Bài 34. Sự từ hóa các chất - Sắt từ (đính kèm powerpoint)

Nhóm 2 – 11A1 – THPT Nguyễn Trãi
1
Bài báo cáo số 4:
SỰ TỪ HOÁ CÁC CHẤT – SẮT TỪ
1. Các chất thuận từ và nghịch từ:
Các chất trong tự nhiên khi đặt trong từ trường đều bị từ hoá. Tuy nhiên không phải chất nào cũng
có khả năng bị từ hoá như nhau. Chỉ một số chất có tính từ hoá mạnh (sắt từ - sẽ xét ở phần 2) và đa số
còn lại là các chất có tính từ hoá yếu, bao gồm: chất thuận từ và chất nghịch từ.
1.1. Chất thuận từ:
Chất thuận từ là chất có mômen từ nguyên từ, nhưng mômen từ này rất nhỏ, có thể xem một
cách đơn giản các nguyên tử của chất thuận từ như các nam châm nhỏ (xem hình 4), nhưng không liên
kết được với nhau (do khoảng cách giữa chúng xa và mômen từ yếu).
Hình 1. Hình ảnh đơn giản về chất thuận từ.
Khi đặt từ trường ngoài vào chất thuận từ, các "nam châm" (mômen từ nguyên tử) sẽ có xu hướng bị
quay theo từ trường, vì thế mômen từ của chất thuận từ là dương, tuy nhiên do mỗi "nam châm" này có
mômen từ rất bé, nên mômen từ của chất thuận từ cũng rất nhỏ. Hơn nữa, do các nam châm này không
hề có tương tác với nhau nên chúng không giữ được từ tính, mà lập tức bị mất đi khi ngắt từ trường
ngoài.
Như vậy, chất thuận từ về mặt nguyên lý cũng bị hút vào từ trường (một hình ảnh ví dụ là Ôxy
lỏng bị hút vào cực của nam châm điện (hình 5 - Haliday et al. Fundamentals of Physics, 7
th
Ed.) nhưng
thực tế, bức tranh này ta chỉ quan sát thấy trong từ trường mạnh.
Kết luận: (tóm tắt ý chính cần nhớ)
1
Nhóm 2 – 11A1 – THPT Nguyễn Trãi
1
- Tính chất thuận từ thể hiện ở khả năng hưởng ứng thuận theo từ trường ngoài, có nghĩa là các chất
này có mômen từ nguyên tử (nhưng giá trị nhỏ), khi có tác dụng của từ trường ngoài, các mômen
từ này sẽ bị quay theo từ trường ngoài, làm cho cảm ứng từ tổng cộng trong chất tăng lên.
- Một số chất thuận từ điển hình là Al, Na, O

2
, Pt...
1.2. Chất nghịch từ:
"Nghịch" ở đây có thể hiểu là chống lại từ trường. Đó là thuộc tính cố hữu của mọi vật chất. Ta biết
rằng, khi đặt một vật vào từ trường, theo quy tắc cảm ứng điện từ, trong nội tại của nguyên tử sẽ sinh ra
dòng cảm ứng theo quy tắc Lenz, tức là dòng sinh ra sẽ có xu thế chống lại nguồn sinh ra nó (từ
trường), và tạo ra một mômen từ phụ ngược với chiều của từ trường ngoài. Đó là tính nghịch từ.
Chất nghịch từ là chất không có mômen từ nguyên từ (tức là mômen từ sinh ra do các điện tử
bù trừ lẫn nhau), vì thế khi đặt một từ trường ngoài vào, nó sẽ tạo ra các mômen từ ngược với từ
trường ngoài (quy tắc nghịch từ nói ở trên). Theo nguyên lý, vật nghịch từ sẽ bị đẩy ra khỏi từ
trường. Nhưng thông thường, ta khó mà quan sát được hiệu ứng này bởi tính nghịch từ là rất yếu
(độ từ thẩm của chất nghịch là nhỏ hơn và xấp xỉ 1 - độ cảm từ âm và rất bé, tới cỡ 10
-6
). Các chất
nghịch từ điển hình là H
2
O, Si, Bi, Pb, Cu, Au...
Trong từ trường thì các chất thuận từ và nghịch từ bị từ hoá, nhưng khi ta khử từ trường ngoài thì
các vật này nhanh chóng trở lại trạng thái bình thường, khi đó từ tính của chúng bị mất
2. Các chất sắt từ
Các chất có tính từ hoá mạnh hợp thành một nhóm gọi là chất sắt từ. Các chất sắt từ điển hình: Fe,
Ni, Co, Gd,…
Giải thích tính từ hoá của sắt: (sgk/166)
Thông tin thêm:
Sắt từ là các chất có từ tính mạnh, hay khả năng hưởng ứng mạnh dưới tác dụng của từ trường
ngoài, mà tiêu biểu là sắt (Fe), 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.
Tính sắt từ dùng để chỉ thuộc tính (từ tính mạnh) của các chất sắt từ.
Chất sắt từ là một trong những vật liệu được sử dụng sớm nhất trong lịch sử loài người, với việc sử

dụng các đá nam châm làm la bàn hoặc làm các vật dụng hút sắt thép (thực chất đó là các quặng Fe
3
O
4
)
từ hơn 2000 năm trước (mà xuất phát là từ Trung Hoa và Hy Lạp cổ đại).
Các chất sắt từ (ví dụ như sắt (Fe), côban (Co), niken (Ni), gađôli (Gd)... là các chất sắt từ điển hình.
Các chất này là các chất vốn có mômen từ nguyên tử lớn (ví dụ như sắt là 2,2 μ
B
, Gd là 7 μ
B
...) và nhờ
tương tác trao đổi giữa các mômen từ này, mà chúng định hướng song song với nhau theo từng vùng
(gọi là các đômen từ tính. Mômen từ trong mỗi vùng đó gọi là từ độ tự phát - có nghĩa là các chất sắt từ
2
Nhóm 2 – 11A1 – THPT Nguyễn Trãi
1
có từ tính nội tại ngay khi không có từ trường ngoài. Đây là các nguồn gốc cơ bản tạo nên các tính chất
của chất sắt từ
2.1. Sắt từ mềm:
• Dễ từ hóa và dễ khử từ
• Thường được dùng làm vật liệu hoạt động trong từ trường ngoài, ví dụ như lõi biến thế, lõi nam
châm điện, các lõi dẫn từ...
• Một số loại sắt từ mềm: tôn silic, hợp kim Permalloy, hợp kim FeCo, gốm ferrite MO.Fe
2
O
3
,
hợp kim vô định hình và nano tinh thể
Một số loại sắt từ mềm:

• Tôn Silic: Là hợp kim của sắt (khoảng 85%), với Silic (Si), hoặc chứa thêm khoảng 5,4% nhôm
(Al), còn được gọi là hợp kim Sendust, là một trong những vật liệu sắt từ mềm được dùng phổ biến
nhất có độ cứng cao, có độ từ thẩm cao và tổn hao trễ thấp. Tuy nhiên, vật liệu này trên nền kim
loại, nên có điện trở suất thấp, do đó không thể sử dụng ở tần số cao do sẽ làm xuất hiện tổn hao
xoáy lớn.
• Hợp kim Permalloy: Là hợp kim của niken (Ni) và sắt (Fe), có lực kháng từ rất nhỏ, độ từ thẩm rất
cao (vật liệu Ni
75
Fe
25
có độ từ thẩm ban đầu lớn tới 10000), có độ bền cơ học và khả năng chống ăn
mòn cao. Tuy nhiên, permalloy có từ độ bão hòa không cao.
• Hợp kim FeCo: là các hợp kim từ mềm có từ độ bão hòa cao, nhiệt độ Curie cao
• Các vật liệu gốm ferrite: Là hợp chất của ôxit Fe (Fe
2
O
3
) với một ôxit kim loại hóa trị 2 khác, có
công thức chung là MO.Fe
2
O
3
. Các ferrite mang bản chất gốm, nên có điện trở suất rất cao nên tổn
hao dòng xoáy của ferrite rất thấp, được dùng cho các ứng dụng cao tần và siêu cao tần.
• Hợp kim vô định hình và nanô tinh thể: Là các hợp kim nền sắt hay cô ban (Co), ở trạng thái vô
định hình, do đó có điện trở suất cao hơn nhiều so với các hợp kim tinh thể, đồng thời có khả năng
chống ăn mòn, độ bền cơ học cao, và có thể sử dụng ở tần số cao hơn so với các vật liệu tinh thể
nền kim loại. Vật liệu vô định hình không có cấu trúc tinh thể, nên triệt tiêu dị hướng từ tinh thể, vì
thế nó có tính từ mềm rất tốt. Vật liệu vô định hình nền Co còn có từ giảo bằng 0 nên còn có lực
kháng từ cực nhỏ. Khi kết tinh từ trạng thái vô định hình, ta có vật liệu nano tinh thể, là các hạt nanô

kết tinh trên nền vô định hình dư, triệt tiêu từ giảo từ tổ hợp hai pha vô định hình và tinh thể nên có
tính từ mềm cực tốt và có thể sử dụng ở tần số cao. Vật liệu từ mềm nano tinh thể thương phẩm tốt
nhất là [FINEMET] (Fe
73,5
Si
13,5
B
9
Nb
3
Cu
1
) được phát minh bởi Yoshizawa (Hitachi Metal Ltd, Nhật
Bản) năm 1988 và nhiều thế hệ khác được phát triển sau đó.
2.2. Sắt từ cứng:
• Khó khử từ và khó bị từ hóa
• Dùng để chế tạo các nam châm vĩnh cửu hoặc được sử dụng làm vật liệu ghi từ trong các ổ đĩa
cứng, các băng từ
• Một số loại sắt từ cứng: hợp kim AlNiCo, gốm ferrite (BaFe
x
O, SrFe
x
O), sắt từ cứng liên kim
loại chuyển tiếp - đất hiếm, hợp kim FePt và CoPt, nam châm tổ hợp trao đổi đàn hồi, …
Một số loại sắt từ cứng:
• Hợp kim AlNiCo: Là hợp kim được sử dụng trong nam châm vĩnh cửu, có thành phần chủ yếu là
nhôm (Al), niken và côban (Co), có thể có thêm các thành phần phụ gia như đồng (Cu), titan (Ti),...
Hợp kim này có từ dư cao, nhưng có lực kháng từ khá nhỏ (thường không vượt quá 2 kOe) và có giá
thành cao.
3

Nhóm 2 – 11A1 – THPT Nguyễn Trãi
1
Hình 2. Cấu trúc tinh thể của NdFeB
• Vật liệu từ cứng ferrite: Là các gốm ferrite, mà điển hình là ferrite bari (BaFexO), stronsti
(SrFexO) và có thể bổ sung các nguyên tố đất hiếm (ví dụ lanthannium (La)) để cải thiện tính từ
cứng. Ferrite là vật liệu có 2 phân mạng từ bù trừ nhau, và chứa hàm lượng ôxi lớn nên khó tạo ra từ
độ lớn, nhưng lại có lực kháng từ lớn hơn rất nhiều so với AlNiCo. Lực kháng từ của ferrite có thể
đạt tới 5 kOe. Ferrite có điểm mạnh là rẻ tiền, chế tạo dễ dàng và có độ bền cao. Vì thế nó chiếm
phần lớn thị phần nam châm thế giới (tới hơn 50%) dù có phầm chất không phải là cao.
• Các vật liệu từ cứng liên kim loại chuyển tiếp - đất hiếm: Điển hình là hai hợp chất Nd
2
Fe
14
B và
họ SmCo (Samarium-Cobalt), là các vật liệu từ cứng tốt nhất hiện nay. Hợp chất Nd2Fe14B có cấu
trúc tứ giác, có lực kháng từ có thể đạt tới trên 10 kOe và có từ độ bão hòa cao nhất trong các vật
liệu từ cứng, do đó tạo ra tích năng lượng từ khổng lồ. SmCo là loại vật liệu từ cứng có lực kháng từ
lớn nhất (có thể đạt tới 40 kOe), và có nhiệt độ Curie rất cao nên thường sử dụng trong các máy móc
có nhiệt độ hoạt động cao (nam châm nhiệt độ cao). Tuy nhiên, nhược điểm của các nam châm đất
hiếm là có độ bền không cao (do các nguyên tố đất hiếm dễ bị ôxi hóa), có giá thành cao do các
nguyên tố đất hiếm có giá thành rất cao, vật liệu NdFeB còn có nhiệt độ Curie không cao lắm
(312oC) nên không sử dụng ở điều kiện khắc nghiệt được. Nam châm đất hiếm có tích năng lượng
từ kỷ lục là Nd
2
Fe
14
B đạt tới 57 MGOe.
• Hợp kim FePt và CoPt: Bắt đầu được nghiên cứu từ những năm 1950s. Hệ hợp kim này có cấu
trúc tinh thể tứ giác tâm diện (fct), thuộc loại có trật tự hóa học L10, có ưu điểm là có lực kháng từ
lớn, có khả năng chống mài mòn, chống ôxi hóa rất cao. Loại hợp kim này hiện nay đang được sử

dụng làm vật liệu ghi từ trong các ổ cứng.
• Nam châm tổ hợp trao đổi đàn hồi: Loại vật liệu được bắt đầu phát triển từ những thập kỷ 90 của
thế kỷ 20, với cấu trúc tổ hợp của 2 loại vật liệu: vật liệu từ mềm cung cấp từ độ bão hòa lớn, vật
liệu từ cứng cho lực kháng từ cao, và các hạt tổ hợp ở kích thước nanomet, có liên kết trao đổi với
nhau, tạo ra tính chất tổ hợp và sẽ cho loại nam châm mới với tính từ cứng tuyệt vời, lớn hơn tất cả
các vật liệu từ cứng đã biết. Tuy nhiên, vào thời điểm hiện tại, các tính chất đạt được trong thực tế
còn thua xa dự đoán lý thuyết do chưa tạo được cấu trúc hoàn hảo như dự đoán. Loại vật liệu này
vẫn trong giai đoạn nghiên cứu phát triển.
3. Hiện tượng từ trễ
4
Nhóm 2 – 11A1 – THPT Nguyễn Trãi
1
- Từ trễ (magnetic hysteresis) là hiện tượng bất thuận nghịch giữa quá trình từ hóa và đảo từ ở các
vật liệu sắt từ do khả năng giữ lại từ tính của các vật liệu sắt từ
- Khi lõi thép bị từ hoá bởi từ trường ngoài, triệt tiêu từ trường ngoài, trong lõi thép vẫn còn tồn tại từ
trường, gọi là từ dư
- Khi lõi thép có từ dư, ta áp từ trường ngoài có chiều ngược với chiều của từ dư và độ lớn bằng B,
khi đó từ trường lõi thép bị triệt tiêu. Khi đó, B được gọi là từ trường kháng từ
- Đường cong kín hay chu trình từ trễ của một chất diễn tả sự phụ thuộc của sự từ hoá trong chất đó
vào từ trường ngoài
Hình 3. Đường cong từ trễ của chất sắt từ
Giải thích một số đại lượng trong sơ đồ:
⋅ J là tích phân trao đổi (trong tương tác trao đổi), đc x/đ bởi:
(năng luợng trao đổi đc tính bằng: , J mang giá trị dương khi các spin song
song nhau (tương tác trao đổi sắt từ) và âm khi các spin phản song song (tương tác phản sắt từ). Ψ
là hàm sóng của các điện tử)
⋅ H là cường độ từ trường, cùng phương với vectơ B trong chân không
⋅ Độ từ thẩmμ : một đại lượng vật lý đặc trưng cho tính thấm của từ trường vào một vật liệu, hay
nói lên khả năng phản ứng của vật liệu dưới tác dụng của từ trường ngoài. Nói rõ hơn thì nó là
hệ số tỉ lệ giữa cảm ứng từ bên trong vật và cường độ từ trường ngoài:

- Hiện tượng từ trễ được biểu hiện thông qua đường cong từ trễ (Từ độ - từ trường, M(H) hay Cảm
ứng từ - Từ trường, B(H)), được mô tả như sau: sau khi từ hóa một vật sắt từ đến một từ trường bất
kỳ, nếu ta giảm dần từ trường và quay lại theo chiều ngược, thì nó không quay trở về đường cong từ
hóa ban đầu nữa, mà đi theo đường khác. Và nếu ta đảo từ theo một chu trình kín (từ chiều này sang
chiều kia), thì ta sẽ có một đường cong kín gọi là đường cong từ trễ hay chu trình từ trễ. Tính chất
5