Bài giảng Vật liệu kỹ thuật điện: Chương 4 - Phạm Thành Chung

Bài giảng Vật liệu kỹ thuật điện: Chương 4 - Phạm Thành Chung được biên soạn nhằm giúp các em sinh viên trình bày được một số khái niệm cơ bản về vật liệu từ; Nắm được tính chất từ của nguyên tử; Phân loại được vật liệu từ; Tìm hiểu về hiệu ứng Kelvin (Hiệu ứng bề mặt). Mời các bạn cùng tham khảo bài giảng tại đây.

• Cường độ của từ trường ngoài được ký hiệu là H

• Cảm ứng từ B (magnetic induction) hay còn gọi là mật độ từ thông (magnetic flux density) là tổng thông lượng từ trường tạo bởi từ trường ngoài H và độ từ hóa M của vật liệu

Với μ là độ từ thẩm của vật liệu còn

μ0 là độ từ thẩm của chân không =4π.10-7 H.m-1.

(hệ đơn vị S.I- toàn TG)

Trong hệ cgs (hay còn gọi là hệ Gauss) được người Mỹ sử dụng

• Độ từ cảm χ (magnetic susceptibility) đo mức độ từ hóa của vật liệu theo

cường độ tác dụng của từ trường ngoài:

Chương 4 Vật liệu từ

1.2 Khái niệm lực Lorentz

72 (gt từ trường đều)

Chương 4 Vật liệu từ

1.2 Khái niệm lực Lorentz

Đường sức từ trường trong một số trường hợp thường gặp:

a- do một nam châm sinh ra; b- do một ống dây sinh ra; c- trong lõi thép máy biến áp;

Đường sức từ trường là các đường cong mà tiếp tuyến của nó tại từng điểm chính là xác định hướng của từ trường B tại điểm đó.

 Nếu sự có mặt của điện tích là nguyên nhân gây ra điện trường thì sự chuyển động của điện tích (hay nói cách khác là dòng điện) là nguyên nhân gây ra từ trường

Trạng thái năng lượng chiếm giữ bởi điện tử trong nguyên tử được đặc trưng bởi bốn số

lượng tử:

-Số lượng tử chính n với các giá trị 1, 2, 3 …xác định kích cỡ quỹ đạo (orbit) của điện

tử và năng lượng của nó

- Số lượng tử orbital l (hay còn gọi là số lượng tử mômen góc quỹ đạo) mô tả

mômen góc của chuyển động quỹ đạo

- Số lượng tử từ m mô tả thành phần của mômen góc quỹ đạo l theo một phương

nhất định, còn gọi là phương lượng tử hóa Đa số các trường hợp phương lượng

tử hóa được chọn trùng với phương của trường ngoài

- Số lượng tử spin m s mô tả thành phần của spin điện tử theo một phương nhất định, thông thường là phương của trường đặt vào

Chương 4 Vật liệu từ

3 Phân loại vật liệu từ

Tổng của mômen từ quỹ đạo mo và mô men từ spin ms trong nguyên tử chính là

mô men từ của nguyên tử mi

Tùy theo trị số của mô men từ nguyên tử mà người ta chia vật liệu từ thành các loại khác nhau:

Ferromagnetic: vật liệu sắt từAntiferromagnetic: vật liệu phản sắt từParamagnetic: Vật liệu thuận từ

Diamagnetic: Vật liệu nghịch từ

mi=mo+ms

Chương 4 Vật liệu từ

3 Phân loại vật liệu từ

Chương 4 Vật liệu từ

3.1 Vật liệu thuận từ (Paramagnetic)

Thuận từ là những chất có từ tính yếu (trong ngành từ học xếp vào nhóm phi từ, có

nghĩa là chất không có từ tính) 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

Các lớp e không được lấp đầy -> mô men từ quỹ đạo Σmo=0 Σmi ≠0Không tồn tại các cặp e có spin trái dấu -> mô men spin Σms ≠0

Σmi = Σmo+Σm s ≠0

Ví dụ: Al, Mn…

Đẩy bất kỳ nam chậm nào lại gần

Các chất nghịch từ là các chất không có mômen từ (tổng vecto từ quỹ đạo và

từ spin của toàn bộ điện tử bằng 0 khi không có từ trường ngoài) Khi đặt vào từtrường ngoài trong các phân tử sẽ xuất hiện dòng điện phụ và tạo ra từ trường phụngược chiều từ trường ngoài theo xu hướng cảm ứng điện từ (hiệu ứng vật lý lượngtử)

Đa số vật liệu nghịch từ rất nhỏ và khó phá hiện

Chương 4 Vật liệu từ

3.3 Vật liệu sắt từ (Ferromagnetic)

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 làmla bàn hoặc làm các vật dụng hút sắt thép (thực chất đó là các quặng Fe3O4) từ hơn 2000 năm trước (mà xuất phát là từ Trung Hoa và Hy Lạp cổ đại)

- Sắt từ là các chất có từ độ M rất mạnh, hay khả năng hưởng ứng mạnh (độ thẩm từ µ>>1 dưới tác dụng của từ trườngngoài H

- Có khả năng lưu giữ từ tính s

- Các chất sắt từ có hành vi gần giống với các chất thuận từ ở đặc điểm hưởng ứng thuận theo từ trường ngoài

- Một số e không ghép đôi nên nguyên tử của chúng tồn tại mômen từ

Trong VLST có sự tương tác mạnh mẽ giữa các mômen từ của các nguyên tử liền

kề Sự tương tác này là do lực qua lại của các e giữa các nguyên tử

Độ lớn của lực qua lại này rất lớn tương đương với từ trường 1000 Tesla (gấp 100 triệu lần từ trường trái đất (có độ lớn cỡ 50μT))

Khác với vật liệu thuận và nghịch từ

Chương 4 Vật liệu từ

3.3 Vật liệu sắt từ (Ferromagnetic)

 Ở nhiệt độ thấp sự tương tác giữa các mô men từ cạnh nhau

đủ lớn để vượt quá chuyển động nhiệt của các mô men từ, dẫn

đến kết quả là mô men từ không sắp xếp một cách hỗn loạn mà

song song với nhau, hay ta nói trong vật liệu sắt từ có hiện

tượng từ hóa tự nhiên Do đó đôi khi từ độ của vật liệu sắt từ

rất lớn ngay cả khi không có từ trường ngoài

Phân bố mô men từ trong một vùng từ hóa

 Khi nhiệt độ tăng, chuyển động nhiệt tăng

và từ độ giảm dần và bằng không ở nhiệt

độ TC

Ở nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ Curie, vật

liệu sắt từ trở thành vật liệu thuận từ

Như vậy hai đặc tính quan trọng nhất của vật

liệu sắt từ là hiện tượng từ hóa tự nhiên và

nhiệt độ Curie

Sự phụ thuộc của độ từ thẩm vào nhiệt độ được gọi là định luật

Curie (Curie law) và được biểu diễn bởi phương trình:

C là hằng số Curie còn T là nhiệt độ và nhiệt độ chuyển pha TC (hay nhiệt độ Curie)

Phụ thuộc của từ độ và nghịch đảo độ từ cảm theo nhiệt độ trong vật liệu sắt từ

Chương 4 Vật liệu từ

A Hiện tượng từ hóa tự nhiên và bão hòa từ

Hiện tượng này là trong vật liệu tồn tại M rất lớn khi từ trường ngoài H =0

Độ lớn của từ độ ở 0oK phụ thuộc vào mô men từ spin của điện tử

Hiện tượng bão hòa từ là khi đặt vật liệu vào trong từ trường ngoài độ lớn mô men từ của vật liệu là lớn nhất, dù từ trường đặt vào tăng cũng không làm tăng thêm độ lớn của mô men từ

Phân bố mô men từ trong một vùng từ hóa và đường cong từ hóa trong vật liệu sắt từ

Sự khác nhau giữa hai hiện tượng từ hóa tự nhiên và bão hòa từ là do cấu trúc của vùng từ hóa (magnetic domain)

Theo lý thuyết về cấu trúc vùng từ hóa, tương tác giữa các mô men nguyên tử liền kề không xảy ra trong toàn bộ thể tích vật liệu mà nó chỉ xảy ra ở những thể tích nhỏ cỡ từ 1÷100

μm (nhưng vẫn lớn hơn nhiều khoảng cách giữa các nguyên tử), thể tích này được gọi là một vùng từ hóa

÷ 10

Khi đặt vật liệu trong từ trường, mô men từ của các miền sẽ được định hướng lại theo chiều của từ trường ngoài do đó sinh ra từ trường rất lớn bên trong bản thân vật liệu

Sự định hướng lại này có thể diễn ra theo hai cách:

- Hoặc làm tăng thể tích của vùng từ hóa có mô men song song với từ trường ngoài

- Hoặc làm xoay mô men của tất cả các vùng theo hướng của từ trường ngoài

Hiện tượng bão hòa từ xảy ra khi mô men từ của tất cả các miền định hướng song song với nhau và theo hướng của từ trường ngoài

Sự chuyển hướng 180 o của các mô men từ trong vách ngăn Bloch giữa hai vùng từ hóa tự nhiên

B Đường cong từ trễ của vật liệu sắt từ

Một đặc tính quan trọng nữa của vật liệu sắt là khả năng giữ lại từ tính sau khi bỏ đi từtrường đặt vào, hay chính là hiện tượng từ trễ

Đường cong từ trễ là quan hệ giữa cảm ứng từ B và cường độ từ trường ngoài H khi H thay

trường ngoài đặt vào trị số của cảm ứng từ sẽ tăng dần theo đường đứt nét đứt.

• Khi hầu hết các mô men từ trong các vùng từ hóa được định hướng song song với từ trường ngoài, dù từ trường ngoài có tiếp tục tăng thì trị số của cảm ứng từ B cũng tăng

ít và đạt tới giá trị Bs bão hòa khi tất cả các mô men từ song song với nhau và với từ trường ngoài (điểm a).

• Sau đó khi ta giảm trị số từ trường ngoài H về 0 thì giá trị của B không giảm về 0 mà chỉ giảm nhẹ so với Bs để đạt giá trị Br tại điểm b, còn gọi là cảm ứng từ dư.

• Điểm b này tương ứng với mức độ từ hóa còn dư trong vật liệu sau khi loại bỏ từ trường ngoài ( tại

thời điểm này một số vùng từ hóa vẫn còn song song với từ trường ngoài trong khi một số vùng khác

đã mất đi trật tự song song có được khi vẫn còn từ trường ngoài)

• Khi lực từ của từ trường ngoài đổi hướng, giá trị cảm ứng từ sẽ giảm về 0 tại vị trí c ứng với trị số lực

từ là–Hc hay còn gọi là lực kháng từ Đó là lực từ cần thiết để loại bỏ hoàn toàn cảm ứng từ còn dư

trong vật liệu.

Tiếp tục giảm trị số của từ trường ngoài, ta sẽ đạt tới trị số bão hòa –Bs tại điểm d, sau đó đổi dấu của

từ trường ngoài đường cong sẽ đi qua e, f và trở về a để kết thúc một vòng từ trễ (hysteresis loop).

lại tương ứng với cảm ứng từ bão hòa của một

vật liệu từ Hay nói cách khác nó là khả năng

giữ lại một lượng từ trường sau khi đã đạt

được trị số cảm ứng từ bão hòa và bỏ đi từ

trường ngoài đặt vào

 Từ tính dư hay từ thông dư là mật độ từ thông còn sót lại trong vật liệu sau khi bỏ đi

từ trường ngoài Chú ý là từ tính dư khác với cảm ứng từ dư ở chỗ từ trường ngoàiđược bỏ đi ngay cả khi cảm ứng từ chưa đạt tới trị số bão hòa Do đó, từ tính dư có thểnhỏ hơn cảm ứng từ dư và chỉ bằng khi vật liệu đã được từ hóa tới trị số bão hòa

 Lực kháng từ là trị số từ trường ngoài ngược hướng đặt vào để đưa giá trị từ thông

dư về 0

 Độ từ thẩm đặc trưng cho khả năng dễ hình thành từ thông trong một vật liệu

 Từ trở là khả năng chống lại sự hình thành từ thông trong vật liệu, nó giống như điệntrở trong mạch điện

Chương 4 Vật liệu từ

C Phân loại vật liệu sắt từ

Từ cứng (hard magnetic material)

Từ mềm (soft magnetic material)

- Dễ dàng nhiễm từ và khử từ

- Lực kháng từ nhỏ hơn 1000 A/m

- Chúng được sử dụng để tăng cường hoặc

trung chuyển từ thông sinh bởi dòng điện

- Ứng dụng nhiều nhất của vật liệu từ mềm là

trong lĩnh vực phát dẫn điện, vật liệu từ sử

dụng trong lõi từ của máy biến áp và động cơ

điện

- Do loại vật liệu này có vòng từ trễ nhỏ nên tổn

hao tiêu tán trên trong một vòng từ trễ nhỏ

men từ ngược nhau sao cho mô men tổng cộng của vật liệu bằng 0

Ta có thể tưởng tượng như trong tinh thể của vật liệu phản sắt từ có hai họ vùng từ hóa A

và B với các mô men từ tương ứng lần lượt là mA và mB song song và ngược hướng với nhau (có spin đối song song với nhau) Số lượng vùng A bằng với số lượng vùng B, dẫn đến mA=mB

và do đó từ độ tự phát bằng 0

Khi đặt trong từ trường ngoài vật liệu phản sắt từ cư xử giống như vật liệu thuận từ

Giống như vật liệu sắt từ, vật liệu phản sắt từ trở thành vật liệu thuận từ ở nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ chuyển pha hay còn gọi là nhiệt độ Néel TN (đặt theo tên nhà vật lý người

Pháp Louis Néel) Ví dụ Cr có TN=310oK và độ từ cảm

Phân bố mô men từ trong một vùng từ hóa

và đường cong từ hóa trong vật phản sắt từ

Vật liệu từ

3.5 Thép hợp kim vô định hình

hình.

 Hầu hết kim loại đều có cấu trúc định hình, với các nguyên tử bố trí rất chặt chẽ.

Nhưng không giống như thủy tinh thông thường không dẫn điện, kim loại vô định hình có độ dẫn điện tốt

nhanh, ngưng tụ vật lý, phản ứng trạng thái rắn, chiếu xạ ion và hợp kim cơ khí.

nghiệp Hơn nữa chúng còn có điểm nóng chảy thấp

Đặc tính

Vật liệu từ

3.5 Thép hợp kim Vô định hình dùng cho Máy biến thế phân phối

tổn hao điện năng trong mạng lưới điện phân phối vì máy có tổn hao không tải nhỏ (tương đương với tổn hao ở chế độ không tải) vào khoảng 1/3 tổn hao không tải của một máy biến áp sử dụng thép điện cán lạnh có định hướng (cold rolled grain oriented – CRGO).

do máy sử dụng điện năng một cách hiệu quả.

Kháng thời tiết và có độ bền , v.v…: Tương đương với máy biến áp sử dụng thép điện có định hướng cán lạnh (cold rolled grain oriented – CRGO).

Chi phí ban đầu của máy biến áp sử dụng thép hợp kim vô định hình cao hơn so với máy biến áp thông thường sử dụng thép điện cán lạnh có định

về mặt chi phí vòng đời thì máy biến áp sử dụng thép hợp kim vô định hình rẻ hơn 1 nửa.

Ưu điểm

Vật liệu từ

3.5 Đặc tính của hợp kim vô định hình (không tinh thể)

So sánh

Tổn hao từ trễ sinh ra bởi công của lực hãm tác động lên vách ngăn Bloch khi các

mô men từ xoay theo chiều của từ trường ngoài Tổn hao này càng lớn nếu các mô men

từ càng khó định hướng trong từ trường ngoài (trường hợp như đối với vật liệu từcứng) Tổn hao từ trễ tương đương với công cần thiết để đi dọc theo vòng từ trễ.

b DÒNG ĐIỆN VÀ TỔN HAO FOUCAULT

Chính là tổn hao do hiệu ứng Joule, gây bởi dòng điện sinh ra trong vật liệu khi từ thông qua nó biến thiên Tổn hao này lớn trong các vật liệu có điện trở suất nhỏ như

trong các vật liệu từ hợp kim, và lớn trong các vật liệu ferri từ Tổn hao PF gây bởi dòng điện Foucault có mật độ iF (giá trị hiệu dụng) trong vật liệu từ có điện trở suất ρ và thể tích V được tính bởi công thức

Trong thực tế để giảm dòng Foucault trong mạch từ người ta chia nhỏ mạch từ thành các phần tử được cách điện với nhau (ví dụ như các tấm tôn trong gông từ máy biến áp)

c TỔN HAO TỪ DƯ

Tổn hao này do sự chậm trễ của cảm ứng từ B so với từ trường ngoài H (như đã đề cậpđến trong phần nói về vòng từ trễ) Khi từ trường ngoài H tăng đột ngột từ giá trị H1 lêngiá trị H , cảm ứng từ B tăng đột ngột từ B đến B và sau đó tăng dần dần đến giá trị B

Chương 4 Vật liệu từ

5 Hiệu ứng Kelvin (Hiệu ứng bề mặt)

 Khi có dòng điện thay đổi chạy trong vật dẫn, nó sinh ra từ trường biến thiên

trong lòng vật dẫn (hiện tượng tự cảm) Từ trường này có tác dụng “kéo” các điện tích ra phía bề mặt của vật dẫn , kết quả là dòng điện chỉ chạy chủ yếu ở phía ngoài của vật dẫn còn phía lõi gần như không có dòng điện Hiện tượng này được gọi là hiệu ứng bề mặt

 Hiệu ứng bề mặt càng nổi bật nếu tần số dòng điện càng cao (tương đương với từ trường biến thiên càng mạnh), tương đương với việc điện trở của vật dẫn càng lớn

 Hiện tượng bề mặt được đặc trưng bởi “độ dày bề mặt” δ (skin depth) , nghĩa là

độ dầy phía bề mặt nơi tập chung chủ yếu dòng điện Thực tế độ dày bề mặt được định nghĩa thông qua biểu thức tính mật độ dòng điện chạy trong vật dẫn theo độ sâu đối với bề mặt x:

Với JS là mật độ dòng điện chạy ở phía mặt ngoài cùng.

 Như vậy độ dày bề mặt δ chính là độ sâu so với bề mặt mà kể từ đó mật độ dòng điện giảm theo hàm mũ Độ lớn của δ phụ thuộc vào tần số của dòng điện, điện trở suất và độ từ thẩm của vật dẫn theo công thức:

Để giảm bớt ảnh hưởng này người ta dùng biện pháp

chia nhỏ dây dẫn thành nhiều dây thành phần cách điện với nhau sao cho bán bán kính mỗi dây thành phần càng gần độ dày bề mặt càng tốt

Hoặc để tăng độ bền cơ cho dây dẫn người ta làm dây dẫn từ hai loại vật liệu, vật liệu trong lõi cứng có điện trở suất cao còn vật liệu ở bề mặt có điện trở suất thấp (ví dụ dây nhôm lõi thép) AC-70, AC-120, ACSR…