Từ dị hướng, tù giảo ứng dụng

Một phép đo dị hướng từ tinh thể theo phương dễ từ hóa là trường dị hướng, Ha được minh họa trên hình 4 , là trường đòi hỏi để quay tất cả các mômen đi 90o, là một đơn vị trong một đơn

Sự dị hướng từ

Sự dị hướng từ của tinh thể cobalt

1

S d h ự ị ướ ng t ừ

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 Hình 4 biểu diễn hiệu ứng này đối với một đơn tinh thể cobalt Cấu trúc tinh thể hexagonal của cobalt có thể được từ hóa dễ dàng theo phương [0001] ( tức là dọc theo trục c), nhưng có trục khó của

độ từ hóa theo phương loại [1010], nằm trong mặt phẳng cơ sở (

90o so với trục dễ)

Một phép đo dị hướng từ tinh thể theo phương dễ từ hóa là trường dị hướng, Ha ( được minh họa trên hình 4 ), 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 phảng 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

Sự dị hướng từ

3

Các đômen từ

Để giải thích được sự thật là các vật liệu sắt từ với độ từ

hóa tự phát có thể tồn tại ở trạng thái khử từ, Weiss đã

đưa ra khái niệm các đômen từ Weiss đã xây dựng trên

cơ sở của công trình trước đó của Ampère, Weber và

Ewing khi đưa ra sự tồn tại của chúng Các kết quả tìm

thấy của công trình này liên quan đến điều là bên trong

một đômen một số lớn các mômen nguyên tử đã được

định hướng là 10 12 – 10 18, vượt quá một khối lượng lớn

hơn nhiều so với những dự đoán trước đó Độ từ hóa bên

trong đômen đã được bão hòa và sẽ luôn nằm theo

phương từ hóa dễ khi ở đó không có từ trường ngoài đặt

vào Phương của sự định hướng đômen ngang qua một

khối lượng lớn vật liệu là ngẫu nhiên nhiều hay ít và vì

vậy độ từ hóa của một mẫu là có thể bằng không

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

Các đômen từ

5

Các đômen từ

Minh họa sự chia vật liệu thành (a) đơn đômen, (b) hai

dômen, (c) Bốn đômen và (e) Các đômen khép kín.

Các đômen từ

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 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 180 o đối với nhau

7

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

Các đômen từ

Magnetized material

E total minimized by presence of domains within material that align spins within domains, and keep H external ~ 0

Unmagnetized material

Domains:

9

Domains showing the effect of minimizing exchange energy and magneto static energy

Magneto Static Energy

Showing additional energy contributors – Magneto Striction and Wall Surface Energy

Domains

Magnetic Force Microscopy (MFM) image showing the magnetic domains in a piece of heat treated carbon steel

Magnetic Domains delineated by iron filings

in an applied Magnetic Field.

Domains

11

Wall thickness about 1000 Å (100 nm, 0.1 µ m)

Sơ đồ biểu diễn vách đômen 180 o

Các đômen từ

13

Vì vậy, một năng lượng cực tiểu có thể đạt

được với một số riêng biệt các đômen bên

trong một mẫu Số các đômen sẽ phụ thuộc

vào kích thước và hình dạng của mẫu ( nó sẽ

ảnh hưởng lên năng lượng tĩnh từ) và tính

chất từ nội tại của vật liệu ( nó sẽ ảnh hưởng

lên năng lượng tĩnh từ và năng lượng vách

đômen).

Các đômen từ

hệ số 4/3 % trọng lượng Si Silic cũng có ích lợi làm giảm độ từ giảo ( tức là sự thay đổi độ dài lên độ từ hóa) và sự dị hướng từ tinh thể Thêm vào đó, vật liệu được sử dụng dưới dạng cán mỏng , độ dày điển hình 0.3 đến 0.7 mm Việc thêm vào quá nhiều silic làm cho vật liệu cực kỳ dòn và khó để sản xuất, khi cho một giới hạn thực tế 4% trọng lượng vào số lượng silic được thêm vào Gần đây, m65t kỹ thuật đã được phát triển để tạo ra việc dát mỏng với > 6% trọng lượng Si, bằng việc xử lý lắng đọng hơi hóa học SiCl4 để làm giàu cán dát mỏng với Si sau khi tạo hình cán dát mỏng Các thép điện điển hình nhất sẽ chứagiữa 3 và 4 % trọng lượng Si 15

Đối với các ứng dụng biến thế, từ thông nằm có ưu thế hơn theo độ dài của các lá dát mỏng và vì vậy, nó tốt để tăng cường độ từ thẩm theo phương này Điều này đã đạt được bằng các giai đoạn cán nóng và lạnh khác nhau để tạo ra các lá cấu trúc sợi, được biết như các thép silic dịnh hướng hạt, với hướng [001] theo độ dài của lá dát mỏng Các hướng tinh thể loại <001> là các hướng dễ của độ từ hóa và vì vậy, độ từ thẩm lớn hơn Hinh11 chỉ ra sự dị hướng của Fe và minh họa hai loại cấu trúc có thể đạt được.cấu trúc lập phương nằm trên cạnh (cube-on-edge) và lập phương Chú ý rằng cấu trúc lập phương có hai hướng loại <001> nằm trong mặt phẳng của lá

và cung cấp một lợi ích nếu các lá mỏng dạng E có thể được cắt ra từ lá sợi ( sheet)

(a) Dị hướng từ tinh thể của Fe,

17

(b) Cấu trúc lập phương-bìa và (c) cấu trúc lập phương của thép silic định hướng hạt.

Các hợp kim vô định hình và tinh thể nanô.

Các vật liệu này đã được tạo ra ở dưới dạng của một băng bằng phương pháp quay nóng chảy Các hợp kim bao gồm sắt, nickel, và hoặc cobalt với một hay nhiều hơn các nguyên tố sau đây: bor, cacbon, phospho và silic Chúng có một lực kháng từ cực kỳ thấp, nhỏ hơn một bậc về độ lớn so với FE-Si tiêu chuẩn, và như vậy thì mất mát trễ thấp hơn Song chúng

có độ từ hóa tương đối thấp và không phù hợp cho những ứng dụng dòng cao Chúng tìm thấy thị trường cho các ứng dụng dòng thấp và những dụng cụ đặc biệt nhỏ , ở đó chúng có thể cạnh tranh với Ni-Fe

19

Thay vì đúc hợp kim trên một bánh xe quay để tạo ra các dải băng người tacũng có thể bơm một dòng hợp kim nóng chảy vào trong một bể nước hay dầu để tạo ra các dây vôdịnh hình chiều dày điển hình là 50 mm Các dây này có một chu trình trễ rất vuông góc với những thay đổi lớn trong độ từ hóa tại trường thấp, là cho chúng trở thành các vật liệu lý tưởng cho

độ nhạy và chuyển mạch

Gần đây có nhiều quan tâm đến các vật liệu tinh thể nanô, được tạo ra bằng việc ủ các vật liệu vô định hình Các hợp kim này có thể là đơn pha nhưng thường bao gồm các hạt kích thước nanô, trong khoảng từ 10 – 50 nm, trong một matrân vô định hình Chúng có điện trở tương đối cao, dị hướng thấp và tính bền cơ học cao

Các hợp kim Nickel-Sắt.

Các hợp kim này , còn gọi là permalloy, cực kỳ tuyệt vời, được

sử dụng trong một khoảng rộng của các thành phần, từ 30 đến 80% trọng lượng Ni Trên khoảng thành phần này, các tính chất thay đổi và thành phần tối ưu phải đượclựa chọn cho một ứng dụng riêng biệt Các hợp kim hàm lượng Ni cao có độ từ thẩm cao, ở xung quang 50% trong lượng Ni, có độ từ hóa bão hòa cao và hàm lượng Ni thấp, có một điện trở suất cao

Có các sự phân loại đặc biệt các hợp kim Ni-Fe có độ từ giảo zero và dị hướng từ zero, chăng hạn như mumetal, được tạo ra bằng việc xử lý nhiệt kỹ lưỡng và các chất phụ thêm Cu, Cr Các hợp kim này có độ từ thẩm cực cao, đến 300000 và lực kháng từ nội tại thấp là 0.4 Am-1

21

Các ferít mềm.

Tại tần số cao, các vật liệu từ mềm kim loại hoàn toàn không thể được sử dụng do mết mát dòng điện xoáy Vì vậy, các ferí mềm, là các chất cách điện gốm, trở thành các vật liệu tốt nhất Các vật liệu này là ferit từ với cấu trúc tinh thể lập phương và thành phần tổng quát là MO.Fe2O3, ở đây M là kim loại chuyển tiếpnhư lả nickel, mangan hay kẽm

Ferít MnZn, có tên thương mại là ferroxcube, có thể sử dụng tại các tần số cho đến 10 MHz, chẳng hạn, trong các bộ truyền và thu tín hiệu telephon và trong bộ chuyển mạch nguồn công suất ( cũng

có thể tham khảo converter DC-DC) Đối với loại ứng dụng này, lực thực hiện để làm tăng tần số lè để cho phép sự thu nhỏ lại

Thêm vào nửa là một phần họ ferít mềm, là các ferít vi sóng, chẳng hạn granat sắt ytri Các ferít này được sử dụng trong khoảng tần số từ 100 MHz đến 500 MHz, cho việc dẫn sóng cho các bức

xạ điện từ và trong các thiết bị vi sóng như cái chuyển phas ( phase shifter)

Các ứng dụng AC.

Các ứng dụng AC liên quan đến các mạch điện và chủ yếu trong các biến thế khi chuyển đổi thế AC này thành một thế khác Sự truyền công suất có hiệu quả hơn tại các thế cao, nhưng nguy hiểm hơn và khó sử dụng ở nhà hơn Vì vậy, các biến thế tăng áp ( step-up)được dùng để tăng thế cho sự truyền tải và các biến thế hạ áp ( step-down) được sử dụng để giảm thế trước khi đưa vào nhà

Loại biến thế nhỏ nhất là biến đổi DC-DC, còn được gọi là nguồn nuôi thay đổi ( switch mode power supply) Những cái này thường được gắn lên trên một con chip có thể đặt vào một board mạch Chúng lấy thế DC ở lối vào Dao động thế để thành tín hiệu AC, sau đó đi qua một cuộn dây quấn quanh một lõi xuyến, một cuộn pick-up sẽ thu tín hiệu từ lõi và chỉnh sửa ( nắn) lại thành thế lối ra Số vòng tương đối trên các cuộn sơ cấp (input) và cuộn thứ cấp (output) xác định sự khác nhau về thế giữa lối vào

và lối ra.

Các vật liệu từ mềm cũng đóng một vai trò quan trọng trong các motơ điện, ở đó chúng tăng cường trường được tạo ra bởi các vòng quấn môtơ Trong các mơtơ nam châm vĩnh cửu, chúng cũng được dùng để che chắn

từ thông được tạo ra bởi các nam châm vĩnh cửu.

23

Các ứng dụng DC.

Một trong những ứng dụng DC chính là trong lĩnh vực che chắn từ Một vật liệu từ có độ từ thẩm cao được sử dụng để bao quang một thiết bị cần phải được che chắn, Hình 12 minh họa một ví du đơn giản của một lá chắn từ , ở đó một ống tup hay một hình cầu bằng vật liệu có độ từ thẩm cao che chắn từ trường khỏi vào bên trong ống tup hay hình cầu Hiệu quả của việc che chắn có thể biểu thị qua hệ số che chắn,S, ở đây S liên quan tới trường bên ngoài (Bo) và trường bên trong (B1) bằng phương trình 9

(9)Đối với một hình cầu, S cần phải được tính theo phương trính (10), ở đây µr = độ từ thẩm tương đối, d = độ dày của vách và D = đường kính

Hình12 Vật chắn từ bằng ống tup hay quả cầu vật liệu từ mềm

25

Rõ ràng từ phương trình 10, độ từ thẩm càng cao thì vật liệu sẽ che chắn tốt hơn Một điều cũng nhận thấy là sự che chắn càng lớn thì

độ từ thẩm của vật liệu hay độ dày của vách buộc phải tăng lên để

bù trừ

Các vật liệu từ mềm cũng được sử dụng cho các đầu cực điện từ, để tăng cường trường được tạo ra bởi nam châm Các chuyển mạch solenoit cũng sủ dụng các vật liệu từ mềm để tăng độ tin cậy Hầu hết các thiết bị nam châm vĩnh cửu đều sử dụng các vật liệu từ mềm để che chắn từ thông hoặc là cung cấp một đường trở về cho

từ trường, ví dụ như các máy quét ( scanners) cơ thể của ảnh chụp cộng hưởng (MRI) có các nam châm vĩnh cửu lớn với một cái gông (yoke)bằng vật liệu từ mềm để tự ngăn cản trường khử từ, làm giảm trường trong khe của máy scanner

Tại tần số cao, các vật liệu từ kim loại không thể được sử dụng do mất mát dòng điện xoáy Vì vậy, các ferít mềm là các điện môi gốm, trở thành vật liệu tốt nhất

Vật liệu từ giảo.

Hầu hết các vật liệu từ đều biểu hiện tính từ giảo, đó là sự thay đổi trong kích thước vật lý do kết quả của trật tự từ Có hai loại từ giảo: từ giảo tự phát, xuất hiện từ trật tự từ của mômen nguyên tử ở dưới nhiệt độ Curie ( thường gây ra

sự nở thể tích) và từ giảo cảm ứng từ , xuất hiện từ sự sắp xếp của các đômen

từ khi có tác dụng của một từ trường ngoài

Sự từ giảo tự phát được được khai thác ở c hợp kim dựa trên NiFe, còn gọi là invar, với sự chú ý ở sự kiện là nó có sự giản nở nhiệt zero cho đến nhiệt độ Curie của nó Như đã được chú ý trước đây, độ từ hóa bão hòa của một vật liệu giảm khi nung nóng đến nhiệt độ Curie do sự giảm của bậc định hướng của các mômen từ nguyên tử Bởi vì sự sắp xếp này và sự giảm của độ từ hóa bão hòa sau đó làm cho sự giản nở thể tích được gây ra bởi sự từ giảo tự phát

và vì vậy vật liệu co lại Trong trường hợp của invar sự co lại này là do sự mất mát của độ từ giảo tự phát bằng sự giản nở được gây ra bởi quá trình dao động nhiệt thông thường, và vì vậy vật liệu sẽ không thay đổi về kích thước Song ,

ở trên nhiệt độ Curie sẽ không có trật tự từ nào lâu hơn và sự giản nở nhiệt xảy ra bình thường.

27

Sự từ giảo cảm ứng trường xảy ra khi sự định hướng các đômen từ và sự thay đổi kích thước được gây ra bởi trật tự của các mômen từ nguyên tử tổ hợp lại

để cho một sự thay đổi kích thước khối vật liệu.Vật liệu có độ từ giảo lợi ích lớn là Terfenol, là hợp kim của Tb, Dy, và Fe Terfenol dùng làm các sensor

vị trí và trường, cũng như bộ truyền động cơ học và micro ( speaker) Các sensor vị trí / tải trọng làm việc theo nguyên lý là: khi một vật liệu từ giảo biểu hiện một sức căng thì độ từ hóa của vật liệu sẽ thay đổi Các bộ truyền động Terfenol thường có một thanh Terfenol, được đặt dưới lực nén để định hướng các đômen từ vuông góc với chiều dài của thanh Một cuộn dây quấn quanh thanh có thể áp đặt một từ trường lên thang nhằm định hướng các đômen dọc theo chiều dài của nó Sơ đồ trên hình 18 chỉ ra một bộ truyền động, có một nam châm vĩnh cửu để biến đổi thanh Terfrnol sao cho dòng điện chạy trong cuộn dây theo các phương khác nhau sẽ làm cho bộ truyền động giảm xuống hay tăng lên theo chiều dài Nếu sự biến đổi từ không có mặt thì một dòng điện theo mọi phương có thể làm cho thanh truyền động nở ra và nếu actuator được sử dụng làm loa thì tần số của thế đặt lên cuộn dây có thể tăng gấp đôi bởi người nói