CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Khái niệm cơ bản Từ học (magnetism) là một ngành khoa học thuộc Vật lý học nghiên cứu về hiện tượng hút và đẩy của các chất và hợp chất gây ra bởi từ tính của chúng. Mặc dù tất cả các chất và hợp chất đều bị ảnh hưởng của từ trường tạo ra bởi một nam châm với một mức độ nào đó nhưng một số trong chúng có phản ứng rất dễ nhận thấy là sắt, thép, ô- xít sắt. Những chất và hợp chất có từ tính đặc biệt là đối tượng của từ học dùng để chế tạo những sản phẩm phục vụ con người được gọi là vật liệu từ. Từ tính gây ra bởi lực từ, lực từ là một dạng lực điện từ, một trong những lực cơ bản của tự nhiên, nó được sinh ra do chuyển động của các hạt có điện tích.1 Cảm ứng từ và từ trƣờng Cảm ứng từ ⃗⃗⃗⃗⃗ là đại lượng đo bằng lực của từ trường tác dụng lên phần tử đơn vị của dòng điện, phụ thuộc vào môi trường.
Trong chân không, cảm ứng từ ⃗⃗⃗⃗⃗ là hàm tuyến tính của từ trường ⃗⃗⃗ , hai đại lượng liên hệ với nhau bằng biểu thức [8]: B = μ0.A-2 là hằng số từ, hay độ từ thẩm trong chân không.1: Từ trường sinh ra khi có dòng điện chạy qua Vì từ trường được tạo ra khi có chuyển động của các điện tích nên nếu ta có một dây điện có dòng điện I chạy qua thì nó sẽ tạo ra một cảm ứng từ ⃗⃗⃗⃗⃗ xung quanh. Cảm ứng từ là một đại lượng véc tơ, chiều của nó phụ thuộc vào chiều chuyển động của dòng điện và được xác định bằng quy tắc bàn tay phải. Bây giờ nếu ta thay dây điện trên bằng một ống dây điện thì cảm ứng từ tạo ra trong lòng ống dây đó cũng được xác định bằng quy tắc trên. 14 SVTH: Lê Anh Bảo Quỳnh LUẬN VĂN THẠC SỸ Nếu xung quanh cuộn dây là chân không thì chúng ta định nghĩa từ trường ⃗⃗⃗ như ⃗⃗⃗⃗⃗ sau: ⃗⃗⃗ , với là từ thẩm chân không.
Như vậy thì véc tơ từ trường ⃗⃗⃗ chỉ phụ thuộc vào dòng điện I và hình dạng của dây chứ không phụ thuộc vào môi trường bên trong ống dây. Như vậy cường độ từ trường là đại lượng dùng để chỉ độ mạnh yếu của từ trường, nó không phụ thuộc vào môi trường xung quanh.2 Độ từ hóa Độ từ hóa hay từ độ (magnetization) là một đại lượng sử dụng trong từ học được xác định bằng tổng mômen từ nguyên tử trên một đơn vị thể tích của vật từ. Đôi khi, từ độ còn được định nghĩa là tổng mômen từ trên một đơn vị khối lượng. Từ độ là một đại lượng véctơ.
Một vật chất khi được đặt trong từ trường thì nó sẽ bị từ hóa dưới tác dụng của từ trường theo hướng thuận theo từ trường ngoài hoặc chống lại sự thay đổi do từ trường ngoài tác động lên nó (tính chất cố hữu của vật chất). Độ từ hóa hay từ độ (M) được định nghĩa là tổng các momen từ trong một đơn vị thể tíchhoặc đơn vị khối lượng và được tính bằng công thức: (1.2) M là thuộc tính của vật liệu, và phụ thuộc vào giá trị của momen từ của các ion thành phần, nguyên tử, phân tử và sự tương tác của các momen lưỡng cực từ với nhau [8].3 Độ cảm từ Độ cảm từ là đại lượng vật lý đặc trưng cho khả năng từ hóa của vật liệu, hay nói lên khả năng phản ứng của chất dưới tác dụng của từ trường ngoài. Độ cảm từ còn có tên gọi khác là hệ số từ hóa (không nhầm với độ từ hóa). Độ cảm từ thể hiện mối quan hệ giữa từ độ (là đại lượng nội tại) và từ trường ngoài, nên thường mang nhiều ý nghĩa vật lý gắn với các tính chất nội tại của vật liệu.
Độ cảm từ, thường được ký hiệu là , hay (để phân biệt với - độ cảm điện) được định nghĩa là tỉ số giữa độ từ hóa và độ lớn của từ trường: (1.3) với M là độ từ hóa, H là cường độ từ trường. Từ độ M và từ trường H có cùng thứ nguyên do đó là đại lượng không có thứ nguyên. 15 SVTH: Lê Anh Bảo Quỳnh LUẬN VĂN THẠC SỸ 1.4 Từ trễ Từ trễ (magnetic hysteresis) là hiện tượng bất thuận nghịch giữa quá trình từ hóa và đảo từ ở các vật liệu sắt từ do khả năng giữ lại từ tính của các vật liệu sắt từ. Hiện tượng từ trễ là một đặc trưng quan trọng và dễ thấy nhất ở các chất sắt từ.
Hiện tượng từ trễ được biểu hiện thông qua đường cong từ trễ (Từ độ - từ trường, M(H) hay Cảm ứng từ - Từ trường, B(H)), được mô tả như sau: sau khi từ hóa một vật sắt từ đến một từ trường bất kỳ, nếu ta giảm dần từ trường và quay lại theo chiều ngược, thì nó không quay trở về đường cong từ hóa ban đầu nữa, mà đi theo đường khác. Và nếu ta đảo từ theo một chu trình kín (từ chiều này sang chiều kia), thì ta sẽ có một đường cong kín gọi là đường cong từ trễ hay chu trình từ trễ. Tính chất từ trễ là một tính chất nội tại đặc trưng của các vật liệu sắt từ, và hiện tượng trễ biểu hiện khả năng từ tính của của các chất sắt từ.2: Đường cong từ trễ của hai loại vật liệu sắt từ: vật liệu từ cứng, vật liệu từ mềm và các thông số của vật liệu được xác định trên đường cong từ trễ. Đƣờng cong từ hóa Đường cong từ hóa (hay đầy đủ là đường cong từ hóa ban đầu) là đồ thị mô tả quá trình từ hóa vật từ từ trạng thái ban đầu chưa nhiễm từ (trạng thái khử từ), mà thể hiện trên đồ thị là sự thay đổi của tính chất từ (thông qua giá trị của từ độ, cảm ứng từ.) 16 SVTH: Lê Anh Bảo Quỳnh LUẬN VĂN THẠC SỸ theo giá trị của từ trường ngoài.
Ở phạm vi cấu trúc vi mô, quá trình từ hóa chính là sự thay đổi về cấu trúc từ (cấu trúc đômen) thông qua các cơ chế khác nhau.3: Đường cong từ hóa có dạng tuyến tính trong các chất thuận từ và nghịch từ - Đối với các chất nghịch từ và thuận từ, đường cong từ hóa có dạng là đường thẳng (từ độ phụ thuộc tuyến tính vào từ trường), từ độ của chất thuận từ mang giá trị dương trong khi các chất nghịch từ có từ độ nhận giá trị âm.4: Đường cong từ hóa của chất sắt từ M(H), đường cong độ từ thẩm phụ thuộc vào từ trường và các giá trị thu được: Từ độ bão hòa Mr, từ thẩm ban đầu µi, từ thẩm cực đại µmax - Đối với các chất có trật tự từ (sắt từ, phản sắt từ, ferrite từ), đường cong từ hóa là các đường phi tuyến. Đối với sắt từ và ferrite từ, khi từ hóa với từ trường đủ lớn sẽ có hiện tượng bão hòa từ (đường cong từ hóa nằm ngang, đạt từ độ bão hòa). Hiện tượng bão hòa từ cũng xảy ra với các chất thuận từ và phản sắt từ, nhưng phải trong từ trường rất lớn và ở nhiệt độ thấp thậm chí rất thấp. 17 SVTH: Lê Anh Bảo Quỳnh LUẬN VĂN THẠC SỸ 1.6 Momen lƣỡng cực từ Mômen từ, hay mômen lưỡng cực từ (magnetic dipole moment) là đại lượng vật lý, đặc trưng cho độ mạnh yếu của nguồn từ.
Trong trường hợp đơn giản là một dòng điện kín, mômen lưỡng cực từ được định nghĩa bởi: ⃗⃗ ∫ với là véctơ diện tích (có độ lớn là diện tích, chiều là véctơ pháp tuyến của mặt đó, xác định từ quy tắc bàn tay phải, I là cường độ dòng điện. Trong trường hợp một điện tích chuyển động quay, mômen từ sẽ được cho bởi biểu thức: ⃗⃗ ∫ với là mật độ dòng điện.5: Momen từ Xét một nguyên tử không chịu tác dụng của từ trường ngoài, electron trong nguyên tử chuyển động trên một quỹ đạo hình tròn, tạo thành các dòng điện tròn. Các dòng điện tròn này lại tạo ra các từ trường tương ứng. Ứng với mỗi từ trường này là một vectơ momen từ, gọi là momen từ quỹ đạo của electron.Ngoài chuyển động trên quỹ đạo, mỗi electron còn có chiều quay khác nhau, tạo ra thêm một chuyển động “quay” riêng.
Ứng với chuyển động “quay” riêng đó, electron có thêm vectơ momen từ riêng, được gọi là momen từ spin. Hạt nhân cũng là hạt mang điện tích và cũng có khả năng tự quay, cũng có momen từ nhưng do khối lượng hạt nhân rất lớn nên momen này rất nhỏ, có thể bỏ qua [8].2 Các vật liệu từ tính Trong vật liệu tồn tại các dạng từ tính sau: nghịch từ, thuận từ và sắt từ. Ngoài ra phản sắt từ và ferrite từ được xem là những dạng phụ của sắt từ. Mỗi vật liệu đều tồn 18 SVTH: Lê Anh Bảo Quỳnh LUẬN VĂN THẠC SỸ tại ít nhất một trong các dạng từ tính đó và tính chất từ của vật liệu phụ thuộc vào hành vi của các lưỡng cực từ nguyên tử và điện tử dưới tác dụng của từ trường ngoài.1 Thuận từ 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).
Thuận từ là những chất có từ tính yếu, tính thuận từ thể hiện ở khả năng hưởng ứng thuận theo từ trường ngoài. Khi có tác dụng của từ trường ngoài các momen từ sẽ bị quay theo từ trường ngoài [8]. Hệ mômen từ của chất thuận từ được xem như các nam châm nhỏ, độc lập, không tương tác.6: Mô hình về cấu trúc mômen từ của chất thuận từ 1.2 Nghịch từ Nghịch từ là một dạng rất yếu của từ tính, không vĩnh cửu cà chỉ tồn tại khi có một trường ngoài tác dụng. Khi được đặt vào trong từ trường ngoài sẽ xuất hiện dòng điện phụ vào tạo ra từ trường phụ ngược chiều từ trường ngoài [8].
Cả hai chất thuận từ và nghịch từ đều được coi là vật liệu không từ tính bởi vì chúng chỉ bị từ hóa khi có một từ trường ngoài.3 Sắt từ 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), và tên gọi "sắt từ" được đặt cho nhóm các chất có tính chất từ giống với sắt. Các chất sắt từ có hành vi gần giống với các chất thuận từ ở đặc điểm hưởng ứng thuận theo từ trường ngoài. Tính sắt từ dùng để chỉ thuộc tính (từ tính mạnh) của các chất sắt từ.
