CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT VỀ TỪ HỌC, VẬT LIỆU TỪ VÀ CÁC HẠT NANÔ ÔXIT SẮT SIÊU THUẬN TỪ Fe3O4 1.CƠ SỞ TỪ TÍNH TRONG CÁC LOẠI VẬT LIỆU TỪ Nguồn gốc cơ bản của hiện tượng từ ở trong vật liệu là do chuyển động quĩ đạo và chuyển động spin của các điện tử. Tương ứng với hai kiểu chuyển động này sẽ có hai loại mômen từ tương ứng là mômen từ quĩ đạo và mômen từ spin. Mômen từ quĩ đạo của điện tử [6] Chuyển động của điện tử trên quĩ đạo tròn bán kính r với vận tốc dài v và vận tốc góc ω xung quanh hạt nhân (Hình 1.1) có mômen cơ (mômen động lượng): Ll = me ω r2uz = me vr uz (1.1) trong đó me là khối lượng của điện tử Chuyển động quĩ đạo của điện tử có thể xem như một dòng điện chạy trong vòng dây không có điện trở. Dòng điện này sinh ra một từ trường quĩ đạo: w ewr 2 ml = -IS uz = -e ( ) (π r2) uz = - uz (1.2) 2π 2 Nhận thấy rằng mômen từ quĩ đạo và mômen cơ có hướng ngược nhau và liên hệ với nhau bằng hệ thức ml e = - = γ1 (1.3) Ll 2me e trong đó γ1 là hệ số từ hồi chuyển quĩ đạo (khi sử dụng đơn vị - thì γ1 = gl = 1) 2me Ls Ll Điện tử Hạt nhân Hình 1.1 : Quĩ đạo chuyển động của điện tử xung quanh hạt nhân Luận văn Thạc sĩ BÙI ĐỨC LONG LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com -5- Theo cơ học lượng tử, giá trị của L1 có thể được biểu diễn qua số lượng tử l như sau h L1 = l 2π Do đó, ta có thể viết : e h eh ml = - l= - l = - l μB (1.4) 2me 2π 4πme với μB gọi là manhêton Borh: eh μB = = 0,927 x 10-23 [Am2] hay [J/T] 4πme Manhêtôn Borh thường được sử dụng như là một đơn vị đo từ độ của các nguyên tử 1.
Mômen từ spin của điện tử [6] Điện tử không chỉ chuyển động xung quanh hạt nhân mà còn tự quay xung quanh trục của nó. Chuyển động quay này liên quan đến một mômen spin nội tại. Có thể tưởng tượng rằng, một điện tử như một hình cầu có điện tích phân phối trên toàn bề mặt. Sự quay của các điện tích này sinh ra các dòng điện và do đó sinh ra mômen từ hướng dọc theo trục quay.
Tương tự như trong trường hợp của chuyển động quĩ đạo có thể biểu diễn được mối liên hệ giữa các mômen cơ spin (mômen xung lượng spin) Ls và mômen từ spin ms. Tuy nhiên, trong trường hợp này, hệ số từ hồi chuyển spin γs có giá trị lớn gấp đôi γ1 .5) LS me h Thay LS = s , ta có: 2π eh ms = -2 s = - 2μBs (1.6) 4πme ở đây ta cũng thấy ms có hướng ngược với LS. Ngoài ra, vì s chỉ nhận giá trị ± ½ nên mômen từ spin có giá trị bằng 1 μB Đối với nguyên tử có 1 điện tử, chỉ có mômen từ spin và mômen từ quỹ đạo tương tác nhau tạo ra liên kết spin - quỹ đạo. Đối với nguyên tử có nhiều điện tử, mômen từ phụ thuộc vào các liên kết: spin – quỹ đạo, spin – spin, quỹ đạo - quỹ đạo.
Trong đó liên kết spin – quỹ đạo là liên kết rất yếu có thể bỏ qua được. Luận văn Thạc sĩ BÙI ĐỨC LONG LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Mômen từ nguyên tử Mômen từ của nguyên tử gồm tổng các mômen từ của các điện tử và mômen từ của hạt nhân nguyên tử. Nhưng vì mômen từ của hạt nhân nguyên tử nhỏ hơn hàng nghìn lần tổng các mômen từ của các điện tử nên khi xét đến tính chất từ của vật liệu ta có thể không xét đến mômen từ của hạt nhân nguyên tử.
Như vậy, mỗi điện tử trong nguyên tử có thể xem như một nam châm vĩnh cửu nhỏ có mômen từ quỹ đạo và mômen từ spin. Trong mỗi nguyên tử cô lập, mômen từ quỹ đạo cũng như mômen từ spin triệt tiêu lẫn nhau. Mômen từ của một nguyên tử chính là tổng mômen từ của các điện tử trong nguyên tử, bao gồm cả mômen từ quỹ đạo và mômen từ spin. Các khái niệm cơ bản [9] Cường độ từ trường (H) Từ trường là khoảng không gian trong đó một cực từ chịu tác dụng của một lực.
Từ trường có thể gây ra bởi một cực từ khác hoặc bởi một dòng điện. Cường độ từ trường biểu thị độ mạnh yếu của từ trường, không phụ thuộc vào môi trường xung quanh, thường kí hiệu là H. Trong hệ đơn vị chuẩn SI, cường độ từ trường H có đơn vị là Ampe–vòng/mét (A/m). Ngoài ra, khi nghiên cứu từ học, vì sự liên quan giữa hoá học, vật lý và khoa học vật liệu nên người ta hay sử dụng một hệ đơn vị khác là hệ CGS.
Trong hệ này, đơn vị của H là Oesterd (Oe). Độ từ hoá (M) Vật liệu từ khi đặt trong từ trường đều bị từ hoá, hoặc nhiều hoặc ít. Độ từ hoá M (magnetization) hay độ nhiễm từ (intensity of magnetization) là mômen từ của vật liệu từ tính trên một đơn vị thể tích. Đó là một vectơ hướng từ cực nam đến cực bắc của một thanh nam châm.
Đơn vị của độ từ hoá M là Wbm/m3 = Wb/m2 (Tesla). Cảm ứng từ (B) Khi đặt một vật vào trong một từ trường thì cảm ứng từ (hoặc mật độ từ thông) xuyên qua mặt mặt cắt ngang của vật liệu có thể được biểu diễn như sau: B = μo ( H + M ) (hệ SI) (1.8) trong đó: B là cảm ứng từ H là từ trường ngoài M là độ từ hoá Như vậy, hệ số chuyển đổi từ hệ SI sang hệ CGS của cảm ứng từ B và độ từ hoá M là khác nhau. Đối với B ta có: 1Wb/m2 =104 Gauss. Luận văn Thạc sĩ BÙI ĐỨC LONG LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com -7- Một số đại lượng khác Bên cạnh đó, các đại lượng độ từ cảm (magnetic susceptibility) và độ từ thẩm (magnetic permeability) của vật liệu từ cũng là những thông số quan trọng cho biết loại vật liệu từ (thuận từ, nghịch từ, …) và độ mạnh của hiệu ứng từ liên quan đến vật liệu từ riêng biệt.
Độ từ cảm χ là tỉ số của độ từ hoá M và từ trường H: M χ= (1.9) H Độ từ thẩm μ là tỉ số của cảm ứng từ B và từ trường H: B μ= (1.10) H Độ từ thẩm μ có đơn vị là Henri/met (H/m). Mối liên hệ giữa độ từ cảm và độ từ thẩm của vật liệu từ có thể được biểu diễn như sau: μ = μo(1 + χ) (1.11) –7 –6 Với μo một hằng số vũ trụ có giá trị là 4π.10 ) H/m, là độ từ thẩm chân không. Trong các nghiên cứu về các tính chất từ thì thông số từ thẩm là thông số đặc trưng chính vì nó mô tả sự hưởng ứng của một vật liệu từ với từ trường ngoài. Các đại lượng từ và các hệ số chuyển đổi giữa 2 hệ SI và CGS Ký Hệ số chuyển Đại lượng Đơn vị CGS Đơn vị SI hiệu đổi Cường độ từ Ampe.vòng/met H Oersted (Oe) 103/4π trường (A/m) Ampe.vòng/met Độ từ hoá M emu.cm-3 103 (A/m) Cảm ứng từ (mật B Gauss Tesla (Wb/m2) 10–4 độ từ thông) Không thứ Độ từ thẩm μ Henry/m (H/m) –– nguyên Không thứ Độ từ cảm χ emu.Oe-1 4π nguyên Độ từ thẩm chân Không thứ μo Henry/m (H/m) 4π.
ĐƯỜNG CONG TỪ TRỄ VÀ PHÂN LOẠI CÁC VẬT LIỆU TỪ[1,5] Luận văn Thạc sĩ BÙI ĐỨC LONG LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Chu trình từ trễ trong vật liệu sắt từ và feri từ Đường cong từ trễ cung cấp các thông tin về từ tính của vật liệu như lực kháng từ (Hc), từ độ bão hòa (Ms) và độ từ dư (Mr) (hay cảm ứng từ dư Br). Chu trình từ trễ được tạo ra do khi cung cấp từ trường và sau đó bị ngắt, vật liệu còn giữ lại một ít độ từ hóa, được gọi là độ từ dư. Để độ từ hóa trở về không, từ trường cung cấp phải có hướng ngược lại cho đến khi không còn độ từ hóa.
Giá trị cường độ từ trường cần thiết để làm việc này gọi là lực kháng từ HC. Nếu từ trường cung cấp đã bão hòa trong hướng ngược lại và bị ngắt, sau đó cung cấp từ trường một lần nữa theo hướng dương, chu trình từ trễ được hình thành (Hình 1. Độ từ dư Lực kháng từ Hình 1. Chu trình từ trễ của vật liệu sắt từ Vật liệu thể hiện tính trễ có thể được phân loại thành từ cứng và từ mềm.
Từ cứng có lực kháng từ lớn. Do đó nó có một vùng diện tích lớn trong chu trình từ trễ. Nó được gọi là từ cứng vì độ từ hóa khó đạt đến bão hòa và lực kháng từ khó giảm về không. Từ mềm có lực kháng từ thấp.
Điều đó có nghĩa là để đạt đến độ từ hóa bão hòa thì cần từ trường nhỏ hơn nhiều so với trường hợp từ cứng. Ngoài cách phân loại dựa theo giá trị của lực kháng từ, việc phân loại các vật liệu từ còn được tiến hành dựa vào hệ số từ hóa χ .Vật liệu thuận từ Luận văn Thạc sĩ BÙI ĐỨC LONG LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com -9- Chất thuận từ là chất có độ cảm từ χ > 0 nhưng rất nhỏ, cỡ 10-4. Các chất thuận từ khi chưa bị từ hóa đã có mômen từ nguyên tử nhưng do chuyển động nhiệt các mômen này sắp xếp hỗn loạn và mômen từ tổng cộng của toàn khối bằng không (Hình 1. Khi đặt chất thuận từ vào từ trường ngoài thì các mômen từ trong chúng định hướng song song, cùng chiều với từ trường ngoài và do đó chúng có độ từ hóa dương tuy rất nhỏ.
Ở phần lớn các chất thuận từ, độ cảm từ phụ thuộc nhiệt độ theo định luật Curie: C χ= C: Hằng số Curie (1. Mô hình về cấu trúc mômen từ của chất thuận từ 1. Vật liệu nghịch từ Chất nghịch từ là chất có độ cảm từ có giá trị âm và rất nhỏ so với một, chỉ vào khoảng 10-5. Ở điều kiện bình thường các chất nghịch từ không biểu hiện từ tính vì chúng không có các mômen từ tự phát (không bị phân cực từ), nhưng khi đặt chất nghịch từ vào trong từ trường ngoài thì ở chúng xuất hiện một từ trường phụ có giá trị rất nhỏ và hướng ngược với từ trường ngoài.
Nguồn gốc tính nghịch từ là chuyển động của điện tử trên quỹ đạo quanh hạt nhân, tạo ra từ thông có chiều ngược với từ trường ngoài.