện. Cấu trúc này của SQUID cho phép đo dòng điện rất nhỏ (có thể đến dưới 10 12

A) hoặc có thể đo được một lượng tử từ thông (từ thông nhỏ nhất), và được sử dụng

trong từ kế độ nhạy cao. Độ nhạy của từ kế SQUID rất cao.

12


Hệ thu
nhận dữ
liệu

Mạch
điều
khiển
điện tử

Đầu đo
SQUID

Hình 5. Sơ đồ khối hệ đo SQUID .

uu
r
H

Ưu điểm của từ kế SQUID là độ nhạy cao (có thể đo những chất có từ độ rất
bé), từ trường tạo bởi SQUID lớn, do từ kế SQUID thường có cuộn dây tạo từ trường
là cuộn dây siêu dẫn.
Nhược điểm của từ kế SQUID là phải hoạt động ở nhiệt độ thấp (cuộn dây siêu
dẫn tạo từ trường hoạt động ở nhiệt độ thấp nên phải có Heli lỏng) do đó giá thành hoạt
động cao, trong điều kiện Việt Nam đây là điều kiện khó thực hiện
Chương 2: Hệ đo từ trường xung
2.1. Cơ sở vật lý của quá trình phát từ trường xung cao
Cơ sở thiết kế các cuộn dây nam châm của nguồn phát từ trường xung cao trên
20 T được xuất phát từ hệ phương trình Maxwell :
rot H = J +
rot E = -

∂D
∂t

(1)

∂B
∂t

(2)

div B = 0

(3)

div D = ρ td

(4)

H là véc tơ cường độ từ trường có thứ nguyên [A/m].
2
J là véc tơ mật độ dòng điện có thứ nguyên [A/m ].
2

D là véc tơ điện dịch có thứ nguyên [C/m ].
B là véc tơ cảm ứng từ có thứ nguyên [T].

13


ρ td là mật độ điện tích tự do [C/m3].
Trong trường hợp tổng quát, giữa các véctơ B , H , D và E được liên hệ với
nhau qua các ten-xơ điện ( ε ) và từ ( µ ):

và

D = (ε ) E

(5)

B = (µ )H

(6)

Trong đó ( ε ) = ε 0( ε )r ; ( µ )= µ 0( µ )r. Các điện từ thẩm tương đối ( ε )r và ( µ
)r có thể là các hàm phức tạp phụ thuộc vào toạ độ, còn ε 0 và µ 0 là các điện thẩm và từ
thẩm tương đối của chân không có giá trị là: ε 0 = 8,854.10-12 F/m và µ 0 = 4 π .10-7
H/m. Khi kích thước Ls của vùng cần khảo sát nhỏ hơn nhiều chiều dài bước sóng λ

(Ls << λ ), có thể bỏ qua dòng điện dịch (J C =

∂D
) so với dòng điện dẫn và phương
∂t

trình (1) trở thành :
rot H = J

(7)

Áp dụng định lý Stock, tích phân phương trình trên đối với mặt S được bao bởi
đường khép kín Ci có:

∫ rot HdS
S

=

∫ H dL = ∫ J dS

C1

S

(8)

Vì ∫ J dS là dòng điện IS đi qua mặt S nên:
S

∫ H dL = IS

(9)

C1

Phương trình (9) là định luật Ampe trong dạng tích phân. Bằng cách tương tự,
từ phương trình (2) có thể nhận được dạng tích phân của định luật cảm ứng Farađay:

d

∫ EdL = - ∫ BdS
dt

C1

(10)

S

14


Các phương trình (9) và (10) là cơ sở để tính toán cho các máy phát từ trường
cao trong thực nghiệm. Hai phương trình này cho thấy, để có được từ trường cao cần
phải có một dòng điện lớn chảy qua một cuộn nam châm. Dòng điện này có thể là dòng
điện một chiều có độ lớn không đổi trong thời gian đủ dài tại các hệ từ trường tĩnh,
hoặc dòng điện xung có biên độ biến đổi từ không lên một giá trị cực đại rồi lại về
không trong thời gian ngắn tại hệ từ trường xung. Việc phát từ trường xung cao là bài
toán phức tạp vì nó liên quan đến môi trường dẫn và từ trường không dừng. Độ dài của

các xung từ trường và giá trị biên độ của cảm ứng từ

BM = µ 0HM là hai đặc trưng

quan trọng của một xung từ trường cao. Trong quá trình phát xung từ trường cần chú ý
đến các hiệu ứng về áp suất từ và tiêu tán nhiệt. Vì khi phát từ trường xung cao, trong
vật liệu cuộn dây nam châm xuất hiện sự biến thiên nhiệt độ cũng như áp suất từ rất lớn
bằng µ 0H2/2. Với các nguồn từ trường xung lên tới trên 80 T (có tốc độ tăng từ trường
đạt tới 106 T/s) sẽ gây ra một áp suất trên bề mặt vòng dây rất lớn xấp xỉ áp suất trong
lòng trái đất, do tốc độ tăng từ trường đạt tới 10 6 T/s. Còn khi từ trường vượt quá 100
T, áp suất này nhanh chóng được truyền vào vật dẫn và có thể xảy ra các sóng xung
kích phá huỷ cuộn dây.
Lực tác dụng lên vật dẫn có mật độ dòng J chảy qua khi đặt nó trong từ trường
B là:

F = J .B

(11)

Sử dụng công thức (7) và (11) ta có áp suất trong vật dẫn là:
P(x,t) = - ∫

dHz
1
Bzdx =P0 - µ 0H2(x,t)
dt
2

(12)

Trong đó P0 là áp suất của từ trường trên bề mặt vật dẫn.
P0 =

1
2

µ 0H2(0,t) = 1 B2(0,t)/ µ 0
2

(13)

Áp suất này không phụ thuộc vào bản chất của dòng điện. Trong vật dẫn hoặc là
có dòng điện dẫn tạo ra từ trường xung, hoặc dòng điện cảm ứng dưới tác dụng của từ

15


trường ngoài không dừng. Độ chênh lệch (gradien) áp suất bên trong vật dẫn tại vị trí x
tính từ bề mặt vật dẫn là:

dP µ
dH
= - 0H.
dx
dx

(14)

Chính vì áp suất từ tập trung trong vùng dẫn mà từ trường thấm vào nên trong
thực tế với độ chính xác đủ lớn, độ thấm sâu của từ trường được coi là bằng bề dày của

lớp ngoài da δ đối với vật liệu đã cho ở tần số sóng ω tương ứng với thời gian biến
đổi của từ trường H(t):

δ = 2 ρ eωµ t µ 0

ρ là điện trở suất của vật dẫn.

Khi một vật dẫn có dạng một hình trụ rỗng có đường kính ngoài và trong lần
lượt là r2 và r1 với r2 >> r1. Giả sử có một từ trường được sinh ra bên trong hình trụ này
có độ thấm sâu δ ( δ << ∆r ) ( ∆r là bề dày của thành ống ∆r = r2 − r1 ). Khi có xung
từ trường thì hiện tượng hoàn toàn tương đương với bài toán va chạm của chất khí dưới
áp xuất P =

µ 0H2/2 , vì thành ống đủ dày nên phần bên ngoài của hình trụ chỉ là cơ cấu

cơ khí để giữ phần bên trong. Ứng suất cơ xuất hiện trong lớp vỏ có thể được biểu

diễn:

2

P0 
2  r1 
σt = 2
1 + α   
a −1 
r 

P
σr = 2 0

a −1

(15)
2


2  r1 
1 − α   
r 


σ −σr
α 2  r1 
σS = t
= P0 2
 
2
α −1  r 

(16)
2

(17)

Trong đó σ t , σ r và σ S lần lượt là các ứng suất theo phương tiếp tuyến, bán
kính và phương dịch chuyển: α ≡ r2/r1. Tại thời điểm ứng suất dịch chuyển ở trong vật

16

liệu vượt quá độ bền giới hạn của vật liệu thì vật liệu bị phá huỷ. Ví dụ giá trị giới hạn
bị phá huỷ của đồng là σ C = 4,2.108 Pa khi H = 4.107 A/m ≈ 50 T;

P0 = 109 Pa.

Sự biến thiên nhiệt độ một cách dữ dội trong lớp dẫn điện liên quan tới việc phát
từ trường cao và cực cao. Bỏ qua sự trao đổi nhiệt giữa các lớp và các phần còn lại của
vật dẫn sau khoảng thời gian tồn tại xung điện thì bước nhảy vọt về nhiệt độ ∆T ở lớp
ngoài da được tính theo công thức:
cD0 ∆T ≈ µ 0H2/2

(18)

Trong đó, c là nhiệt dung riêng khi áp suất không đổi.
D0 là mật độ chất.
Ví dụ đối với đồng khi đã bỏ qua sự tăng điện trở của vật dẫn theo nhiệt độ với
cp = 0,4 J/g.độ và H = 8.107A/m ≈ 50 T thì ∆T ≈ 1100oC.
Từ cơ sở lý thuyết của việc phát từ trường xung cao hệ từ trường xung phải có
các đặc điểm kỹ thuật phù hợp.
2.2. Nguyên lý hoạt động
Nguyên lý hoạt động của hệ đo từ trường xung được mô phỏng trên hình 6. Đây
là mạch nạp phóng qua tụ điện. Bộ tụ điện C được tích điện từ nguồn điện một chiều
mạnh ξ đến một thế UC mong muốn. Sau đó bộ tụ C sẽ phóng một xung dòng điện rất
lớn qua cuộn nam châm L để tạo ra trong lõi không khí của nó một xung từ trường
mạnh với thời gian tồn tại ngắn. Hệ chủ yếu dùng để đo M(H).

Hình 6. Sơ đồ nguyên lý hệ đo từ trường xung.

17

Ưu điểm của phương pháp này là tạo được từ trường rất lớn, thời gian đo nhanh,
giá thành rẻ hơn so với hệ đo SQUID, đặc biệt có thể đo được hệ số dị hướng từ của
vật liệu.
Nhược điểm của hệ đo từ trường xung là thời gian xung ngắn, độ nhạy thấp và
khó thay đổi nhiệt độ. Hệ đo này sẽ được trình bày kỹ ở các phần sau của chuyên đề
này.
2.3. Các đặc điểm kỹ thuật của hệ từ kế từ trường xung cao
Để có được từ trường xung thì cần thiết phải có một cơ cấu tích luỹ năng lượng
điện rồi từ đó chuyển hoá thành năng lượng từ. Một phương pháp hay được làm là
dùng mạch nạp - phóng qua tụ điện như sơ đồ hình 7.
Mạch điều khiển đóng công tắc điện tử K 1 để nạp điện cho tụ C đến điện thế U c
mong muốn. Khi đóng công tắc K 2 tụ C sẽ phóng một xung dòng điện rất lớn qua cuộn
dây L để tạo ra trong không gian trong lòng cuộn dây một xung từ trường mạnh tồn tại
trong thời gian ngắn.
Bản chất của quá trình này tuy chỉ là
dao động tự do trong khung RLC nhưng lại
xảy ra với các thông số rất khắt khe: thế ban
đầu trên bộ tụ từ vài trăm đến vài ngàn vôn
cho một năng lượng được tích tụ từ vài chục
kJ tới hàng trăm kJ và khi được phóng qua
tải điện cảm có trở thuần R rất nhỏ cỡ mΩ sẽ
cho dòng cực đại từ vài ngàn đến vài chục

Hình 7. Sơ đồ nguyên lý nạp phóng
điện để tạo từ trường xung trong lòng
cuộn dây nam châm L.

ngàn ampe trong khoảng thời gian cỡ ms. Để đạt được mục đích thì phải có những yêu
cầu kỹ thuật cho tụ điện C và cuộn dây L.

• Tụ điện
Năng lượng cần nạp trên bộ tụ, tỷ lệ với CU 2/2 (với U là thế nạp trên bộ tụ), phụ
thuộc vào giá trị đỉnh xung từ trường và đường kính trong cuộn dây nam châm. Giá trị

18


đỉnh và đường kính trong cuộn dây càng lớn, năng lượng cần phải nạp trên tụ càng cần
phải lớn. Việc lựa chọn các thông số ban đầu như điện dung bộ tụ, thế nạp cực đại,
dòng phóng điện cực đại, độ lớn và độ dài của xung từ trường cũng như đường kính
trong cuộn dây tùy thuộc vào yêu cầu nghiên cứu vật liệu, khả năng kỹ thuật và kinh tế
của phòng thí nghiệm và điều kiện khí hậu của mỗi quốc gia. Ví dụ như: i) Giá một bộ tụ điện
Thin film 24 mF/3500 V cũng cỡ vài chục ngàn đô la Mỹ. ii) Mặc dù năng lượng của bộ
tụ tỷ lệ với bình phương của thế nạp nhưng do điều kiện khí hậu nóng ẩm và điều kiện
kinh tế của nước ta nên điện áp cực đại của tụ chỉ được chọn là 2500 V. Tổng điện
dung của bộ tụ là 24 mF ± 10%. Như vậy, năng lượng của bộ tụ khi được tích điện với
thế cao nhất là:
WC =

1
1
CU2max = .24.10-3.25002 = 75 kJ
2
2

(19)

• Các cuộn dây nam châm
Tùy thuộc vào mục đích sử dụng mà kích thước của các cuộn dây được chọn
khác nhau. Chẳng hạn để đo ở nhiệt độ thấp đường kính trong cuộn nam châm vào cỡ

25 mm, được quyết định chính bởi đường kính của đuôi bình dewar bằng thủy tinh
chứa Nitơ lỏng dùng cho đo mẫu tại các nhiệt độ thấp tới 77 K.
Đường kính trong cuộn nam châm nạp từ là 50 mm để thỏa mãn các nhu cầu
nạp từ các chi tiết lớn trong công nghiệp và phòng thí nghiệm (tuy nhiên từ trường cực
đại trong cuộn nam châm này sẽ thấp hơn tại các cuộn đo kể trên do đường kính trong
lớn hơn).
2.4. Điều khiển nạp và phóng điện trong nguồn phát từ trường xung cao
Sơ đồ nguyên lý của mạch điều khiển nạp-phóng điện (hình 8) là một sơ đồ
được đơn giản hóa của một nguồn phát từ trường xung.

19


Hình 8. Sơ đồ nguyên lý của mạch điều khiển nạp-phóng điện.
- Điều khiển nạp: bộ điều khiển cho phép mạch so sánh thế hoạt động đồng thời
mở tiếp điểm thường đóng của rơ-le RL. Vì thế ban đầu trên bộ tụ bằng không nên điện
áp ra tại mạch phân áp nhỏ hơn điện áp đặt, do đó bộ so sánh sẽ phát xung mở Triac
K1 cấp điện áp 220 VAC từ mạch điện thành phố vào sơ cấp biến áp tăng thế Tr. Điện
áp ra bên thứ cấp được chỉnh lưu bởi diode D1 sẽ nạp cho bộ tụ qua trở bảo vệ R S. Thế
trên bộ tụ được nạp từ từ lên, làm cho thế lối ra mạch phân áp được tăng theo. Đến khi
thế này bằng hoặc lớn hơn thế đặt thì mạch so sánh lật trạng thái và cấm Triac, ngừng
cấp điện cho biến thế Tr, kết thúc quá trình nạp điện cho bộ tụ.
- Điều khiển phóng điện: Bộ điều khiển phát một xung mồi cho Thyristor công
suất lớn K2 mở rất nhanh cho phép tụ phóng một xung dòng điện lớn qua cuộn nam
châm L tạo ra một nửa chu kỳ dương của dòng điện hình sin. Nếu tiếp điểm K2 ’ được
đóng thì do sự tích lũy năng lượng từ trên cuộn dây ta sẽ nhận được tiếp nửa chu kỳ âm
của xung dòng này chảy qua diode công suất lớn D2 về bộ tụ. Kết thúc quá trình
phóng, bộ điều khiển đặt lại toàn hệ thống về trạng thái ban đầu, tiếp điểm của rơ-le
RL được đóng cho phép bộ tụ phóng hết các điện tích còn dư trên nó qua trở công suất
Rp.

Các quá trình điều khiển trên còn có thể thực hiện được bằng một chương trình
điều khiển bằng phần mềm ghép nối vi tính. Khi đó mạch điện tử điều khiển và so sánh
sẽ được đơn giản đi rất nhiều, do được thay thế chủ yếu bằng các cổng ghép nối vào/ra

20


trên máy vi tính. Cấu tạo của khối điều khiển nạp phóng gồm: vòng điều khiển tự động,
điều khiển điện tử và ghép nối máy tính, mạch điều khiển SCR với tải cảm kháng,
chuyển mạch Thyristor công suất lớn và bộ tụ điện.
2.5. Một số phép đo ứng dụng của hệ từ trường xung
Hệ từ kế từ trường xung là một hệ đo đa chức năng cho phép nhận được một
trong các kết quả như sau:
1. Sự phụ thuộc của từ độ mẫu vật liệu vào từ trường tại các nhiệt độ khác
nhau.
2. Sự phụ thuộc vi phân của từ độ vào từ trường trong các phép xử lý từ bậc
một, phát hiện đơn cực SPD (Singular Point Detection).
3. Sự phụ thuộc từ độ của mẫu vật liệu trong một chu kỳ từ hóa.
Việc ứng dụng 3 phép đo chính kể trên trong các nghiên cứu vật liệu từ là khá phong
phú. Các thông số vật lý cho nghiên cứu các vật liệu từ cụ thể sẽ được rút ra từ các kết
quả đo này. Đó là các phép đo sự phụ thuộc của từ độ vào từ trường, đo đường cong từ
trễ của các nam châm và đo SPD. Các phép đo kể trên là phong phú vì có thể được
thực hiện không những trên các mẫu khối mà cả trên các mẫu bột rời và bột định
hướng tại các nhiệt độ khác nhau nhằm tìm ra các giá trị từ trường đặc trưng liên quan
đến đặc tính vật lý của mẫu.
2.6. Thực hành đo mẫu Nd – Fe – B trên hệ PFM (Từ trường xung)
2.6.1. Hệ đo từ trường xung tại Viện Khoa học Vật liệu
..............

Hệ từ trường xung tại Viện Khoa học Vật liệu được thiết kế lắp ráp tại Việt

Nam theo công nghệ nạp phóng điện trên bộ tụ và điều khiển đo đạc bằng kỹ thuật điện
tử ghép nối vi tính (hình 19). Nó có thể thực hiện các chức năng sau:
1. Đo các đường cong từ trễ (sự phụ thuộc của từ độ vào từ trường bên ngoài đặt
vào mẫu). Qua đó có thể xác định các thông số từ của các mẫu như: M r, Ms, Hc
và tích năng lượng cực đại (BH)max.
2. Đo từ trường dị hướng HA bằng phương pháp SPD.

21


1.

Nạp từc các mẫu vật liệu từ có kích thước ngang cực đại tương đương với
đường kính hình trụ gần bằng 50 mm.
Các đặc điểm kỹ thuật
- Điện dung của bộ tụ điện:

8mF

- Điện áp chịu đựng cực đại của các tụ :

3500 V

- Công nghệ chế tạo tụ:

Thin film & paper

- Các cuộn dây nam châm: hoạt động ở nhiệt độ phòng
+ Cuộn đo SPD:

Đường kính trong:

15 mm

Từ trường cực đại :

∼11 T với thế nạp 1000 V

Độ dài xung:

3,8 ms

Độ đồng nhất (trong 15 mm): 95%
+ Cuộn đo Hysteresic:
Đường kính trong :

15 mm

Từ trường cực đại:

> 8 T với thế nạp 1500 V

Độ dài xung:

32 ms

Độ đồng nhất (trong 15 mm): 95%
+ Cuộn nạp từ : được thiết kế cho bộ tụ 16 mF. Các thông sau đây nhận
được với bộ tụ 8 mF.
Đường kính trong :

50 mm

Từ trường cực đại:

> 5 T với thế nạp 1300 V

Độ dài xung:

22 ms

Độ đồng nhất (trong 25 mm):

90%
± 0,1 mm

- Sai số hiệu chỉnh vị trí mẫu :
- Chế độ hoạt động:
+ Đo SPD.

+ Vẽ đường cong Hysteresic: không có đường từ hóa ban đầu.

22


+ Nạp từ.

Hình 9. Hệ đo từ trường xung tại Viện Khoa học Vật Liệu.
- Độ phân giải tín hiệu số hóa:

1/ 256

- Số lượng mẫu tín hiệu trong một dải đo:

1024 mẫu

- Dải tần số truyền qua khi không lọc nhiễu:

150 MHz

- Dải tần số truyền qua khi có lọc nhiễu:

20 MHz

- Các chế độ điều khiển:
+ Điều khiển cứng (HARD): bằng tay qua các mạch điện tử tương tự và
số, hiện thị thế trên tụ LED 31/2 digit, thu thập số liệu qua dao động ký nhớ.
+ Điều kiển mềm (SOFT): bằng kỹ thuật ghép nối vi tính với phần mềm
thiết bị ảo viết trên nền LABVIEW, máy vi tính Pentium Celerol 366 MHz, bộ nhớ 32
MB RAM, đo thế trên tụ qua cảd biến đổi ADC độ phân giải 12 bit, các kênh vào ra
I/O 8 bit.
- Các chế độ bảo vệ:
+ Bảo vệ ngắt nguồn khẩn cấp bằng tay.
+ Tránh tự động cấp nguồn sau khi mất rồi lại có điện.
+ Bảo vệ đóng cửa phòng cao áp.
+ Bảo vệ quá thế trên bộ tụ.
+ Bảo vệ khởi phát nạp với thế trên tụ nhỏ hơn giá trị cho phép.

23

- Nguồn nuôi hệ thống: 220 V xoay chiều, 1 pha, dòng cực đại 60 A.
- Dải nhiệt độ làm việc:

10-40 oC.

- Dải độ ẩm làm việc:

< 60% RH.

2.6.2. Đo từ độ phụ thuộc từ trường
Phép đo này sử dụng chế độ phát một xung từ trường bán chu kỳ sin, có nghĩa là
từ trường ngoài tác dụng lên mẫu sẽ tăng từ 0 lên giá trị cực đại rồi lại giảm xuống 0.
Cuộn đo từ trường được đặt ở một vị trí đủ xa mẫu để tránh ảnh hưởng của mẫu đến
kết quả đo từ trường ngoài. Vì các xung từ trường là hình sin tắt dần có biên độ của
bán chu kỳ dương lớn hơn của bán chu kỳ âm (hình 10), nên để đảm bảo có một đường
cong từ trễ đầy đủ ở cả hai chiều biến thiên của từ trường thì giá trị cực đại của xung từ
trường ở bán chu kỳ dương phải đặt cao hơn mức cần thiết

Ví dụ muốn có một đường cong từ trễ
trong khoảng 2 T của nam châm NdFeB cần
phải đặt một từ trường ngoài cỡ 3 T, do đó
xung dương của trường đó phải cỡ gần 6 T
ở nhiệt độ phòng. Trên hình 14a nếu bắn lần
xung đầu ta được đường trễ đi từ 0 và kết
thúc tại điểm –MR, nếu bắn tiếp lần xung
thứ hai ta được đường khép kín xuất phát và

Hình 10. Xung từ trường trong hai 2

kết thúc tại điểm –MR (đoạn từ hóa ban đầu

bán chu kỳ (a) và đường cong từ trễ

từ 0 đến MS sẽ không còn tồn tại). Giá trị

của nam châm NdFeB nhận được

MS là mômen từ bão hòa hay từ độ của mẫu.

trong phép đo từ trường xung (b).
Phần in đậm là kết quả tương ứng với
xung trong hình a [1].

24


• Hệ số khử từ khi đo trên hệ từ trường xung
Khi sử dụng hệ đo từ trường xung để đo đường cong từ trễ của các vật liệu từ
cứng chẳng hạn như các nam châm đất hiếm NdFeB cần phải xác định hệ số khử từ (hệ
số bổ chính trường khử từ), do hệ đo với mạch từ hở. Quan hệ giữa trường nội tại H in,
từ trường ngoài đồng nhất H, từ độ M và trường khử từ D của mấu có dạng ellipsoid
được biểu diễn như sau:
Hint = Hext – DM

(20)

Công thức này có thể áp dụng cho mẫu hình trụ với sai số cho phép.
Hình 11 là sự phụ thuộc của hệ số khử từ D vào tỷ số L/d cho các mẫu hình trụ,
do Nakagawa và các tác giả đưa ra, khi sử dụng nguồn từ trường tĩnh là cuộn dây nam

châm được làm lạnh bằng nước có năng lượng cao với từ trường tới 15 T. Các kết quả
cũng khẳng định sự bổ chính hoàn toàn chính xác trường khử từ cho các mẫu hình trụ
là không thể được.
Tuy nhiên, với sai số cho phép ta có thể sử
dụng một hệ số khử từ trung bình ứng với
mỗi kích thước mẫu. Do đó ta có thể nhận
được một đường cong từ trễ trong đó các
thông số của nam châm (thông số của vật
liệu từ cứng sản xuất nam châm) như độ từ
dư Mr, lực kháng từ Hc, cũng như tích năng
lượng (BH)max được xác định [15]. Hình 16
là một ví dụ về đường cong từ trễ đã bổ

Hình 11. Sự phụ thuộc của hệ số khử

chính ứng với hai mẫu hình trụ có tỷ số L/d

từ D vào tỷ số L/d.

khác nhau.
Trong điều kiện nước ta chưa có các nguồn từ trường tĩnh đủ cao thì hệ từ kế từ
trường xung là rất cần thiết để phục vụ các nghiên cứu và sản xuất công nghiệp.

25