CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1. Phân loại vật liệu từ Người ta dựa vào dấu vào độ lớn của độ cảm từ (χ) và sự phụ thuộc vào nhiệt độ của nó mà phân loại vật liệu từ thành: chất nghịch từ, chất thuận từ, chất sắt từ, chất phản sắt từ và chất feri từ. Chất nghịch từ Chất nghịch từ là các chất không có mômen từ (tổng vectơ từ quỹ đạo và từ spin của toàn bộ điện tử bằng 0). Hiện tượng xuất hiện một mômen từ cảm ứng ngược chiều với từ trường ngoài khi đặt nguyên tử trong từ trường được gọi là hiện tượng nghịch từ.
Khi đặt vào từ trường ngoài trong các phân tử sẽ xuất hiện dòng điện phụ và tạo ra từ trường phụ ngược chiều từ trường ngoài theo xu hướng cảm ứng điện từ (hiệu ứng vật lý lượng tử). Như vậy, hiện tượng nghịch từ xảy ra trong bất kỳ chất nào đặt trong từ trường. Tuy nhiên, tính nghịch từ sẽ thể hiện rõ chủ yếu ở những chất mà khi chưa đặt trong từ trường ngoài mômen từ của nguyên tử hoặc phân tử bằng không nghĩa là tổng vectơ của mômen từ của tất cả các nguyên tử hay phân tử bằng không. Hầu như, tất cả vật liệu đều có hiệu ứng nghịch từ, song trong trường hợp mà hiệu ứng nghịch từ bị bao phủ hiệu ứng thuận từ hay sắt từ lớn hơn.
Các khí trơ, đa số các hợp chất hữu cơ, nhiều kim loại (như Bi, Zn, Au, Ag, Cu), nhựa, nước, thuỷ tinh, các khoáng vật như thạch anh, clorit, apatit, fenspat, plagiolazơ, êpiđôt, thạch anh. thuộc nhóm nghịch từ này. Chất thuận từ Chất thuận từ là những chất có từ tính yếu (trong ngành từ học xếp vào nhóm phi từ, có nghĩa là chất không có từ tính). Tính chất thuận từ thể hiện ở khả năng hưởng ứng thuận theo từ trường ngoài, có nghĩa là các chất này có mômen từ nguyên tử (nhưng giá trị nhỏ), 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 3 cộng trong chất tăng lên.
Nếu mômen từ tổng cộng của các điện từ trong nguyên tử, phân tử hay ion khác không khi chưa đặt trong từ trường thì chúng có mômen từ Pm nào đó, nhưng khi chưa đặt chất thuận từ vào trong từ trường ngoài thì tổng các mômen từ này bằng không vì đặc tính phân bố ngẫu nhiên hỗn loạn của các mômen từ của các nguyên tử riêng biệt. Nếu ta đặt mẫu gồm N nguyên tử như vậy vào từ trường thì các mômen từ nguyên tử sẽ định hướng theo từ trường. Chất có tính như vậy gọi là chất thuận từ. Mômen từ hoặc do các spin không bù trừ của các điện tử trong nguyên tử hoặc do chuyển động quỹ đạo của điện tử xung quanh hạt nhân hoặc do đồng thời cả hai nguyên nhân gây nên.
Các chất thuận từ điển hình như: các kim loại kiềm (Na, K,.), oxi nitơ dưới dạng khí (NO), oxi, không khí, Platin (Pt), Al và một số kim loại khác.1: Hình ảnh mô tả sự sắp xếp mômen từ nguyên tử của chất thuận từ 1. Chất phản sắt từ Phản sắt từ là nhóm các vật liệu từ có trật tự từ mà trong cấu trúc gồm có 2 phân mạng từ đối song song và cân bằng nhau về mặt giá trị. Vật liệu phản sắt từ được liệt vào nhóm vật liệu có trật tự từ. Người ta còn gọi vật liệu phản sắt từ là vật liệu phi từ vì từ tính của chúng yếu.
Tính chất phản sắt từ bắt đầu từ tương tác trao đổi giữa các spin. Nếu như tương tác trao đổi trong các vật liệu sắt từ là 4 tương tác trao đổi dương, làm cho các spin song song nhau thì tương tác trao đổi trong phản sắt từ là tương tác trao đổi âm, làm cho các spin phản song song nhau.2: Hình ảnh mô tả sự sắp xếp các mômen từ của chất phản sắt từ Nhiệt độ Néel là đại lượng đặc trưng của vật liệu phản sắt từ cũng giống như nhiệt độ Curie trong chất sắt từ là nhiệt độ mà tại đó trật tự phản sắt từ bị phá vỡ và vật liệu sẽ chuyển sang chất thuận từ. Ở dưới nhiệt độ Néel vật liệu sẽ mang tính chất phản sắt từ. Một số vật liệu có tính phản sắt từ như: MnO, Mn, Cr, Au.
Feri từ Feri từ là tên gọi chung của nhóm các vật liệu có trật tự từ mà trong cấu trúc từ của nó gồm 2 phân mạng đối song song nhưng có độ lớn khác nhau. Feri từ còn được gọi là phản sắt từ bù trừ không hoàn toàn. Feri từ thực chất là các vật liệu gốm, bán dẫn từ, có điện trở suất và độ bền rất cao, vì thế các ferrite từ mềm thường được dùng trong các ứng dụng ở tần số cao và siêu cao (làm các lõi dẫn từ sử dụng ở từ trường tần số cao và siêu cao) trong các mạch điện tử. Feri từ là nhóm các vật liệu gốm có công thức hóa học chung là XO.Y2O3 với X là một kim loại hóa trị 2, Y là kim loại hóa trị 3 (mà dùng phổ biến nhất là sắt - Fe).
Đây là ví dụ về nhóm ferrite có tên gọi chung là ferrite spinel (ví dụ ZnO.), thường mang cấu trúc lập phương tâm mặt. 5 Feri - từ là trạng thái có trật tự từ của một số chất đặc biệt (chất feri - từ), chúng có mạng tinh thể thường gồm nhiều mạng con mà vectơ độ từ hoá của các mạng con này hợp lại với nhau có giá trị khác không, tạo ra độ từ hoá chung của cả mạng. Chất feri - từ thông dụng là các loại ferit (vd. đá nam châm thiên nhiên) có vai trò quan trọng trong kĩ thuật điện tử ngày nay.3: Hình ảnh mô tả cấu trúc của ferrite spinel 1.
Chất sắt từ Các chất có tính từ hoá mạnh gọi là các chất sắt từ như: sắt, niken, coban là ba chất sắt từ điển hình. Ở đây, sắt có tính từ hoá mạnh là do có cấu trúc đặc biệt về phương diện từ: trong sắt có nhiều miền từ hoá tự nhiên, đó là các kim nam châm nhỏ. Ở điều kiện thường, các kim nam châm nhỏ sắp xếp hỗn loạn khi đó trong sắt không có từ tính. Khi thanh sắt đặt trong từ trường ngoài các kim nam châm nhỏ sắp xếp theo từ trường ngoài khi đó trong sắt có từ tính.
Tính từ hoá mạnh ở sắt được giải thích là do sắt có cấu trúc đặc biệt về phương diện từ. Chất sắt từ là các chất có mômen từ nguyên tử. Các mômen từ này lớn hơn các mômen từ của chất thuận từ và có khả năng tương tác với nhau (tương tác trao đổi sắt từ). Tương tác này bản chất là tương tác tĩnh điện đặc biệt.
Tương tác này hình thành trong lòng vật liệu các vùng (gọi là đômen từ) mà trong mỗi đômen này các mômen từ sắp xếp hoàn toàn song song nhau và tạo 6 thành từ độ tự phát của vật liệu (có nghĩa là độ từ hoá tồn tại ngay cả khi không có từ trường). Nếu không có từ trường, do năng lượng nhiệt làm cho các mômen từ các đômen trong toàn khối sẽ sắp xếp hỗn độn và như vậy tổng độ từ hoá của toàn khối vẫn bằng 0 nhưng nếu ta đặt từ trường ngoài vào vật liệu sẽ xảy ra hiện tượng đó là sự lớn dần của các đômen có mômen từ theo phương từ trường và sự quay của các đômen từ theo hướng từ trường. Nếu tăng dần từ trường đến mức đủ lớn ta có hiện tượng bão hoà từ và khi đó tất cả các mômen từ sẽ sắp xếp song song với nhau theo chiều của từ trường tác dụng và trong vật liệu chỉ có một đômen duy nhất. Nếu ta ngắt từ trường, các mômen từ lại có xu hướng trở về với hướng ban đầu và lại tạo thành các đômen.
Tuy nhiên, các đômen này vẫn còn tương tác với nhau do vậy tổng mômen từ trong toàn khối không thể bằng 0 mà phải bằng một giá trị khác 0 gọi là độ từ dư (remanent magnetiration). Điều này dẫn đến hiện tượng trễ của vật liệu. Để 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 kháng từ (coercivity hay coercivity field). Đường cong từ hoá (sự phụ thuộc của từ độ vào từ tường ngoài) của chất sắt từ khác với chất thuận từ ở chỗ nó có đường cong phi tuyến tính (chất thuận từ là đường cong tuyến tính) và đạt tới bão hoà khi đường cong đủ lớn.4: Hình ảnh đômen từ khi không có từ trường ngoài tác dụng và có từ trường ngoài tác dụng 7 Chất sắt từ có hai đặc trưng cơ bản là đường cong từ trễ và nhiệt độ Curie Tc.
Nhiệt độ Curie là nhiệt độ tại đó chất bị mất trật tự và khi T > Tc chất trở thành chất thuận từ, T < Tc chất trở thành chất sắt từ. Nhiệt độ Tc được gọi là nhiệt độ chuyển pha sắt từ-thuận từ. Tc là một thông số đặt trưng cho chất (thông số nội tại). Trong lĩnh vực ứng dụng thực tế người ta phân biệt vật liệu từ thành vật liệu từ cứng và vật liệu từ mềm.
Vật liệu từ mềm Sắt từ mềm, không phải là các chất mềm về mặt cơ học, mà "mềm" về phương diện từ (tức là dễ bị từ hóa và khử từ). Sắt từ mềm có đường trễ hẹp (lực kháng từ rất bé, chỉ cỡ dưới 102 Oe) 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. 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. Những lõi tôn Si tuy có phẩm chất rất cao nhưng chỉ có thể sử dụng trong từ trường tần số thấp (thường là 50-100Hz) do chúng có điện trở suất rất thấp.