CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về vật liệu từ, STT và nano ferit STT sắt-kẽm-niken 1.1 Tổng quan về vật liệu từ Các khái niệm cơ bản về từ và các đặc trưng từ tính [13] Lưỡng cực từ Lực từ là do các hạt mang điện tích chuyển động gây ra. Để chỉ hướng của lực từ tại các vị trí xung quanh nguồn của từ trường người ta vẽ các đường sức từ. Đường sức từ cho ta hình ảnh cụ thể về sự phân bố của từ trường. Ví dụ về một vòng dây điện và một thanh nam châm được cho bên hình 1.1 Đường sức từ trường xung quanh một vòng dây điện (a) và một thanh nam châm (b) [13] Các vectơ từ trường Từ trường ngoài thường được biểu diễn bằng H và gọi là cường độ từ trường.
Từ trường sinh ra trong một ống dây hình trụ (solenoid), gồm N vòng dây quấn khít nhau với chiều dài l, và tải một dòng điện cường độ I (hình 1.1) 𝑙 Từ trường do vòng dây điện và thanh nam châm sinh ra như trên hình 1.2, là trường H. Đơn vị đo H là ampe – vòng/mét hoặc là A/m.2 Từ trường H do dòng điện đi qua ống dây hình trụ sinh ra (a) và khi có một vật rắn bên trong (b) [13] Cảm ứng từ hay mật độ từ thông B, biểu thị từ trường bên trong chất chịu tác dụng của trường H. Đơn vị đo của B là Tesla (tức Weber trên met vuông (Wb/m2)). Cả B và H đều là những vectơ trường đặc trưng bởi độ lớn và chiều trong không gian của trường.
Cường độ từ trường và mật độ từ thông có quan hệ theo biểu thức: (1.2) Tham số gọi là độ thẩm từ, là tính chất riêng của môi trường, trong đó H tác dụng. Đại lượng B được đo như minh họa trên hình 1. Độ thẩm từ được đo bằng weber trên ampe – met (Wb/A.m) hay là Henri trên met (H/m). Trong chân không thì: B 0 = 0 H (1.3) Trong đó: 0 – độ thẩm từ của chân không, một hằng số có giá trị là 4.10-7 H/m; B0 – mật độ từ thông trong chân không, như minh họa trên hình 1.
Có nhiều thông số mô tả tính chất từ của vật rắn, ví dụ, tỷ số giữa độ thẩm từ trong vật liệu và độ thẩm từ trong chân không: 4 𝜇 𝜇𝑟 = (1.4) 𝜇0 Trong đó r – độ từ thẩm tương đối, không có thứ nguyên. Độ thẩm từ hoặc độ thẩm từ tương đối của vật liệu là số đo mức độ từ hóa vật liệu hoặc khả năng mà trường được cảm ứng trong vật liệu khi có từ trường ngoài Vectơ từ hóa (từ độ) của vật rắn được xác định theo biểu thức: B = 0 H + 0 M (1.5) Trong từ trường H, các mômen từ của vật liệu định hướng theo từ trường đó và tăng cường nó bằng chính từ trường riêng của chúng. Số hạng 0 M trong công thức trên chính là thành phần đóng góp. Độ lớn của tỷ lệ với trường đặt vào là: M = m H (1.6) Và 𝜒𝑀 được gọi là độ từ hóa (hệ số từ hóa) không có thứ nguyên.
Hệ số từ hóa và độ thẩm từ liên hệ với nhau theo: m = r − 1 (1.7) Mômen từ Mỗi điện tử trong một nguyên tử đều có các mômen từ với 2 nguồn gốc. Một liên quan đến chuyển động quỹ đạo của nó xung quanh hạt nhân. Là một điện tích chuyển động, mỗi điện tử có thể được xem như một dòng điện vòng nhỏ, sinh ra một từ trường rất yếu, do đó có một mômen từ hướng dọc theo trục quỹ đạo của nó, như minh họa trên hình 1.3 Mômen từ do chuyển động quỹ đạo của điện tử (a) và do spin (điện tử tự xoay) (b) Mặt khác, mỗi điện tử còn có một chuyển động riêng là chuyển động xung quanh trục của bản thân (gọi là spin). Do đó xuất hiện một mômen từ nữa, bắt nguồn từ spin nguyên tử, hướng theo trục spin như trên hình 1.
Mômen từ spin điện tử chỉ có thể nhận hai chiều đối song nhau, hoặc hướng lên hoặc hướng xuống. Như vậy, mỗi điện tử trong nguyên tử có thể coi như một nam châm vĩnh cửu nhỏ, có mômen từ quỹ đạo và mômen từ spin.1 Phân loại vật liệu theo từ tính Dựa vào giá trị tuyệt đối và dấu của độ từ cảm χ của vật liệu, người ta phân loại các vật liệu theo bốn loại chính: nghịch từ, thuận từ, sắt từ và ferit từ [13]. Vật liệu nghịch từ Là vật liệu có độ cảm từ có giá trị âm và độ lớn vào cỡ 10-6 H/m. Trong một vật liệu nghịch từ, các nguyên tử không có mômen từ riêng khi không có từ trường ngoài đặt vào.
Dưới ảnh hưởng của một từ trường ngoài (H) các electron đang quay sẽ tiến động và chuyển động này, là một loại dòng điện, tạo ra một độ từ hóa (M) trong hướng đối diện với phương của từ trường ngoài (hình 1.4 Cấu hình mômen lưỡng cực từ nguyên tử của (a) vật liệu nghịch từ; (b) vật liệu thuận từ Vật liệu thuận từ Là vật liệu có độ cảm từ tương đối dương và độ lớn vào cỡ 10-3 10-5 H/m (rất nhỏ). Vật liệu gồm những nguyên tử hoặc ion từ mà mômen từ (spin) cô lập, định hướng hỗn loạn do tác dụng nhiệt. Khi đặt vào từ trường ngoài (H 0) các mômen từ nguyên tử định hướng theo từ trường làm χ tăng dần theo H. Vật liệu này có tỷ lệ với 1/T.
Vật liệu sắt từ Vật liệu sắt từ là vật liệu có trật tự từ, có độ cảm từ χm có giá trị dương rất lớn và phụ thuộc vào nhiệt độ. Vật liệu sắt từ tồn tại trật tự từ (từ tính) cả khi không tồn tại từ trường ngoài. Các kim loại chuyển tiếp như Fe, Co, Ni và kim loại đất hiếm là vật liệu sắt từ.5 Sự sắp xếp của mômen lưỡng cực từ nguyên tử trong vật liệu sắt từ Trong vật liệu này các spin sắp xếp song song với nhau nên tương tác giữa các spin là dương và lớn. Khi T tăng, do dao động nhiệt nên từ độ giảm dần và biến mất ở TC.
7 Trên nhiệt độ TC thì 1/ tuân theo định luật tuyến tính với T (gọi là định luật Curie - Weiss). Vật liệu phản sắt từ Trong vật liệu phản sắt từ, các spin sắp xếp phản song song, vì vậy chúng bù trừ nhau làm cho từ tính yếu đi hoặc bị triệt tiêu. Vật liệu phản sắt từ giống vật liệu thuận từ ở chỗ có từ tính yếu, nhưng khác với vật liệu thuận từ, sự phụ thuộc nhiệt độ của 1/ của nó có một cực tiểu tại nhiệt độ TN gọi là nhiệt độ Neel. Khi T TN các spin có trật tự phản song song (gây bởi tương tác phản sắt từ).
Khi T TN sự sắp xếp spin trở nên hỗn loạn, 1/ lại tăng như vật liệu thuận từ.6 Sự sắp xếp của mômen lưỡng cực từ nguyên tử trong vật liệu phản sắt từ Vật liệu ferit từ Vật liệu ferit từ có tính chất từ trên cơ sở của các oxit có công thức dạng MO. Fe2O3 với nguyên liệu chế tạo là oxit sắt và oxit của các kim loại hoá trị 2 như Cu, Ni, Mn, Zn.thường có kiểu mạng lập phương dạng spinel. Ngoài cấu trúc spinel với công thức hóa học kể trên, vật liệu từ ferit còn có cấu trúc sáu phương và granat. Vật liệu từ với cấu trúc sáu phương có công thức hóa học là AB12O19, trong đó A là kim loại hóa trị hai như Ba, Pb và B là kim loại hóa trị ba như Al, Ga, Cr, Fe.
Ví dụ điển hình cho dạng vật liệu từ này là PbFe12O19 và BaFe12O19. Vật liệu ferit từ thuộc nhóm vật liệu phản sắt từ không bù trừ. Ở vật liệu ferit từ, hai vị trí mạng A và B trong tinh thể có các spin với độ lớn khác nhau và sắp xếp phản song song với nhau dẫn đến từ độ tổng cộng khác không cả khi từ trường ngoài bằng không. Từ độ tổng cộng này được gọi là từ độ tự phát.
Ở các vật liệu ferit từ có tồn tại nhiệt 8 độ chuyển pha TC gọi là nhiệt độ Curie. Tại T > TC trật tự từ bị phá vỡ và vật liệu trở thành thuận từ.7 Sự sắp xếp của mômen lưỡng cực từ nguyên tử trong vật liệu ferit từ 1.2 Phân loại vật liệu từ Từ sự phân loại vật liệu nói trên theo từ tính thì chỉ có vật liệu sắt từ và ferit từ có mômen từ lớn được ứng dụng nhiều trong kỹ thuật và được gọi chung là vật liệu từ. Theo đường cong từ trễ người ta chia vật liệu từ thành vật liệu từ cứng và vật liệu từ mềm [13]. Vật liệu từ cứng thường được dùng làm nam châm vĩnh cửu, vật liệu này cần có độ từ dư, trường khử từ và mật độ từ thông bão hòa cao cũng như độ thẩm từ ban đầu thấp và tổn hao từ trễ cao.
Các đặc tính từ trễ của vật liệu từ cứng cho trên hình 1. Như vậy, vật liệu từ có năng lượng càng cao nếu tích Br, Hc càng lớn. Như đã nêu, tính cách từ trễ liên quan đến khả năng dịch chuyển các vách đômen từ. Khi sự dịch chuyển này bị cản trở thì trường khử từ và hệ số từ hóa đều tăng lên, để phá hủy từ hóa cần một từ trường ngoài lớn….Sự dịch chuyển vách đômen sẽ khó khăn khi có những phần tử tiết ra nhỏ mịn.8: Đường cong từ hóa của vật liệu từ mềm và từ cứng 9 Vật liệu từ mềm được sử dụng trong các linh kiện chịu từ trường xoay chiều với tổn hao năng lượng phải thấp, ví dụ như làm lõi máy biến thế.
Vì lý do này điện tích vòng từ trễ phải nhỏ, vòng cần mảnh và hẹp như trên hình 1. Do đó, vật liệu từ mềm phải có độ thẩm từ ban đầu cao và độ khử từ thấp. Vật liệu đó có thể đạt được độ từ hóa bão hòa bằng một từ trường tương đối thấp (tức dễ bị từ hóa và khử từ) và có tổn hao năng lượng từ trễ thấp. Một tính chất quan trọng nữa của vật liệu từ mềm là điện trở.
Ngoài tổn hao từ trễ còn có tổn hao năng lượng gây bởi dòng điện được cảm ứng trong vật liệu do từ trường biến thiên cường độ và hướng theo thời gian, đó là dòng điện xoáy. Để giảm tổn hao năng lượng này, đặc biệt ở tần số cao, cần sử dụng các vật liệu từ mềm có điện trở suất lớn. Các vật liệu đó có thể là hợp kim (dung dịch rắn) sắt-silic và sắt-niken. Các ferit gốm thường được dùng phổ biến vì chúng là chất cách điện thuần túy.
