Hiện tượng từ dị hướng từ giảo UD

Sự dị hướng được gây ra bởi một liên kết của các quỹ đạo electron đối với mạng, và theo phương dễ từ hóa thì liên kết này là làm cho các quỹ đạo này ở trạng thái năng lượng thấp nhất.. V

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM THÁI NGUYÊN

- -BÀI TIỂU LUẬN

Đề tài:HIỆN TƯỢNG

TỪ DỊ HƯỚNG, TỪ GIẢO - ỨNG DỤNG

Khoa vật lý : ĐH Sư Phạm Thái Nguyên Môn : Vật liệu từ và siêu dẫn

GVHD: TS –Phạm Mai An Học viên: Ngô Văn Cường L23B.167

Thái Nguyên , 10/03/2016

1

PHẦN I: LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

- Ngày nay vật liệu từ và các hiện tượng từ có ứng dụng rất rộng dãi trong thực

tiễn

- Hiện tượng từ dị hướng, từ giảo có ứng dụng trong các từ trở dị hướng, từ trở

khổng lồ…., trong các bộ ghi từ…

- Còn lý do nữa tôi chọn nghiên cứu để hoàn thành tiểu luận điều kiện của môn Vật liệu từ và siêu dẫn

2

PHẦN II: GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ

I Hiện tượng từ dị hướng

3

Trong một vật liệu từ kết tinh,các tính chất từ sẽ rất phụ thuộc vào các phương tinh thể hóa, mà các dipol từ sẽ sắp xếp Một phép đo dị hướng từ tinh thể theo phương

dễ từ hóa là trường dị hướng, Ha ( được minh họa trên hình), là trường đòi hỏi để quay tất cả các mômen đi 90o, là một đơn vị trong một đơn tinh thể bão hòa Sự dị hướng được gây ra bởi một liên kết của các quỹ đạo electron đối với mạng, và theo phương dễ từ hóa thì liên kết này là làm cho các quỹ đạo này ở trạng thái năng

lượng thấp nhất

Hướng dễ từ hóa đối với một nam châm vĩnh cửu, ferít hay hợp kim đất hiếm, có thể là đơn trục , song nó cũng có thể có các vật liệu với nhiều trục dễ hoặc ở đó trục

dễ nằm tại mọi nơi trong một mặt phẳng nào đó hoặc trên bề mặt của một hình nón

Sự thực là,một nam châm vĩnh cửu có tính dị hướng đơn trục nghĩa là khó để khử

từ, vì nó cản trở sự quay của phương từ hóa

* Các Đô men từ

Đômen từ tồn tại nhằm giảm năng lượng của hệ Một mẫu được từ hóa đồng nhất, như trên hình 5(a), có một năng lượng tĩnh từ lớn liên quan đến nó Đó là hệ quả

của sự có mặt của cáccự từ tự do tại bề mặt của mẫu, khi phát sinh ra một trường khử từ , Hd Từ quy ước được chấp nhận cho dịnh nghĩa của mômen từ cho một

dipol từ thì độ từ hóa bên trong mẫu chỉ ra đi từ cực nam cho đến cực bắc, trong khi

đó phương của từ trường chỉ ra là đi từ cực bắc đến cực nam Vì vậy, trường khử từ theo phương ngược với sự từ hóa của mẫu Độ lớn của Hd phụ thuộc vào hình học

và độ từ hóa của mẫu Nói chung, nếu mẫu có tỷ lệ cao của độ dài trên đường kính ( và được từ hóa theo truc dài) thì trường khử từ và năng lượng tĩnh từ sẽ thấp

Minh họa sự chia vật liệu thành (a) đơn đômen, (b) hai dômen, (c) Bốn đômen và (e) Các đômen khép kín

Việc phân chia mẫu được từ hóa thành hai đômen như minh họa trên hình 5(b) đã làm giảm năng lượng tĩnh từ xuống còn một nửa Trong thực tế , nếu nam châm

4

được phân chia thành N đômen thì năng lượng tĩnh từ sẽ được giảm đi N lần, vì

vậy, hình 5(c) có ¼ năng lượng tĩnh từ của hình 5(a) Hình 5(d) chỉ ra cấu trúc

đômen kín, ở đó năng lượng tĩnh từ bằng không, song điều này chỉ có thể được đối với các vật liệu mà không có một dị hướng từ đơn trục mạnh, và các đômen lân cận không phải bị từ hóa theo phương 180o đối với nhau

Việc đưa vào một đômen đã làm tăng năng lượng tổng cộng của hệ, vì vậy việc

chia thành các đômen chỉ tiếp tục khi việc giảm năng lượng tĩnh từ lớn hơn so với năng lượng đòi hỏi để tạo ra vách đômen Năng lượng liên quan đến một vách

đômen tỷ lệ với diện tích của nó Việc biểu diễn sơ đồ của vách đômen được chỉ ra trên hình 6, chỉ ra rằng các mômen dipol của các nguyên tử bên trong vách không nằm 180o đối với nhau và năng lương trao đổi cũng tăng lên bên trong vách Vì

vậy, năng lượng vách đômen là một tính chất nội tại của một vật liệu phụ thuộc vào mức độ dị hướng từ tinh thể và cường độ của tương tác trao đổi giữa các nguyên tử lân cận Độ dày của vách sẽ thay đổi tương quan đến các thông số này, vì một dị

hướng từ tinh thể mạnh sẽ phù hợp một vách hẹp, trong khi mà một tương tác trao đổi mạnh sẽ thích hợp với một vách rộng

* Dị hướng từ tinh thể là dạng năng lượng trong các vật có từ tính có nguồn gốc liên quan đến tính đối xứng tinh thể và sự định hướng của mômen từ Trong tinh thể, mômen từ luôn có xu hướng định hướng theo một phương ưu tiên nào đó của tinh thể tạo nên khả năng từ hóa khác nhau theo các phương khác nhau của tinh thể,

đó là tính dị hướng từ

Mỗi tinh thể có một hướng nào đó mà độ từ hóa luôn có xu hướng định hướng theo phương đó, và theo hướng đó, sẽ quá trình từ hóa sẽ diễn ra dễ nhất gọi là trục dễ từ hóa Và khi từ hóa theo hướng khác (lệch 90o so với trục dễ) thì quá trình từ hóa sẽ khó hơn, và sẽ rất khó đạt trạng thái bão hòa từ, và trục đó gọi là trục khó từ hóa

Năng lượng dị hướng từ tinh thể được định nghĩa là năng lượng cần thiết để quay mômen từ từ trục khó sang hướng của trục dễ Bên cạnh nguồn gốc do tính đối

xứng tinh thể, dị hướng từ tinh thể còn có thể được tạo ra do ứng suất hay do hình dạng của vật từ hay trật tự của các cặp spin với định hướng khác nhau

Bản chất và mô tả dị hướng từ tinh thể

• Cách hiểu đơn giản về dị hướng từ tinh thể là năng lượng liên quan đến tính đối xứng tinh thể Nhưng về thực chất, năng lượng dị hướng từ tinh thể là dạng năng lượng có được do liên kết giữa mômen từ spin và mômen từ quỹ đạo (liên kết spin - quỹ đạo) và do sự liên kết của điện tử với sự sắp xếp của các nguyên

tử trong mạng tinh thể (tương tác với trường tinh thể)

5

• Dị hướng từ tinh thể mô tả định hướng của độ từ hóa Một cách tổng quát, năng lượng dị hướng từ tinh thể được biểu diễn bởi chuỗi các hàm cơ bản liên quan tới góc giữa véctơ từ độ và trục dễ từ hóa

• Nếu tinh thể có 1 trục dễ từ hóa duy nhất (gọi là dị hướng đơn trục - uniaxial

anisotropy) thì năng lượng dị hướng từ tinh thể được cho bởi:

với là góc giữa từ độ và trục dễ từ hóa, là các hằng số dị hướng từ tinh thể

mang đặc trưng cho chất

• Với tinh thể có đối xứng lập phương thì năng lượng dị hướng từ lại

phụ thuộc vào côsin chỉ phương của véctơ từ độ và các trục tinh thể theo

công thức:

với là hằng số dị hướng từ tinh thể bậc 1, 2 , là các côsin chỉ phương giữa véctơ từ độ và các trục tinh thể

Dị hướng từ bề mặt

Trong các vật liệu sắt từ ở dạng màng mỏng, do ở màng mỏng, tỉ số diện tích bề

mặt trên thể tích trở nên rất lớn, hiệu ứng bề mặt bắt đầu xuất hiện, do đó dị hướng

từ tinh thể trở nên yếu đi và phải thay bằng dị hướng từ bề mặt

Từ kế mẫu rung

6

Như đã nói, từ kế mẫu rung hoạt động theo nguyên tắc cảm ứng điện từ Nó đo

mômen từ của mẫu cần đo trong từ trườngngoài

Mẫu đo được gắn vào một thanh rung không có từ tính, và được đặt vào một vùng

từ trường đều tạo bởi 2 cực của nam châm điện Mẫu là vật liệu từ nên trong từ

trường thì nó được từ hóa và tạo ra từ trường Khi ta rung mẫu với một tần số nhất định, từ thông do mẫu tạo ra xuyên qua cuộn dây thu tín hiệu sẽ biến thiên và sinh

ra suất điện động cảm ứng V, có giá trị tỉ lệ thuận với mômen từ M của mẫu theo quy luật cho bởi:

với M là mômen từ của mẫu đo, là tiết diện vòng dây, n là số vòng dây của

cuộn dây thu tín hiệu

7

Trong các từ kế phổ thông, người ta sử dụng 2 cuộn dây thu tín hiệu đối xứng nhau,

gọi là cặp cuộn dây pick-up (pick-up coil), là hệ 2 cuộn dây đối xứng nhau, cuốn

ngược chiều trên lõi là một vật liệu từ mềm Ngoài ra, để tăng độ nhạy cho từ kế, người ta có thể thay cuộn dây thu tín hiệu bằng thiết bị giao thoa kế lượng tử siêu

dẫn (superconducting quantum interference device - SQUID), là một tiếp xúc chui

hầm Josephson có thể đo các lượng tử từ thông, do đó độ nhạy của thiết bị được

tăng lên rất nhiều Với cuộn dây thu này, ta có từ kế SQUID, thường hoạt động ở nhiệt độ thấp (vì hiện nay chỉ có các vật liệu siêu dẫn đạt trạng thái siêu dẫn ở nhiệt

độ thấp

Nam châm điện trong từ kế cũng là một bộ phận rất quan trọng để tạo ra từ trường

từ hóa vật liệu cần đo Nếu nam châm điện là cuộn dây tạo từ trường bằng dòng

điện một chiều ổn định, thì từ trường tạo ra là một chiều ổn định, nhưng thường

không lớn, do bị hạn chế bởi từ độ bão hòa của lõi thép và cuộn dây một chiều

không thể cho dòng điện lớn chạy qua (sẽ tỏa rất nhiều nhiệt) Loại nam châm kiểu này chỉ sử dụng từ trường cực đại cỡ xung quanh 3 T

Người ta có thể tạo ra từ trường lớn bằng cách sử dụng từ trường xung Tức là dùng một dòng điện cực lớn dạng xung phóng qua cuộn dây, để tạo ra từ trường lớn (có thể tới hàng chục Tesla) trong một thời gian cực ngắn Tuy vậy, hạn chế của cách này là vì thời gian của từ trường ngắn, nên phải có cách ghi tín hiệu khác (vì từ

trường quá ngắn có thể ảnh hưởng đến khả năng cảm ứng của vật liệu trong từ

trường ngoài)

Cuộn dây siêu dẫn cũng là một cách tạo từ trường một chiều lớn và ổn định Người

ta sử dụng những cuộn dây siêu dẫn (hoạt động ở nhiệt độ thấp) để tạo ra từ trường cực lớn ổn định Hạn chế của cách này là cuộn dây phải hoạt động ở nhiệt độ thấp nên chi phí hoạt động thường cao Cuộn dây siêu dẫn thường sử dụng trong từ kế SQUID

1 Từ điện trở dị hướng (AMR)

• (Tiếng Anh: Anisotropic Magnetoresistance Effect - AMR) Hiệu ứng này

cũng được William Thomson phát hiện vào năm 1857 khi quan sát thấy điện trở

của các vật liệu sắtvà niken phụ thuộc vào góc giữa dòng điện chiều của véctơ từ

độ Hiệu ứng này phát hiện trong nhiều chất bán dẫn và nhiều màng mỏng từ

• Hiệu ứng AMR trong các chất bán dẫn chủ yếu là do sự lệch quỹ đạo của

dòng hạt tải (điện tử hay lỗ trống) dưới tác dụng của từ trường, thường được ứng

8

dụng trong một số cảm biến đo từ trường như đo từ trường Trái đất, hay cảm biến

đo dòng điện

• Cơ chế của hiện tượng dị hướng từ điện trở:

Điện trở phụ thuộc vào sự định hướng tương

đối của M và dòng điện I

* Nguồn gốc là:

+ sự tán xạ không đối xứng của các electron theo spin của chúng trong từ truờng

+ do liên kết spin-quỹ đạo

Hiệu ứng AMR được mô tả như là một thay đổi trong sự tán xạ do các quỹ đạo

nguyên tử, gây ra bởi một từ trường

Bằng cách này, điện trở là cực đại khi cả hai hướng song song và ở mức cực tiểu là khi cả hai hướng vuông góc Biểu thức toán học:

Hàm này đạt giá trị cực đại tại góc 450,

* Ứng dụng trong Cảm biến

Bộ cảm biến là thiết bị điện tử cảm nhận những trạng thái hay quá trình vật

lý hay hóa học ở môi trường cần khảo sát, và biến đổi thành tín hiệu điện để thu

thập thông tin về trạng thái hay quá trình đó.[1]

9

Thông tin được xử lý để rút ra tham số định tính hoặc định lượng của môi

trường, phục vụ các nhu cầu nghiên cứu khoa học kỹ thuật hay dân sinh và gọi

ngắn gọn là đo đạc, phục vụ trong truyền và xử lý thông tin, hay trong điều khiển

các quá trình khác

Cảm biến thường được đặt trong các vỏ bảo vệ tạo thành đầu thu hay đầu

dò (probe), có thể có kèm các mạch điện hỗ trợ, và nhiều khi trọn bộ đó lại được

gọi luôn là "cảm biến" Tuy nhiên trong nhiều văn liệu thì thuật ngữ cảm biến ít

dùng cho vật có kích thước lớn Thuật ngữ này cũng không dùng cho một số loại

chi tiết, như cái núm của công tắcbật đèn khi mở tủ lạnh, dù rằng về mặt hàn

lâm núm này làm việc như một cảm biến.

Có nhiều loại cảm biến khác nhau và có thể chia ra hai nhóm chính:

• Cảm biến vật lý: sóng điện từ, ánh sáng, tử ngoại, hồng ngoại, tia X, tia

gamma, hạt bức xạ, nhiệt độ, áp suất, âm thanh, rung động, khoảng

cách, chuyển động, gia tốc, từ trường, trọng trường,

2 Từ điện trở dị hướng xung kích

(Tiếng Anh: Ballistic Anisotropy Magnetoresistance - BAMR) Là hiệu ứng từ

điện trở xảy ra khi các điện tử chuyển động trong một dây rất mỏng cũng giống

như một viên đạn đi trong nòng súng - chúng đều bị cưỡng ép chuyển động trên

một chiều nhất định và hầu như ít bị van chạm hay nói cách khác là không có sự

cản trở dọc theo đường truyền Nếu dây có chiều dày chỉ vài lớp nguyên tử, khả

10

năng dẫn điện tử - độ dẫn điện - sẽ bị lượng tử hóa, là một số nguyên lần (N) của

độ dẫn của một điện tử bởi vì năng lượng của điện tử bị cầm tù trong dây trong dây

là các dải hẹp và N sẽ tương ứng với số dải năng lượng trên mức Fermi, mà ở đó

xảy ra tính dẫn điện

• Năm 2005, Evgeny Tsymbal và các đồng nghiệp ở Đại học Nebraska giả

thiết rằng số N có thể thay đổi bằng cách đặt một từ trường vào một dây rất mảnh

làm bằng các kim loại từ tính Trong các vật liệu đó, các điện tử dẫn dưới tác dụng của từ trường sẽ phải dịch chuyển mức năng lượng so với mức Fermi và do đó dẫn đến việc thay đổi N Do độ dẫn của dây tỉ lệ với N, nên các nhà nghiên cứu giả định rằng có thể quan sát thấy sự thay đổi kiểu nhảy bậc của độ dẫn (hay nói cách khác

là điện trở) Họ gọi hiệu ứng này là "hiệu ứng từ điện trở dị hướng xung kích"

(ballistic anisotropy magnetoresistance) - từ "dị hướng" ở đây là do hiệu ứng này

phụ thuộc vào góc tương đối giữa từ trường và chiều của dòng điện dẫn Mới đây, Bernard Doudin ở Viện Vật lý và Hóa học Vật liệu (Strasbourg) và các đồng

nghiệp ở Đại học Nebraska đã quan sát thấy hiệu ứng BAMR trong một loạt các

dây khác nhau ở kích cỡ nguyên tử chế tạo bằng Co Trong một mẫu, các nhà

nghiên cứu đã đo được sự thay đổi của độ dẫn tương ứng với N = 6, 7 khi mà chiều của từ trường thay đổi Các nhà nghiên cứu cho hay sự phản ứng này có liên quan đến sự chênh lệch ở thang nguyên tử trong cấu trúc của các dây nano và có thể giải thích bằng lý thuyết của Tsymbal về BAMR

II Từ giảo

11

Cơ chế hiện tượng từ giảo do tương tác spin-quỹ đạo và sự phân bố đám mây điện tử: a) dạng đối xứng cầu: không có từ giảo; b) không có đối xứng cầu: có từ giảo

Từ giảo (tiếng Anh: magnetostriction) là hiện tượng hình dạng, kích thước của các vật từ (thường là sắt từ) bị thay đổi dưới tác dụng của từ trường ngoài (từ giảo

thuận) hoặc ngược lại, tính chất từ của vật từ bị thay đổi khi có sự thay đổi về hình dạng và kích thước (từ giảo nghịch) Trong các sách giáo khoa vật lý cũ ở Việt

Nam, người ta còn dùng thuật ngữ "áp từ" cho từ giảo (để tương ứng với hiện

tượng áp điện là sự thay đổi kích thước do điện trường) Tuy nhiên, thuật ngữ này hiện nay hầu như không được sử dụng

Người ta định nghĩa hệ số từ giảo (hay từ giảo Joule) là tỉ lệ phần trăm sự thay đổi

về chiều dài hoặc thể tích:

hoặc:

12

với lần lượt là chiều dài (hay thể tích) của vật thể trong từ

trường (H) và khi không có từ trường Hệ số từ giảo là đại lượng không có thứ

nguyên

Theo định nghĩa này, nếu ta có từ giảo dương, ta sẽ có từ giảo âm

Hiện tượng từ giảo dẫn đến sự thay đổi về chiều dài gọi là từ giảo dài, còn hiện

tượng dẫn đến sự thay đổi về toàn thể tích gọi là từ giảo khối

Trong các nghiên cứu về từ học và kỹ thuật, người ta còn quan tâm đến đại

lượng độ cảm từ giảo, được định nghĩa bởi sự biến thiên của hệ số từ giảo theo từ

trường:

Độ cảm từ giảo mang ý nghĩa tương tự như độ cảm từ, đều chỉ khả năng phản ứng của chất dưới từ trường ngoài, trong trường hợp từ giảo, độ cảm từ giảo có ý nghĩa chỉ khả năng thay đổi tính chất từ giảo do từ trường Độ cảm từ giảo có thứ

nguyên là nghịch đảo của từ trường, có đơn vị là m/A hay Oe−1

Cơ chế hiện tượng từ giảo

Hình ảnh mô tả cơ chế hiệu ứng từ giảo

Bản chất của hiện tượng từ giảo là do tương tác spin-quỹ đạo trong các điện

tử trong vật liệu sắt từ Hiện tượng từ giảo chỉ có thể xảy ra khi đám mây điện

tử không có dạng đối xứng cầu và có tương tác spin-quỹ đạo mạnh Dưới tác dụng của từ trường ngoài, sự phân bố của các điện tử (ở đây là mômen quỹ đạo) sẽ quay theo sự quay của mômen từ (mômen spin) từ hướng này sang hướng khác và từ

giảo được tạo ra do sự thay đổi tương ứng của tương tác tĩnh điện giữa điện tử từ

và điện tích của môi trường

Khi đám mây điện tử có dạng đối xứng cầu (có nghĩa là mômen quỹ đạo bằng 0),

tất cả các vị trí của các iônlân cận đều tương đương đối với sự phân bố điện tử Khi

có sự tác động của từ trường ngoài, mômen spintuy có quay đi, nhưng sự phân bố không gian của điện tử hoàn toàn không thay đổi nên khoảng cách giữa các điện

13