6 Tính Chất Quang Từ Quan Trọng Trong Vật Liệu

Tính chất quang từ của vật liệu là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng trong vật lý và khoa học vật liệu. 52 trang · Universiti Teknologi Malaysia · 2003.

• Người hướng dẫn: Prof. Samsudi Sakrani
• Trường học: Universiti Teknologi Malaysia
• Chuyên ngành: Materials Science
• Đề tài: Tìm Hiểu 6 Tính Chất Quang Từ Của Vật Liệu
• Loại tài liệu: Essay
• Năm xuất bản: 2003
• Địa điểm: Malaysia

Mục lục chi tiết

• 1. Introduction to Magnetic Properties
• 2. Magnetism on the Microscopic Scale
• 3. Applications
• 4. Optical Properties of Materials

Tóm tắt

I. Tìm Hiểu Tổng Quan Về Tính Chất Quang Từ Của Vật Liệu

Tính chất quang từ của vật liệu là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng trong vật lý và khoa học vật liệu. Nó liên quan đến cách mà vật liệu tương tác với ánh sáng và từ trường. Các tính chất này không chỉ ảnh hưởng đến ứng dụng công nghệ mà còn mở ra nhiều hướng nghiên cứu mới. Việc hiểu rõ về các tính chất quang từ giúp phát triển các vật liệu mới với hiệu suất cao hơn trong các ứng dụng như quang học, điện tử và năng lượng.

1.1. Tính Chất Quang Từ Là Gì

Tính chất quang từ là khả năng của vật liệu phản ứng với ánh sáng và từ trường. Nó bao gồm các hiện tượng như quang điện, quang từ và quang dẫn. Những hiện tượng này có thể được sử dụng trong nhiều ứng dụng công nghệ hiện đại.

1.2. Vai Trò Của Tính Chất Quang Từ Trong Khoa Học Vật Liệu

Tính chất quang từ đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển các vật liệu mới. Chúng giúp cải thiện hiệu suất của các thiết bị quang học và điện tử, từ đó nâng cao khả năng ứng dụng trong thực tiễn.

II. Khám Phá Các Vấn Đề Liên Quan Đến Tính Chất Quang Từ

Mặc dù tính chất quang từ của vật liệu mang lại nhiều lợi ích, nhưng cũng tồn tại một số thách thức trong việc nghiên cứu và ứng dụng. Các vấn đề như độ ổn định, chi phí sản xuất và khả năng tương tác với các yếu tố bên ngoài cần được xem xét kỹ lưỡng. Việc giải quyết những vấn đề này là cần thiết để phát triển các vật liệu quang từ hiệu quả hơn.

2.1. Thách Thức Trong Nghiên Cứu Tính Chất Quang Từ

Một trong những thách thức lớn nhất là việc xác định và đo lường chính xác các tính chất quang từ. Các phương pháp hiện tại có thể gặp khó khăn trong việc cung cấp dữ liệu chính xác trong các điều kiện khác nhau.

2.2. Ảnh Hưởng Của Môi Trường Đến Tính Chất Quang Từ

Môi trường xung quanh có thể ảnh hưởng đáng kể đến tính chất quang từ của vật liệu. Nhiệt độ, độ ẩm và áp suất là những yếu tố cần được kiểm soát trong quá trình nghiên cứu và ứng dụng.

III. Phương Pháp Nghiên Cứu Tính Chất Quang Từ Của Vật Liệu

Để nghiên cứu tính chất quang từ, các nhà khoa học sử dụng nhiều phương pháp khác nhau. Các phương pháp này bao gồm quang phổ, từ phổ và các kỹ thuật hình ảnh. Mỗi phương pháp có ưu điểm và nhược điểm riêng, và việc lựa chọn phương pháp phù hợp là rất quan trọng.

3.1. Phương Pháp Quang Phổ Trong Nghiên Cứu

Quang phổ là một trong những phương pháp phổ biến nhất để nghiên cứu tính chất quang từ. Nó cho phép phân tích các đặc tính quang học của vật liệu thông qua việc đo lường sự hấp thụ và phát xạ ánh sáng.

3.2. Kỹ Thuật Từ Phổ Để Đánh Giá Tính Chất Quang Từ

Từ phổ là một kỹ thuật mạnh mẽ để nghiên cứu tính chất quang từ. Nó giúp xác định các đặc tính từ tính của vật liệu và cách chúng thay đổi dưới tác động của từ trường.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Của Tính Chất Quang Từ Trong Vật Liệu

Tính chất quang từ của vật liệu có nhiều ứng dụng thực tiễn trong các lĩnh vực như quang học, điện tử và năng lượng. Các vật liệu quang từ được sử dụng trong cảm biến, thiết bị lưu trữ dữ liệu và các ứng dụng năng lượng tái tạo. Việc phát triển các vật liệu mới với tính chất quang từ tốt hơn sẽ mở ra nhiều cơ hội mới.

4.1. Ứng Dụng Trong Cảm Biến Quang Từ

Cảm biến quang từ sử dụng tính chất quang từ để phát hiện và đo lường các thông số vật lý. Chúng có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như y tế, môi trường và công nghiệp.

4.2. Vật Liệu Quang Từ Trong Lưu Trữ Dữ Liệu

Vật liệu quang từ được sử dụng trong các thiết bị lưu trữ dữ liệu, giúp tăng cường khả năng lưu trữ và truy xuất thông tin. Điều này rất quan trọng trong thời đại số hóa hiện nay.

V. Kết Luận Về Tính Chất Quang Từ Của Vật Liệu

Tính chất quang từ của vật liệu là một lĩnh vực nghiên cứu đầy tiềm năng. Việc hiểu rõ về các tính chất này không chỉ giúp phát triển các vật liệu mới mà còn mở ra nhiều cơ hội ứng dụng trong công nghệ. Tương lai của nghiên cứu trong lĩnh vực này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều đột phá mới.

5.1. Tương Lai Của Nghiên Cứu Tính Chất Quang Từ

Nghiên cứu về tính chất quang từ sẽ tiếp tục phát triển, với nhiều công nghệ mới được phát triển. Các vật liệu nano quang từ có thể là một trong những hướng đi quan trọng trong tương lai.

5.2. Tầm Quan Trọng Của Tính Chất Quang Từ Trong Công Nghệ

Tính chất quang từ sẽ đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển các công nghệ mới, từ cảm biến đến thiết bị lưu trữ. Sự phát triển này sẽ thúc đẩy sự tiến bộ trong nhiều lĩnh vực khác nhau.

Nội dung chính

Tài Liệu Giảng Dạy: Khoa Học Vật Liệu – Tính Chất Từ Và Tính Chất Quang (SSP 2412)

Tổng quan về giáo trình

Tài liệu bài giảng học phần Khoa học Vật liệu: Tính chất Từ & Tính chất Quang (mã học phần: SSP 2412 - Materials Science: Magnetic & Optical Properties) được biên soạn bởi Giáo sư Samsudi Sakrani thuộc Khoa Vật lý, Khoa Khoa học, Đại học Công nghệ Malaysia (Universiti Teknologi Malaysia - UTM). Cấu trúc nội dung học thuật trong tài liệu sử dụng nguồn tư liệu và sơ đồ chuẩn hóa từ nhà xuất bản khoa học Brooks/Cole (phân nhánh của Thomson Learning, Inc., bản quyền năm 2003).

Trong chương trình đào tạo đại học ngành Vật lý và Khoa học Vật liệu, học phần SSP 2412 giữ vị trí khối kiến thức chuyên ngành cốt lõi, cung cấp cơ sở vật lý giải thích mối liên hệ giữa cấu trúc vi mô của vật chất và các đặc tính vĩ mô dưới tác động của từ trường và trường bức xạ điện từ.

Mục tiêu học tập của tài liệu bao gồm:

• Thiết lập hệ thống khái niệm và công thức toán học mô tả từ trường, mật độ từ thông, độ từ hóa và độ cảm từ trong môi trường chân không và môi trường vật chất.
• Phân tích nguồn gốc lượng tử của từ tính thông qua chuyển động orbital và spin của electron.
• Phân loại, so sánh 5 dạng vật liệu từ tính cơ bản dựa trên cấu trúc spin, độ cảm từ và sự phụ thuộc nhiệt độ.
• Khảo sát các ứng dụng kỹ thuật thực tế của vật liệu từ mềm, từ cứng, vật liệu lưu trữ dữ liệu và cảm biến từ trở khổng lồ (GMR).
• Dẫn nhập vào các nguyên lý quang học trong vật liệu rắn.

Tài liệu tiếp cận nội dung theo lộ trình sư phạm diễn dịch: bắt đầu từ các đại lượng vĩ mô quan sát được trong phòng thí nghiệm, đào sâu xuống bản chất lượng tử vi mô ở cấp độ nguyên tử, sau đó tổng hợp thành hệ thống phân loại vật liệu và ứng dụng công nghệ tương ứng.

---

Nội dung kiến thức cốt lõi

Các chương và chủ đề chính

Nội dung tài liệu được tổ chức thành các chủ đề nối tiếp nhau theo logic diễn tiến khoa học:

1. Đại cương và mô tả vĩ mô về từ tính (Macroscopic Description of Magnetism):

   • Định nghĩa dòng điện chạy qua cuộn dây sinh ra từ trường ngoài ($H$) và mật độ từ thông ($B$). Khảo sát vai trò của lõi từ trong việc làm tăng mật độ từ thông.
   • Các phương trình vĩ mô: vector cảm ứng từ ($B$), từ trường ngoài ($H$), vector độ từ hóa ($M$), độ cảm từ ($\chi_m$), mômen lưỡng cực từ và thế năng của một lưỡng cực trong từ trường ngoài ($U = -\mathbf{m} \cdot \mathbf{B}$).
   • Đơn vị đo chuẩn: Đơn vị Tesla (T) của cảm ứng từ, đối chiếu với từ trường Trái Đất ($\approx 10^{-5}\text{ T}$).

2. Nguồn gốc vi mô của từ tính (Magnetism on Microscopic Scale):

   • Ba cơ chế sinh từ tính của electron: (i) Điện tích chuyển động tạo dòng điện, (ii) Chuyển động spin nội tại của electron (số lượng tử $m_s$), (iii) Chuyển động orbital của electron quanh hạt nhân.
   • Hai cơ chế chi phối chính hành vi từ của vật chất là spin và orbital.
   • Hằng số vật lý Bohr magneton ($\mu_B$) – đơn vị đo tự nhiên của mômen lưỡng cực từ electron, thiết lập từ sự lượng tử hóa mômen động lượng orbital.
   • Cấu hình spin trong kim loại chuyển tiếp dãy 3d và các nguyên tố sắt từ.

3. Phân loại các trạng thái từ tính của vật liệu (Magnetic Properties):

   • Nghịch từ (Diamagnetism): Độ cảm từ âm ($\chi_m < 0$, $K_m < 1$), độ từ hóa đối kháng từ trường ngoài. Giải thích dựa trên định luật Lenz và lực hướng tâm tác động làm thay đổi vận tốc electron dưới từ trường ngoài; khảo sát ở các hợp chất hữu cơ, nguyên tố nhẹ và kim loại kiềm.
   • Thuận từ (Paramagnetism): Độ cảm từ dương nhỏ ($\chi_m > 0$, $K_m > 1$), bắt nguồn từ mômen lưỡng cực từ vĩnh cửu của nguyên tử (spin hoặc orbital). Chuyển động nhiệt làm mất trật tự định hướng dipole; tuân theo định luật Curie ($M = C \frac{B_0}{T}$), khảo sát đồ thị từ hóa $M/M_{\max}$ theo $B_{\text{ext}}/T$; ví dụ tại nhiệt độ phòng gồm Crom (Cr), Wolfram (W), Nhôm (Al), Magie (Mg).
   • Sắt từ (Ferromagnetism): Độ cảm từ rất lớn và dương ($\chi_m \gg 0$, $K_m \gg 1$), các spin định hướng song song cùng chiều dưới nhiệt độ Curie ($T_c$). Cấu trúc đômen từ (magnetic domains), sự định hướng lại của đômen dưới từ trường ngoài, hiện tượng từ trễ (hysteresis loop), độ từ dư và lực kháng từ; khảo sát ở Fe, Co, Ni, Gd và các hợp kim.
   • Phản sắt từ (Antiferromagnetism): Các spin lân cận có độ lớn bằng nhau nhưng đối song song dưới nhiệt độ Néel ($T_N$), chuyển sang trạng thái thuận từ khi $T > T_N$; ví dụ ở các muối vô cơ và kim loại chuyển tiếp.
   • Feri từ (Ferrimagnetism): Các spin đối song song nhưng độ lớn không bằng nhau dưới nhiệt độ tới hạn, độ cảm từ lớn và dương; ví dụ ở vật liệu ferrite.

4. Ứng dụng của vật liệu từ tính (Applications of Magnetic Materials):

   • Vật liệu từ mềm (Soft Magnetic Materials): Lực kháng từ nhỏ, dùng để tăng mật độ từ thông $B$ cho lõi nam châm điện, máy biến áp, động cơ điện, máy phát điện.
   • Vật liệu từ cứng (Hard Magnetic Materials / Permanent Magnets): Lực kháng từ lớn, tích năng lượng cực đại $(BH)_{\max}$ cao, ứng dụng làm nam châm vĩnh cửu.
   • Vật liệu lưu trữ dữ liệu (Data Storage Materials): Ứng dụng trong các môi trường ghi từ tính.
   • Cảm biến (Sensors): Cảm biến dựa trên hiệu ứng từ trở khổng lồ (Giant Magnetoresistance - GMR) và cấu trúc đầu đọc từ tính (GMR Head).

5. Tính chất quang học của vật liệu (Optical Properties of Materials):

   • Dẫn nhập khảo sát tương tác giữa bức xạ quang học và cấu trúc vật liệu rắn.

Kiến thức nền tảng được xây dựng

Giáo trình củng cố các nguyên lý vật lý nền tảng:

• Điện từ học cổ điển: Định luật cảm ứng điện từ Faraday, định luật Lenz về dòng điện cảm ứng chống lại sự biến thiên từ thông.
• Cơ học lượng tử: Sự lượng tử hóa mômen động lượng orbital, chuyển động spin của electron gắn với số lượng tử $m_s$, định nghĩa toán học của Bohr magneton ($\mu_B = \frac{e\hbar}{2m_e}$).
• Nhiệt động lực học và vật lý thống kê: Ảnh hưởng của dao động nhiệt làm suy giảm độ từ hóa theo định luật Curie ($M \propto 1/T$) và sự chuyển pha từ tính tại các ngưỡng nhiệt độ tới hạn (nhiệt độ Curie $T_c$, nhiệt độ Néel $T_N$).

Kỹ năng phát triển

Thông qua nội dung học phần, người học được rèn luyện các kỹ năng chuyên môn:

• Kỹ năng tính toán định lượng: Tính toán cường độ từ trường $H$, độ từ thẩm $\mu$ và độ từ thẩm tương đối $\mu_r$ cần thiết của lõi vật liệu trong mạch từ.
• Kỹ năng phân tích đồ thị: Đọc hiểu và phân tích các đồ thị từ hóa $M/M_{\max}$ theo $B/T$, đồ thị độ cảm từ theo nhiệt độ $\chi_m(T)$, và chu trình từ trễ (xác định các thông số từ dư $B_r$, lực kháng từ $H_c$, độ bão hòa $B_s$).
• Kỹ năng phân loại và lựa chọn vật liệu: Phân biệt chính xác giữa vật liệu từ mềm và vật liệu từ cứng nhằm ứng dụng đúng vào thiết bị điện cơ hoặc lưu trữ dữ liệu.

---

Phương pháp giảng dạy và học tập

Tiếp cận sư phạm

Tài liệu sử dụng phương pháp giảng dạy theo cấu trúc bài giảng trực quan (slide-based lecture approach):

1. Trực quan hóa cấu trúc vi mô: Sử dụng sơ đồ biểu diễn vector mômen spin và quỹ đạo electron trích từ Brooks/Cole để giải thích cơ chế vi mô của lưỡng cực từ.
2. Liên kết định lượng và định tính: Các khái niệm lý thuyết (như độ từ thẩm, độ cảm từ) luôn đi kèm với công thức toán học và đơn vị đo lường tương ứng.
3. Mô hình hóa hành vi nhiệt: Sử dụng đồ thị chuyển pha từ tính theo trục nhiệt độ ($T_c, T_N$) để làm rõ sự biến thiên của hệ số $\chi_m$.

Bài tập và phân tích định lượng

Tài liệu tích hợp các ví dụ mẫu có hướng dẫn giải chi tiết (EXAMPLE & SOLUTION):

• Bài toán thiết kế mạch từ: Tính toán cường độ từ trường $H$ sinh ra bởi cuộn dây mang dòng điện; xác định độ từ thẩm $\mu$ và độ từ thẩm tương đối $\mu_r$ tối thiểu của vật liệu làm lõi để đạt được mật độ từ thông $B$ theo yêu cầu kỹ thuật.
• Phân tích chu trình từ trễ (Hysteresis Curve): Khảo sát vật liệu từ trạng thái chưa từ hóa ban đầu, tăng dần từ trường ngoài đến bão hòa, giảm về 0 để đo từ dư, đảo chiều từ trường để xác định lực kháng từ, và lặp lại chu trình để lập đường cong từ trễ hoàn chỉnh.

Bảng đối chiếu và tổng kết

Tài liệu cung cấp bảng so sánh hệ thống hóa tính chất của 5 nhóm vật liệu từ (COMPARISON OF MAGNETIC PROPERTIES):

Loại vật liệu	Độ cảm từ ($\chi_m$)	Sự phụ thuộc nhiệt độ ($T$)	Ví dụ thực tế
Nghịch từ (Diamagnet)	Âm, độ lớn nhỏ đến trung bình; hoặc âm lớn	a) $\chi_m$ không phụ thuộc $T$ b) $\chi_m$ phụ thuộc $T$ và $H$ c) Tồn tại dưới nhiệt độ tới hạn $T_c$	Vật liệu hữu cơ, nguyên tố nhẹ, kim loại kiềm, chất siêu dẫn
Thuận từ (Paramagnet)	Dương, độ lớn nhỏ đến lớn	a) $\chi_m$ không phụ thuộc $T$ b) $\chi_m \propto 1/T$ (Định luật Curie)	Kim loại kiềm, kim loại chuyển tiếp, đất hiếm
Sắt từ (Ferromagnet)	Rất lớn và dương	$T > T_c: \chi_m \propto \frac{1}{T - \theta}$ $T < T_c: \chi_m$ biến thiên phức tạp	Kim loại chuyển tiếp (Fe, Co, Ni), nguyên tố đất hiếm (Gd)
Phản sắt từ (Antiferromagnet)	Dương nhỏ	$T > T_N: \chi_m \propto \frac{1}{T + \theta}$ $T < T_N: \chi_m \propto T$	Muối vô cơ, hợp chất kim loại chuyển tiếp
Feri từ (Ferrimagnet)	Rất lớn và dương	$T > T_c: \chi_m \propto \frac{1}{T - \theta}$ $T < T_c: \chi_m$ biến thiên phức tạp	Vật liệu Ferrites, hợp chất chứa sắt (ferrous)

---

Điểm nổi bật và tính cập nhật

• Tính chuẩn xác từ nguồn tài liệu gốc: Kế thừa hệ thống hình vẽ, biểu đồ cơ chế vi mô và công thức từ giáo trình khoa học vật liệu chuẩn mực của Brooks/Cole (Thomson Learning, Inc., 2003).
• Hệ thống phân loại từ tính toàn diện: Khác với các tài liệu đại cương chỉ dừng lại ở 3 nhóm (nghịch từ, thuận từ, sắt từ), tài liệu SSP 2412 mở rộng phân tích chuyên sâu hai trạng thái có trật tự từ tính phức tạp là phản sắt từ (antiferromagnetism) và feri từ (ferrimagnetism), gắn liền với các mốc nhiệt độ chuyển pha Néel ($T_N$) và Curie ($T_c$).
• Gắn kết vật lý lượng tử với công nghệ cảm biến: Đưa vào chương trình học cấu trúc cảm biến dựa trên hiệu ứng từ trở khổng lồ (GMR - Giant Magnetoresistance) và đầu đọc từ tính (GMR Head), phản ánh ứng dụng công nghệ vật liệu từ trong ngành lưu trữ thông tin kỹ thuật số.
• Tích hợp hai mảng tính chất vật liệu: Đóng vai trò cầu nối tích hợp cả phần Tính chất Từ (Magnetic Properties) và Tính chất Quang (Optical Properties) trong cùng một khung chương trình học phần chuyên ngành.

---

Đối tượng sử dụng giáo trình

1. Sinh viên bậc đại học:

   • Sinh viên năm thứ hai hoặc năm thứ ba thuộc các chuyên ngành: Vật lý học, Khoa học Vật liệu, Kỹ thuật Vật liệu, Kỹ thuật Điện - Điện tử, Vật lý Kỹ thuật.
   • Tài liệu dùng làm bài giảng chính khóa cho học phần SSP 2412 hoặc các môn học tương đương về từ tính và quang học của chất rắn.

2. Kiến thức tiên quyết (Prerequisites):

   • Đã hoàn thành học phần Vật lý Đại cương (học phần Điện từ học: định luật Biot-Savart, định luật Ampere, định luật Faraday).
   • Kiến thức cơ bản về Vật lý Lượng tử hoặc Hóa học Đại cương (cấu hình electron, số lượng tử orbital và spin).
   • Toán giải tích (đại số vector, tích vô hướng, phương trình vi phân cơ bản).

3. Giảng viên và nhà nghiên cứu:

   • Giảng viên sử dụng làm tài liệu khung để soạn giáo án, thiết kế slide giảng dạy và xây dựng bài tập tính toán mạch từ.
   • Kỹ sư và học viên cao học dùng làm tài liệu tra cứu các tham số từ tính, công thức độ cảm từ và phân loại vật liệu lõi biến áp, cảm biến.

---

Câu hỏi thường gặp (FAQ)

1. Giáo trình này phù hợp với ai?

Tài liệu phù hợp cho sinh viên đại học chuyên ngành Vật lý, Khoa học Vật liệu và Kỹ thuật Điện - Điện tử cần nắm vững bản chất vật lý của từ tính từ cấp độ nguyên tử đến ứng dụng vĩ mô.

2. Cần chuẩn bị những kiến thức nền nào để học học phần này?

Người học cần nắm vững kiến thức Vật lý đại cương phần Điện - Từ học (từ trường, cảm ứng điện từ), cơ sở Lượng tử học đại cương (spin electron, orbital) và các phép toán giải tích vector.

3. Điểm khác biệt của giáo trình SSP 2412 so với các tài liệu từ học đại cương là gì?

Tài liệu phân loại chi tiết 5 trạng thái từ tính (bổ sung phản sắt từ và feri từ kèm các định luật phụ thuộc nhiệt độ), đồng thời tích hợp trực tiếp các ví dụ tính toán lõi từ và ứng dụng cảm biến từ trở khổng lồ (GMR).

4. Làm sao để tự học hiệu quả các nội dung trong tài liệu?

Người học nên bám sát lộ trình từ vĩ mô sang vi mô: bắt đầu từ các định nghĩa đại lượng ($B, H, M, \chi_m$), thực hành giải bài toán Example & Solution, phân tích đồ thị quan hệ $M/M_{\max}$ và chu trình trễ Hysteresis, sau đó đối chiếu kiến thức qua bảng tổng hợp cuối chương.

5. Có tài liệu bổ trợ nào kèm theo trong bài giảng không?

Bài giảng tích hợp hệ thống hình vẽ chuẩn hóa có bản quyền từ Brooks/Cole (Thomson Learning), các ví dụ bài tập tính toán có lời giải, bảng tra cứu độ cảm từ theo nhiệt độ và phần tóm tắt các điểm lý thuyết trọng tâm (Summary).

---

Kết luận

Tài liệu bài giảng SSP 2412 (Magnetic & Optical Properties) của Giáo sư Samsudi Sakrani (Đại học Công nghệ Malaysia - UTM) thiết lập khung kiến thức chuẩn xác và logic về từ tính của vật liệu rắn.

Lộ trình học tập khuyến nghị:

1. Tiếp cận hệ thống đại lượng điện từ vĩ mô và nguồn gốc lượng tử (spin, orbital, Bohr magneton).
2. Phân tích cơ chế và điều kiện nhiệt độ của 5 nhóm vật liệu từ.
3. Vận dụng khảo sát chu trình từ trễ và lựa chọn vật liệu trong các ứng dụng kỹ thuật (vật liệu từ mềm, từ cứng, lưu trữ từ tính, cảm biến GMR).
4. Tiếp nối sang phần khảo sát Tính chất Quang học của vật liệu rắn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MATERIALS SCIENCE SSP 2412 MAGNETIC & OPTICAL PROPERTIES Prof. Samsudi Sakrani Physics Dept. Faculty of Science Universiti Teknologi Malaysia 1 Main Topics • Introduction to Magnetic Properties • Magnetism on the Microscopic Scale. • Applications 2 ©2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc.

Thomson Learning™ is a trademark used herein under license. A current passing through a coil sets up a magnetic field H with a flux density B. The flux density is higher when a magnetic core is placed within the coil. 3 EXAMPLE &SOLUTION The magnetic field H produced by the coil.

The permeability of the core material must be: The relative permeability of the core material must be at least: 4 Macroscopic description in vacuum of magnetism magnetic induction magnetic field in matter magnetization we interpret as the “external field” magnetic susceptibility magnetic dipole moment potential energy of one dipole in the external field: 5 Units • Both, and are measured in Tesla (T) • 1 T is a strong field. The magnetic field fo the earth is only in the order of 10-5 T. 6 Magnetism on Microscopic Scale • Electrons can generate magnetism in three ways: i) As moving charges as current, ii) Due to their spin and iii) Due to their orbital rotation around a core. • The later two mechanisms (spin, orbital) are responsible for magnetic behavior in matter.

• Bohr magneton (symbol μB) is a physical constant and the natural unit for expressing an electron magnetic dipole moment (Magnetic moment of an electron) 7 Spin & Obit ©2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning™ is a trademark used herein under license. Origin of magnetic dipoles: (a) The spin of the electron produces a magnetic field with a direction dependent on the quantum number ms. (b) Electrons Electrons orbiting around the nucleus create a magnetic field around the atom.

8 Spins in 3d Metals 9 Ferromagnetic elements and many alloys are also ferromagnetic 10 Electron Orbit Magnetic Moment Effective current is or Magnetic moment, 11 The magnetic moment associated with an electron orbit is given by Taking into account the quantization of angular momentum for such orbits, the magnitude of the magnetic moment can be written A unit of magnetic moment called the Bohr magneton is, 12 Magnetic Properties • There are three types of magnetic behavior. The external field in materials can be – weakened (m< 0 or Km < 1) this is called diamagnetism – slightly intensified, (m> 0 or Km >1) this is called paramagnetism – considerably intensified, (m>> 0 or Km >> 1) called ferromagnetism. 13 ©2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning™ is a trademark used herein under license.

The effect of the core material on the flux density. The magnetic moment opposes the field in diamagnetic materials. Progressively stronger moments are present in paramagnetic, ferrimagnetic, and ferromagnetic materials for the same applied field. 14 DIAMAGNETISM Diamagnetism: negative susceptibility, the magnetization opposes the external field, the potential energy is lowered when moving the magnetized bodies to a lower field strength.

A diamagnet opposes both poles of a magnet. Diamagnetism is caused by “currents” induced by the external field. According to Lenz’ law, these currents always lead to a field opposing the external field. 15 Diamagnetism • Due to an external magnetic field a radial force acts on the electron.

It points toward or out of the center depending on the direction of the field. The force can’t change the radius but if it points toward the center it speeds the electron and if out it slows it. This leads to a change in the magnetic moment which is always opposite to the field. So the field is weakened.

16 PARAMAGNETISM Paramagnetism occurs in materials whose atoms have permanent magnetic dipole moments; it makes no difference whether these dipole moments are of the orbital or spin types. The paramagnetic materials at room temperature are Chromium, Tungsten, Aluminium, and Magnesium.