Bài giảng Vật liệu - Chương 5: Tính chất từ của vật liệu

Siêu dẫn superconductor là hiện tượng vật liệu dẫn điện mà không có sự xuất hiện của điện trở điện trở rất nhỏ khi dưới một nhiệt độ tới hạn TC - critical temperature... Hiệu ứng Meisnne[r]

ü Điện tử xoay quanh hạt nhân tạo moment từ khá nhỏ (bỏ qua)

ü Điện tử quay quanh trục của nó xuất hiện moment từ spin

+ Điện tử ghép đôi, spin trái dấu nên tự triệt tiêu moment từ của nhau + Điện tử không ghép đôi (electron độc thân) tạo moment từ spin

ü Tính chất từ của vật liệu phụ thuộc sự sắp xếp (chiều hướng) của các moment từ

NT hay

ion Ti Ti2+ V V4+ V3+ V2+ Cr Cr3+ Cr2+ Mn Mn3+ Mn2+Electron

NT hay

ion Fe Fe3+ Fe2+ Co Co3+ Co2+ Ni Ni2+ Cu Cu2+ Zn Zn2+Electron

lớp điện tử d và f.

Thực tế 3 kim loại Fe, Co, Ni có số điện tử không ghép đôi không giống như lý thuyết do điện tử từ lớp 4s có thể nhảy sang 3d.

→ Số electron tự do mỗi nguyên tử thay đổi so với lý thuyết

Moment từ spin của 1 electron (Bohr magneton) là μ B = 9,27.10 24 A.m 2

→ Moment từ mỗi nguyên tử = số electron độc thân x μ B

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 mômen lưỡng cực từ

như nam châm.

ü Từ trường H (A/m) , được tạo ra bởi cuộn dây dẫn điện có cường độ dòng I , quấn tròn n vòng và dài l là:

ü Khi đặc vật liệu có từ tính vào từ trường

ngoài H, vật liệu có cảm ứng từ B hay

mật độ từ trường B (Tesla)

ü B tỉ lệ với H với hệ số tỷ lệ là từ thẩm

(độ thẩm từ) μ :

B: Tesla (T) hay

Trong môi trường chân không, vật liệu có cảm ứng từ B o và độ thẩm

từ μ o = 4π.10 -7 (H/m)

B = μ.H → μ r = μ / μ o (độ từ thẩm tương đối của chất rắn so với chân không)

B = μ.H = μ o (H + M)

M (Magnetization): Độ từ hóa của chất rắn

(tổng moment từ mỗi đơn vị thể tích)

→ M = H

: từ cảm của vật liệu

μ = μ o (1 + )

So sánh mật độ từ

dưới điều kiện chân

không và khi có đặt

vật liệu

ngoài trong các phân tử sẽ xuất hiện dòng điện phụ và tạo ra từ trường phụ ngược chiều từ trường ngoài.

Ví dụ: các khí hiếm (He, Ne, Ar, Kr, ), các ion có các lớp electron giống khí hiếm, kim loại (Bi, Zn, Ag, Cu, Pb), H 2 O, NaCl, SiO 2 , S, C et al.

ü Thuận từ là những chất có từ tính yếu (nhóm phi từ), các moment từ sắp xếp một cách tự do.

ü 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.

Sắt từ là các chất có từ tính mạnh, hay khả năng hưởng ứng mạnh

dưới tác dụng của từ trường ngoài, mà tiêu biểu là sắt (Fe).

Ví dụ: kim loại chuyển tiếp (Fe, Co, Ni), kim loại đất hiếm (Gd, Nd), etc

Liên quan đến electron độc thân phân lớp 3d và 4f

Vật liệu sắt từ chứa những vùng không gian nhỏ có các moment từ được sắp xếp trật tự (cùng chiều).

Các vùng này gọi là domain, giữa các domain là đường ranh giới.

Từ tính của vật liệu là tổng từ tính (theo vector) của các domain.

ü Khi áp từ trường ngoài H

domain đều sắp xếp theo

hướng từ trường ngoài, B

và M đạt đến giá trị bão

hòa (B s và M s ).

s s biết d Ni = 8,90 g/cm 3

Giải: với Ni

Khi từ trường ngoài H thay đổi, các domain có khuynh hướng sắp xếp theo hướng mới Tuy nhiên, sự sắp xếp này chậm có thể gây nên hiện

tượng trễ (hysteresis)

ü Vật liệu từ cứng (hard magnetic) là

vật liệu sắt từ, khó khử từ và khó từ

hóa → nam châm vĩnh cửu

ü Vật liệu từ mềm (soft magnetic) là

vật liệu sắt từ, "mềm" về phương diện

từ hóa và khử từ, có nghĩa là dễ từ

hóa và dễ khử từ → nam châm điện

ü Tinh thể bị khuyết tật hoặc không tinh

khiết có thể làm giảm khả năng di

chuyển của các domain VD: sắt và

thép

moment từ sắp xếp mất trật tự Nhiệt độ Curie (T C ) là nhiệt độ mà tại

đó vật liệu sắt từ và ferri từ bị mất từ tính , trở thành chất thuận từ VD: T c của Fe - 768 o C, Co – 1120 o C, Ni – 335 o C.

ü Xảy ra với các chất sắt từ và ferri từ

ü Khi kích thước hạt đủ nhỏ (< D c – kích thước tới hạn), vật liệu sẽ chuyển từ trạng thái đa domain sang đơn domain (mỗi hạt sẽ là một domain).

ü Năng lượng nhiệt sẽ phá vỡ sự định hướng của các moment từ, hệ hạt sẽ đạt trạng thái hỗn loạn như chất thuận từ.

ü Khi áp từ trường ngoài, vật liệu đáp ứng nhanh tạo độ từ hóa bão hòa lớn.

Độ từ hóa bão hòa cao

Độ từ dư Mr = 0

Siêu dẫn (superconductor) là hiện tượng vật

liệu dẫn điện mà không có sự xuất hiện của

điện trở (điện trở rất nhỏ) khi dưới một nhiệt

độ tới hạn (T C - critical temperature)

Hiệu ứng Meisnner: dưới nhiệt độ tới hạn

(T C ), electron di chuyển theo từ trường

(magnetic levitation), vượt qua sự cản trở

của các nút mạng

ü Máy biến thế

ü Động cơ điện

ü Máy phát điện

Gia nhiệt cục bộ: bếp từ

chiều của moment từ mỗi domain

Ứng dụng làm ỗ đĩa (hard disk drive)

HCP cobalt–chromium alloy

Tàu điện chạy trên đệm từ trường

Ứng dụng hạt nano từ tính:

ü Tách, thu hồi chất

ü Dẫn truyền thuốc