mở đầu cho một kỹ thuật mới: spintronics (1988), mô hình dị hướng ngẫu nhiên trong vật liệu từ nano tinh thể (1990), tương tác trao dổi đàn /lồi tronq nam châm nano composit ( 1991). Sự phát triển mạnh m ẽ của các loại vật liệu từ tính và kèm theo là các mô hình /ý thuyết đồi hỏi các trường Đại học phải tiếp tục không ngửng trotiíỉ việc dào tạo và xuất bản các sách ÍỊĨÚO khoa, sách chuyên khảo về từ 3 học và vật liệu từ kinh điển cũng như vật liệu từ hiện đại. Cuốn sách "C( sớ từ học và các vật liệu từ tiên tiến ” là tập hợp chọn lọc cúc bùi giảng cỉu túc giả dành cho sinh viên chuyên ngíình Vật lý - Kỹ thuật, Đại học BácI khoa Hci Nội trong nhiều núm. Tại Đại học Bách Khoa Hà Nội, một tntờng dại học vê công nghệ chuyên ngành Kỹ sư - Vật lý dược mở tại dây từ những năm 70 th ế kỷ trước như hì cầu nối giữa vật lý và công nghệ.
Chính vì vậy nội dung cuốn sácl gồm cơ sở từ học, các cơ ch ế vật lý trong vật liệu từ nu) tử dó các kỹ sư CC thể thiết k ế Ví) diều khiển tính chất cúc loại vật liệu liệu từ tính theo mục đích sử dụng. Ngôn ngữ dược sử dụng trong cuốn sách dựa trên cơ sở vật lý cổ điển vù vật lý lượng tử. Bản chất và ý nghĩa vật lý của các hiện tượng tù dược nhấn manh tuy không di sâu vào cúc bài toán lượng tử phức tạp. Trong phần các vật liệu từ, người viết giới thiệu rộng rãi các chủng loại vật liệu tù tính dang dược sử dụng trong công nghiệp gồm cả các vật liệu từ kinh điển quan trọng như thép kỹ thuật điện,ferit và alnico các loại cũng như cúc vật liệu từ hiện dại như vật liệu từ vô định hình và nano tinh thể, nam châm dát hiếm SmCo Ví) NdFeB.
Cite cơ chê' từ học, cấu trúc vi mô của từng loại vật liệu cũng dược dề cập. Người viết cũng dành một chương trong cuốh sách d ể giới thiệu công nghệ vật liệu từ vô dinh hình vù nano lình thể. Hy vọng ráng cttốn sách sẽ có ích cho sinh viên, học viên cao học và nghiên cứu sinh các chuyên ngành vật lý kỹ thuật, vật lý và hóa học chất rắn, khoa học vật liệu Ví) kỹ thuật diện - diện tử cùa các trưởng Đại học công nghệ. Cuon sách này cũng có thể là tài liệu tham khảo cho các kỹ sư làm việc trong các ngành công nghiệp liên quan, nhất là trong lĩnh vực c h ế tạo các thiết bi diện - diện tử và các công nghệ cao khác.
ngày Ị H1112011 T ác giá 4 Lời CẢM ƠN VÀ GHI NHẬN Trước hết, tác giả trân trọng cảm ơn Nhà Xuất bản Khoa học và Kỹ thuật đã xuất bản cuốn sách này. Một số nội dung trong cuốn sách liên quan đến các kết quả nghiên cứu về vật liệu từ được triển khai tại Đại học Bách khoa Hà Nội trong khoảng thời gian 1990 - 2005 và được tài trợ bởi các Chương trình Khoa học Công nghệ Nhà nước 48E (1990), KC 05 (1995), Chương trình Kỹ thuật - Kinh tế Nhà nước về khoa học vật liệu (2000 - 2005) và Quĩ Phát triển Khoa học Công nghệ Quốc gia Naíosted (2011). Trong quá trình triển khai các nghiên cứu đó, nhiều công nhân, kỹ thuật viên, kỹ sư, học viên cao học và nghicn cứu sinh làm việc tại Phòng Thí nghiệm Vật liệu từ vô định hình, Viện Vật lý kỹ thuật, Đại học Bách Khoa Hà Nội đã có những đóng góp quan trọng. Lao động của họ đã tạo ra bốn loại vật liệu từ lần đầu tiên có ở Việt Nam, đó là vật liệu từ mềm vô định hình, vật liệu từ mềm nano tinh thể, nam châm nano - composit và vật liệu từ trở, tổng trở khổng lồ GMR và GMI.
Lao động của họ cũng đã tạo ra nhiều nghìn lõi dẫn từ vô định hình tần số cao đã và đang được dùng trong thực tiễn. Tên của các vị đó là Nguyễn Thanh Tao, Nguyễn Văn Thuật, Nguyền Đồng Dũng, Mai Xuân Dương. Nguyễn Ngọc Phách, Bùi Xuân Chiến, Vũ Minh Sang, Đào Nhật Vượng, Nguyễn Văn Dũng, Ngô Quang Thắng VÌ1 nhiều vị khác. Tác giả trán trọng cảm ơn các biên tập viên Nhà xuất bán Khoa học và Kỹ thuật đã biên tập cuốn sách này.
các học viên cao học khóa 14 Vật lý chất rắn Đại học Sư phạm Hà Nội 2, một số giáo viên bộ môn Vật lý 5 Trường PTTH Đoàn Kết - Hai Bà Trưng Hà Nội đã đọc các bản sơ thảo và giúp sửa các lỗi kỹ thuật. Cuối cùng, nhân dịp sách được xuất bản tác giả trân trọng cảm ơn vs. Nguyễn Văn Hiệu trên cương vị Chủ tịch Hội Vật lý Việt Nam đã cổ vũ mạnh mẽ việc nghiên cứu phát triển các vật liệu cấu trúc nano và vật liệu từ tính nano nói riêng, tác giả cũng bày tỏ sự biết ơn tới GS. Nguyễn Châu (Đại học Khoa học Tự nhiên), GS.
Thân Đức Hiền (Bộ Giáo dục và Đào tạo), GS. Nguyễn Xuân Phúc (Viện Khoa học Vật liệu), GS. (Viện CNIICherMet, Moskva) và gia đình GS. quá cố Nguyễn Phú Thùy (Đại học Khoa học Tự nhiên) vì sự hợp tác nhiều năm trong nghiên cứu từ học các vật liệu vô định hình - nano tinh thể.
Hà Nội, ngày 1m Ỉ/2 0 Ỉ1 T á c giả 6 Chương TỪ TRƯỜNG - DÒNG ĐIỆN VÀ VẬT LIỆU TỪ / 1. NAM CHÂM TRO N G T ự NHIÊN Từ thế kỷ thứ IV trước Công nguyên, người Trung Hoa đã tìm thấy một khoáng chất hút được sắt và tự xoay hướng theo cực Trái Đất, sau này người Anh gọi đó là đá “loadstone” có nghĩa là đá chỉ đường, một loại nam châm tự nhiên. Ngày nay chúng ta biết khoáng chất đó là một dạng oxịt sắt, có công thức hóa học Fe,04 và có tên là magnetit (hình 1. Đấy chính là vật liệu từ đầu tiên con người biết đến và sử dụng.
Vật liệu Dòng Từ trường từ điện (dòng điện (vĩ mô) vi mô) Hình 1. Đá nam châm tự nhiên magnetit sau khi được từ hóa (bởi từ trường H quanh dòng điện I của tia sét) trở thành một nam châm, có khả năng hút các gim sắt và từ hóa chúng, biến chúng thành các nam châm. (Bảo tàng Smithsonian, Washington DC) Một việc có từ cổ xưa. dễ nhận biết và khá dơn gián đó lại chứa dựng 3 vấn đề liên quan với nhau: dá magnetil có khắp nơi trên mặt dát.
tuy nhiên nam châm lự nhiên này chi tìm thấy ớ nhũng nơi thường xuyên có sấm SÓI. í Dưới cách nhìn ngày nay, có thé.ihấy ràng, ha séỊ là dòng điện tụ nhiê" không 16, tạo quanh nó môt ttt truímg, từ trưỉmg tự nhiên này tít hóa đá magnctn íà b ra i no thành nám chàm. Nhu vậy có sự liên quan chặt chẽ giữa Dòng điện (vĩ mô và vi mỏ) - Từ trường - Vật liệu từ. KHÁI NIỆM VỀ TỪ TRƯỜNG Thuật ngữ “trường” nói chung chỉ một đại lượng vật lý, tức là một tính chất vật lý mà có thể lượng hóa được bằng các phép đo.
Thí dụ, một người nặng 60 kG trên Mạt Đất nhưng chỉ nặng khoảng 10 kG trên Mật Trăng (đọ nặng đo bằng dộ giãn của cân lò xo). Như vậy trong khống gian gần Trái Đất hay Mặt Trăng tồn tại một trường gọi là trọng truòng, có khả năng tác động lực lên mọi khối lượng vật chất và có thể đánh giá độ lớn của trường đo thông qua độ giãn của cân lò xo. Không gian quanh dòng điện tồn tại một loại trường khác gọi là từ trường và cũng có tác dụng lực lên một số chất, thí dụ như sắt. Trường tồn tại trong mọi điểm của không - thòi gian kể cả trong chân không.
Khái niệm “trường” cũng loại bỏ khái niệm chân không tuyệt đối. Trường mang năng lượng. Trường có thể là đại lượng vô hướng, vector hay tenxo. Trường mà chúng ta quan tâm là từ trường.
Từ trường là một trường lực tồn tại trong không gian (i) quanh dòng điện (chuyển động của các điện tích), (ii) gần cực của nam châm hay (iu) trong không gian nơi có biến thiên diện trường và (iv) là từ trường nội tại của nhiều hạt cơ bản do các spin của chúng tạo ra. Từ trường tác động lực (đẩy, hút, xoay) các thanh nam châm, tác dộng lực lên các hạt điện tích chuyển động. Sự biến thiên từ trưòng sinh ra sức điện động trong dây dần. Cũng như các trường vật lý khác, từ trường mang năng lượng.
Liệt kê ngắn trên cho thấy sự liên hệ mật thiết giữa các hiện tượng điện - lư va 2iữa các khái mêm v\ mò (chẳng hạn như dòng điện) và vi mô (như spin cùa các hạt cơ bản) và liên hệ của chúng với từ trường, đồng thơi cho tháy kha năng ứng dụng to lớn của từ trườn». ườnỵ đưac ký h,ệu bàng H và B. H là từ trường tồn tại nong chân không H còn go là trường từ hóa, tức là làm chò vật chất b nh. B là từ tiường tôn tai trong vật chất.
B có nhiêu tên gọMiơn H, B 8 có tên là từ trường, mật độ từ thông và cảm ứng từ. Nhiều khi người ta chỉ nói trường H và trường B để người đọc tự hiểu sự giống nhau và khác nhau giữa chúng. Quan hệ giữa H và B như sau (hình 1.2): giả sử bằng cách nào đó có một từ trường H. ' Từ trường trong không gian chứa vật chất: 'Từtrường trong không gian (chân không): B ~H+M.
Đại lượng M gọi là từ độ của riêng B = H (để đơn giản, sử dụng hệ Gauss). Nó vốn tổn tại sẵn trong vật Đại lượng B có thể gọi là cảm ứng từ của chất, tuy nhiên từ trường H là tác nhân “xúc chân không VỚI nghĩa là môi trường chân tác”, làm nó xuất hiện. Đại lượng J = 4itM không cũng cảm nhận được từ trường H, gọi là độ phân cực từ với nghĩa là khi khộng tuy nhiên trong hệ đo này thì cầm ứng từ có H, từ độ trung hòa nhau, khi H * 0, từ. trong chân không cũng chính bằng từ trường H giúp phân cực chúng để tạo ra từ trường mà chân không cảm ứng được.
Hệ số 4it dùng trong hệ đo Gauss. số “cảm ứng" bằng 1. Từ trường H tác động lên môi trường vật chất kích và thích từ độ M của vật chất (M vốn sẵn có trong vật chất), như vậy bên trong vật chất tồn tại từ trường H (từ trường ngoài thấm vào) và từ trường riêng của chất đó M (gọi là từ độ), tổng hai đại lượng đó gọi là từ trường bên trong vật chất B, hoặc cảm ứng từ B, hoặc tổng quát hơn gọi là trường B.