NGHIÊN CỨU CẤU HÌNH TỐI ƯU CỦA VẬT LIỆU TỪ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA ĐIỆN TỬ-VIỄN THÔNG

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Đề tài:

NGHIÊN CỨU CẤU HÌNH TỐI ƯU
CỦA VẬT LIỆU TỪ

Người thực hiện: Lâm Huỳnh Quang Phương
Lớp: 09DT2
Người hướng dẫn: TS. Bùi Thị Minh Tú

Đà Nẵng – 2014


LỜI CAM ĐOAN
Em xin cam đoan nội dung của đồ án này không phải là bản sao chép của bất cứ đồ
án hoặc công trình đã có từ trước.
Đà Nẵng, ngày 22 tháng 05 năm 2014
Ký tên


BẢNG PHÂN CÔNG
Phần công việc chung:
 Tìm kiếm tài liệu tham khảo.
 Khái quát công việc phải làm, nghiên cứu tài liệu.
 Tổng hợp ý kiến, trao đổi về nội dung đồ án.
 Chia công việc cho mỗi thành viên biên soạn.
 Tổng hợp nội dung đồ án.
 Mô phỏng.

Phân công công việc cụ thể:
 Lý thuyết:
Nguyễn Thị Thảo : chương 1, 2, 3, 4.
Lâm Huỳnh Quang Phương: chương 1, 2, 4, 5.


Mục lục
Lời mở đầu ..................................................................................................................1
Chương 1 Từ tính ......................................................................................................3
1.1 Giới thiệu chương ...............................................................................................3
1.2 Từ tính ở tầm vi mô (nguyên tử) .........................................................................3
1.2.1 Moment từ của hạt nhân nguyên tử ..................................................................4
1.2.2 Moment từ của các electron .............................................................................4
1.3 Từ tính ở tầm vĩ mô.............................................................................................5
1.3.1 Mối quan hệ của H, M và B .............................................................................5
1.3.2 Hằng số từ thẩm và độ cảm ứng từ ..................................................................5
1.3.3 Phân loại vật liệu sắt từ ....................................................................................6
1.3.3.1 Vật liệu nghịch từ ..........................................................................................7
1.3.3.2 Vật liệu thuận từ ............................................................................................8
1.3.3.3 Vật liệu sắt từ ................................................................................................9
1.3.3.4 Vật liệu sắt từ yếu .........................................................................................9
1.3.3.5 Vật liệu phản sắt từ .....................................................................................10
1.4 Tính chất của vật liệu sắt từ ..............................................................................10
1.4.1 Nhiệt độ Curie ................................................................................................11
1.4.2 Đường từ trễ ...................................................................................................11
1.4.3 Cấu tạo miền ..................................................................................................13
1.5 Năng lượng của hệ thống ..................................................................................15
1.5.1 Năng lượng hoán đổi ......................................................................................16
1.5.2 Năng lượng tinh thể từ không đẳng hướng ....................................................16

1.5.3 Năng lượng từ tĩnh .........................................................................................18
1.5.3.1 Năng lượng Zeeman ....................................................................................18
1.5.3.2 Năng lượng khử từ ......................................................................................18
1.6 Kết luận chương ................................................................................................19
Chương 2 Vòng từ trễ .............................................................................................20
2.1 Giới thiệu chương .............................................................................................20
2.2 Vòng từ trễ ........................................................................................................20
2.2.1 Vòng từ trễ và miền từ hóa.............................................................................21
2.2.2 Các đặc tính vòng từ trễ .................................................................................25
2.2.3 Những khó khăn khi lý giải vòng từ trễ .........................................................28
2.3 Đặc tính chung của từ trễ ..................................................................................31
2.3.1 Các đường cong từ hóa ..................................................................................32
2.3.2 Tiến trình từ hóa và hiệu ứng Barkhausen .....................................................34
2.4 Kết luận chương ................................................................................................37
Chương 3 Miền từ hóa và cấu hình miền ................................................................38
3.1 Giới thiệu chương .............................................................................................38
3.2 Giới thiệu về mô hình domain ..........................................................................38
3.2.1 Thuyết miền từ hóa tự nhiên ..........................................................................38
3.2.2 Giải thích tính chất của sắt từ .........................................................................40
3.2.3 Các dạng cấu hình domain .............................................................................42
3.2.4 Trạng thái domain ban đầu của hệ thống .......................................................43
3.2.4.1 Mối quan hệ giữa chiều dài L1 và chiều rộng D .........................................44
3.2.4.2 Mối quan hệ giữa chiều dài L1, L2, chiều rộng D, và góc α ........................44
3.3 Sự thay đổi cấu trúc mô hình domain dưới sự tác động của từ trường ngoài ...45


3.3.1 Mô hình cho sự di chuyển của các bức tường................................................45
3.3.2 Tính toán từ hóa theo chuyển động của bức tường ........................................46
3.3.3 Tính toán mật độ năng lượng thay đổi theo d khi áp từ trường ngoài H vào.48

3.4 Kết luận chương ................................................................................................49
Chương 4 Sơ lược về FEMM (Finite Element Method Magnetics) .......................50
4.1 Giới thiệu chương .............................................................................................50
4.2 Phương pháp phần tử hữu hạn ..........................................................................50
4.3 Phân tích phần tử hữu hạn .................................................................................51
4.4 Điều kiện biên ...................................................................................................52
4.4.1 Điều kiện biên Dirichlet .................................................................................52
4.4.2 Điều kiện biên Neumann ................................................................................52
4.4.3 Điều kiện biên Robin .....................................................................................52
4.5 Ngôn ngữ LUA..................................................................................................53
4.5.1 Giới thiệu........................................................................................................53
4.5.2 Lệnh thiết lập..................................................................................................53
4.5.3 Lệnh tiền xử lý ...............................................................................................53
4.5.4 Lệnh hậu xử lý................................................................................................55
4.6 Kết luận chương ................................................................................................56
Chương 5 Mô phỏng bằng phương pháp phần tử hữu hạn .....................................57
5.1 Giới thiệu chương .............................................................................................57
5.2 Xác định trạng thái ban đầu của cấu hình năng lượng bền vững ......................57
5.2.1 Chứng minh cấu hình bền vững .....................................................................57
5.2.1.1 Kết quả ........................................................................................................57
5.2.1.2 Nhận xét ......................................................................................................59


5.2.2 Xác định trạng thái ban đầu ...........................................................................59
5.2.2.1 Mô tả ...........................................................................................................59
5.2.2.2 Kết quả ........................................................................................................61
5.2.2.3 Nhận xét ......................................................................................................62
5.3 Mô hình tối ưu cho sự di chuyển của các bức tường ........................................62
5.3.1 Cách di chuyển thứ nhất .................................................................................62
5.3.1.1 Mô tả ...........................................................................................................62

5.3.1.2 Kết quả ........................................................................................................64
5.3.1.3 Nhận xét ......................................................................................................65
5.3.2 Cách di chuyển thứ hai ...................................................................................65
5.3.2.1 Mô tả ...........................................................................................................65
5.3.2.2 Kết quả ........................................................................................................66
5.3.2.3 Nhận xét ......................................................................................................67
5.3.3 So sánh hai cách di chuyển ............................................................................67
5.3.3.1 Mô tả ...........................................................................................................67
5.3.3.2 Kết quả ........................................................................................................68
5.3.3.3 Nhận xét ......................................................................................................68
5.3.4 Sự thay đổi năng lượng do bức tường di chuyển khi đặt trong từ trường .....68
5.3.4.1 Kết quả ........................................................................................................68
5.3.4.2 Nhận xét ......................................................................................................72
5.4 Kết luận chương ................................................................................................73
Kết luận và hướng phát triển đề tài ...........................................................................74
Tài liệu tham khảo .....................................................................................................76
Phụ lục .......................................................................................................................78


Các từ viết tắt

FEMM

Finite Element Method Magnetics

Hc

Coercive field

M

Magnetization

Mr

Remanence Magnetization

Ms

Spontaneous Magnetization

Tc

Curie Temperature


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.


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 Fe77.5Si7.5B15 có độ dài l .
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.


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  với L1  10 m , D  2 y0  2 m .
Hình 5.9: Xác định  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.
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  20 m , D  2 y0  2 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.


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.

1


Chương 2: Vòng từ trễ.
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.

2


Chương 1. Từ tính

Chương 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].
3

Chương 1. Từ tính
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.
4


Chương 1. Từ tính
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.
1.3 Từ tính ở tầm vĩ mô
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.
(
Với hằng số

(

)

(1.2)

) 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)
5


Chương 1. Từ tính
Hằng số từ thẩm µ được xác định bởi độ dốc của đường cảm ứng từ B theo từ
trường H:
(

)

(

)

(1.4)

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:
 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.
1.3.3 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:

6

Chương 1. Từ tính
 Vật liệu nghịch từ.
 Vật liệu thuận từ.
 Vật liệu sắt từ.
 Vật liệu sắt từ yếu.
 Vật liệu phản sắt từ.
1.3.3.1 Vật liệu nghịch từ
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

a)

b)

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

7


Chương 1. Từ tính
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 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

a)

b)

Hình 1.4: Vật liệu thuận từ [3].
a) M là hàm của H
b) χ là hàm của nhiệt độ T
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).
8


Chương 1. Từ tính
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 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.

9


Chương 1. Từ tính

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

10


Chương 1. Từ tính
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 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 MR. Từ hóa dư thể hiện khả năng của vật liệu để giữ lại một độ từ hóa nhất
11


Chương 1. Từ tính
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.
 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].
12


Chương 1. Từ tính
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.

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].
13