Từ học và vật liệu từ thân đức hiền (chủ biên), lưu tuấn tài

THÂN ĐỨC HIỀN (Chủ biên)
LƯU TUÁN TÀI

Từ HỌC
VA
VẬT LIỆU Từ


THÂN ĐÚC HIÊN (Chủ biên)
LƯU TUẤN TÀI

TỪ HỌC
VÀ
VẬT LIÊU TỪ

NHÀ XUẮT BẢN BÁCH KHOA - HÀ NỘI


LỜI NÓI ĐÀU

Vật liệu từ đã được phát hiện cách đây hàng nghìn năm. Với những tính chất lý thú
và kỳ lạ cua nó, cho đen nay, vật liệu từ vẫn là đổi tượng dược con người quan tâm tim
hiêu, nghiên cứu và dưa vào ứng dụng.
Có thê dễ dàng nhận thấy các vật liệu từ dược sứ dụng trong các thiết bị, dụng cụ
quanh ta như: máy ghi âm, tivi, tủ lạnh, quạt máy, mô tô - xe máy, điện thoại, địa bàn, đồ
chơi tre em, các bộ phận nhớ trong máy tính điện tư, V. V. . Ngoài ra, từ học và vật liệu từ
còn được sư dụng ngày càng nhiều trong lĩnh vực y tế đè chuân doán và điều trị bệnh.
Vật liệu từ không thể thiếu dược trong các ngành công nghiệp điện (tạo điện năng,
chuyên tai diện, điều khiến tự động, V . V . ) , công nghiệp thông tin liên lạc, công nghiệp chế
tạo máy, ôtỏ, tâu thúy, V . V . .
Với góc độ khoa khọc thuần túy, hiện tượng từ hiện diện từ thế giới vi mô (nguyên

tư, phân tứ) đến thế giới vĩ mô (các thiên hà xa xôi). Ta cũng không nên quên: trái đất là
một nam châm không lồ. Từ trường trái đất tác dụng lên mọi sinh vật, động vật và vật chất
tồn tại trên nó.
Cho đến nay, các nhà khoa học đã lý giai được nhiều hiện tượng từ trên cơ sớ lý
thuyết cơ học lượng tư, các gia thiết có tính hiện tượng luận và bán thực nghiệm; các nhà
khoa học và công nghệ đã chế tạo dược nhiều loại vật liệu từ kê ca vật liệu từ có kích
thước nanomet với tính năng cao hơn, kích thước nho gọn hơn so với các “the hệ” vật liệu
tứ trước dè đáp ứng đời hoi sự phát triên kỹ thuật, kinh tể cũng như dời sông con người.
Vì những lè trên, Từ học và vật liệu từ là giáo trình dược giang dạy trong các
trường Dại học, Cao dăng và là dôi tượng nghiên cứu cua nhiêu phòng thí nghiệm ờ trong
nước và trên thế giới.
Tài liệu Từ học và vật liệu từ này bao gôm 3 phẩn:
Phần I trinh bày các khái niệm cơ bản về từ học, các vật liệu từ với quan điểm
nghiên cứu cơ ban,
Phan II mô ta và lý giai các hiện tượng từ phô biến xảy ra trong các vật liệu từ,
Các vật liệu từ dược ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật và đời sổng được trình bày
tương đôi chi tiết ở phân III.
(GS. TSKH. Thân Đức Hiền chu biên và biên soạn phần I và phần II; PGS. TS. Lưu
Tuấn Tài biên soạn phần III).
Nội dung tập tài liệu này đã được các tác giả sư dụng giảng dạy nhiều năm cho sinh
viên năm cuối và học viên cao học cùa khoa Vật lý, trường Đại học Tông họp (cũ) nay là

3


trường Đại học Khoa học Tự nhiên (Đại học Quốc gia Hà Nội) và học viên cao học ngành
Khoa học Vật liệu, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội.
Từ học và vật liệu từ có thê làm tài liệu tham kháo cho sinh viên, học vicn cao học
và nghiên cứu sinh các ngành khoa học tự nhicn, sư phạm, khoa học công nghệ, v.v. cùa
các trường Đại học, đồng thời là tài liệu giúp ích cho những ai quan tâm, nghiên cứu từ

học và ứng dụng vật liệu từ.
Các tác già xin chân thành cám ơn GS. TS. Đồ Minh Nghiệp (trường Đại học Bách
Khoa Hà Nội) và PGS. TS. Vũ Ngọc Hùng (trường Đại học Bách Khoa Hà Nội) về những
nhặn xét, góp ý cho bàn thảo và giới thiệu tài liệu này.
Các tác già đặc biệt cám ơn Thạc sỹ Lê Thanh Hùng đã hồ trợ hoàn tất bán thao đế
xuất bàn.
Các tác già xin cám cm những ý kiến đóng góp cua các độc gia.

Các tác giả

4


MỤC LỤC
Trang
Lời nói đằu

3

Mục lục
PHÀNI. CÁC TÍNH CHÁT CO BẢN CỦA TÙ HỌC

5
13

Chưong I. Lịch sử phát triển cúa từ học và vật liệu từ ................................................. 14
1.1. Thời kỳ sơ khai..............................................................................................14
1.2. Thời kỳ hưng thịnh về giải thích hiện tượng từ (cổ điên)............................15
1.3. Cơ sớ lý thuyết vi mỏ giài thích hiện tượng từ ............................................ 16
1.4. Sự phát trien các vật liệu t ừ .......................................................................... 17

1.5. Các nguồn tạo từ trường............................................................................... 18
Chương 2. Một số khái niệm về từ học và phân loại vật liệu t ừ ................................... 19
2.1. Một số khái niệm về từ học........................................................................... 19
2.1.1. Cực từ ..................................................................................................... 19
2.1.2. Cườniĩ độ từ trườniỉ (hỉ)......................................................................... 19
2.1.3. Từ độ ( 7 ).............................................................................................. 20
2.1.4. Cảm ứng từ ( tì ).................................................................................... 21
2.1.5. Độ từ thầm (//) vả độ cám từ hoặc hệ sổ từ hóa

(x).............................21

2.1.6. Hệ đơn vị đo từ ..................................................................................... 22
2.1.7. Chuyền đối một số dem vị từ hai hệ CGS và SI, biếu thức các thông số
từ chú yếu................................................................................................ 22
2.2. Các loại vật liệu từ ........................................................................................ 23
2.2.1. Các chất nghịch từ ................................................................................. 23
2.2.2. Các chất thuận từ ................................................................................... 23
2.2.3. Các chất sảt từ........................................................................................ 24
2.2.4. Các chất phán sát từ .............................................................................. 24
2.2.5. Các chất feri từ....................................................................................... 24
2.3. Sự phụ thuộc vào nhiệt độ và từ trường cùa X 1 và M ..................................25
2.4. Các vật liệu từ ímii dụng............................................................................... 26
2.4.1. Vật liệu từ cứng..................................................................................... 26
2.4.2. Vật liệu từ mèm..................................................................................... 26
2.4.3. Vật liệu ghi từ ........................................................................................ 27
2.4.4. Các loại vật liệu từ ứng dụng khác.......................................................27
2.5. Cách phân loại khác đối với vật liệu từ.........................................................27
2.5.1. Phân loại dựa theo cấu trúc................................................................... 27
2.5.2. Phân loại theo cách khác......................................................................27

5


Chương 3. Monien từ cua nguyên tư ......................................................................... ........28
3.1. Momcn từ qũy đạo cua điện t ừ ....................................................................... 28
3.2. Momen từ spin cua điện tư.............................................................................. 29
3.3. Câu trúc điện tứ cua nguyên từ và momen xung lượng điện tư ................... 30
3.4. Mầu véctơ cùa các nguyên tử......................................................................... 33
3.5. Các quy tắc Hund.............................................................................................34
Chưong 4. Nghịch từ ............................................................................................................. 37
4.1. Nghịch từ cua vành đai điện tư nguyên tư ................................................... 37
4.1.1. Tẩn số Larmor........................................................................................37
4.1.2. Momen từ và năne lượng tạo ra do chuyên động tuế sai cua điện tu
trong từ trường ngoài.............................................................................. 38
4.1.3. Độ cam từ nghịch từ cua các vànhđai điện tứ nguyên tử .................... 40
4.2. Độ cảm nuhịch từ cua các ion...................................................................... 41
4.3. Độ cám nghịch từ cua các hợp chất hóa học.................................................. 42
4.4. Siêu dẫn - chất nehịch từ lý tương.............................................................. 44
4.5. Hiện tượng chất nghịch từ bị nàng trong từ trường.................................... 45
Chương 5. Thuận từ .............................................................................................................. 47
5.1. Mở đầu............................................................................................................. 47
5.2. Lý thuyết cổ điển về thuận từ (lý thuyết Langevin)..................................... 48
5.3. Định luật Curie.................................................................................................51
5.4. Một sổ bình luận..............................................................................................51
5.5. Lý thuyết lượng tư về thuận từ, hàm Brillouin............................................ 52
5.6. Thuận từ cùa các chất.....................................................................................55
5.7. Thuận từ cùa các ion nhóm đất hiếm (40 và nhóm sắt (3 d)....................... 56

5.7.1. Nhóm đất hiếm ( 4 0 ................................................................................ 56
5.7.2. Nhóm ion nhỏm sất (3d).........................................................................58

5.7.3. Liên kết S-L và ảnh hương cua trường tinh th ê................................... 60
5.8. Các yếu tố anh hương lên tính chất thuận từ cua các chất........................... 61
5.9. Tạo nhiệt độ thấp bàng phương pháp khử từ đoạn nhiệt các muối thuận từ.........62
5.9.1. Nguyên lý ............................................................................................... 62
5.9.2. Thực nghiệm...........................................................................................64
5.10. Thuận từ các điện tư dan (thuận từ Pauli)...................................................66
5.10.1. Các tính chất cua các điện tư dẫn trong kim loại............................... 66
5.10.2. Tính chất thuận từ cua điện tư tự do...................................................67
5.11. Nghịch từ cua các điện tư tự d o .................................................................. 68

6


Chưoìig 6. Sắt t ừ ..................................................................................................................70
6.1. Các tính chất từ cơ bán cua chất sẳt từ..........................................................70
6.2. Lý thuyết Weiss giai thích hiện tượng từ tự phát trong chất sắt từ............. 72
6.2.1. Mô hình lý thuyết................................................................................. 72
6.2.2. Lý thuyết Weiss giái thích sự phụ thuộc vào nhiệt độ cùa từ độ........ 73
6.2.3. Độ lớn cua trường Weiss...................................................................... 75
6.3. Tương tác trao đôi..........................................................................................76
6.3.1. Mớ đầu.................................................................................................... 76
6.3.2. Phương trình sóng cùa nguyên tử hydro.............................................. 77
6.3.3. Nãng lượng tương tác trao đổi và điều kiện có trật tự sat từ .............. 78
6.4. Mối liên hệ giữa hàng số trường phân tư và tích phân trao đồi.................. 80
6.4.1. Hằng số trường phân từ ......................................................................... 80
6.4.2. Nhiệt độ trật tự từ ( Tc) .......................................................................... 81
6.5. Lý thuyết vùng năng lượng (lý thuyết vùng)............................................... 84
6.5.1. Cấu trúc vùng năng lượng của các điện tư tập thê................................84
6.5.2. Giải thích từ độ bào hòa......................................................................... 86
6.5.3. Tiêu chuẩn Stoner.................................................................................. 87

6.6. Trật tự từ cùa kim loại đất hiếm.................................................................... 87
6.7. Các hợp kim sắt t ừ ..........................................................................................88
6.7.1. Các hợp kim............................................................................................88
6.7.2. Đường cong Slater-Pauling................................................................... 89
6.7.3. Hợp kim từ tạo bời các nguyên tố phi từ tính....................................... 90
6.8. Bình luận về lý thuyết, mô hình giải thích trật tự sất từ................................90
Chương 7. Phàn sắt từ và feri - t ừ ................................................................................... 92
A. Phùn sắt từ
7.1. Các chất phàn sẳt từ .......................................................................................92
7.2. Trật tự phán sắt từ ..........................................................................................93
7.3. Tương tác trao đổi gián tiếp hay siêu tương tác........................................... 95
7.3.1. Mớ đầu....................................................................................................95
7.3.2. Siêu tương tác........................................................................................ 95
7.4. Lý thuyết trường phân tư giải thích tính chất cùa phản sẳt từ .....................96
7.4.1. Trường phân tứ ...................................................................................... 96
7.4.2. Lý thuyết trường phân từ đối với chất phàn sất từ ờ nhiệt độ T > 7n....97
7.4.3. Xác định nhiệt độ Tki theo lý thuyết trường phân tử.............................98
7.5. Tính chât dị hướng cua độ cám từ của chất phàn sẳt từ trong từ trường
ngoài có cường độ nhò................................................................................... 99

7


7.5.1. Mô ta...................................................................................................... .99
7.5.2. Giai thích hiện tượng dị hướng cùa x( T )............................................ 100
7.6. Chat phàn sat từ trong từ trường ngoài có cường độ lứn........................... 101
7.6.1. Sự đao véctơ momen từ ....................................................................... 101
7.6.2. Sự phá vỡ trật tự phan sất từ bãim từ trưừntĩ nuoài........................... 103
B. F e ri-từ
7.7. Mớ đầu.......................................................................................................... 103

7.8. Cấu trúc tinh the cùa các ferit...................................................................... 104
7.8.1. Cấu trúc tinh thể cua ferit spinen........................................................ 104
7.8.2. Câu trúc tinh thê cùa ferit garnet........................................................ 106
7.8.3. Cấu trúc tinh thể cua terit lục giác loại M (Me FeiiOm, Me = Ba,
Sr, Pb)............................... ........... ........."........... ........ ..................... ..... 107
7.8.4. Ferit có câu trúc trực thoi (perovskite)............................................... 107
7.9. Các tính chất từ cua terit.............................................................................. 108
7.9.1. Momen từ cùa terit spinen và ferit lục giác........................................ 108
7.9.2. Momen từ cùa ferit garnet.................................................................. 111
7.10. Lý thuyết trường phân tư đổi với ferit spinen có hai phân mạng t ừ ....... 113
7.10.1. Trường phân tử .................................................................................. 113
7.10.2. Trường hợp T> Tc............................................................................. 113
7.10.3. Tính nhiệt độ trật tự Tc....................................................................... 115
7.10.4. Sự phụ thuộc vào nhiệt độ cùa momen từ tự phát ferit spinen....... 115
7.10.5. Cấu trúc góc trong ferit spinen......................................................... 117
7.11. Lý thuyết trưừniĩ phân tư trong ferit có ba phân mạng từ (garnet - hỏng ngọc
lựu)................................................................................................................ 118
7.11.1. Trường phân tư .................................................................................. 118
7.11.2. Từ độ phụ thuộc nhiệt độ.................................................................. 119
7.11.3. Độ cám từ cùa ferit garnet ớ nhiệt độ T > Tc.................................. 119
7.11.4. Cấu trúc góc giữa các momen từ trong ferit gamet......................... 120
7.11.5. Ferit garnet trong từ trường có cường độ lớn.................................. 121
PHÀN II. CÁC HIỆN TƯỢNG TÍJ

123

Chưong 8. Dị hưóng từ và từ giảo................................................................................... 124
8.1. Mơ đầu.......................................................................................................... 24
8.2. Dị hướng từ tinh thể..................................................................................... 24
8.3. Nãniĩ lượng dị hướniĩ tinh thê và các hăng số dị hướng............................ 25

8.3.1. Khái niệm ............................................................................................ 25
8.3.2. Các hàng số dị hướmỉ......................................................................... 26
8.3.3. Độ lớn của các hang số dị hướng....................................................... 28
8


8.4. Sự phụ thuộc vào nhiệt độ của các hằng số dị hướng................................129
8.5. Bản chất cua hiện tượng dị hướng từ tinh thê..............................................130
8.6. Dị hướng hình dạng.....................................................................................131
8.6.1. Trường khư từ ......................................................................................131
8.6.2. Phương pháp bô chính dường comí từ hóa........... •-...........................133
8.6.3. Nâng lượng trường khư từ ............ •.....................................................133
8.6.4. Hằng số dị hướng hình dạng............................................................... 133
8.7. Trường dị hướng........................................................................................... 134
8.8. Từ giảo...........................................................................................................135
8.8.1. Mở đầu...................................................................................................135
8.8.2. Từ giáo cua tinh thê lập phương.......................................................... 137
8.8.3. Từ giáo cua tinh thê lục giác................................................................ 139
8.9. Cơ chế vật lý giải thích hiện tượng từ giảo..................................................141
8.10. Nâng lượng đàn hồi từ ................................................................................ 142
8.11. Anh hưởng ứng suất lèn tính chất từ vật liệu.............................................143
Chuông 9. Cấu trúc dom en.............................................................................................. 146
9.1. Mơ đầu...........................................................................................................146
9.2. Nguyên nhàn tạo thành dom en................................................................... 146
9.3. Vách domen...................................................................................................148
9.3.1. Vách Block........................................................................................... 148
9.3.2. Năng lượng vách Block........................................................................150
9.3.3. Một sổ ví dụ.......................................................................................... 151
9.4. Độ dày cùa dom en........................................................................................ 152
9.5. Câu trúc đomen trong tinh thê săt từ đa trục.............................................. 155

9.5.1. Các dạng vách....................................................................................... 155
9.5.2. Định hướng momen từ trong vách 90°.............................................. 156
9.5.3. Domen trong vùng có khuyêt tật, tạp chât......................................... 156
9.6. Cấu trúc đơn domen...................................................................................... 157
9.7. Vách domen trong màng mòng từ................................................................ 159
9.8. Siêu thuận t ừ ..................................................................................................162
9.8.1. Mô tà......................................................................................................162
9.8.2. Các tính chát cùa siêu thuận từ............................................................ 163
9.8.3. Lực kháng từ phụ thuộc kích thước hạt từ...........................................166
Chuông 10. Quá trình từ hóa và từ t r ễ .......................................................................... 168
A. Các quá trình từ hóa
10.1. Đường cong từ hóa.................................................................................... 168

9


10.2. Quá trình dịch chuyến vách thuận niỉhịch và không thuận nghịch, birức
nhảy Barkhausen......................................................................................... 170
10.3. Quá trình quay thuận nghịch cua các momen từ trong dom en............... 171
10.4. Hiệu ứng Hopkinson.................................................................................. 174
B. Hiện tượng từ tre
10.5. Mở đầu....................................................................................................... 175
10.6. Hiện tượng trễ do việc ngăn can vách domen dịch chuyên.................... 176
10.7. Hiện tượng trễ do việc giữ sự phát trien các mầm dao từ ...................... 177
10.8. Trề do quá trinh quay không thuận nghịch.............................................. 177
10.8.1. Hiện tượng từ trề do dị hướng hình dạng..........................................177
10.8.2. Hiện tượng từ trề do dị hướng từ tinh thê..........................................180
10.8.3. Hiện tượng từ trễ do ứng suất.............................................................181
10.9. Trao đôi dịch hay trao đôi dị hướng..........................................................182
10.9.1. Hiện tượng...........................................................................................182

10.9.2. Giải thích.............................................................................................184
Chuông 11. Vật liệu từ trong từ truòìig xoay c h iều ...................................................... 187
11.1. Mơ đầu......................................................................................................... 187
11.2. Các dòng xoáy..............................................................................................187
11.3. Độ nhớt từ (từ tác dụng sau)..................................................................... 189
11.4. Chất sẳt từ trong từ trường xoay chiều.................................................... 190
11.4.1. Đường trễ.............................................................................................190
11.4.2. Độ từ thâm và tang góc tôn hao........................................................191
11.4.3. Phương pháp xác định độ từ thẩm ao và tg ô ...................................193
11.5. Sự tán sắc cua độ từ thẩm ......................................................................... 194
11.6. Cộng hưong t ừ ............................................................................................ 196
11.6.1. Cộng hương thuận từ điện tư (EPR)................................................ 196
11.6.2. Cộng hương từ hạt nhân nguyên tư (NMR).....................................198
PHÀN III. CÁC VẬT LIỆU TỦ

199

Chưong 12. Vật liệu từ m ềm .............................................................................................200
12.1. Mơ đầu........................................................................................................ 200
12.2. Yêu cầu đối với vật liệu từ mèm................................................................201
12.3. sẳt tinh khiết kỹ thuật................................................................................ 202
12.3.1. Ảnh hương của tạp chất.....................................................................202
12.3.2. Anh hường cùa độ hạt........................................................................203
12.3.3. Già hóa do nhiệt độ............................................................................ 204
12.3.4. Một số vật liệu sắt tinh khiết kỳ thuật............................................. 204

10


12.4. Thép kỹ thuật đ iện ......................................................................................205

12.5. Pecmaloi..................................................................................................... 207
12.6. Điện môi từ ................................................................................................. 211
12.7. Ferit từ mềm................................................................................................ 214
12.7.1. Ferit hệ Fe (ferit chi chứa sắt và oxy).............................................. 216
12.7.2. Các ferit Cu và hồn hợp....................................................................217
12.7.3. Ferit L i-Z n .........................................................................................220
12.7.4. Các ferit Ni và hỗn h ợ p .................................................................... 221
12.7.5. Ferit Mn và hồn hợp......................................................................... 224
12.7.6. Đa ferit................................................................................................227
12.8. Vô định hình và nano tinh thê từ mềm......................................................228
12.8.1. Vật liệu vô định hình ....................................................................... 228
12.8.2. Các phương pháp chế tạo vật liệu vô địrrh hình..............................228
12.8.3. Tính chất từ và điện cua vật liệu từ vô định hình............................230
12.8.4. Vật liệu từ mềm nano tinh th ế ..........................................................23 1
Chương 13. Vật liệu ghi t ừ ............................................................................................... 235
13.1. Mờ đầu........................................................................................................ 235
13.2. Các yêu cầu về vật liệu dùng làm đầu đọc (đàu từ) và ghi từ (băng đìa).... 236
I 3.3. Các thõng số cơ bản liên quan tới vật liệu ghi từ dạng hạt từ.................. 237
13.4. Các vật liệu ghi từ dạng oxit...................................................................... 239
13.4.1.0 \it sắt gama (y-Fe 2Ch)....................................................................239
13.4.2. Co2+Y-Fe:03......................................................................................240
I 3.4.3. Oxit crôm (CrCT)............................................................................... 240
13.4.4. Các hạt kim loại /oxit......................................................................... 241
13.4.5. Ferit b arí.............................................................................................242
13.5. Các màng mong ghi từ ............................................................................... 243
13.5.1. Mở đầu................................................................................................ 243
13.5.2. Các màng mỏng ghi từ song song......................................................244
13.5.3. Các màng mòng ghi từ vuông góc.................................................... 246
( huong 14. Vật liệu từ cứ ng............................................................................................248
14.1. Mở đầu........................................................................................................ 248

14.2. Yêu cầu và các đặc trưng cua nam châm vĩnh cứu...................................248
14.3. Các nam châm h(Tp kim sắt từ.................................................................... 251
14.3.1. Các thép nam châm........................................................................... 251
14.3.2. Nam châm chửa các dơn domen kéo dài (Elongated Single
Domains- ESD)................................................................................. 251


14.3.3. Hợp kim vicalloy.................................................................................252
14.3.4. Các hợp kim cunhiphe (CuNiFe) và cunhico (CuNiCo).................. 252
14.3.5. Các hợp kim FePt và CoPt.................................................................. 252
14.3.6. Hệ hợp kim MnBi...............................................................................253
14.3.7. Hợp kim MnAIC và FeAlC................................................................253
14.4. Hệ nam châm AlNiCo..................................................................................254
14.4.1. Mờ đ ầ u ................................................................................................254
14.4.2. Công nghệ chế tạ o .............................................................................. 255
14.4.3. Đặc điểm cua nam châm AlNiCo..................................................... .260
14.4.4. Hệ hợp kim FeCrCo............................................................................ 261
14.5. Nam châm ferit barí.....................................................................................261
14.5.1. Mờ đ ầ u ................................................................................................261
14.5.2. Các nam châm bột thiêu két đẳng hướng.......................................... 262
14.5.3. Các nam châm bột thiêu kết dị hướng............................................... 265
14.5.4. Các nam châm ferit két d ín h ..............................................................267
14.5.5. Một số nhận xét và xu hướng phát triên............................................ 267
14.6. Nam châm đất hiếm trên cơ sờ coban................................................

268

14.6.1. Giới thiệu chung................................................................................. 268
14.6.2. Quy trình chế tạo ................................................................................ 271
14.6.3. Các nam châm RC05 và R2C 017..................................................

274

14.6.4. Nhận xét và triển vọng........................................................................ 277
14.7. Nam châm loại NdFeB................................................................................ 278
14.7.1. Giới thiệu chung.........................................................................

278

14.7.2. Quy trình công nghệ..........................................................................281

14.7.3. Nhận xét và triển vọng........................................................................ 287
14.7.4. Một số công nghệ mới áp dụng cho nam châm NdFeB................... 288
14.7.5. Một số vật liệu từ cứng mới................................................................ 293
14.7.6. Các màng mỏng nam chàm NdFeB................................................... 295
Phụ lục I.

Các ký hiệu......................................................................................................302

Phụ ỉục II. Các hằng số vật lý co bản (hệ SI)..................................................................308
Phụ lục III. Bảng chuyển đối từ hệ đon v ị...................................................................... 309
Phụ lục IV. Bảng chuyển đối đon vị cua một số cưòng độ từ trưòmg......................... 310
Các tài liệu tham khảo c h ín h ............................................................................................311

12


PHÀN I

CÁC TÍNH CHẤT CO BẢN CÚA TÙ HỌC

Chuông 1. LỊCH s ử PHÁT TRI ÉN CỦA TỦ HỌC VÀ VẬT LIỆU TỦ
Chưong 2. MỘT SỐ KHẢI NIỆM VÈ TÙ HỌC VÀ PHÂN LOẠI VẠT LIỆU TÙ
Chương 3. MOM EN TÙ CỦA NGUYÊN TỦ
ChtTOTig 4. NGHỊC H TÙ
Chương 5. THUẬN TÙ
Chưong 6. SẤT TÙ
Chương 7. PHẢN SẢT TÙ VÀ FERI TÙ


Chuong 1
LỊCH SỬ PHÁT TRIÊN CỦA TÙ HỌC VÀ VẬT LIỆU TÙ

1.1. Thòi kỳ so khai
Từ học và vật liệu từ có một lịch sir lâu đời và có các đặc tính kỳ diệu. Vật liệu từ,
theo các tài liệu đă dẫn, dược phát hiện cách đây khoáng 4000 năm. Việc phát hiện ra vật
liệu từ cũng rất tinh cờ do một người chăn cừu tên là Maưnes ớ vùng Magnesia thuộc Hy
Lạp. Ong thây các dinh băng săt ở dưới đế dày cùa mình có bám dính các viên đá. Viên
đá này dược đặt tên là manhetit. Sau này, manhetit dược biết có công thức hóa hục là
FC3Ơ4 (hay FeO.Fe2O.H- Bây giò ta biết rò manhetit là loại ferit có cấu trúc giống khoáng
chãt spinen (spinel).
Vào thê kỷ thứ VI trước công nguyên, Thales là người đầu tiên dưa ra khái niệm từ
học là thuộc tính cùa Fe.iO.» với dặc tính là hút các vật bằng sắt.
Cũng vào thời kỳ này, ở Trung Ọuốc, trong các tác phẩm văn học, các thuật ngữ
viên đá dần đưìmg hay “viên dá tình yêu” (loving stone) dùng đế chi manhetit. Thời kỳ
nhà Tần (Trung Quốc), vào cuối thế ký thứ II trước công nguyên, đã sư dụng tính chất cua
manhetit (dá nam châm) đế định hướng, dần đường. Hình 1.1 là các mô hình kim địa bàn
cách điệu gần đá nam châm sư dụng ờ Trurni Hoa. Trục cua kim địa bàn luôn luôn định
hướng theo phương Nam - Bắc để dần hướng.

Hình 1.1. c 'ác địa bàn cô (làng nam châm.

a) Địa bàn dạng chiêc thìa luôn chi hướng Nam dùng dân đường thời Trung Hoa cỏ,
b) Địa bàn dùng nam châm nôi,
c) Địa bàn dạng con rùa năm trên kim cỏ thẻ quay tự do.

14


Việc sư dụng kim nam châm (địa bàn), theo các tài liệu đã dân, dược ứng dụng đầu
tiên trong hàng hai ư Trunti Quôc vào cuối thô ky thứ XI đầu thê ký XII. Cuối thè ky XII,
kim địa bàn dược sứ dụng rộng rãi trong lĩnh vực trên ớ các nước Châu Au. Các kim địa
bàn được chế tạo từ vật liệu sắt từ có từ độ bão hòa cao hem các viên dá nam châm. Như
vậy, độ nhậy (định hướng) cao, chính xác. Tuy nhiên vì sắt từ có lực kháng từ thấp hơn đá
nam châm nen dễ bị mất từ tính. Vì vậy, các kim nam châm làm bàng sắt thưìmg phai nạp
từ bàng đá nam châm mang theo các thuyền và tầu thúy. Với vật liệu từ dùng làm kim địa
bàn dã tạo điều kiện cho ngành hàng hai phát trien, phát hiện ra các lục địa mới và tăng
cường việc giao thương giữa các lục địa.
Với tầm quan trọng cua nó, ở Chàu Âu đã tố chức Hội nghị về các kim địa bàn vào
năm 1175 do Alexander Necken, một thầy tu người Anh chu trì.
Hơn bổn thế ky sau, Willian Gilbert (1540 - 1603) là bác sỹ đồng thời là nhà khoa
học đã cho ra đời cuốn sách DeMagnete (xuất ban năm 1600), sau khi nghiên cứu từ học
một cách có hệ thông.
Theo Gilbert, trái đất là một nam châm không lồ tạo từ trường giống như từ trường
sinh ra bởi một thanh nam châm. Ông cũng cho ràng, cực từ cua trái đất không trùng với
cực địa lý do trục trái đất quay. Cực từ Nam cua trái đất gần trùng với cực địa lý Bấc. Hiện
nay. qua các nghiên cứu, người ta còn nhận thấy cực từ trái đất thay đổi hướng với chu kỳ
hàng nghìn năm. Nguồn gốc từ trường cua trái dất vẫn chưa dược hiểu rõ. Tuy nhiên gia
thiết là sự chuyển động rối cua chất long dẫn điện trong lõi trái đất đà gây nên từ trường
cua nó dược nhiều người quan tâm.

1.2. Thòi kỳ hung thịnh về giái thích từ học (cố điển)
Sự hiểu biết có tính cách “cách mạng” về từ học chi dược bat đầu vào những năm
đầu cua thế kỷ XIX, trước hết, do sáu nhà khoa học, mà tên cua họ vần dược nhác đen
trong các sách giáo khoa và các tài liệu khoa học dương thời, đó là:
Harns Christion Oersted ( 1777 - 1851) phát hiện ra có một lực tác dụng lên kim nam
châm khi đặt gần dây dẫn có dòng điện chạy qua (tác dụng điện - từ),
Jean-Baptiste Biot (1774 - 1862) và Felix Savait (1791 - 1825) tìm thấy xung quanh
dây dẫn có dòng điện chạy qua có tồn tại một từ trường. Giờ đây, trong các sách giáo khoa
về điện - từ, ta thường gặp dịnh luật Bio - Savait về từ trường tạo bơi dòng điện.
Andre Marie Ampere (1775 - 1836) đã chứng minh được lực tương tác giữa hai dây
dần có dòng điện chạy qua (định luật Ampere),
Lý thuyết cổ dien ve điện - từ do hai nhà vật lý vĩ đại ờ thê ký XIX dưa ra, đó là
nhà thực nghiệm Michael Faraday (1791 - 1867) và nhà lý thuyết James Clerk Maxwell
(1831 - 1879).
Năm 1831, Faraday phát hiện bang thực nghiệm hiện tượng cam ứng điện từ và năm
1845 ỏng còn tìm ra moi quan hệ giữa hiện tượng từ và ánh sáng, dó là hiệu ứng quang - từ
(hiệu ứng Faraday). Sau này Jonh Kerr ( 1824 - 1907) cũng phát hiện ra được hiệu ứng tương
tự nhưnu đối với trường hợp ánh sáng phan xạ, được gọi là hiệu ứng Kerr vê quang từ.

15


Maxwell đã mô tá mối quan hệ giữa dòne điện và từ trường the hiện bằng hệ phương
trình Maxwell (1.1):

v.ổ = 0
V x£ = - —
<

-

Ôt

(

V.D = p

1.1)

Vx77 = - — +ỹ
dt

Trong đó B : là véctơ cám ứng từ,
E : véctơ cường độ điện trường,
D : véctơ cam ứng điện,
j : mật độ dòng điện, p là điện trớ suàt.
Việc phát hiện ra mối liên hệ giữa điện - từ trường đà tạo cơ sở cho các nehiên cứu
chê tạo các động cơ điện, máy phát điện, biến thế điện,...làm nền móng cho xã hội công
nghiệp ở cuối thẻ kỳ XIX.
Maxwell còn nghiên cứu đưa ra kết luận, ánh sáng là một dạng cùa sóng điện từ, thể
hiện qua biểu thức:
1
(

1. 2 )

C"(*.A O '-2
Trong đó, c là tốc độ ánh sáng, c = 2,998.10s m/s,
éo là hầng sổ điên môi trong chân không, e0 = — 10 11 F/m,
4n

/x<) là độ từ thám trong chân không, ị.t0 —4/r. 10

Henry/m (H/m).

Năm 1888 H. Hertz (1857 - 1894), người Đức, đã phát minh ra sóng radio là minh
chứng bảng thực nghiệm về lý thuyết của Maxwell.
Các ứng dụng quan trọng cùa dòne điện và từ trường đau the ký XX phái kể đến các
nhà khoa học sau:
- Nicola Tesla (1846 - 1943) ứnu dụng từ trường một chiều của dòng điện, phát
triển ứng dụng sóng vô tuyến và cách truyền tái điện công suất. Tesla được mang tên đơn
vị đo từ trường là tesla [T].
- Charles Steinmetz (1865 - 1923) phát minh ra từ trường xoay chiều, chế tạo ra các
động cơ cảm ứng điện từ.
1.3. Co’ sỏ’ lý thuyết vi mô giải thích hiện tưọng từ
Những năm đầu thế kỷ XX, việc đề xuất và phát triển mô hình cấu trúc nguyên tư đã
làm nền tảng đi sâu tìm hiếu bán chất cùa hiện tượng từ và vật liệu từ.

16


Năm 1913, Niels Bohr (1885 - 1962) đưa ra mô hình cấu trúc nguyên tử với momen từ
quỹ đạo cua dòng điện quỹ đạo mang đặc tính lượng từ. ít năm sau Otto Stem (1888 -1969)
và Wähler Gerlach (1889 - 1979) làm thực nghiệm, cho chùm điện tứ phát ra từ nguyên tử
bạc (Ag) đi qua một từ trường bất đồng nhất đã phát hiện ra sự định hướng spin điện từ bị
lượng tư hóa và xuât hiện lý thuyêt lượng tử về nguyên tử.
Tháng 1 năm 1925, w. Pauli đã quả quyết là, không thê có hai điện tử ở trên cùng
một trạng thải với các sô lượng từ như nhau được gọi là nguyên lý loại trừ Pauli. Hiện nay,
ta biết các số lượng tư đó là n. I, m. 5 , tương ứng là các số lượng tử chính, số lượng tử quỹ
đạo, số lượng tứ từ và số lượng tư spin.
Giai đoạn 1925 - 1928 vật lý lượng từ đă có bước nhảy vượt bậc với các nhà lý

thuyết w. Heisenberg (1901 - 1976), E. Schrödinger (1887 - 1961). cẩu trúc nguyên tử
đà được chấp nhận cả về lý thuyết và cá về thực nghiệm. Các điện từ có momen từ quỹ
đạo và momen từ spin, tạo nên momen từ cùa nguyên từ.
Cùng với việc đưa ra mô hình cấu trúc nguyên tử, lý thuyết về tương tác giữa các
nguyên tư trên cơ sờ lý thuyết lượng tư (Heisenberg) đã giải thích hiện tượng trật tự từ cùa
vật chât. Các mô hình lý thuyêt giải thích hiện tượng từ một cách tương đôi đơn giản được
đưa ra như: mô hình lý thuyết trường phân từ của Weiss giái thích hiện tưcyng sất từ; mô
hình Néel (1904 - 2000) giải thích hiện tượng phàn sắt từ và feri từ; lý thuyết Langevin
giai thích hiện tượng thuận từ cua các nguyên tố; định luật Curie giải thích về trật tự từ.
Các mô hình giải thích hiện tượng từ của kim loại và hợp kim trên cơ sở lý thuyết vùng
nâng lượng cua Staler (1900 - 1970) và Stoner (1899 - 1968), v.v. đã được nhiều nhà
khoa học đón nhận.
1.4. Sự phát triển các vật liệu từ
Các tính chất cùa vật liệu từ đã dược ứng dụng nhiều trong kỹ thuật và đời sống
hàng ngày. Với sự phát triển công nghiệp, ngày càng dời hòi có các vật liệu từ có chất
lượng và tính nãng cao hơn đê tâng hiệu suât thiêt bị và giàm bớt tôn hao năng lượng và
vật liệu.
Đôi với vật liệu từ mêm, cần có giá trị Hc thấp, độ từ thâm cao và độ tôn hao trong
trường xoay chiêu tần số cao thâp.
Đối với vật liệu ghi từ, cân ghi dược lưcmg thông tin cao trên một đơn vị thê tích để
tăng dung lưtmg cùa bộ nhớ cùa thiết bị.
Đối với vật liệu từ cứng dùng làm nam châm, cần vật liệu có năng lượng từ tỏa ra
ngoài không gian lớn trên một đơn vị thê tích nam châm và bèn vừng trong môi trường. Sự
phát triển cùa vật liệu dùng làm nam châm đưa ra ở báng 1.1 là một ví dụ.
Trong đời sống hiện đại, không thể không có vật liệu từ. Vật liệu tứ dược dùng trong
thu và phát tín hiệu radio; trong tivi, máy tính, điện thoại di động, các thiết bị dùng trong
gia đình, trong công nghiệp điện, V. V. . Ớ các nước phát triển, mồi một gia đình có tới 50
thiết bị dùng nam châm vĩnh cửu, một chiếc xe ô tô con hiện đại phái dùng tới 100 nam
châm. Theo ước tính của các nhà kinh tế, vào cuối thế ky XX, thị trưìmg nam châm thế

17


giới có giá trị tới 30 tỷ đô la Mỹ trong đó: trên 50 % là vật liệu ghi từ, = 30 % vật liệu từ
mềm và = 20 % vật liệu từ cứng.
Báng 1.1. Sự phát triên của vật liệu từ cứng.

Thời gian

Vật liệu

Tích năng lượng (#//)max

Đầu thế kỷ XX

Thép chứa cacbon

<1 MGOe

Những năm 40 thế kỳ XX

AlNiCo

2 - 5 MGOe

Những năm 50 thế kỷ XX

ferit Ba-Sr

1 - 5 MGOe

Những năm 70 thế ký XX

SmCos

>20 MGOe

Những năm 80 thế kỳ XX

Sm2Coi7

>30 MGOe

Giữa những năm 80 thế kỷ XX đến 1990

NdFeB

40 + 50 MGOe

1.5. Các nguồn tạo từ trường
Như ta đã biết, trái đất là một nam châm khổng lồ. Mọi động vật, thực vật, vật chât
trên trái đất đều chịu tác dụng của từ trường do trái đất tạo nên. Không chi trái đất, trong
vũ trụ có nhiều hành tinh, các ngôi sao cũng tạo ra từ trường và từ trường tồn tại trong
vũ trụ. Ngoài những yếu tố tự nhiên tạo nên từ trường, từ trường còn do con người tạo ra
với các mục tiêu khác nhau. Bàng 1.2 đưa ra một số số liệu về cường độ từ trường trong
tự nhiên, trong sinh hoạt hàng ngày và trong nghiên cứu khoa học với đơn vị đo lường
bàng tesla [T].
Bảng 1.2. Cường độ từ trường từ các nguồn khác nhau.

Vị trí, thiết bị

Cường độ từ trường (T)

- Từ trường tạo bời con người (bộ óc, trái tim)
-T ừ trường trong không gian đô thị
- Từ trường trên bề mặt trái đất
- Từ trường gần đường dây cáp điện trong gia đình
- Từ trường trên bề mặt mặt trời
- Từ trường ớ cửa tù lạnh gia đình
- Từ trường trên bề mặt nam châm Nd-Fe-B
- Khe từ của loa điện động
- Từ trường trong thiết bị chụp ảnh bàng cộng hưởng từ (MR1)
- Từ trường tạo bới cuộn dây siêu dần dùng trong phòng thí nghiệm
-T ừ trường một chiều cuộn dây solenoit (ốngdây) được làm nguội
-T ừ trường xung (100 ms)
- Từ trường xung (10 ms)
- Từ trường trong các sao nơtron

= 3.10 10
10 8- 10b
3.10 5 - 5.10 5
10 4
10 2
= 0,1
= 0,4
0,4 - 0,9
2
7 -2 0
30
60

80
108

18


Chưong 2
MỘT SÓ KHÁI NIỆM VÈ TỦ HỌC
VÀ PHÂN LOẠI VẬT LIỆU TỦ

2.1. Một số khải niệm về từ học
2.1. ỉ. Cực từ
Với các điện tích, có hai loại điện tích âm và điện tích dưcmg, và có thê tách riêng
biệt điện tích âm và điện tích dương. Còn đối với trường hợp từ, không có đơn cực từ, có
nghĩa là, không thể tách riêng đơn cực từ dương và dơn cực từ âm. Một nam châm vĩnh
cưu, cực dương và cực ảm (giả định) luôn luôn song hành với nhau. Tuy nhiên, ta có thê
già thiết là một đầu của nam châm là cực dương còn đầu kia của nam châm là cực âm.
Đường sức từ bao giờ cũng là đường cong khép kín, dường sức từ xuất phát từ cực dương
và đi vào cực âm.
Nếu ký hiệu P\ và Pi là cường độ từ ờ hai điếm cực dương và âm cách nhau một
khoáng cách là d, lực tác dụng của hai cực theo định luật Coulomb là:
= l i^ -(h ê C G S )
d

(2.1)

Cần lưu ý là, nếu hai cực là trái dấu (âm, dương) sẽ hút nhau (F < 0), cùng dấu hai
cực từ sẽ đấy nhau (F > 0).
2.1.2. Cường độ từ trường (11)

s

N

F

//

Hình 2.1. Lực tác dụng cùa từ trường ngoài lên cực từ.

Đặt thanh nam châm vào một từ trường đồng nhất tạo bời cuộn dây solenoit có
cường độ H (hình 2.1). Nam châm với cực từ có độ lớn là p , sẽ chịu tác dụng một lực là:
F = ~pH

(2.2)

77= -^-(hệC G S )
d

(2.3)

Từ trường tạo bởi cực từ:

19


Giả sử từ trường được tạo bơi dòng điện, theo định luật Bio - Savart, từ trường tạo
bưi phàn tư dòng điện ids (hình 2.2) tại một diêm A cách dây dần một khoảng r có dạng:
dH =

idS.r

(2.4)

Đối với dây dẫn thẳng dài vô hạn có dòng
điện i chạy qua, từ trường có cường độ:
2nr

(2.5)

Từ trường ớ tâm cuộn solenoit có độ dài lớn
hơn nhiều lần đường kính là:
H = ni

(2.6)

Trong đó / là cường độ dòng điện, n là số
vòng dây trên một đơn vị độ dài (n = N/l, N là
tông số vòng dây và / là chiều dài cuộn dây
solenoit). Nếu / đo bằng Ampe (A), n đo bàng số
vòng dây trên một mét, thi H có đơn vị là A/m.

Hình 2.2. Từ trường tạo bới phần tứ

dòng idS.

2.1.3. Từ độ (7 )
Hình 2.3 a mô tà một thanh nam châm chiều dài là / có hai cực bẳc (N) và nam (S).
Điểm giữa cùa thanh là trung hòa.
4------ ---------- /-----------------►

4—— 112------- ►
b) s

N 'M M l N

s

Ngu

c)
Hình 2.3. Mâu từ tính luôn luôn có hai cực từ s và N.

Khi ta chia thanh làm hai phần bàng nhau, mỗi nứa thanh lại trớ thành một nam
châm có hai cực bẳc - nam (hình 2.3 b). Tiếp tục chia đôi nhỏ thanh nam châm, ta vẫn có
một nam châm với hai cực bắc và nam. Điều này có liên quan tới cơ chế vi mô cùa thanh
nam châm (sẽ mô tả chi tiết ở chương sau). Momen từ cua nam châm (hay lường cực từ):
Trường hợp (a)

m = p.l

Trường hợp (b)

m - P- 2

(2.7)

20

Từ độ hay sô momen từ tron^ một đơn vị thê tích nam châm là:
Trường hợp (a)

7=—
V

Trường h(Tp (b)

7S

( 2 . 8)

l
2 V

Vậy là, với cùng một vật liệu (nam chàm) số momen từ trong một đom vị thê tích là
như nhau nếu vật liệu là đồng nhất. Từ độ là do vật liệu từ tạo ra. Năng lượng của momen
từ của nam châm trong từ trường là:
(2.9)

E =-m H
2.1.4. Cùm intg từ ( B )

Cám ứng từ B hay mật độ từ thông Ỷ gôm đóng góp cùa từ trường ( H ) tạo bởi
cuộn dây và từ độ ( / ) cùa vật liệu từ được từ hóa đặt trong lòng cuộn dây (hình 2.4).

Hình 2,4. Cam ứng tù

B trong vật liệu được từ hóa.

Biêu thức tông quát cua B là:

B = aH + bl

( 2 . 10)

a và b là các hàng số phụ thuộc vào hệ đơn vị sừ dụng. Ví dụ: trong hệ CGS (centimét,
gam, giây), B được đo bang gauss:
7ĩ = 77 + 4/r7

(2.11)

Trong hệ SI (mét, kilogam, giây), B được đo bằng tesla:
B = Mo( h + Ĩ)

(2.12)

Với ỊMt là độ từ thấm chân không p0 = 4;r. 1O'7H/m (hay Wb/A.m)
2.1.5. Độ tù tham (ụ) và độ cảm từ hoặc hệ số từ hóa (x)
Độ từ thâm là hệ sô tỷ lệ cùa cảm ứng từ khi vật liệu được từ hóa
7? = /v77
Hay

// = — = 1+ —

(2.13)
(hệCGS)

(2.14)

21


Độ cảm từ xác định độ “nhạy cảm” về từ hóa cua vật liệu dưới tác dụng cua từ
trường ngoài:
/ = * //

(2.15)

X là thông số quan trọng đê phân biệt các loại vật liệu từ. Tông hợp về môi quan hệ giữa
các thông số từ đưa ra ở báng (2.1) trong hệ SI:
Báng 2.1. Các tliông số từ chú yếu cùa vật liệu từ.

2.1.6. Hệ đơn vị đo từ
Có hai hệ đơn vị là SI (hệ đơn vị do lường quốc tế) và hệ CGS dược sư dụng rộng
rãi. Hiện nay hệ SI được dùng nhiều trong kỹ thuật, hệ CGS thường dùng trong các tài liệu
có tính chất cơ ban.
Với hệ SI:

ổ = //„(77+ 7)

Trong đó B = tesla [T] hay (V.s/m2),
H ,I = Ampe/m [A/m],
jUo= 47T. 1 0 7 Henry/m [H/m]
B = H + 4/r/

Với hệ CGS:

Trong hệ CGS fi()= 1, không có dơn vị.
B = gauss [G],

H = oersted [Oe],
/ = emu/cm' (đơn vị đo điện từ/cnr).
2.1.7. Chuyến dồi một sổ dơn vị từ hai hệ CGS và S ỉ (báng 2.2 a), biêu thúc các thông
số từ chủ yếu (bung 2.2 b)
Bàng 2.2. a.
Đại lượng vật lý

Hệ SI

F (lực)

1 din

10 5 N

H (từ trường)

lOe

79,58 A/m

B (cám ứng từ)

1G

10 4T

E (năng lượng)

lerg

10 7J

1emu/cnr

12,57.10 4 Wb/m2; Wb = kgnr/s2A

M (từ độ)
// (độ từ thẩm)

22

Hệ CGS

1 + 4n/

M>(1 + X) H/ni


Bung 2.2. b.

Thông số vật lý

Hệ SI

Hệ CGS
F -^ W in )
r

F=

Từ trường tạo bởi cực từ

/ / = 4r ( ° e>

h

Cám ứng từ

B = H + 4trĩ

B = //„(77 + 7) (T)

Năng lượng 1 lưỡng cực từ

E - - m H (erg)

E = - / j 0mH (J)

Độ cám từ

/
emu
X = —( 3 “ )
H cm .Oe

Y - = (không đơn vi)
H

Lực tương tác giữa các cực từ

B

Độ từ thâm

G
l+4i*

1 p>ộ- (N)
4/r//0 r

1 ~p (
=t — 4 4^u0 r Vm J

B
Wb
ft = — = //0(1+ T)(
)
H
A.m

2.2. Các loại vật liệu từ
Đe phân loại vật liệu từ trên quan điểm nghiên cứu cơ bán, người ta dựa vào dấu và
độ lớn cùa độ cảm từ (x) và sự phụ thuộc vào nhiệt độ cùa nó.
2.2. ỉ. Các chất nghịch từ
Khi không có từ trường ngoài tác dụng, chất nghịch từ không có momen từ. Khi có
từ trường ngoài tác dụng, momen từ cua chất nghịch từ định hướng ngược với hướng từ
trưởng ngoài. Do đó, độ cảm từ X có giá trị âm và độ lớn của X là nhỏ.
Ví dụ: Đồng kim loại: ^ = -0 ,9 4 .1 0 5 ( hệ CGS),

Chì kim loại: x ~ ~ 1,70.10 5 ( hệ CGS),
Nước nguyên chất: x ~ ~ 0,88.10‘s ( hệ CGS).
Các giá trị trên đều đo ờ nhiệt độ phòng và ít (hoặc không) thay đổi theo nhiệt độ.
Chat siêu dẫn dược gọi là chất nghịch từ lý tưởng (hay chất nghịch từ mạnh) vì X là âm và
có giá tri lớn gấp nhiều bâc so với các chất nghich từ kể trên (x = ----- ). Tất cả các nguyên
471

tô trong bang tuân hoàn các nguyên tô đêu có tính chât nghịch từ. Do hiệu ứng nghịch từ
cua các nguyên tô quá nhỏ và bị các hiệu ứng khác chiêm ưu thế hơn nên khó phát hiện.
2.2.2. Các chất thuận từ
Các chất thuận từ thường chứa các nguyên tứ (phân tứ) có momen từ nhất định. Tuy
nhiên, các momen từ này lại tôn tại độc lập, định hướng hồn loạn nên từ độ tổng cộng
bàng không. Khi có tác động của từ trường ngoài, các momen từ định hướng theo hướng

23


từ trường ngoài nên tông momen từ tăng lên và ty lệ với cường độ từ trường neoài. Như
vậy, độ cảm từ của chât này là dươnư nhưng có giá trị nhỏ.
Kim loại bạch kim: x = + 2,90.10 5 ( hệ CGS),

Ví dụ:

Nhôm kim loại: x = + 2,10.10 5 ( hệ CGS),
Oxy lỏng: x ~ + 3,5.10 5 ( hệ CGS).
Nhiêu nguyên tô thuộc nhóm kim loại chuyên tiếp trong bang tuần hoàn các nguyên
tố có tính chất thuận từ.
2.2.3. Các chất sắt tù’
Là các chất có momen từ tự phát ớ dưới một nhiệt độ đặc trưng cho từng chất, gọi là
nhiệt độ Curie (Tç). Sờ dĩ có trật tự từ là do tương tác nội tại giữa các momen từ cua các

nguyên tư có momen từ khác không. Tronc báng tuân hoàn các nguyên tỏ, có 3 nguyên tô
là Fe, Co, Ni thuộc nhóm kim loại chuyển tiếp 3d và nguyên tố Gd thuộc nhóm kim loại
chuyên tiêp 4f là có trật tự từ tự phát ở trên nhiệt độ phòng và ơ nhiệt độ phòng. Nhiêu
nguyên tố chuyển tiếp khác cùa nhóm 4f có nhiệt độ trật tự từ ở dưới nhiệt độ phòng.
Cho đến nay, người ta đã phát hiện hàng trăm kim loại, hợp kim, hợp chât có tính
chất sắt từ. Do có tính chất từ tự phát nên ỵ của các chất này có giá trị lớn.
2.2.4. Các chất phán sắt từ
Đó là các chất mà các momen từ định hướng đoi song song và bù trừ nhau ớ dưới
một nhiệt độ nhất định, gọi là nhiệt độ Néel (7 n). độ cảm từ cua các chàt không lớn và có
giá trị dương.
2.2.5. Các chất feri từ
Các feri từ có trật tự từ tự phát ờ dưới nhiệt độ Curie. Thông thường, đó là hợp chất
cùa kim loại chuyển tiếp và các nguyên tư oxy. Các momen từ cua chât phán sât từ sắp đôi
song song, nhưng không bù trừ nhau, như các chât : FCO.FC3O4, GdiFe.sOi;,...Độ cam từ
cùa các chất này tương đối lớn và có giá trị dương. Hình 2.5 là tổng hợp giá trị xcua các
vật liệu nêu trên.
Nghịch từ

-1

-10°

X

V

^Siêu dần

-104

Feri từ, sắt từ

Thuận từ, phan sắt từ

)

104

X .

V

10 '

10

104

Hình 2.5. Tông hợp các giá trị X cua các loại vật liệu từ (hệ SI).

24

1(r


2.3. Sụ phụ thuộc vào nhiệt độ và từ truòng của X 1và momen từ (M ) cùa các vật liệu tù
Phưcmu pháp thực nghiệm quan trọng đè phàn loại các vật liệu từ là đo sự phụ thuộc
X vào nhiệt độ. Hình 2.6 mô tả đồ thị về xi T) cùa các chất từ tính khác nhau.
_Ị_
o o

o

X"

o o o +
Nghịch từ

M

\ I 1
M

I

sát từ
0

0

T

Hình 2.6. Sự phụ thuộc vào nhiệt độ cùa X 1 V(J momen từ (M) cua các vật liệu từ khác nhau. Phía
bên trái các đõ thị là mô hình sáp xêp mornen từ cua các nguyên tư từ.

Với các chất nghịch từ, X 1không phụ thuộc vào nhiệt độ. Sự phụ thuộc X 1của chất
thuận từ là đường thăng qua gốc tọa độ. Đó là chât thuận từ lý tướng. Các chât săt từ và
feri từ có rnoinen từ tự phát (A/s ?í0) ớ nhiệt độ T < r c và ớ T > Tc là chất thuận từ. Với
chất phan sắt từ, T < T\ các momen từ sắp xếp đối song song và bù trừ nhau nên Xgiảm,
khi T> Tu là chất thuận từ.

Sự phụ thuộc vào từ trường ngoài cua momen từ các chất nghịch từ, thuận từ và
phan sắt từ (hình 2.7 a) và cua chất feri từ và sắt từ (hình 2.7 b) có dáng điệu rất khác
nhau. Với các chất nghịch từ đường M(H) có hệ số góc là âm còn đối với chất thuận từ và

25