Bài giảng Bài tập Cơ sở khoa học vật liệu - Tính chất từ của vật liệu - Nguyễn Ngọc Trí Huỳnh

CƠ SỞ KHOA HỌC VẬT LIỆU
ThS. Nguyễn Ngọc Trí Huỳnh
5/2016
TÍNH CHẤT TỪ CỦA VẬT LIỆU
TÍNH CHẤT TỪ CỦA VẬT LIỆU
• Một dây dẫn thẳng dài có bán kính R = 1,5mm.
• Dòng điện qua dây có giá trị không đổi i = 32A.
• Tính từ trường ở bề mặt dây.
• Tính từ trường ở vị trí cách dây 1,2mm.
TÍNH CHẤT TỪ CỦA VẬT LIỆU
• Từ trường ở bề mặt sợi dây:
 
 
0
2
7
3
3
i
B r
2 R
4 10 32
B 4,27 10 T 4,27mT
2 1,5 10






 
    
 
TÍNH CHẤT TỪ CỦA VẬT LIỆU
• Từ trường ở vị trí r = 1,2mm:
   
 
0
2
7 3
3
2
3
i
B r
2 R
4 10 32 1,2 10
B 3,41 10 T 3,41mT
2 1,5 10
 





   
    
 
• Tính lực trên một đơn vị diện tích (kN/m2) của một
nam châm vĩnh cữu.
• Biết độ từ hóa bão hòa μ0M = 1,61T.
• Biết độ từ thẩm trong chân không μ0 = 4πx10
-7H/m.
TÍNH CHẤT TỪ CỦA VẬT LIỆU
• Lực từ:
2
0M AF
2


TÍNH CHẤT TỪ CỦA VẬT LIỆU
Trong đó:
• F: lực từ (N).
• μ0: độ từ thẩm trong chân không (H/m).
• M: độ từ hóa (tổng momen từ trên một đơn vị thể 
tích), là đại lượng vector (A/m).
• A: tiết diện (m2).
V 0
m
M lim
V 



• Lực từ do nam châm vĩnh cữu tạo ra:
2
0M AF
2


TÍNH CHẤT TỪ CỦA VẬT LIỆU
• Ta có thể viết lại phương trình trên:
 
 
 
2
0
2
0
0
2 2
0 2
7
0
M A
F
2
M A
F
2
MF 1,61
1031,4kN/m
A 2 2 4 10



 


   
  
TÍNH CHẤT TỪ CỦA VẬT LIỆU
• Tính tổng momen từ trên một đơn vị thể tích của vật
liệu magnetite.
• Tính mật độ dòng bão hòa.
Magneton Bohr (μB): đơn vị của momen từ.
TÍNH CHẤT TỪ CỦA VẬT LIỆU
B
e
e
2m
 
Trong đó:
• e: điện tích nguyên tố
• ћ: hằng số Planck rút gọn
• me: khối lượng nghỉ của electron
24 2
B1 9,274 10 J / T Am
   
TÍNH CHẤT TỪ CỦA VẬT LIỆU
Cấu trúc magnetite Fe3O4.
Từ trường
Fe2+ (4 magneton Bohr)
Fe3+ (5 magneton Bohr)
O2-
Fe2+
Fe3+
Fe3+
Fe3+Fe
2+
Lỗ trống 
bát diện
Lỗ trống 
tứ diện
8,37Å
• Tổng momen từ từ mỗi Fe2+ là 4 magneton Bohr.
• Các momen từ từ 2 Fe3+ tại các vị trí tứ diện và bát diện 
triệt tiêu nhau.
TÍNH CHẤT TỪ CỦA VẬT LIỆU
• Một ô tổng gồm 8 ô con. Do đó, tổng momen từ là 32
magneton Bohr/ô.
• Thể tích ô cơ sở:
 
3
3 8 22 3V a 8,37 10 5,86 10 cm     
• Số momen từ/đơn vị thể tích:
22 3
22 3
32magneton /
5,46 10 magneton / cm
5,86 10
 

oâ
cm / oâ
TÍNH CHẤT TỪ CỦA VẬT LIỆU
22 3
22 3
32magneton /
5,46 10 magneton / cm
5,86 10
 

oâ
cm / oâ
  22 3 24 2
2 2 5
5,46 10 magneton / cm 9,274 10 Am / magneton
0,51Am / cm 5,1 10 A / m
  
  
• Từ trường ở trạng thái bão hòa:
  7 5sat 0 satB M 4 10 5,1 10 0,64T     
TÍNH CHẤT TỪ CỦA VẬT LIỆU
• Chế tạo một cuộn solenoid có độ từ cảm 2000 gauss.
• Dòng điện 10mA đi qua cuộn dây.
• Cuộn dây dài 1cm được quấn thành 10 vòng.
• Chọn lựa vật liệu thích hợp dựa vào độ từ thẩm tương
đối.
• Cường độ từ trường tạo bởi cuộn dây:
 3
2
10 10 10nI
H 10A / m
l 10 10


 
  

TÍNH CHẤT TỪ CỦA VẬT LIỆU
• Độ từ thẩm:
B 2000
15 g873 a
H 0,1
uss / oerste
6
d
2
   
• Vật liệu cần có độ từ thẩm tương đối đạt tối thiểu:
r
0
15873
15873
1

   

• Đặt một chất thuận từ mà nguyên tử của nó có lưỡng
cực từ nội tại bằng 1x10-23J/T trong một từ trường
0,5T.
• Xác định nhiệt độ mà tại đó động năng tịnh tiến trung
bình của nguyên tử khí đó bằng năng lượng cần thiết
để đổi chiều lưỡng cực trong từ trường này.
TÍNH CHẤT TỪ CỦA VẬT LIỆU
• Năng lượng của lưỡng cực từ µ trong từ trường B:
 W W W ' B B 2 B        
• Năng lượng cần để đổi chiều lưỡng cực:
TÍNH CHẤT TỪ CỦA VẬT LIỆU
W µB
• Đổi chiều của lưỡng cực từ, năng lượng khi đó bằng:
W ' µB 
• Động năng tịnh tiến trung bình của một nguyên tử:
3
U kT
2

TÍNH CHẤT TỪ CỦA VẬT LIỆU
 
 
23
23
3
2 B kT
2
4 10 0,54 B
T 0,483K
3k 3 1,38 10


  
 
   
 
• Động năng tịnh tiến trung bình bằng năng lượng cần
thiết để đổi chiều lưỡng cực.
• Suy ra: ∆W = U
HIỆU ỨNG SẮT TỪ
TÍNH CHẤT TỪ CỦA VẬT LIỆU
• Sắt và một số nguyên tố khác hay hợp kim của các
nguyên tố này tồn tại một tương tác đặc biệt gọi là liên
kết trao đổi.
• Liên kết này đóng vai trò sắp xếp các lưỡng cực của
nguyên tử song song vững chắc, bất chấp xu hướng
hỗn loạn của chuyển động nhiệt.
• Hiện tượng này gọi là hiệu ứng sắt từ.
• Đây là hiệu ứng lượng tử, không thể giải thích bằng vật
lý cổ điển.
TÍNH CHẤT TỪ CỦA VẬT LIỆU
• Nếu nhiệt độ một vật liệu sắt từ vượt quá một giá trị
nào đó gọi là nhiệt độ Curie, liên kết trao đổi mất hiệu
lực.
• Ví dụ: sắt có nhiệt độ Curie bằng 1043K (770oC).
• Đa số vật liệu khi đó trở thành chất thuận từ.
TÍNH CHẤT TỪ CỦA VẬT LIỆU
TÍNH CHẤT TỪ CỦA VẬT LIỆU
a
b
c
d
e
B0
BM
• Hiện tượng đường từ hóa đi và về không trùng nhau 
được gọi là hiện tượng từ trễ. 
• Đường cong bcdeb được gọi là vòng từ trễ.
Các đường cong từ hóa
của vật liệu sắt từ không
trùng với nó khi tăng rồi
giảm từ trường ngoài
(B0).
“Hãy theo đuổi sự ưu tú, 
thành công sẽ theo đuổi bạn”