Nghiên cứu cấu hình tối ưu của vật liệu từ

Mục lục

Các từ viết tắt
FEMM

Finite Element Method Magnetics

Hc

Coercive field

M

Magnetization

Mr

Remanence Magnetization

Ms

Spontaneous Magnetization

Tc

Curie Temperature

1


Danh sách hình vẽ

Chương 1: Từ tính
Hình 1.1: Mô hình nguyên tử.
Hình 1.2: Moment từ thành phần của cấu tạo nguyên tử Hidro.
Hình 1.3: Vật liệu nghịch từ.
Hình 1.4: Vật liệu thuận từ.
Hình 1.5: Các spin của vật liệu sắt từ.
Hình 1.6: Spin của vật liệu sắt từ yếu.
Hình 1.7: Spin của vật liệu phản sắt từ.
Hình 1.8: Từ hóa theo nhiệt độ.
Hình 1.9: Đường từ trễ của các vật liệu sắt từ.
Hình 1.10: Phân loại vật liệu sắt từ.
Hình 1.11: Các domain bề mặt của hợp kim FeSi bề dày 0.5 mm.
Hình 1.12: Cấu tạo từ của Co bề dày 6 nm.
Hình 1.13: Tường Bloch và tường Neel.
Hình 1.14: Cấu tạo domain.
Hình 1.15: Tương tác giữa các đám mây điện tử theo các moment từ.
Hình 1.16: Biểu diễn của vec-tơ từ hóa trong hệ trục tọa độ tinh thể.
2


Hình 1.17: Mẫu vật có dạng hình elip.
Chương 2: Vòng từ trễ
Hình 2.1: Vòng từ trễ.
Hình 2.2: Cấu trúc miền từ trường của hợp kim Si-Fe được quan sát bởi phương pháp
Kerr-effect.
Hình 2.3: Sơ đồ thể hiện vòng từ trễ và sự phát triển của miền từ.
Hình 2.4: Sự khác nhau giữa vòng từ trễ B(H) và M(H) trong vật liệu từ cứng.
Hình 2.5: Thí nghiệm đo vòng từ trễ.

Hình 2.6: Vòng từ trễ của hai dây

Fe77.5Si7.5 B15

l

có độ dài .

Hình 2.7: Return branches bậc một được đo trên hợp kim Si-Fe.
Hình 2.8: Một ví vụ về lịch sử trường tạo nên một điểm của đường cong phản từ trễ.
Hình 2.9: Tập hợp các vòng nhỏ được đo của hợp kim từ cứng Sm18Fe11Co71.
Hình 2.10: Tín hiệu điện áp được đo của Fe73Co12B15.
Hình 2.11: Thể hiện cấu trúc bậc thang của đường cong từ hóa do hiệu ứng Barkhausen.
Chương 3: Miền từ hóa và cấu hình miền
Hình 3.1: Sự tạo thành các miền hóa tự nhiên.
Hình 3.2: Sự quay hướng của moment từ spin trong vách miền.
Hình 3.3: Giải thích sự từ hóa của sắt từ.
Hình 3.4: Sự tạo thành các domain.
3


Hình 3.5: Cấu hình domain.
Hình 3.6: Sự thay đổi cấu hình domain khi có sự tác động của từ trường ngoài.
Hình 3.7: Cấu hình domain ban đầu.
Hình 3.8: Cấu hình domain khi dịch chuyển.
Chương 4: Sơ lược về FEMM (Finite Element Method Magnetics)
Hình 4.1: Tam giác hóa của Massachusetts.
Chương 5: Mô phỏng bằng phương pháp phần tử hữu hạn
Hình 5.1: Các cấu hình domain.
Hình 5.2: Cấu hình single domain.
Hình 5.3: Cấu hình multidomain.

Hình 5.4: Cấu hình closure domain.
Hình 5.5: Đường cong B-H của vật liệu Martensite.
Hình 5.6: Cấu hình domain ban đầu.
Hình 5.7: Hệ thống lưới của phương pháp phần tử hữu hạn.

Hình 5.8: Năng lượng hệ thống theo góc
Hình 5.9: Xác định

α

α

với

L1 = 10 µ m D = 2 y0 = 2 µ m

,

.

để năng lượng từ tĩnh đạt cực tiểu khi L1 thay đổi.

Hình 5.10: Sự dịch chuyển bức tường theo cách thứ nhất.
Hình 5.11: Cấu hình tuần hoàn ứng với trường hợp trên.
4


Hình 5.12: Đường B-H của vật liệu Alnico 5.
Hình 5.13: Đường B-H của vật liệu Alnico 6.
Hình 5.14: Năng lượng thay đổi theo d ứng với mô hình di chuyển thứ nhất.

Hình 5.15: Năng lượng thay đổi theo d ứng với mô hình di chuyển thứ nhất của ba loại
vật liệu.
Hình 5.16: Sự dịch chuyển bức tường theo cách thứ hai.
Hình 5.17: Cấu hình tuần hoàn ứng với cách thứ hai.
Hình 5.18: Năng lượng thay đổi theo d ứng với mô hình di chuyển thứ hai.
Hình 5.19: Năng lượng thay đổi theo d ứng với mô hình di chuyển thứ hai của ba loại vật
liệu.

Hình 5.20: So sánh hai cấu hình di chuyển

L1 = 20µ m D = 2 y0 = 2 µ m

,

.

Hình 5.21: Mật độ năng lượng theo d khi H=200 A/m.
Hình 5.22: Mật độ năng lượng theo d khi H=1000 A/m.
Hình 5.23: Mật độ năng lượng theo d khi H=8440 A/m.
Hình 5.24: Mật độ năng lượng theo d khi H thay đổi.
Hình 5.25: d thay đổi theo H với vật liệu martensite.
Hình 5.26: Đường B-H của vật liệu NdFeB 52 MGOe.
Hình 5.27: d thay đổi theo H với một số loại vật liệu.

5


6

Danh sách hình vẽ
Chương 1: Từ tính
Hình 1.1: Mô hình nguyên tử.
Hình 1.2: Moment từ thành phần của cấu tạo nguyên tử Hidro.
Hình 1.3: Vật liệu nghịch từ.
Hình 1.4: Vật liệu thuận từ.
Hình 1.5: Các spin của vật liệu sắt từ.
Hình 1.6: Spin của vật liệu sắt từ yếu.
Hình 1.7: Spin của vật liệu phản sắt từ.
Hình 1.8: Từ hóa theo nhiệt độ.
Hình 1.9: Đường từ trễ của các vật liệu sắt từ.
Hình 1.10: Phân loại vật liệu sắt từ.
Hình 1.11: Các domain bề mặt của hợp kim FeSi bề dày 0.5 mm.
Hình 1.12: Cấu tạo từ của Co bề dày 6 nm.
Hình 1.13: Tường Bloch và tường Neel.
Hình 1.14: Cấu tạo domain.
Hình 1.15: Tương tác giữa các đám mây điện tử theo các moment từ.
Hình 1.16: Biểu diễn của vec-tơ từ hóa trong hệ trục tọa độ tinh thể.
7


Hình 1.17: Mẫu vật có dạng hình elip.
Chương 2: Vòng từ trễ
Hình 2.1: Vòng từ trễ.
Hình 2.2: Cấu trúc miền từ trường của hợp kim Si-Fe được quan sát bởi phương pháp
Kerr-effect.
Hình 2.3: Sơ đồ thể hiện vòng từ trễ và sự phát triển của miền từ.
Hình 2.4: Sự khác nhau giữa vòng từ trễ B(H) và M(H) trong vật liệu từ cứng.
Hình 2.5: Thí nghiệm đo vòng từ trễ.

Hình 2.6: Vòng từ trễ của hai dây

Fe77.5Si7.5 B15

l

có độ dài .

Hình 2.7: Return branches bậc một được đo trên hợp kim Si-Fe.
Hình 2.8: Một ví vụ về lịch sử trường tạo nên một điểm của đường cong phản từ trễ.
Hình 2.9: Tập hợp các vòng nhỏ được đo của hợp kim từ cứng Sm18Fe11Co71.
Hình 2.10: Tín hiệu điện áp được đo của Fe73Co12B15.
Hình 2.11: Thể hiện cấu trúc bậc thang của đường cong từ hóa do hiệu ứng Barkhausen.
Chương 3: Miền từ hóa và cấu hình miền
Hình 3.1: Sự tạo thành các miền hóa tự nhiên.
Hình 3.2: Sự quay hướng của moment từ spin trong vách miền.
Hình 3.3: Giải thích sự từ hóa của sắt từ.
Hình 3.4: Sự tạo thành các domain.
8


Hình 3.5: Cấu hình domain.
Hình 3.6: Sự thay đổi cấu hình domain khi có sự tác động của từ trường ngoài.
Hình 3.7: Cấu hình domain ban đầu.
Hình 3.8: Cấu hình domain khi dịch chuyển.
Chương 4: Sơ lược về FEMM (Finite Element Method Magnetics)
Hình 4.1: Tam giác hóa của Massachusetts.
Chương 5: Mô phỏng bằng phương pháp phần tử hữu hạn
Hình 5.1: Các cấu hình domain.
Hình 5.2: Cấu hình single domain.

Hình 5.3: Cấu hình multidomain.
Hình 5.4: Cấu hình closure domain.
Hình 5.5: Đường cong B-H của vật liệu Martensite.
Hình 5.6: Cấu hình domain ban đầu.
Hình 5.7: Hệ thống lưới của phương pháp phần tử hữu hạn.

Hình 5.8: Năng lượng hệ thống theo góc
Hình 5.9: Xác định

α

α

với

L1 = 10 µ m D = 2 y0 = 2 µ m

,

.

để năng lượng từ tĩnh đạt cực tiểu khi L1 thay đổi.

Hình 5.10: Sự dịch chuyển bức tường theo cách thứ nhất.
Hình 5.11: Cấu hình tuần hoàn ứng với trường hợp trên.
9


Hình 5.12: Đường B-H của vật liệu Alnico 5.
Hình 5.13: Đường B-H của vật liệu Alnico 6.

Hình 5.14: Năng lượng thay đổi theo d ứng với mô hình di chuyển thứ nhất.
Hình 5.15: Năng lượng thay đổi theo d ứng với mô hình di chuyển thứ nhất của ba loại
vật liệu.
Hình 5.16: Sự dịch chuyển bức tường theo cách thứ hai.
Hình 5.17: Cấu hình tuần hoàn ứng với cách thứ hai.
Hình 5.18: Năng lượng thay đổi theo d ứng với mô hình di chuyển thứ hai.
Hình 5.19: Năng lượng thay đổi theo d ứng với mô hình di chuyển thứ hai của ba loại vật
liệu.

Hình 5.20: So sánh hai cấu hình di chuyển

L1 = 20µ m D = 2 y0 = 2 µ m

,

.

Hình 5.21: Mật độ năng lượng theo d khi H=200 A/m.
Hình 5.22: Mật độ năng lượng theo d khi H=1000 A/m.
Hình 5.23: Mật độ năng lượng theo d khi H=8440 A/m.
Hình 5.24: Mật độ năng lượng theo d khi H thay đổi.
Hình 5.25: d thay đổi theo H với vật liệu martensite.
Hình 5.26: Đường B-H của vật liệu NdFeB 52 MGOe.
Hình 5.27: d thay đổi theo H với một số loại vật liệu.

10


11

Lời mở đầu
Từ học là một trong những lĩnh vực lâu đời nhất của vật lý, lịch sử về từ học bắt đầu từ
hơn 3000 trước khi người Trung hoa lần đầu tiên sử dụng “đá nam châm” có khả năng
định hướng Bắc – Nam làm la bàn để chỉ phương hướng. Các nghiên cứu về từ học được
bắt đầu với sự ra đời của bộ sách “Electricity and Magnetism” của William Girlbert vào
năm 1600, và từ học đã liên tục phát triển cho đến ngày nay với bao ứng dụng to lớn và
hết sức thiết thực vào đời sống cũng như sản xuất. Ta có thể bắt gặp chúng ở khắp mọi
nơi, từ chiếc la bàn, những chiếc nam châm, cho đến những lõi biến thế, lõi ferrite, hay
cao cấp hơn như ổ cứng lưu trữ thông tin… Cho đến ngày nay từ học vẫn là một chủ đề
lớn của vật lý học với nhiều hiện tượng lý thú và nhiều khả năng ứng dụng trong khoa
học, công nghệ, y – sinh học cũng như trong cuộc sống.
Với nhu cầu đòi hỏi tính thiết thực và cấp bách của nhiều ngành công nghiệp chế tạo, sản
xuất, mà ngày nay, sự nghiên cứu về vật liệu từ vẫn không ngừng phát triển với rất nhiều
công trình khoa học nghiên cứu về từ tính, các đặc tính của vật liệu, cũng như các cách
tính năng lượng cho từng mẫu vật liệu… Để minh họa rõ hơn về các đặc tính từ tính, các
khái niệm ban đầu hướng đến những ai quan tâm đến lĩnh vực này có thể hình dung ra
mô hình mà chúng em đang nghiên cứu. Vật liệu được chia thành nhiều miền từ hóa, mỗi
miền từ hóa có cấu trúc đa dạng và khác nhau. Trong đồ án này, chúng em sẽ tập trung
vào việc mô hình hóa mô hình miền từ. Cụ thể là, chúng em đi sâu vào việc đánh giá mô
hình nào tối ưu nhất thông qua đề tài: “Nghiên cứu cấu hình tối ưu của vật liệu từ”.
Đồ án gồm có 5 chương và nội dung các chương như sau:
Chương 1: Từ tính.
Trong chương này, chúng ta nhắc lại một số khái niệm cơ bản của từ trường, đặc biệt là
những tính chất của sắt từ. Chúng ta cũng sẽ nghiên cứu các tính chất từ, năng lượng từ
và sự hình thành của cấu trúc miền của vật liệu sắt từ.
Chương 2: Vòng từ trễ.
12

Mục đích chính chương này là đưa ra cách nhìn mở đầu về hiện tượng từ trễ, như chúng
được quan sát trong các vật liệu từ, minh họa một vài tính chất của vòng từ trễ và mối
liên hệ cơ bản của chúng với cấu trúc phân miền từ.
Chương 3: Miền từ hóa và cấu trúc miền.
Vật liệu được chia nhỏ thành các miền từ hóa. Từ hóa đạt bão hòa trong mỗi miền, và
hướng của chúng thay đổi từ miền này sang miền khác. Lớp ngăn cách các miền là các
bức tường, hay còn gọi là vách miền. Trong chương này, chúng ta nghiên cứu về các khía
cạnh năng lượng của mô hình domain của vật liệu và đề xuất một mô hình cho sự chuyển
động của các bức tường dưới tác động của một từ trường bên ngoài.
Chương 4: Sơ lược về FEMM (Finite Element Method Magnetics).
Một trong những phương pháp tính toán số gần đúng được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay
đó là phương pháp phần tử hữu hạn. Phương pháp phần tử hữu hạn là phương pháp số để
giải các bài toán được mô tả bởi các phương trình vi phân riêng phần cùng với các điều
kiện biên cho trước chẳng hạn như bài toán từ trường tĩnh.
Chương 5: Mô phỏng mô hình domain dùng phương pháp phần tử hữu hạn.
Trong chương này chúng ta sẽ đi vào phân tích, đánh giá mô hình domain thông qua mô
phỏng phần tử hữu hạn FEMM và MATLAB để chứng minh trạng thái ban đầu của
domain và xác định mô hình tối ưu cho sự dịch chuyển các bức tường.

13


111Equation Chapter 1 Section 1Chương 1
Từ tính
1.1

Giới thiệu chương

Việc nghiên cứu về từ tính của vật liệu cũng chính là nghiên cứu về phản ứng của vật liệu
đối với các tác động của từ trường ngoài. Các vật liệu ít nhiều đều chịu ảnh hưởng của từ

trường. Một số vật liệu có phản ứng mạnh với từ trường và dễ dàng bị phát hiện như Fe,
Ni, Co. Có những vật liệu hút (hay đẩy) từ trường ngoài tùy vào vật liệu đó là vật liệu
thuận từ hoặc sắt từ (hay vật liệu nghịch từ). Ngược lại, cũng có các vật liệu không từ
tính, chúng không có một phản ứng đáng kể nào đối với từ trường ngoài. Ngoài ra, từ tính
có thể là một hàm của nhiệt độ. Ví dụ, vật liệu sắt từ trở nên thuận từ ở nhiệt độ cao.
Trong chương này, chúng ta nhắc lại một số khái niệm cơ bản của từ trường, đặc biệt là
những tính chất của sắt từ. Chúng ta cũng sẽ nghiên cứu các tính chất từ, năng lượng từ
và sự hình thành của cấu trúc miền (domain) của vật liệu sắt từ.
1.2

Từ tính ở tầm vi mô (nguyên tử)

Một nguyên tử gồm hạt nhân và các electron xoay quanh nó. Trong đó, hạt nhân được
cấu thành từ các proton và neutron (Hình 1.1). Sự chuyển động của các điện tích tạo ra
những moment từ. Đây là nguyên nhân chính cho sự tồn tại của các thuộc tính từ của vật
liệu.

Electron
Hạt nhân

Hình 1.1: Mô hình nguyên tử [3].
14


Đối với một nguyên tử tự do (không tương tác với các nguyên tử lân cận hay chịu tác
động của một từ trường bên ngoài nào), moment từ của nguyên tử matom là tổng các
moment từ của hạt nhân và các electron của nó.
Ta xét trường hợp cấu tạo nguyên tử đơn giản nhất, nguyên tử hydro, gồm duy nhất một
hạt nhân và một electron (Hình 1.2). Kết quả cũng sẽ áp dụng tương tự cho trường hợp
một nguyên tử có nhiều hơn một electron [3].

Spin
matom

Electron

Hạt nhân
Orbital

Hình 1.2: Moment từ thành phần của cấu tạo nguyên tử Hidro [3].
1.2.1

Moment từ của hạt nhân nguyên tử

Sự chuyển động của các proton và neutron bên trong hạt nhân tạo nên moment từ của hạt
nhân, ở mức khoảng 5.10-27A.m2. Giá trị này rất nhỏ nếu so với giá trị moment từ của
nguyên tử là khoảng 10-23 A.m2. Như vậy, ta có thể bỏ qua moment từ của hạt nhân
nguyên tử và xem như moment từ tổng chỉ gồm moment từ electron [3].
1.2.2

Moment từ của các electron

Trong mô hình nguyên tử Bohr, electron của nguyên tử quay theo quỹ đạo tròn (hoặc
elip) xung quanh hạt nhân. Từ hình 1.2 ta thấy rằng moment từ tính của electron gồm:
•
•

Moment từ spin (hay spin): do sự tự quay của electron quanh trục của nó.
Moment từ quỹ đạo: do sự quay của các electron xung quanh hạt nhân theo quỹ
đạo của nó.

Những moment này ảnh hưởng lẫn nhau bởi sự tương tác spin-quỹ đạo. Tổng moment từ
của electron là tổng những moment từ thành phần.
15


Từ tính ở tầm vĩ mô

1.3

Có ba vec-tơ từ và đơn vị của chúng được quy định theo chuẩn SI:
(1) H: là từ trường (A/m);
(2) M: là từ hóa (A/m);
(3) B: là cảm ứng từ (Tesla).
1.3.1

Mối quan hệ của H, M và B

Độ từ hóa M được xác định bằng tổng moment từ nguyên tử trên một đơn vị thể tích của
vật liệu từ.
(1.1)
Xét một vật liệu từ tính chịu tác động của một từ trường bên ngoài H. Cảm ứng từ B là
tổng của từ trường H và từ hóa M.
(1.2)
Với hằng số là độ từ thẩm trong môi trường chân không.
Nếu tất cả các moment từ nguyên tử trong vật liệu được sắp xếp song song với nhau, khi
đó từ hóa của vật liệu đạt bão hòa. Bão hòa là trạng thái đạt được khi tăng từ trường
ngoài H đặt vào mà không làm tăng từ hóa của vật liệu.
1.3.2

Hằng số từ thẩm và độ cảm ứng từ

Một đại lượng quan trọng khác nữa đó là độ cảm ứng từ của vật liệu, nó được định nghĩa
là độ dốc của đồ thị từ hóa M theo từ trường H:
(1.3)
Hằng số từ thẩm µ được xác định bởi độ dốc của đường cảm ứng từ B theo từ trường H:
(1.4)

16


Tùy thuộc vào loại vật liệu, B và M có thể là tuyến tính hoặc phi tuyến tính theo H. Vì
vậy, hằng số từ thẩm và độ cảm ứng từ có thể là hằng số hoặc biến số.
Hằng số từ thẩm tương đối:
(1.5)
Hằng số từ thẩm tương đối phụ thuộc vào độ cảm ứng từ của vật liệu theo quan hệ sau:
(1.6)
Mối quan hệ giữa H, M và B trong phương trình (1.2) có thể được viết lại bằng:
(1.7)
Ta có thể chia vật liệu thành ba nhóm theo độ cảm ứng từ của chúng:
•
•
•
1.3.3

χ < 0, khoảng -10-6: vật liệu nghịch từ.
0 < χ < 10-3: vật liệu thuận từ, phản sắt từ.
χ lớn và thay đổi theo H: vật liệu sắt từ.
Phân loại vật liệu sắt từ

Nguồn gốc của từ tính nằm trong phạm vi chuyển động spin-quỹ đạo của các electron và

sự tác động qua lại giữa các electron. Cách tốt nhất để chia các loại vật liệu khác nhau là
dựa vào vật liệu phản ứng với từ trường ngoài như thế nào.
Dựa vào đó, người ta chia vật liệu từ thành 5 nhóm sau:
•
•
•
•
•
1.3.3.1

Vật liệu nghịch từ.
Vật liệu thuận từ.
Vật liệu sắt từ.
Vật liệu sắt từ yếu.
Vật liệu phản sắt từ.
Vật liệu nghịch từ

17


Các vật liệu nghịch từ không có moment từ do các cặp điện tử quay ngược nhau

(tổng

vectơ từ quỹ đạo và từ spin của toàn bộ điện tử bằng không). Khi đặt vào từ trường ngoài,
bên trong vật liệu sẽ xuất hiện một từ trường ngược chiều với từ trường ngoài theo hiện
tượng cảm ứng từ.
Do đó, độ từ thẩm của môi trường μ<1, độ từ cảm χ<0 (Hình 1.3a). Các vật liệu nhóm
này là các khí hiếm như: I, He, Ne, Ar, Kr...và các ion có các lớp electron giống khí
hiếm. Nhiều kim loại như: Zn, Ag, Cu, Pb.

Độ cảm từ của các vật liệu nghịch từ độc lập với nhiệt độ (Hình 1.3 b).

M

χ

M= χH
χ <0

T
H

χ=const

Độ dốc=χ
b)
Hình 1.3: Vật liệu nghịch từ [3].
M là hàm của H
χ là hàm của nhiệt độ T
a)

a)
b)
1.3.3.2

Vật liệu thuận từ

Là những vật liệu có từ tính yếu. Tính chất thuận từ thể hiện ở khả năng hưởng ứng thuận
theo từ trường ngoài, có nghĩa là các chất này có moment từ nguyên tử (nhưng giá trị
nhỏ), khi có tác dụng của từ trường ngoài, các moment từ này sẽ bị quay theo từ trường

ngoài, làm cho cảm ứng từ tổng cộng trong vật liệu tăng lên và độ cảm từ dương (Hình
1.4 a).
Độ từ thẩm của các chất thuận từ là lớn hơn một nhưng xấp xỉ một (chỉ chênh lệch cỡ
10−6). Từ tính yếu của vật liệu thuận từ do các moment từ thành phần không tương tác lẫn
18


nhau, như vật liệu nghịch từ, từ hóa là bằng không nếu không có tác động của từ trường
bên ngoài.
Các chất thuận từ điển hình là: ôxi, nhôm...

M

χ

χ~1/T

Độ dốc=χ

M= χH
χ >0

H

b)
Hình 1.4: Vật liệu thuận từ [3].
M là hàm của H
χ là hàm của nhiệt độ T

a)

a)
b)

Ở nhiệt độ rất thấp hoặc từ trường bên ngoài lớn, độ cảm ứng từ độc lập với từ trường
bên ngoài. Ngược lại, với một nhiệt độ hoặc tác động của từ trường bên ngoài ở mức
trung bình, độ cảm ứng từ của vật liệu thuận từ nhỏ. Trường hợp , độ cảm ứng từ được
tính bằng biểu thức χ=C/T [3], bởi vì khi nhiệt độ tăng lên, sự chuyển động của phân tử
chống lại sự liên kết các moment từ của nguyên tử; trong đó, C là hằng số Curie (Hình
1.4 b).
1.3.3.3

Vật liệu sắt từ

Sắt từ là các chất có từ tính mạnh, hay khả năng hưởng ứng mạnh dưới tác dụng của từ
trường ngoài, 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. Tuy nhiên nhờ có sự tương tác mạnh mẽ giữa những moment từ
thành phần dưới tác động của trường hoán đổi hay từ trường phân tử nên ở cấp độ vi mô,
sự liên kết này tạo nên các vùng sắp xếp song song của các moment từ thành phần mà ta
19


gọi là miền từ (hình1.5). Do đó, vật liệu sắt từ có một từ hóa nội tại lớn ngay cả trong
trường hợp không có một từ trường bên ngoài.
Trong tự nhiên, có chín nguyên tố sắt từ ở dạng tinh khiết: sáu nguyên tố đất hiếm ( Gd,
Tb, Dy, Ho, Er, Tm) và ba nguyên tố chuyển tiếp Fe, Co, Ni.

Hình 1.5: Các spin của vật liệu sắt từ [3].
1.3.3.4 Vật liệu sắt từ yếu
Các vật liệu sắt từ yếu có một phần các moment từ thành phần phản song song như hình

1.6: các moment từ phản song song này không bằng nhau do đó chúng không triệt tiêu
hoàn toàn với nhau dẫn đến sự tồn tại của miền từ tại một thời điểm nào đó ngay cả khi
không có từ trường ngoài. Khi đặt vào một từ trường bên ngoài, những moment từ được
sắp xếp dọc theo hướng của từ trường ngoài này. Những vật liệu sắt từ yếu có đặc tính
tương tự như vật liệu sắt từ.

Hình 1.6: Spin của vật liệu sắt từ yếu [3].
20


1.3.3.5 Vật liệu phản sắt từ
Các moment từ thành phần của vật liệu phản sắt từ hoàn toàn song song với nhau như
hình 1.7. Điều này dẫn đến moment từ tổng của vật liệu phản sắt từ bằng không. “Nhiệt
độ Néel” là đại lượng đặc trưng của vật liệu phản sắt từ (cũng giống như nhiệt độ
Curie trong vật liệu sắt từ), là nhiệt độ mà tại đó trật tự phản sắt từ bị phá vỡ và vật liệu
sẽ chuyển sang tính chất thuận từ.

Hình 1.7: Spin của vật liệu phản sắt từ [3].
1.4 Tính chất của vật liệu sắt từ
Vật liệu sắt từ là vật liệu từ được sử dụng phổ biến nhất. Thường có hai loại vật liệu sắt
từ được phân loại theo mức độ khử từ nó là khó hay dễ: sắt từ vật liệu cứng và sắt từ vật
liệu mềm. Sắt từ vật liệu cứng được dùng trong việc thực hiện các nam châm vĩnh cửu
hoặc các thành phần lưu trữ, vật liệu sắt từ mềm được sử dụng trong các mạch từ của
máy biến áp hoặc các bộ phần che chắn từ tính.
Bây giờ chúng ta sẽ tìm hiểu tổng quát về một số thuộc tính chính của vật liệu sắt từ.
1.4.1 Nhiệt độ Curie
Nhiệt độ Curie (Tc) trong các vật liệu sắt từ là nhiệt độ chuyển pha sắt từ - thuận từ. Ta
nhắc lại chuyển động nhiệt của các nguyên tử: khi nhiệt độ tăng lên, các nguyên tử trở
nên di động hơn và ít ổn định. Vì thế, dưới nhiệt độ Curie, vật liệu sắt từ là sắp xếp có
trật tự và nó sẽ mất đi trật tự đó, trở nên rối loạn từ trường khi ở trên nhiệt độ này, kết

quả là vật liệu sắt từ trở thành một vật liệu thuận từ. Từ hóa bão hòa tiến về không ở nhiệt
21


độ Curie như hình 1.8. Bảng 1.1 biểu diễn các giá trị của nhiệt độ Curie cho một vài vật
liệu.

M

Tc

T

Hình 1.8: Từ hóa theo nhiệt độ [3].
Vật liệu

Fe

Co

Ni

TC (0C)

770

1130

358

Bảng 1.1: Nhiệt độ Curie cho một số vật liệu [3].
1.4.2 Đường từ trễ
Các tính chất từ tính của vật liệu thường được đại diện bởi các đường từ trễ - đường biểu
diễn từ cảm B (hoặc từ hóa M) là một hàm theo từ trường ngoài H như hình 1.9.
Một vật liệu sắt từ chưa bao giờ được từ hóa hoặc hoàn toàn khử từ sẽ bắt đầu bị từ hóa
theo đường từ hóa ban đầu. Khi từ hóa đạt đến độ bão hòa MS, nếu từ trường ngoài không
còn nữa thì vật liệu từ cũng không hoàn toàn bị khử từ mà sẽ có một từ hóa dư M R. Từ
hóa dư thể hiện khả năng của vật liệu để giữ lại một độ từ hóa nhất định sau khi loại bỏ từ
trường ngoài. Từ trường cưỡng bức HC là giá trị của từ trường ngược cần thiết để khử từ
vật liệu. Giá trị của HC bị ảnh hưởng bởi xử lý nhiệt, hoặc nói chung của các cấu tạo vi
mô của vật liệu.
Vật liệu sắt từ có thể được phân thành hai loại theo các giá trị HC như hình 1.10:
•

Vật liệu cứng: là những vật liệu có từ trường cưỡng bức lớn.
22


•

Vật liệu mềm: là những vật liệu có từ trường cưỡng bức nhỏ.
Đường từ hóa ban đầu

Hình 1.9: Đường từ trễ của các vật liệu sắt từ [3].

Vật liệu cứng
Vật liệu mềm
Hình 1.10: Phân loại vật liệu sắt từ [3].
1.4.3 Cấu tạo miền
Cấu hình thường quan sát thấy trong một vật liệu sắt từ là cấu hình miền (domain), theo

đó vật liệu được chia thành những khu vực đồng nhất của từ hóa như hình 1.11, 1.12.

23


Hình 1.11: Các domain bề mặt của hợp kim FeSi bề dày 0.5 mm [3].

Hình 1.12: Cấu tạo từ của Co bề dày 6 nm [3].
Một domain bao gồm các moment từ spin sắp xếp song song với nhau. Tuy nhiên, hướng
từ hóa là khác nhau giữa các domain trong vật liệu. Tổng từ của các domain định hướng
khác nhau dẫn đến một từ hóa xấp xỉ không của vật liệu trong tình trạng khử từ.
24


Một bức tường bao gồm các spin nằm trong vùng chuyển tiếp giữa các domain có các
hướng từ hóa khác nhau. Các bức tường được phân loại theo kiểu thay đổi của spin của
nó (tường Bloch và tường Neel) hay sự khác biệt giữa hai domain (tường 1800 và tường
900).
α

L2
•

Trong các bức tường Bloch, các spin chuyển đổi hướng dần dần và liên tục trong
một mặt phẳng song song với tường. Ngược lại, trong các bức tường Neel, các
spin chuyển đổi hướng trong một mặt phẳng vuông góc với tường như hình 1.13.

•

Các bức tường ngăn cách các domain chính (các domain phản song song) được

gọi là “bức tường 1800”. Các bức tường ngăn cách các domain vuông góc (domain
chính và domain đóng) được gọi là “bức tường 900” (hình 1.14).

Tường Bloch

Tường Neel

Hình 1.13: Tường Bloch và tường Neel [12].

25