tìm hiểu ứng dụng của từ trường trong vật lý trị liệu

Đã có rất nhiều công trình nghiên cứu Vật lý được ứng dụng vào các ngành khoa học cũng như trong đời sống hằng ngày phục vụ trực tiếp cho nhu cầu của con người từ giao thông vận tải, côn

ớng dẫn: Sinh viên thực hiện:

ồ Hữu Hậu Lý Thị Thanh Huyền

Mã số SV: 1117591 Lớp: TL1192A1 Khóa: 37

Cần Thơ, năm 2015

ỜNG

ực hiện:

ị Thanh Huyền

SVTH: Huỳnh Thanh Phong

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu do chính tôi thực hiện Các số

liệu, kết quả phân tích trong luận văn là hoàn toàn trung thực và chưa từng được công

bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào trước đây

Mọi tham khảo, trích dẫn đều được chỉ rõ nguồn trong danh mục tài liệu tham

khảo của luận văn

Cần Thơ, ngày tháng năm 2015

Tác giả

Lý Thị Thanh Huyền

GVHD Hồ Hữu Hậu i

MỤC LỤC

PHẦN A MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Mục đích của đề tài 1

3 Giới hạn đề tài 1

4 Phương pháp và phương tiện thực hiện 1

5 Các bước thực hiện 2

PHẦN B NỘI DUNG Chương 1 LÝ THUYẾT CHUNG VỀ TỪ TRƯỜNG 1 Lịch sử 3

2 Khái quát về từ trường, đơn vị và đo lường 4

2.1 Khái quát về từ trường 5

2.1 Đơn vị 5

2.3 Đo lường 5

2.4 Đường sức từ, từ thông 2.4.1 Đường sức từ 6

2.4.2 Từ thông 6

3 Tìm hiểu vật liệu từ 3.1 Sơ lược về từ học và vật liệu từ 7

3.2 Nguồn gốc của từ tính trong vật chất 7

3.3 Phân loại các vật liệu từ 9

3.3.1 Vật liệu nghịch từ 10

3.3.2 Chất thuận từ 10

3.3.4 Vật liệu sắt từ và tính sắt từ 11

3.3.5 Siêu thuận từ 16

3.4 Tìm hiểu về Nam châm 3.4.1 Khái quát về nam châm 17

3.4.2 Sự ra đời của nam châm và ứng dụng 22

Chương 2 TỪ TRƯỜNG CHO Y HỌC 1 Nghiên cứu chung về từ trường trị liệu 23

1.1 Đặc điểm chung của trường tác từ trường- cơ thể 23

1.2 Phương pháp từ trị liệu 25

1.2.1 Khái quát 25

1.2.2 Cơ chế tương tác giữa từ trường-cơ thể sống 25

1.3 Tác dụng từ trị liệu 27

GVHD Hồ Hữu Hậu ii

1.3.1 Tác dụng lên hệ xương 27

1.3.2 Tác dụng lên hệ thần kinh- miễn dịch 28

1.3.3 Tác dụng lên hệ tuần hoàn 28

1.3.4 Tác dụng lên hệ miễn dịch 28

1.4 Chỉ định và chống chỉ định 29

2 Ứng dụng của hạt nano từ tính trong y học 30

2.1 Phân tách và chọn lọc tế bào 30

2.2 Dẫn truyền thuốc 30

2.3 Đốt nhiệt từ 32

3 Tác dụng của việc chữa bệnh bằng việc ứng dụng từ trường 32

3.1 Lợi ích của việc điều trị bằng từ trường 32

3.2 Lợi thế của việc điều trị bằng từ trường 32

3.3 Hệ thống vật lý trị liệu bằng từ trường tác động 32

3.4 Những ảnh hưởng của từ trường được phân loại 33

3.5 Vật lý trị liệu bằng từ trường được áp dụng 34

CHƯƠNG 3 TÌM HIỂU MÁY TỪ TRỊ LIỆU 1 Tìm hiểu thiết bị từ tần số thấp M310 36

1.1 Đặc điểm của máy 36

1.1.1 Giới thiệu và mô tả thiết bị 36

1.1.2 Thông số kỹ thuật 36

1.1.3 Sơ đồ cấu tạo thiết bị 37

1.2 Nguyên lý chung của máy từ trị liệu M310 37

1.2.1 Nguyên lý chung 37

1.2.2 Mô tả cấu tạo và chức năng từng khối 37

1.3 Nguyên lý hoạt động 38

1 4 Ứng dụng trong điều trị 38

1.4.1 Từ trường tần số thấp và ứng dụng trong điều trị 38

1 4.2 Chỉ định điều trị 39

2 Tác dụng điều trị bằng từ trường Máy điều trị từ trường 39

2.1 Các vật liệu từ 40

2.2 Kỹ thuật 40

2.2.2.Máy từ trường 40

2.2.3 Các vật liệu từ chữa bệnh 40

2.3 Kỹ thuật từ trị liệu dùng ngoài 41

2.3.1 Máy tạo từ trường 41

GVHD Hồ Hữu Hậu iii

2.3.2 Kỹ thuật 41 PHẦN C KẾT LUẬN 42 TÀI LIỆU THAM KHẢO 43

PHẦN A MỞ ĐẦU

1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Vật lý được coi là môn khoa học cơ bản nhất của khoa học tự nhiên Vật lý nghiên cứu những thành phần cơ bản nhất của vật chất và các tương tác giữa chúng cũng như nghiên cứu về các nguyên tử và việc tạo thành phần tử và chất rắn Có thể nói Vật lý là một nhân tố kết nối nhiều ngành khoa học, nhiều lĩnh vực trong cuộc sống Đã có rất nhiều công trình nghiên cứu Vật lý được ứng dụng vào các ngành khoa học cũng như trong đời sống hằng ngày phục vụ trực tiếp cho nhu cầu của con người từ giao thông vận tải, công nghệ thông tin, truyền thông…và một trong những ứng dụng không thể không

kể đến của Vật lý đó là ứng dụng trong y học, nó góp phần quan trọng trong việc chuẩn đoán điều trị, chăm sóc sức khỏe cho con người với một số phương pháp mang lại hiệu quả cao như: vật lý trị liệu, chụp X quang, chiếu tia phóng xạ, chiếu tia laser…trong đó ứng dụng của từ trường vào việc chữa bệnh bằng vật lý trị liệu đã và đang thu hút rất nhiều sự quan tâm của các nhà khoa học cũng như xã hội Hầu như từ trường không gây tác hại đối với liều điều trị, không gây biến đổi với cấu trúc tế bào và hiện tượng di sản, ít thấy hiện tượng cơ thể quen với từ trị liệu nên có thể kéo dài điều trị Từ trường điều trị

là một trong những phương pháp điều trị không cần dùng thuốc Ngày nay khoa học phát triển thì những bí mật về từ trường ngày càng được khám phá kỹ hơn, những ứng dụng của nó trong điều trị bệnh rộng rãi hơn

Bản thân là sinh viên chuyên ngành sư phạm Vật lý – Công nghệ nên tôi muốn vận dụng những kiến thức chuyên ngành đã được thầy cô truyền đạt trong suốt thời gian ngồi trên giảng đường Đại học để nghiên cứu sâu hơn về ứng dụng Vật lý trong y học nên tôi quyết định chọn đề tài “TÌM HIỂU ỨNG DỤNG CỦA TỪ TRƯỜNG TRONG VẬT LÝ TRỊ LIỆU” cho luận văn của tôi

Với đề tài này tôi hi vọng sẽ giúp tôi có thêm kiến thức trong công tác giảng dạy và những kiến thức bổ ích cho sức khỏe bản than và gia đình sau này

2 MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI

Với đề tài này tôi nghiên cứu các vấn đề sau:

- Lý thuyết chung về từ trường

- Tìm hiểu vấn đề khái quát về từ trường, từ môi và nam châm

- Ứng dụng của từ trường trong trị liệu

4 PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN THỰC HIỆN

Những vấn đề cần nghiên cứu và xây dựng của đề tài, tôi dựa trên:

Về phương pháp: Thu thập tài liệu, nghiên cứu phân tích tổng hợp

kết quả

5 CÁC BƯỚC THỰC HIỆN

Để hoàn thành luận văn tôt nghiệp tôi phải thông qua các bước:

- Nhận đề tài, định hướng các vấn đề cần nghiên cứu

- Xác định mục đích cần đạt được của đề tài

- Thu thập, phân tích tài liệu có nội dung liên quan đến đề tài

- Lập đề cương tổng quát

- Lập đề cương chi tiết

- Viết, lập luận thành luận văn hoàn chỉnh

- Báo cáo bảo vệ luận văn

PHẦN B NỘI DUNG CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT CHUNG VỀ TỪ TRƯỜNG

1 LỊCH SỬ

Tuy nam châm và từ học đã được biết đến từ lâu, nghiên cứu về từ trường bắt đầu vào năm 1269 khi học giả người Pháp Petrus Peregrinus de Maricourt vẽ ra từ trường xung quanh một nam châm hình cầu bằng sử dụng các cây kim loại nhỏ Ông cũng đề cập đến hai cực từ tương tự như hai cực của Trái Đất Khoảng ba thế kỷ sau, nhà thiên văn học William Gilbert ở Colchester lặp lại nghiên cứu của Petrus Peregrinus và lần đầu tiên phát biểu rõ ràng về Trái Đất là một nam châm khổng lồ Công bố năm 1600, công trình của Gilbert, De Magnete, giúp từ học trở thành một ngành khoa học

Năm 1750, John Michell phát hiện ra các cực từ hút hoặc đẩy nhau tuân theo định luật nghịch đảo bình phương, sau đó Charles- Augustin de Coulomb xác nhận điều này bằng thực nghiệm vào năm 1785 và nêu ra các cực Bắc Nam không thể tách rời nhau Siméon- Denis Poisson đã thiết lập một mô hình thành công đầu tiên về từ trường dwak trên các lực từ và trong nam châm có các cặp cực từ bắc/nam nhỏ [12]

Tuy nhiên, có ba khám phá gây thách thức đến cơ sở từ học Đầu tiên, Hans Christian Oersted năm 1819 khám phá ra hiện tượng dòng điện sinh ra từ trường bao quanh dây dẫn Năm 1820, André- Marie ampere chỉ ra rằng hai sợ dây song song có dòng điện cùng chiều qua sẽ hút nhau Cuối cùng, Jean- Baptiste Biot và Felix Savart khám phá ra định luật Boit-Savart năm 1820, định luật miêu tả đúng đắn từ trường bao quanh sợi dây

có dòng điện chạy qua

Dựa trên ba khám phá trên, Ampere đã công bố một mô hình thành công cho từ học vào năm 1825 Trong mô hình này, ông chỉ ra sự tương đương giữa dòng điện và nam châm,

đề xuất rằng từ tính là do những vòng chảy vĩnh cữu thay vì các lưỡng cục từ như mô hình của Poisson Mô hình này có thêm thuận lợi khi giải thích tại sao lại không có đơn cực từ Ampere dựa vào mô hình suy ra được cả định luật Ampere( hay chính là định luật Biot-Savart), miêu tả đúng đắn từ trường bao qunah một sợi dây có dòng điện Cũng trong công trình này, Ampere đưa ra thuật ngữ điện động lực miêu tả mối liên hệ giữa điện và từ [12]

Năm 1831, Michael Faraday phát hiện ra hiện tượng cảm ứng điện từ khi ông thay đổi từ trường qua một dòng dây thì có dòng điện sinh ra trong sợi dây Ông miêu tả hiện tượng này bằng định luật cảm ứng Faraday Sau đó, Franzt Ernst Neumann chứng minh rằng khi vòng dây di chuyển trong từ trường thì hiện tượng cảm ứng là hệ quả của định luật lực Ampere Ông cũng nêu ra khái niệm vecto thế năng từ mà về sau người ta chứng minh nó tương đương với cơ chế Faraday đề xuất

Năm 1850 Huân tước Kelvin( hay William Thosmson), phân biệt ra hai kiểu từ trường

mà ngày nay ký hiệu bằng H và B Cái đầu tương ứng cho mô hình của Poisson và cái sau tương ứng cho mô hình của Ampere và hiện tượng cảm ứng Hơn nữa, ông cũng suy

ra mối liên hệ giữa B bằng bội hằng số của H

Giữa các năm 1861 và 1865, James Clerk Maxwell phát triển và công bố phương trình Maxwell, trong đó ông giải thích và thống nhất các khía cạnh của lý thuyết điện học

và từ học cổ điển Ông công bố những hệ phương trình đầu tiên trong bài báo ON Physical Lines Of Force năm 1861 Tuy những phương trình này là đúng đắn nhưng chưa đầy đủ Maxwell hoàn thiện các phương trình của mình trong bài báo cáo năm 1865 A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field và chứng minh rằng ánh sáng là một dạng sóng điện từ Heinrich Herzt đã chứng minh bằng thực nghiệm kết quả này vào năm

1887

Mặc dù định luật lực của Ampere hàm ý lực do từ trường tác dụng lên điện tích chuyển động trong nó, tuy thế cho tới tận năm 1892 Hendrik Lorentz mới suy luận ra tường minh lực từ bằng các phương trình Maxwell Cùng với những đóng góp này của Lorentz, lý thuyết điện từ động lực cổ điển về cơ bản là đã hoàn thiện

Trong thế kỷ 20, lý thuyết điện từ động lực đã được mở rộng để tương thích với thuyết tương đối hẹp và cơ học lượng tử Albert Einstein, trong bài báo năm 1905 thiết lập ra thuyết tương đối, chứng minh rằng cả điện trường và từ trường là những phần của cùng một thực thể khi quan sát từ các hệ quy chiếu khác nhau (như từ vấn đề di chuyển nam châm và vòng dây dẫn trong thí nghiệm của Faraday và thông qua các thí nghiệm tưởng tượng đã giúp Albert Einstein phát minh ra thuyết tương đối hẹp) Cuối cùng, để phù hợp với lý thuyết mới là cơ học lượng tử, điện động lực học cổ điển đã được phát triển thành thuyết điện động lực học lượng tử [12]

2 KHÁI QUÁT VỀ TỪ TRƯỜNG, ĐƠN VỊ VÀ ĐO LƯỜNG

2.1 Khái quát về từ trường

Từ trường là môi trường vật chất đặc biệt sinh ra quanh các điện tích chuyển động hoặc do sự biến thiên của điện trường hoặc có nguồn gốc từ các momen lưỡng cực từ như nam châm Mỗi điểm trong từ trường được miêu tả bằng toán học thông qua hướng và độ lớn tại đó, từ trường được miêu tả bằng vecto Người ta hay sử dụng khái niệm lực Lorentz tác dụng lên một điện tích điểm chuyển động để định nghĩa từ trường Ký hiệu từ

trường là B hoặc H cho từng trường hợp cụ thể

Các điện tích chuyển động hoặc mômen từ nội tại của các hạt cơ bản đi kèm với tính chất lượng tử căn bản là spin là nguyên nhân của từ trường Trong thuyết tương đối hẹp, điện trường và từ trường là hai khía cạnh của cùng một thực thể, mô tả bằng tenxơ điện từ; tenxơ này trở thành điện trường hay từ trường phụ thuộc vào hệ quy chiếu tương đối giữa người quan sát và hạt điện tích Trong vật lý lượng tử, trường điện từ bị lượng tử hóa và tương tác điện từ là kết quả của sự trao đổi các photon giữa các hạt cơ bản, như mô tả bởi điện động lực học lượng tử

Từ trường đã được ứng dụng từ thời cổ đại và có nhiều thiết bị ngày nay hoạt động dựa trên nó Trong định vị hướng và vị trí, người ta sử dụng la bàn do Trái Đất sinh ra từ trường Từ trường quay được áp dụng trong các động cơ điện hay máy phát điện thông qua hiệu ứng Hall lực từ cho biết thông tin về hạt tích điện trong vật liệu Ngoài ra từ trường là cơ sở cho sự hoạt động của máy biến áp và các mạch từ

Các trường điện từ khác nhau chủ yếu ở tần số, sau nửa mới đến các đặc trưng khác như cường độ…

2.2 Đơn vị

Để đặc trưng định lượng cho từ trường về mặt tác dụng, người ta dùng khái niệm cường độ Ví dụ cường độ từ trường H Vì từ trường còn có đặc trưng cảm ứng (sinh ra các từ trường cảm ứng khi nó biến thiên theo không gian hoặc thời gian), người ta thường dùng khái niệm cảm ứng từ B

Cường độ từ trường là đại lượng đặc trưng cho độ mạnh yếu của từ trường Độ từ cảm( cảm ứng từ) là đại lượng đặc trưng cho vật có từ tính chịu tác động của từ trường, độ từ cảm phụ thuộc vào vật liệu

Giữ B và H có mối liên hệ như sau:

(cemtimetre-Hình 1.1 Từ phổ của ống dây

1 Oe= 79.6 A/m (1.2) hay 1 A/m= 0.013 Oe (1.3) trong hệ SI, B có đơn vị là tesla (T ), còn trong hệ quốc tế là Gauss (Gs ), với tương quan định lượng:

Trong thực tế lâm sàn, thường người ta dùng đơn vị mT để đặc trưng độ lớn của từ trường cho dễ thuận tiện, vì từ trường điều trị có tần số khoảng vài chục mT

2.3 Đo lường

Độ chính xác nhỏ nhất đối với phép đo từ trường đến nay (năm 2013) thực hiện được là

cỡ atto tesla (10-8 tesla), từ trường lớn nhất tạo ra được trong phòng thí nghiệm tồn tại trong thời gian ngắn nhất (nam châm điện bị phá hủy) là cỡ 2.8 kT (viện VNIIEF ở sarov, Nga, 1998), trong khi từ trường lớn nhất tồn tại trong thời gian ngắn nhất (nam châm điện không bị phá hủy) có độ lớn sắp xỉ 100 T (phòng thí nghiệm Los Alamos, Hoa kỳ, 2011) Từ trường một số thiên thể như sao từ cao hơn rất nhiều, độ lớn từ 0,1 đến 100 GT (104 đến 1011T) [12]

Từ kế là thiết bị dùng để đo hướng và độ lớn từ trường cục bộ lân cận với thiết bị Dựa trên nguyên lý hoạt động có các loại từ kế như sử dụng lõi quay, từ kế Hall, từ kế cộng hưởng từ, từ kế SQUID và la bàn từ thông Từ trường của các thiên thể trong vũ trụ được

đo thông qua ảnh hưởng của nó lên các hạt điện tích chuyển động Ví dụ electron chuyển động xoắn ốc trên đường sức từ phát ra bức xạ đồng bộ trong miền sóng vô tuyến

2.4 Đường sức từ, từ thông

2.4.1 Đường sức từ

Ðường cảm ứng từ là đường vẽ trong từ trường mà tiếp tuyến với nó ở mỗi điểm trùng với véctơ cảm ứng từ tại điểm đó chiều dương của đường cảm ứng từ trùng với chiều của véctơ cảm ứng từ tại mỗi điểm Vì véctơ cảm ứng từ có giá trị, phương, chiều hòan tòan xác định tại mỗi điểm, nên các đường cảm ứng từ không bao giờ cắt nhau

Giống như với đường sức điện trường, ta có thể vẽ các đường cảm ứng từ sao cho mật độ của chúng cho biết độ lớn của cảm ứng từ tại mỗi điểm

Phương pháp thực nghiệm để xác định đường cảm ứng rất đơn giản và hay được dùng Người ta rắc mạt sắt lên một tấm bìa cứng có dòng điện xuyên qua Dưới tác dụng của từ trường do dòng điện sinh ra, mặt sắt bị từ hóa, biến thành những nam châm nhỏ Những nam châm này, chịu tác dụng của lực từ sẽ định hứớng dọc theo các đường cảm ứng từ nếu ta gõ nhẹ vào tấm bìa Sự sắp xếp của mặt sắt cho ta hình ảnh của đường cảm ứng Hình ảnh đó gọi là từ phổ [12] Trên hình 1.1, ta có từ phổ của ống dây (xôlênôit) Các đường cảm ứng từ luôn là những đường cong khép kín tức là không có điểm xuất phát và không có điểm tận cùng Do

tính chất đó từ trường được gọi là một trường

xóay Trái lại điện trường là một trường thế, các

đường sức điện trường không khép kín nó xuất

phát hoặc tận cùng từ các điện tích cho nên điện

tích là thực thể có thật Cảm ứng từ là khép kín

nên không có điểm xuất phát hay tận cùng cho

nên trong thực tế không có từ tích

Đường sức từ cũng là một công cụ để miêu

tả lực từ Trong vật liệu sắt từ như sắt và trong

plasma, lực từ có thể được hiểu như là những

Hình 1.2 Chuyển động của các điện tích nguồn gốc của

từ trường

đường sức tác dụng một lực kéo dọc theo chiều dài, và sáp suất vuông góc với các đường

đó lên những đường lân cận

2.4.2 Từ thông

Từ thông là thông lượng đường sức từ đi qua một diện tích.Từ thông liên hệ trực tiếp với mật độ từ thông Từ thông là tích phân của phép nhân vô hướng giữa mật độ từ thông với véctơ thành phần điện tích, trên toàn bộ diện tích

Theo ký hiệu toán học:

Hướng của véctơ B theo quy ước là từ cực nam lên cực bắc của nam châm, khi đi trong

nam châm, và từ cực bắc đến cực nam, khi đi ngoài nam châm

Trong hệ đo lường quốc tế, đơn vị đo từ thông là Weber (Wb), và đơn vị đo mật độ từ thông là Weber trên mét vuông, hay Tesla

Các nghiên cứu ứng dụng các hiện tượng từ và lý giải các hiện tượng từ bắt đầu ở Châu

Âu từ thế kỷ 17, mà mở đầu là công trình của William Gilbert và sau đó là các nghiên cứu của Michael Faraday, Ampere, Oersted, Lorentz, Maxwell mở đầu cho việc đem các ứng dụng từ học vào cuộc sống 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

3.2 Nguồn gốc của từ tính trong vật chất

Nguồn gốc của từ tính là sự chuyển động của các điện tích, đó là cách hiểu đơn giản nhất

về nguồn gốc từ trường [3] Có thể hiểu đơn giản là các điện tích chuyển động trong nguyên tử tạo ra các dòng điện tròn, các dòng điện này tạo ra từ trường (tất nhiên hiểu một cách bản chất thì phức tạp hơn), và để hiểu hơn, ta cần nắm rõ một số đơn vị trong từ học

Cường độ từ trường: Chỉ độ mạnh yếu của từ trường,

không phụ thuộc vào môi trường xung quanh, thường ký

hiệu là H Trong hệ đơn vị chuẩn SI, cường độ từ trường

H có đơn vị là A/m (có thể nhớ đơn giản theo công thức

từ trường sinh ra trong cuộn solenoid là H = n.I, I có đơn

vị A, n có đơn vị 1/m > H là A/m)

Ngoài ra, giới nghiên cứu về từ học hay sử dụng 1 hệ đơn

vị khác là hệ CGS (Cm-G-S), trong hệ này, đơn vị của

H là Oe (Oersted)

1 Oe ~ 80 A/m

- Cảm ứng từ (Magnetic Induction): chỉ cường độ từ trường trong môi trường (tức là nó tỉ

lệ với từ trường theo hằng số môi trường), ký hiệu là B

Trong chân không, B = μ0.H, với μ0 = 4π.10-2 N.A-2 là hằng số từ, hay độ từ thẩm

của chân không Đơn vị của B là T (Tesla) trong hệ SI, còn hệ CGS, đơn vị của B là G

(Gauss), 1 T = 10000 G

Trong hệ CGS, hằng số m0 có giá trị là 1, vì thế 1 G = 1 Oe

Ta chú ý rằng, quan hệ B = μ0.H là trong chân không, còn trong một môi trường

bất kỳ, còn phải nhân 1 hệ số của môi trường khác gọi là độ từ thẩm Dưới đây là ví dụ về cảm ứng từ B của một số nguồn từ:

+ Từ trường của nam châm móng ngựa: 500G-1000G

+ Từ trường của nam châm đất hiếm (rất mạnh và khá đắt tiền): 0,75-1.4T

+ Từ trường của các nam châm điện trong các từ kế (từ trường 1 chiều DC): 1 - 2.5T

+ Từ trường của nam châm siêu dẫn: 5-9T + Từ trường xung: 9-15T

+ Từ trường Trái đất: 0,5G Chú ý là từ trường 1 T là khá lớn so với các từ trường thông

thường mà ta gặp trong cuộc sống

Momen từ: Là thước đo độ mạnh yếu của nguồn từ, là độ lớn của vectơ lưỡng cực từ, có

đơn vị là I.m2

- Từ thông: Chỉ số đường sức qua một tiết diện của vật, được tính bằng tích vô hướng của

vecto cảm ứng từ B và véc tơ diện tích S Mômen từ nguyên tử: Ta hãy xét bài toán đơn

giản một nguyên tử có 1 điện tử chuyển động quanh hạt nhân theo mô hình Bohr Mô

hình Bohr xét điện tử chuyển động trên quỹ đạo bán kính r, vận tốc v Lúc đó, mômen từ

sinh ra do chuyển động của điện tử là:

Mặt khác, mômen động lượng của điện tử là: L = p.r = m.v.r Theo mô hình Bohr,

mômen động lượng của điện tử chuyển động trên quỹ đạo bằng một số nguyên lần hằng

số Planck Do đó, ta có:

m

h n

h n e r

v

e

.4

2

1

.10.27.9

 gọi là Bohr Magneton, dùng để làm đơn vị của mômen từ nguyên tử Đây là một tính

toán về nguồn gốc của từ trường là chuyển động quỹ đạo của điện tử [6] Tuy nhiên, vật

lý hiện đại chỉ ra rằng, còn có đóng góp của spin của điện tử vào từ tính của vật chất Có

thể hiểu spin như là mômen từ sinh ra do chuyển động tự quay của spin (hiểu một cách

đơn giản) Thực tế, spin là một thuộc tính của các hạt cơ bản Vậy, nguồn gốc của tù

trường là do 2 đóng góp:

+ Chuyển động của điện tử trên quỹ đạo

+ Spin (chuyển động tự quay của điện tử)

Độ từ hóa là tổng mômen từ trong một đơn vị thể tích Độ từ hóa theo cách định

nghĩa này có cùng thứ nguyên với từ trường H Đôi khi người ta còn dùng khái niệm độ

từ hóa là tổng mômen từ trên một đơn vị khối lượng

Ta có quan hệ giữa B, H và M như sau:

Hình 1.3 Đường cong từ trễ của màng mỏng sắt từ Co 13 Cu 887

Bảng 1.1 Đơn vị của một số đại lượng trong hệ SI (MKS Unit) và hệ Gauss (CGS)

Đại lượng Hệ SI Hệ số chuyển đổi Hệ CGS

Độ từ hóa A/m 1/1000 emu/cm3

Moomen từ A/m2 1000 Emu

3.3 Phân loại các vật liệu từ

Bất cứ vật liệu nào có sự ảnh hưởng với từ trường ngoài (H), thể hiện bằng độ từ hóa ( từ

độ -M), tỷ số c=M/H được gọi là độ từ cảm Tùy thuộc vào giá trị độ cảm từ có thể phân

ra làm các loại vật liệu từ khác nhau Vật liệu từ có c<0 (~ -10-6 ) được gọi là vật liệu nghịch từ Vật liệu có c>0 (~10-6

) được gọi là vật liệu thuận từ Vật liệu có c>0 với giá trị rất lớn có thể là vật liệu sắt từ ferri từ [3]

3.1.1 Vật liệu nghịch từ (Diamagnetic materials)

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

tử (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 [2] 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 H2O, Si, Bi, Pb, Cu, Au

Từ trễ là hiện tượng bất thuận nghịch giữa quá

trình từ hóa ( là quá trình thay đổi các tính chất từ

cấu trúc từ, mômen từ của vật chất dưới tác

dụng của từ trường ngoài) Xét về mặt hiện

tượng, từ hóa là sự thay đổi tính chất từ của vật

chất theo từ trường ngoài, xét về mặt bản chất,

đây là sự thay đổi các moomen từ nguyên tử Khi

Hình 1.4 Hình ảnh đơn giản về chất thuận từ

Nghịch từ là bản chất cố hữu của mọi loại vật chất, ở đó, chất không có mômen từ nguyên tử, và tạo ra một từ trường phụ ngược với chiều của từ trường ngoài theo xu hướng của cảm ứng điện từ Vì thế, chất nghịch từ có mômen từ âm và ngược với chiều

từ trường ngoài [3]

Ta biết rằng màng mỏng là một lớp rất mỏng phủ trên đế Si nghịch từ Mômen từ của Si sẽ âm và lớn dần trong từ trường, còn mômen từ của màng là dương và cũng tăng dần Trong từ trường nhỏ, tính sắt từ thắng thế nên ta thấy đường cong bình thường Nhưng khi từ trường lớn, mômen từ âm thắng thế, và đường cong ngày càng bị chúc mũi xuống Ví dụ về độ cảm từ (μ) của một số chất: Cu: μ = -0,94.10-5 Pb: μ = -1,7.10-5

H2O: μ = -0,88.10-5

3.3.2 Chất thuận từ

Chất thuận từ là chất có mômen từ nguyên từ,nhưng

mômen từ này cũng rất nhỏ, có thể xem một cách đơn

giản các nguyên tử của chất thuận từ như các nam

châm nhỏ (xem hình 1.4), nhưng không liên kết được

với nhau (do khoảng cách giữa chúng xa và mômen

từ yếu) [3]

Thuận từ quá trình từ hóa ở chất thuận từ, chất có

mômen từ nguyên tử nhỏ và không liên kết, xảy ra

đơn giản, các mômen từ nguyên tử sẽ quay theo từ

trường ngoài và tạo ra một từ trường phụ dương

(thắng thế hiệu ứng nghịch từ cố hữu) Vì thế, quá trình từ hóa chỉ đơn giản là sự tăng tuyến tính của từ độ theo từ trường ngoài và đạt bão hòa khi từ trường rất lớn và nhiệt độ rất thấp

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

1.5) Các chất thuận từ điển hình là Al, Na, O2,

Pt , và độ cảm từ μ của 1 số chất thuận từ như

3.3.4 Vật liệu sắt từ và tính sắt từ

Chất sắt từ được biết đến là chất có từ tính mạnh, tức là khả năng cảm ứng dưới từ trường ngoài mạnh.Tính sắt từ dùng để chỉ thuộc tính (từ tính mạnh) của các chất sắt từ [2] 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 Fe3O4) từ hơn 2000 năm trước (mà xuất phát là từ Trunh Hoa và Hy Lạp cổ đại) [3]

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

μB, Gd là 7 μB ) 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 từ phát - có nghĩa là các chất sắt từ 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

Ở đây, vật liệu từ tính ngụ ý là vật liệu sắt từ, ferri từ hoặc siêu thuận từ Ngoài độ cảm

từ, một số thông số khác cũng rất quan trọng trong việc xác định tính chất của vật liệu từ

ví dụ như: từ độ bão hòa (từ độ đạt cực đại tại từ trường lớn), từ dư ( từ độ còn dư sau khi ngừng tác động của từ trường ngoài), lực kháng từ (từ trường ngoài cần thiết để một hệ, sau khi đạt trạng thái bão hòa từ, bị khử từ)

Hiện tượng từ trễ: Là một đặc trưng dễ thấy nhất ở chất sắt từ Khi từ hóa một khối chất sắt từ các mômen từ sẽ có xu hướng sắp xếp trật tự theo hướng từ trường ngoài do

đó từ độ của mẫu tăng dần đến độ bão hòa khi từ trường đủ lớn (khi đó các mômen từ hoàn toàn song song với nhau) Khi ngắt từ trường hoặc khử từ theo chiều ngược, do sự liên kết giữa các mômen từ và các đômen từ, các mômen từ không lập tức bị quay trở lại trạng thái hỗn độn như các chất thuận từ mà còn giữ được từ độ ở giá trị khác không Có nghĩa là đường cong đảo từ sẽ không khớp với đường cong từ hóa ban đầu, và nếu ta từ hóa và khử từ theo một chu trình kín của từ trường ngoài, ta sẽ có một đường cong kín gọi là đường cong từ trễ Có nhiều cơ chế khác nhau để tạo ra hiện tượng trễ như cơ chế dịch chuyển vách, cơ chế quay moomen từ, cơ chế hãm sự phát triển của các mầm đảo từ Và trên đường cong từ trễ, ta sẽ có các đại lượng đặc trưng của chất sắt từ như sau:

 Từ độ bão hòa: Là từ độ đạt được trong trạng thái bão hòa từ, có nghĩa là tất cả các mômen từ của chất sắt từ song song với nhau

 Từ dư: Là giá trị từ độ khi từ trường được khử về 0

 Lực kháng từ: Là từ trường ngoài cần thiết để khử mômen từ của mẫu về 0, hay là giá trị để từ độ đổi chiều Đôi khi lực kháng từ còn được gọi là trường đảo từ

 Từ thẩm: Là một tham số đặc trưng cho khả năng phản ứng của các chất từ tính dưới tác dụng của từ trường ngoài Từ thẩm của các chất sắt từ có giá trị lớn hơn 1 rất nhiều, và phụ thuộc vào từ trường ngoài

 Nhiệt độ Curie: Là nhiệt độ mà tại đó, chất bị mất từ tính Ở dưới nhiệt độ Curie, chất ở trạng thái sắt từ, ở trên nhiệt độ Curie, chất sẽ mang tính chất của chất thuận

từ Nhiệt độ Curie là một tham số đặc trưng cho chất sắt từ, ví dụ như:

Hình 1.6 Hình ảnh các đômen từ trên một mẫu hợp kim Ni 80 Fe 20

Hình 1.7 Đường cong từ trễ (a) và nhiệt

độ Curie của chất sắt từ(b)

Dị hướng từ tinh thể: Là năng lượng liên quan đến sự định hướng của các mômen

từ và đối xứng tinh thể của vật liệu Do tính dị hướng của cấu trúc tinh thể, sẽ có sự khác nhau về khả năng từ hóa khi ta từ hóa theo các phương khác nhau, dẫn đến việc vật liệu

có phương dễ từ hóa, gọi là trục dễ (từ hóa) và phương khó từ hóa (gọi là trục khó) Năng lượng dị hướng từ tinh thể là năng lượng cần thiết để quay mômen từ trục khó sang trục

dễ Hằng số dị hướng từ tinh thể là các đại lượng đặc trưng cho các chất sắt từ

Trong các vật liệu này, mômen từ nguyên tử lớn và có liên kết với nhau thông qua tương tác trao đổi nên quá trình từ hóa trở nên rất phức tạp Quá trình này phụ thuộc vào nhiều yếu tố như cấu trúc từ, cấu trúc tinh thể cũng như sự đồng nhất của vật liệu Các quá trình từ hóa lúc này là sự thay đổi cấu trúc đômen của chất, và dẫn đến nhiều loại chất khác nhau, ví dụ như vật liệu sắt từ mềm, vật liệu sắt từ cứng [1]

Khi được sử dụng như một động từ, từ hóa có nghĩa là làm thay đổi tính chất từ của chất bằng từ trường ngoài và đảo từ ở các vật liệu sắt từ do khả năng giữ lại từ tính của các vật liệu sắt từ Hiện tượng từ trễ là một đặc trưng quan trọng và dễ thấy nhất ở các chất sắt từ

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 [1] Tính chất từ trễ là một tính

chất nội tại đặc trưng của các vật liệu sắt từ, và

hiện tượng trễ biểu hiện khả năng từ tính của của

các chất sắt từ

Nhưng nó khác biệt so với các chất thuận từ ở chỗ

các mômen từ này lớn hơn và có khả năng tương

tác với nhau (tương tác trao đổi sắt từ) Ta tưởng tượng tương tác này như là các nam châm đứng gần nhau, chúng hút nhau và giữ cho nhau song song nhau Tất nhiên, bản chất vật lý của tương tác trao đổi không như thế, bản chất của tương tác trao đổi là tương tác tĩnh điện đặc biệt Tương tác này dẫn

đến việc hình thành trong lòng vật liệu các

vùng (gọi là các đômen từ) mà trong mỗi

đômen này, các mômen từ sắp xếp hoàn

toàn song song nhau (do tương tác trao

đổi), tạo thành từ độ tự phát (có nghĩa là

độ từ hóa tồn tại ngay cả khi không có từ

trường) Nếu không có từ trường, do năng

lượng nhiệt làm cho mômen từ của các

đômen trong toàn khối sẽ sắp xếp hỗn độn

do vậy tổng độ từ hóa của toàn khối vẫn

bằng 0 [1]

Nếu ta đặt từ trường ngoài vào vật liệu sẽ

có 2 hiện tượng xảy ra:

- Sự lớn dần của các đômen có mômen từ

theo phương từ trường

Hình 1.8.Hình ảnh so sánh các vật liệu mềm ở tần số từ trường ngoài 1kHz

- Sự quay của các mômen từ theo hướng từ trường Khi tăng dần từ trường đến mức đủ lớn, ta có hiện tượng bão hòa từ, lúc đó tất cả các mômen từ sắp xếp song song với nhau

và trong vật liệu chỉ có 1 đômen duy nhất

Nếu ta ngắt từ trường, các mômen từ sẽ lại có xu hướng hỗn độn và lại tạo thành các đômen, tuy nhiên, các đômen này vẫn còn tương tác với nhau (ta tưởng tượng hình ảnh các nam châm hút nhau làm chúng không hỗn độn được) do vậy tổng mômen từ trong toàn khối không thể bằng 0 mà bằng một giá trị khác 0, gọi là độ từ dư Điều này tạo thành hiện tượng trễ của vật liệu (xem hình vẽ)

Nếu muốn khử hoàn toàn mômen từ của vật liệu, ta cần đặt một từ trường ngược sao cho mômen từ hoàn toàn bằng 0, gọi là lực khác từ Đường cong từ hóa (sự phụ thuộc của từ độ vào từ trường ngoài của chất sắt từ khác với chất thuận từ ở chỗ nó là đường cong phi tuyến (của thuận từ là tuyến tính) và đạt tới bão hòa khi từ trường đủ lớn

Hai đặc trưng cơ bản cần nhớ của chất sắt từ là (xem hình 1.7):

- Đường cong từ trễ (hysteresis loop)

- Và nhiệt độ Curie TC Nhiệt độ Curie là nhiệt độ mà tại đó, chất bị mất trật tự từ, và khi T>TC, chất trở thành thuận từ và khi T<TC, chất là sắt từ Nhiệt độ TC được gọi là nhiệt

độ chuyển pha sắt từ-thuận từ TC là một thông số đặc trưng cho chất (thông số nội tại)

Ví dụ với một số chất có nhiệt độ Curie như dưới đây:Fe: 1043K, Co: 1388K,

Gd: 292.5K, Ni: 627K

Mỗi chất sắt từ có khả năng "từ hóa" (tức là chịu biến đổi về từ tính dưới tác động của từ trường ngoài) và khử từ (sự mất từ tính dưới tác dụng của từ trường ngoài ngược với nội trường) khác nhau [2].Từ tính chất này, người ta lại phân chia chất sắt từ thành những nhóm khác nhau, mà cơ bản có 2 nhóm chất sắt từ:

nhưng lại có từ độ bão hòa rất cao, có độ từ thẩm

lớn, nhưng từ tính lại dễ dàng bị mất đi sau khi

ngắt từ trường ngoài [2] Hình vẽ dưới đây so

sánh các chất từ mềm ở 2 phương diện là từ độ

bão hòa và độ từ thẩm

Các chất từ mềm "truyền thống" đã biết là sắt

non, ferrite Mn,Zn, Các chất sắt từ mềm được

sử dụng trong các lõi nam châm điện, lõi biến

thế, lõi dẫn từ , có nghĩa là sử dụng nó như vật

dụng trong từ trường ngoài Do vậy, đặc trưng mà

người ta quan tâm đến nó là: tổn hao trễ và tổn hao

xoáy:

- Tổn hao trễ sinh ra do sự mất mát năng lượng trong quá trình từ hóa, được tính bằng diện tích của đường cong từ trễ Do vậy, vật liệu sắt từ mềm "xịn" có đường trễ càng hẹp càng tốt

- Tổn hao xoáy: sinh ra do các dòng Foucalt sinh ra trong trường xoay chiều làm nóng vật liệu, năng lượng này tỉ lệ thuận với bình phương tần số từ trường, tỉ lệ nghịch với điện trở suất của vật liệu Điều này lý giải tại sao dù có phẩm chất rất cao, những lõi tôn Si chỉ có thể sử dụng trong từ trường tần số thấp (thường là 50-100Hz) do chúng có điện trở suất rất thấp, trong khi các ferrite lại sử dụng được trong kỹ thuật cao tần và siêu

cao tần dù có phẩm chất kém hơn nhiều (vì chúng là gốm, có điện trở suất rất lớn, làm giảm tổn hao xoáy) Tuy nhiên, một loại vật liệu từ mềm mới đã khắc phục điều này (như hình vẽ trên là các vật liệu từ nanocrystalline như Fe-Si-B-Nb-Cu ) Chúng là các vật liệu có cấu trúc nano, có tính chất từ siêu mềm (có lực kháng từ cực nhỏ, độ từ thẩm rất cao, từ độ bão hòa cao), đồng thời lại có điện trở suất rất lớn (dù là các băng nền kim loại) do cấu trúc đặc biệt của nó nên có thể sử dụng ở các ứng dụng cao tần cỡ từ kHz-MHz Loại vật liệu này được phát hiện ở cuối thế kỷ 20, và đưọc coi là vật liệu từ mềm tốt nhất hiện này, và là một chủ đề nghiên cứu mạnh của Trung tâm Khoa học Vật liệu, ĐHKHTN và Viện Vật lý Kỹ thuật (ĐHBKHN) [2]

b) Vật liệu sắt từ cứng

Cũng tương tự như sắt từ mềm, từ "cứng" trong cái tên của vật liệu này không phải do cơ tính cứng của nó Ngược với sắt từ mềm, sắt từ cứng là vật liệu khó từ hóa và cũng khó bị khử từ (có nghĩa là từ tính có thể giữ được tốt dưới tác dụng của trường ngoài) [2] Một

ví dụ đơn giản của vật liệu từ cứng là các nam châm vĩnh cửu Vật liệu từ cứng có lực kháng từ lớn (phải trên 102 Oe), nhưng chúng thường có từ độ bão hòa không cao Tính

"cứng" của vật liệu từ cứng đến từ tính dị hướng từ, liên quan đến năng lượng từ có được

do tính đối xứng tinh thể của vật liệu Tức là, thông thường các vật liệu từ cứng thường

có cấu trúc tinh thể có tính đối xứng kém (bất đối xứng) ví dụ như tứ giác, hay lục giác[9] Do khả năng giữ lại từ tính, nên vật liệu từ cứng được dùng làm vật liệu giữ năng lượng (nam châm vĩnh cửu) và lưu trữ thông tin (ổ đĩa cứng, đĩa từ ) Nói đến khả năng tích trữ năng lượng, ta phải nhắc đến một thông số của vật liệu từ cứng là tích năng lượng từ (B.H)max (có đơn vị là đơn vị của mật độ năng lượng J/m3), là năng lượng cực đại có khả năng tồn trữ trong một đơn vị thể tích vật thể Để có (BH)max lớn, cần có lực kháng từ lớn, có từ độ cao và đường trễ càng lồi càng tốt Đơn vị thường dùng của (BH)max là GOe, 1 MGOe=8 kJ/m3 Các nam châm vĩnh cửu truyền thống được sử dụng

là ferrite từ cứng BaSr, hợp kim AlNiCo (khá đắt tiền) Thế hệ nam châm vĩnh cửu mới

ra đời sau là các nam châm đất hiếm, mở đầu là các hợp chất RCo5 (như SmCo5 ) và sau

đó là R2Fe14B (như Nd2Fe14B, Pr2Fe14B ), R thường ký hiệu để chỉ các nguyên tố đất hiếm [9]

Bảng 1.2 Từ dư (Br), lực kháng từ (Hc) và tích năng lượng từ (BH)max của một số nam châm

Vật liệu Br (T) Hc(MA/m) (BH)max(kJ/m3

- 54% là nam châm ferrite

- 32% Nd2Fe14B

- 14% là các loại khác Nam châm ferrite là các gốm ferrite từ cứng, có phẩm chất không cao nhưng có ưu điểm là chế tạo rất đơn giản, giá thành rất thấp Còn nam châm Nd-Fe-B tuy phẩm chất rất tốt, nhưng lại có một số nhược điểm:

- Giá thành cao (do chứa nhiều đất hiếm là các nguyên tố đắt tiền)

Hình 1.9 Định hướng của các mômen từ của chất phản sắt từ

- Dễ bị ôxi hóa do các nguyên tố đất hiếm có hoạt tính rất mạnh Nếu chúng ta bỏ một nam châm đất hiếm ngoài không khí, chỉ một thời gian là chúng bị rã thành các bột - Nhiệt độ Curie thấp (3120C)

Trong thời gian gần đây, công nghệ nano phát triển, dẫn đến sự ra đời của một loại nam châm từ cứng mới tổ hợp tính chất của 2 loại từ cứng và từ mềm, có thể khắc phục các điểm yếu của nam châm tốt nhất (nam châm đất hiếm), có giá thành hạ và cho phẩm chất cao hơn rất nhiều (như tính toán lý thuyết) nhưng chưa đạt được như dự đoán Loại nam châm này gọi là nam châm tổ hợp nano hay nam châm trao đổi đàn hồi

sẽ mang hành vi của một chất thuận từ Đó là siêu thuận từ Các chất siêu thuận từ đang được quan tâm nghiên cứu rất mạnh, dùng để chế tạo các chất lỏng từ (Magnetic Fluid) dành cho các ứng dụng y sinh [2] Đối với vật liệu siêu thuận từ, từ dư và lực kháng từ bằng không, và có hành vi như chất thuận từ, nhưng chúng lại nhạy với từ trường hơn, có

từ độ lớn như của chất sắt từ Điều đó có nghĩa là, vật liệu sẽ phản ứng dưới tác động của

từ trường ngoài nhưng khi ngừng tác động của từ trường ngoài, vật liệu sẽ không còn từ tính nữa, đây là một đặc điểm rất quan trọng khi dùng vật liệu này cho các ứng dụng y sinh học Hạt nanô từ tính dùng trong y sinh học cần phải thỏa mãn ba điều kiện sau: tính đồng nhất của các hạt cao, từ độ bão hòa lớn và vật liệu có tính tương hợp sinh học (không có độc tính) [3] Tính đống nhất về kích thước và tính chất liên quan nhiều đến phương pháp chế tạo còn từ độ bão hòa và tính tương hợp sinh học liên quan đến bản chất của vật liệu Trong tự nhiên, sắt (Fe) là vật liệu có từ độ bão hòa lớn nhất tại nhiệt độ phòng, sắt không độc đối với cơ thể người và tính ổn định khi làm việc trong môi trường không khí nên các vật liệu như ô-xít sắt được nghiên cứu rất nhiều để làm hạt nanô từ tính [2]

Ở phần Sắt từ, ta đã biết rằng các chất sắt từ là các chất có mômen từ nguyên tử và các mômen này tương tác với nhau thông qua tương tác trao đổi làm cho các mômen từ định hướng song song với nhau Đó là tương tác trao đổi dương [2]

Chất phản sắt từ thì ngược lại, chúng cũng có

mômen từ nguyên tử nhưng tương tác giữa các

mômen từ là tương tác trao đổi âm và làm cho

các mômen từ định hướng phản song song với

nhau (song song, cùng độ lớn nhưng ngược

chiều) như hình 1.9

Sự định hướng phản song song này tạo ra 2 phân

mạng từ Mn và Cr là 2 kim loại phản sắt từ điển

hình Phản sắt từ là chất thuộc loại có trật tự từ

Nghiên cứu về phản sắt từ thường được tiến hành

ở các màng mỏng (ví dụ các lớp kiểu bánh kẹp

sắt từ-phản sắt từ) tạo thành hiệu ứng đường trễ

dịch, ứng dụng trong các đầu đọc valse-spin

Hình 1.10 Sơ đồ nguyên lý của nam châm điện đầu tiên

trong đầu đọc của ổ đĩa cứng [2]

Để nghiên cứu cấu trúc từ, người ta dùng kỹ thuật nhiễu xạ neutron, hạt không mang điện nhưng có mômen từ, các thông tin thu được qua sự phân tích về tương tác giữa mômen từ của neutron với các phân mạng từ Nếu như chất phản sắt từ có 2 phân mạng từ đối song song và bù trừ nhau thì feri từ có cấu trúc gần giống như vậy Feri từ cũng có 2 phân mạng từ đối song song, nhưng không có độ lớn như nhau nên không bù trừ hoàn toàn Do vậy feri từ còn được gọi là các phản sắt từ bù trừ không hoàn toàn Ferrite là các feri từ điển hình Chúng có hành vi gần giống với các chất sắt từ [2]

3.4.TÌM HIỂU VỀ NAM CHÂM

3.4.1 Khái quát về nam châm

Nam châm là các vật có khả năng hút vật bằng sắt hay thép non và đẩy các nam châm cùng cực Trong từ học, nam châm là một vật có khả năng sinh một lực dùng để hút hay đẩy một từ vật hay một vật có độ cảm từ cao khi nằm gần nam châm Lực phát sinh từ nam châm gọi là từ lực

Nam châm là một nguồn từ có hai cực: Bắc và Nam, và một từ trường tạo từ các đường

từ (đường sức) đi từ cực Bắc đến cực Nam Các đường sức từ còn gọi là từ phổ Các từ phổ này gồm hai dạng: một là các đường sức từ song song nằm trong lõi dây, hai là các đường cong từ cực Bắc sang cực Nam

Có 2 loại nam châm: nam châm điện và nam châm vĩnh cửu:

3.4.1.1.Nam châm điện

Nam châm điện là một dụng cụ tạo từ trường hay một nguồn sản sinh từ trường hoạt động nhờ từ trường sinh ra bởi cuộn dây có dòng điện lớn chạy qua Cảm ứng từ của nam châm điện được dẫn và tạo thành lớn nhờ việc sử dụng một lõi dẫn từ làm bằng vật liệu từ mềm có độ từ thẩm lớn và cảm ứng từ bão hòa cao Khác với nam châm vĩnh cửu có cảm ứng từ cố định, nam châm điện có cảm ứng từ có thể thay đổi được nhờ việc điều khiển dòng điện chạy qua cuộn dây [8]

Nam châm điện lần đầu tiên được phát minh bởi nhà điện học người Anh William Sturgeon (1783-1850) vào năm 1825 Nam châm điện của Sturgeon là một lõi sắt non hình móng ngựa có một số vòng dây điện cuốn quanh Khi cho dòng điện sinh ra bởi một pin nhỏ chạy qua, lõi sắt bị từ hóa và cảm ứng từ sinh ra đủ mạnh để hút lên được một hộp sắt nặng 7 ounce Khi ngắt dòng điện, từ trường của lõi cũng biến mất [9]

Nguyên lý của nam châm điện

Khi mắc một dây dẫn điện có nhiều vòng

quấn với nguồn điện, dòng điện sản sinh một điện

trường E trong các vòng quấn Khi dòng điện đi qua

các vòng quấn, Biến đổi của điện trường trong các

vòng quấn sinh ra một từ trường B vuông góc với

điện trường E

Từ trường của cuộn dây dẩn điện có tính chất

giống như từ trường của một nam châm cũng hút

hay đẩy một từ vật nằm trong từ trường của cuộn

dây.Khi ngắt dòng điện khỏi cuộn dây, từ trường

biến mất Cuộn dây không còn có thể hút hay đẩy từ

vật Vậy chỉ khi nào có dòng điện diện đi qua, cuộn

dây mới trở một thành nam châm điện.Từ trường của

cuộn dây tùy thuộc vào số từ cảm cuộn dây và dòng

điện trong cuộn dây

Từ Cảm cuộn dây tỉ lệ thuận với chiều dài, số vòng quấn và tỉ lệ nghịch với diện tích của cuộn dây

Cuộn dây tạo từ trường

Thông thường, cuộn dây là cộn solenoid được cuốn nhiều vòng dây đều nhau Cường độ từ trường sinh ra trong ống dây được tính theo công thức:

L

I N

 Cảm ứng từ bão hòa cao (để không giới hạn dải hoạt động của nam châm

 Có tổn hao trễ nhỏ (lực kháng từ nhỏ) để không làm trễ quá trình thay đổi từ trường của nam châm

Khi có lõi dẫn từ, cảm ứng từ sinh ra tại bề mặt của cực nam châm điện sẽ được xác định theo công thức:

I L

N H

B .0 .0 (1.13)

với 0 là độ từ thẩm của chân không và độ từ thẩm tỉ đối của vật liệu dùng làm lõi dẫn

từ [9]

3.4.1.2.Nam châm vĩnh cửu

Nam châm vĩnh cửu là các vật được cấu tạo từ các vật liệu từ cứng có khả năng giữ từ tính không bị mất từ trường, được sử dụng như những nguồn tạo từ trường [10]

Nam châm vĩnh cửu là một loại nguyên vật liệu từ tính được ứng dụng rộng rãi

trong các ngành sản xuất chế tạo: chế biến thực phẩm, sản xuất máy phát điện, chế biến thức ăn gia súc, chế tạo các máy nâng cẩu hàng hóa, dùng trong công nghiệp tàu thủy…

Các đặc trưng

Các đại lượng của nam châm vĩnh cửu xuất phát từ đường cong từ trễ, là các thông

số đặc trưng của các chất sắt từ nói chung và vật liệu từ cứng nói riêng và các thông số được quan tâm chủ yếu gồm:

- Lực kháng từ: Lực kháng từ của nam châm vĩnh cửu phải đủ lớn để không bị khử từ bởi

các từ trường ngoài, khả năng lưu trữ từ trường của nam châm càng lớn khi lực kháng từ càng lớn Các nam châm vĩnh cửu phổ biến hiện nay có lực kháng từ từ 1000 Oe đến vài chục ngàn Oe [10]

- Từ dư : Là giá trị từ độ khi từ trường được khử về 0

Hình 1.11 Nam châm Ainico

Hình 1.12 Nam châm Ferrite

cứng

- Hệ số chữ nhật hay Độ vuông

- Tích năng lượng từ cực đại: Nói lên khả năng lưu trữ năng lượng từ của nam châm vĩnh

cửu, là năng lượng lớn nhất có thể tồn trữ trong một đơn vị thể tích nam châm, được xác định từ đường cong từ trễ Muốn có tích năng lượng từ cực đại lớn, nam châm cần có lực kháng từ lớn, từ dư cao và hệ số chữ nhật của đường cong từ trễ lớn [9]

- Nhiệt độ Curie: Là nhiệt độ mà tại đó các vật sắt từ bị mất từ tính và trở thành thuận từ

Nhiệt độ Curie cho ta biết khả năng hoạt động của nam châm trong điều kiện nhiệt độ cao hay thấp Có những nam châm có nhiệt độ Curie khá thấp (ví dụ như nam châm

Nd2Fe14B có nhiệt độ Curie chỉ 3120

C), nhưng cũng có những loại nam châm có nhiệt độ Curie rất cao (ví dụ hệ hợp chất SmCo có nhiệt độ Curie hàng ngàn độ, được sử dụng trong động cơ phản lực có nhiệt độ cao)

Ngoài các tham số mang tính chất từ tính, các tham số khác cũng rất được quan tâm đó là độ cứng, khả năng chống mài mòn, chống ôxi hóa, mật độ… Bên cạnh đó, hình dạng nam châm cũng là một tham số rất quan trọng quyết định điểm làm việc của nam châm do hình dạng nam châm quy định thừa số khử từ của vật từ, có tác động lớn đến năng lượng từ của nam châm [9]

Phân loại theo vật liệu

 Ôxit sắt: Là loại nam châm vĩnh cửu đầu tiên của loài người được sử dụng dưới dạng các “đá nam châm”, được sử dụng từ thời cổ đại, có ngay trong tự nhiên nhưng khi khoa học kỹ thuật phát triển loại này không còn được sử dụng do từ tính rất kém[9]

 Thép cácbon: Là loại nam vĩnh cửu được sử dụng từ thế kỷ 18 đến giữa thế kỷ 20 với khả năng cho từ dư tới hơn 1 T, nhưng lực kháng từ rất thấp nên từ tính cũng dễ bị mất[9] Loại nam châm này hầu như không còn được sử dụng hiện nay

- Nam châm AlNiCo:

Là loại nam châm được chế tạo từ vật liệu từ

cứng là hợp kim của nhôm, niken, côban và một số

các phụ gia khác như đồng, titan…, là loại nam

châm cho từ dư cao (tới 1,2-1,5 T) nhưng có lực

kháng từ chỉ xung quanh 1 kOe, đồng thời giá thành

cũng khá cao nên hiện nay tỉ lệ sử dụng ngày càng

giảm dần

- Ferrite từ cứng: Là loại nam châm vĩnh cửu được

chế tạo từ các ferit từ cứng (ví dụ ferit Ba, Sr ) là các

vật liệu dạng gốm Nam châm ferit có ưu điểm là rất

dễ chế tạo, gia công, giá thành rẻ và độ bền cao.Tuy

nhiên, vì đây là nhóm các vật liệu feri từ đồng thời

có hàm lượng ôxy cao nên có từ độ khá thấp, có lực

kháng từ từ 3 đến 6 kOe, có khả năng cho tích năng

lượng từ cực đại lớn nhất không quá 6 MGOe Loại

nam châm này hiện nay chiếm tới hơn 50% thị

phần sử dụng nam châm vĩnh cửu do những ưu điểm

về giá thành cực rẻ, khả năng chế tạo, gia công và độ

bền

– Ưu điểm: dễ sản xuất, nguyên vật liệu phổ biến nên giá thành thấp Chính vì điều này

mà nam châm Ferrite được ứng dụng rộng rãi hơn

– Nhược điểm: Dễ bị oxy hóa nên độ khử từ thấp, lực từ yếu và dễ vỡ (do nguyên liệu dạng gốm)

Hình 1.13 Nam châm NdFeB

 Nam châm đất hiếm là loại nam châm vĩnh cửu được tạo ra từ các vật liệu từ cứng

là các hợp kim hoặc hợp chất của các kim loại đất hiếm và kim loại chuyển tiếp

Có 2 dạng phổ biến:

a Nam châm nhiệt độ cao SmCo:

Là hệ các nam châm vĩnh cửu được chế tạo từ hợp chất ban đầu là SmCo5 được phát minh năm 1966 bởi tiến sĩ Karl J Strnat của U.S Air Force Materials Laboratory (Mỹ) có tích năng lượng từ cực đại 18 MGOe, sau đó Karl J Strnat lại phát minh ra hợp chất Sm2Co17có tích năng lượng từ tới 30 MGOe vào năm 1972 Hệ nam châm SmCo có nhiệt độ Curie rất cao (có thể đạt tới 1100oC) và có lực kháng từ cực lớn (tới vài chục kOe) nhờ cấu trúc dạng lá đặc biệt Nhờ có nhiệt độ Curie cao và lực kháng từ lớn nên được sử dụng trong các ứng dụng nhiệt độ cao (ví dụ trong động cơ phản lực…) [9]

b Nam châm NdFeB

Là hệ các nam châm dựa trên hợp chất R2Fe14B (R là ký hiệu chỉ các nguyên tố đất hiếm ví dụ như Nd, Pr…) có cấu trúc tinh thể kiểu

tứ giác với lực kháng từ lớn (hơn 10 kOe) và từ

độ bão hòa rất cao (tới 1,56 T) nên là loại nam

châm vĩnh cửu mạnh nhất hiện nay với khả năng

cho tích năng lượng từ tới 64 MGOe (tính toán

theo lý thuyết) và hiện nay đã xuất hiện loại nam

châm Nd2Fe14B có tích năng lượng từ 57 MGOe

[10] Tuy nhiên, loại nam châm này lại không thể

sử dụng ở nhiệt độ cao do có nhiệt độ Curie chỉ

312oC Nam châm Nd2Fe14B lần đầu tiên được

phát minh năm 1983 bởi R Sagawa (Nhật Bản)

- Ưu điểm: Lực từ mạnh và tập trung bề mặt Có độ khử từ cao nên không bị mất đi lực

từ theo thời gian

- Nhược điểm: nguyên liệu hiếm dẫn đến giá thành cao Đường suất từ ngắn nên chỉ hút

các vật từ tính ở cự ly gần

- Nam châm tổ hợp nano: Là loại nam châm mới ra đời từ đầu thập kỷ 90 của thế kỷ 20,

là loại nam châm có cấu trúc tổ hợp của 2 pha từ cứng và từ mềm ở kích thước nanomet Các pha từ cứng (chiếm tỉ phần thấp) cung cấp lực kháng từ lớn, pha từ mềm cung cấp từ

độ lớn Tính chất tổ hợp này có được là nhờ liên kết trao đổi đàn hồi giữa các hạt pha từ cứng và từ mềm ở kích thước nanomet Loại nam châm này được tính toán có khả năng cho tích năng lượng từ khổng lồ hơn 3 lần so với nam châm mạnh nhất hiện nay là NdFeB nhưng thực nghiệm mới chỉ đạt được rất nhỏ so với lý thuyết và các sản phẩm thực nghiệm mới trong giai đoạn sản xuất thử nghiệm [9]

Phân loại theo phương pháp chế tạo

- Nam châm đẳng hướng : Là nam châm vĩnh cửu được chế tạo bằng cách ép đẳng tĩnh

mà không sử dụng các phương pháp định hướng ban đầu (từ trường…)

- Nam châm dị hướng: Là nam châm được định hướng trong quá trình ép đẳng tĩnh bằng từ trường Khi đó, các hạt đơn đômen trong vật liệu sẽ bị định hướng theo chiều

từ trường, tạo nên khả năng dễ dàng từ hóa theo phương định hướng

- Nam châm kết dính: Là các nam châm được chế tạo bằng cách nghiền thành bột mịn, sau đó trộn với keo kết dính (ví dụ epoxy) và ép trong từ trường định hướng Các keo vừa có tác dụng kết dính, lại vừa có tác dụng đông cứng sự định hướng của các hạt [10]

Hình 1.14 Máy tuyển từ

Hình 1.15 Nam châm

- Nam châm thiêu kết: Là nam châm được chế tạo bằng cách thiêu kết các bột kim loại được nghiền mịn và ép khuôn Việc thiêu kết nhằm tạo ra hợp chất có thành phần hợp phức xác định với tính chất từ của hợp chất đó

Thị trường nam châm vĩnh cửu Việt Nam

Phần lớn các công ty ở Việt Nam nhập nguyên vật liệu từ nước ngoài về và thương mại Một số ít sản xuất được nam châm vĩnh cửu và tập trung tại các thành phố lớn như: Hồ Chí Minh, Hà Nội Gần đây, một tin vui cho ngành công nghiệp khai thác khoáng sản, than trên cả nước giờ đây không còn phải chịu

cảnh nhập công nghệ máy tuyến từ nước ngoài với

cái giá cắt cổ Bởi các nhà khoa học Viện vật liệu

đã nghiên cứu và chế tạo được máy tuyển từ trên

cơ sở ứng dụng vật liệu nam châm đất hiếm

NdFeB bảo đảm chất lượng với giá thành chỉ bằng

20-25% giá nhập ngoại [10]

3.4.2 Sự ra đời của nam châm và ứng dụng

Nam châm ra đời từ rất lâu do một người chăn

cừu tên là Magnes phát hiện Đá nam châm có lực

từ có thể hút các vật bằng sắt và có khả năng

nhiễm từ các vật bằng sắt khác, nghĩa là chà sắt

lên nam châm, thì sắt cũng có khả năng hút các vật

bằng sắt khác [11]

Thời xa xưa, người ta đã biết ứng dụng nam

châm vào làm la bàn định hướng khi phát hiện ra

khi treo một thanh sắt nam châm thì nó luôn quay

về hướng bắc Các tính chất của nam châm cũng

lần lượt được phát hiện ngày càng nhiều hơn như

hai thanh nam châm cùng cực thì đẩy nhau, khác

cực thì hút nhau, từ đó các nghiên cứu về lực từ ngày càng mở rộng và phổ biến hơn [11] Một phát hiện quan trọng cho ra đời nam châm điện là sự phát hiện ra dây điện cũng có

từ trường khi có dòng điện chạy qua , và khi cho lõi sắt non vào giữa vòng dây thì có từ tính, phát hiện nay tạo ra nhiều ứng dụng cho con người hiện nay trong công nghiệp và đời sống

Nam châm vĩnh cửu và nam châm điện đã được phát hiện và sử dụng khá nhiều trong cuốc sống của con người từ các ứng dụng

đời sống như chuông báo, máy phát điện, động cơ

điện…đến các ứng dụng trong công nghiệp như

máy nâng điện, máy lọc từ, máy tuyển từ….và cả

trong y học.Khi nói đến ứng dụng của nam châm

trong y học, nhiều người tỏ vẻ không tin tưởng

nhưng đây là những gì mà các nhà khoa học Hàn

Quốc đang nghiên cứu và có những khởi đầu khá

là khả quan Ý tưởng cho cuộc nghiên cứu này là

sử dụng từ trường nam châm để kích hoạt các

tế bào ung thư tự sát [12] Các nghiên cứu trên

đã thành công với các tế bào ung thư ruột lẫn

trong bể cá Thông thường các tế bào trên cơ thể

được thiết lập một quá trình tự chết(tức Apotosis), Khi tế bào bị bệnh hay lỗi, cơ thể sẽ

Hình 1.16 Ứng dụng từ trường nam châm trong chữa bệnh ung thư