Bài giảng Tính chất từ - Cao Xuân Việt

Chapter 20 - 1 
• Phương pháp xác định? 
• Cấu trúc nguyên tử ảnh hưởng tới từ tính thế nào ? 
• Lưu trữ từ. 
• Phân loại vật liệu từ? 
TÍNH CHẤT TỪ 
• Siêu dẫn từ? 
Chapter 20 - 2 
• Phát sinh: Khi dòng điện qua 
cuộn dây: 
• Cường độ từ trường H: 
L
IN
H

Cường độ từ trường 
Đơn vị đo = (A.vòng/m) 
Cường độ 
dòng điện, A 
TỪ TRƯỜNG 
Từ trường H 
Dòng I 
N = Số vòng 
L = Chiều dài 
 mỗi vòng,m 
H cường độ từ trường 
B Cảm ứng từ (mật độ từ thông,Tesla) 
m Độ thấm từ. 
Chapter 20 - 3 
• Cảm ứng từ trong vật liệu 
• Độ từ hóa, c (không thứ nguyên) 
Độ từ hóa (hệ số từ hóa) 
Dòng 
điện I 
B = Cảm ứng từ hay mật độ từ thông (tesla) 
 iB biểu thị từ trường bên trong 
chất chịu tác dụng từ trường H 
c Xác định mức từ hóa 
tương đối so với chân không. 
H 
B 
Chân không c = 0 
c > 0 
c < 0 
Chapter 20 - 4 
Cường độ từ trường H 
Độ thẩm từ: 
Độ thẩm từ tương đối 
VÍ DỤ TÍNH TOÁN 
Chapter 20 - 5 
Chapter 20 - 6 
• Xác định mức đáp ứng của các electron với từ trường. 
• Electrons tạo moment từ: 
• moment từ: 
 - Tổng các moment từ của các electron. Ng.tử điền đầy e, 
 không thể bị từ hóa vĩnh cửu, moment tổng bằng không 
• Ba kiểu: nghịch từ, thuận từ và sắt từ. 
ĐỘ TỪ HÓA VI MÔ 
Chapter 20 - 7 
Ba dạng từ: so với m0 
Hiệu ứng vật liệu lõi 
tới mật độ từ thông. 
 m < m0 Moment từ ngược 
với trường trong vật liệu 
nghịch từ. 
m > m0 Moment được tăng 
mạnh trong vật liệu thuận 
từ, 
m >> m0 ferrimagnetic và sắt 
từ trong cùng một trường 
• Ba kiểu: nghịch từ, thuận từ và sắt từ. 
Chapter 20 - 8 Plot adapted from Fig. 20.6, Callister 7e. Values and materials from Table 20.2 and discussion in Section 
20.4, Callister 7e. 
Ba dạng từ 
Cảm ứng từ 
Cường độ từ trường (H) 
(ampere-vòng/m) 
Chân không ( c = 0) 
-5 Nghịch từ ( c ~ -10 ) (1) 
e.g., Al 2 O 3 , Cu, Au, Si, Ag, Zn 
Sắt từ e.g. Fe3O4, NiFe2O4 ( nam châm vĩnh cửu) 
Ferri từ (phản sắt từ hay ferrite()), Co, Ni, Gd 
(3) 
( c khoảng 10 6 !) 
(2) 
Thuận từ 
e.g., Al, Cr, Mo, Na, Ti, Zr 
 ( c ~ 10 -4 ) 
 B
 (
te
s
la
) 
Độ thẩm từ chân không (hằng số): 
(1.26 x 10-6 Henries/m) 
HB omc )1(
Chapter 20 - 9 
Ba dạng moment từ 
Adapted from Fig. 
20.5(a), Callister 7e. 
Không có từ trường 
(H = 0) 
Có từ trường 
 (H) 
(1) Nghịch từ 
n
o
n
e
o
p
p
o
s
in
g
Adapted from Fig. 
20.5(b), Callister 7e. 
(2) Thuận từ 
ra
n
d
o
m
a
lig
n
e
d
Adapted from Fig. 20.7, 
Callister 7e. 
(3) Sắt từ 
 ferri từ 
a
lig
n
e
d
a
lig
n
e
d
Chapter 20 - 
NGHỊCH TỪ (DIAMAGNETIC) 
• Nghịch từ: dễ cảm ứng 
từ, tạo từ trường ngược từ 
trường ngoài, thế năng giảm 
khi dịch chuyển vật nhiễm từ 
và làm giảm cường độ 
trường. Sự nghịch từ ngược 
cực từ trường. Nghịch từ 
được tạo nên bởi dòng cảm 
ứng của trường ngoài. Theo 
định luật Lenz, các dòng này 
luôn luôn tạo trường ngược 
hướng với trường ngoài. 
• Do từ trường ngoài tạo lực 
xuyên tâm tác dụng lên các 
electron. Hướng của lực 
vào hay ra khỏi tâm phụ 
thuộc vào hướng của từ 
trường. Lực không thể biến 
đổi trục nhưng nếu hướng 
vào sẽ làm tăng tốc độ 
electron và sẽ làm chậm 
nếu hướng ra ngoài. Điều 
này làm thay đổi moment từ 
và luôn ngược hướng với 
trường. Vì vậy, từ trường bị 
yếu đi. 
10 
Chapter 20 - 11 
THUẬN TỪ (PARAMAGNETIC) 
Thuận từ xảy ra trong vật liệu khi tất cả các nguyên tử có moment 
lưỡng cực từ vĩnh cửu. Nhờ đó không có sự khác biệt dù các 
moment lưỡng cực dạng quỹ đạo hay spin. 
Các vật liệu thuận từ ở nhiệt độ phòng: Cr, W, Al, Mg. 
T
B
CM 0
Chuyển động nhiệt của các nguyên tử có xu hướng phá vỡ trật tự 
Sắp xếp các dipole và do đó từ trường giảm khi tăng nhiệt độ theo 
định luật Curie. 
Chapter 20 - 12 
Chapter 20 - 13 
Vùng tế vi và sự trễ trong sắt từ 
Sắt từ là vật liệu có thể bị từ hóa rất mạnh, 
Tất cả các spin trở nên song song, ví dụ: 
Fe, Co, Gd và Ni. 
Vi cấu trúc domain. Từ trường trong mỗi 
domain theo hướng riêng. 
Sự thay đổi hướng của spin (nghịch từ) và 
độ lớn cảm ứng spin (sắt từ) do sai lệch so 
với sắt từ ban đầu. 
Khi vật liệu không bị từ hóa, các domain 
sắp xếp hỗn độn. Chúng sẽ được sắp xếp 
lại một phần hoặc toàn bộ khi đặt vật liệu 
vào từ trường ngoài. 
Chapter 20 - 14 
SẮT TỪ Trong chất sắt từ, phần bị từ hóa sẽ 
còn dư lại sau khi từ trường tác dụng 
bị cảm ứng tới zero. 
Hiện tượng TRỄ (hysteresis). 
Bắt đầu với vật liệu không 
có từ tính và không tạo từ 
trường, 
Từ trường có thể tăng, giảm, 
đảo chiều và chu kỳ lặp lại. 
Đường biểu diễn từ trường 
với các chất sắt từ gọi là 
đường cong từ trễ. 
Chapter 20 - 15 
Chapter 20 - 16 
Chapter 20 - 17 
Chapter 20 - 18 
Chapter 20 - 19 
Chapter 20 - 20 
Chapter 20 - 21 
Chapter 20 - 22 
Chapter 20 - 23 
• Khi cường độ từ trường (H) tăng 
 Moment từ thẳng hàng với H. 
Adapted from Fig. 20.13, Callister 7e. (Fig. 20.13 adapted from O.H. Wyatt and D. Dew-Hughes, Metals, 
Ceramics, and Polymers, Cambridge University Press, 1974.) 
Vật liệu sắt từ & ferri từ 
Ferro- & Ferri-Magnetic Materials 
Từ trường(H) 
C
ả
m
 ứ
n
g
 t
ừ
 (
B
) 
0 
B sat 
H = 0 
H 
H 
H 
H 
H 
• “Domains” với moment từ 
cùng hướng tăng dần, cho tới 
khi thẳng hàng với H 
Chapter 20 - 24 
Adapted from Fig. 20.14, 
Callister 7e. 
Nam châm vĩnh cửu 
Từ trường (H) 
1. Ban đầu (H =0) 
B 
Vòng từ trễ rộng 
-Nam châm vĩnh cửu 
-thêm hạt/lỗ xốp tạo 
tường ngăn chuyển động 
(ví dụ thép tungsten: 
 Hc = 5900 amp-turn/m) 
• Vật liệu từ cứng và từ mềm 
Vòng từ trễ hẹp 
-dùng cho elec. motors 
(e.g., commercial iron 99.95 Fe) 
Adapted from Fig. 20.19, Callister 7e. 
(Fig. 20.19 from K.M. Ralls, T.H. 
Courtney, and J. Wulff, Introduction to 
Materials Science and Engineering, 
John Wiley and Sons, Inc., 1976.) 
Applied Magnetic 
Field (H) 
B 
M
ề
m
• Quá trình: 
2. H ≠ 0, 
Doment từ thẳng hàng với H 
4 
Negative H cần để B=0 
. Coercivity, HC 
3. Ngừng H=0, B≠0 
=> Nam châm vĩnh cửu 
Chapter 20 - 25 
• Thông tin được lưu trữ trong vật liệu bị từ hóa. 
Image of hard drive courtesy 
Martin Chen. 
Reprinted with permission 
from International Business 
Machines Corporation. 
• Đầu có thể... 
-Áp điện trường H & domains 
thẳng hàng (i.e.,từ hóa medium) 
-Xác định sự thay đổi trong từ 
hóa của medium. 
• Hai dạng truyền thông: 
Đầu ghi 
Đĩa ghi 
Adapted from Fig. 20.23, Callister 7e. 
(Fig. 20.23 from J.U. Lemke, MRS 
Bulletin, Vol. XV, No. 3, p. 31, 1990.) 
Lưu trữ từ 
-Particulate: needle-shaped 
 g-Fe2O3. +/- mag. moment 
 along axis. (tape, floppy) 
Adapted from Fig. 
20.24, Callister 7e. 
(Fig. 20.24 courtesy P. 
Rayner and N.L. Head, 
IBM Corporation.) 
~2.5 mm 
Adapted from Fig. 20.25(a), 
Callister 7e. (Fig. 20.25(a) 
from M.R. Kim, S. 
Guruswamy, and K.E. 
Johnson, J. Appl. Phys., Vol. 
74 (7), p. 4646, 1993. ) 
~120 nm 
-Màng mỏng: CoPtCr or CoCrTa 
 alloy. Domains are ~ 10 - 30 nm! 
 (hard drive) 
Chapter 20 - 26 
Siêu dẫn 
• Tc = nhiệt độ chuẩn 
• T < Tc Vật liệu có tính siêu dẫn 
Cu 
Hg 
4.2 K Adapted from Fig. 20.26, 
Callister 7e. 
Chapter 20 - 27 
Hạn chế của siêu dẫn 
• 26 kim loại + 100’s hợp kim 
• Không may, vấn đề không đơn giản: 
Jc = mật độ dòng chuẩn, nếu J > Jc không siêu dẫn 
Hc = từ trường chuẩn H > Hc không siêu dẫn 
Hc= Ho (1- (T/Tc)
2) 
Adapted from Fig. 20.27, 
Callister 7e. 
Chapter 20 - 28 
Sự phát triển của siêu dẫn 
• Nghiên cứu nhiều năm. 
– Giả thiết Tc,max khoảng 23 K 
– Không thể cao hơn 
• 1987- Tc > 30 K 
– ceramics Ba1-x Kx BiO3-y 
– Bắt đầu . 
• Y Ba2Cu3O7-x Tc = 90 K 
• Tl2Ba2Ca2Cu3Ox Tc = 122 K 
• Hiện nay 120 K 
• Tất cả siêu dẫn Tc cao là ceramics !!! 
Chapter 20 - 29 
Hiệu ứng Meissner 
• Siêu dẫn đẩy từ trường 
• This is why a superconductor will float above a 
magnet 
normal superconductor 
Adapted from Fig. 20.28, 
Callister 7e. 
Chapter 20 - 
TÍNH CHẤT TỪ VÀ ĐIỆN MÔI 
• Tính chất từ của vật liệu 
• Sắt từ, thuận từ, nghịch từ 
• Mật độ từ thông: B = m0H 
• Độ từ hoá của vật liệu M: 
• B = m0(H+M) 
• Độ nhạy từ (Sucetibility): 
• c=H/M 
• Đ /l Curie: Quan hệ từ - sắp xếp 
ngẫu nhiên theo nhiệt độ: 
• TC : Nhiệt độ Curie 
• TS : Nhiệt độ Néel 
(a)Nghịch từ 
Thuận từ 
Chapter 20 - 
• Độ nhạy từ cho 
1mol chất (m3/mol): 
NA số Avogadro 
m0 permeability of 
space. 
[m]: J/Tesla 
Chapter 20 - 
Độ nhạy từ với vật liệu khác nhau 
Chapter 20 - 33 
Dòng điện trong siêu dẫn 
• Loại I Dòng chỉ ở phía ngoài 
 - một lượng dòng bị giới hạn 
• Loại II Dòng giữa dây dẫn 
M 
H 
Loại I 
Loại II 
Nghịch từ 
hoàn toàn Trạng 
thái lẫn 
HC1 HC2 HC 
Bình 
thường 
Chapter 20 - 34 
Vật liệu siêu dẫn 
Vacancies (X) provide electron coupling between CuO2 planes. 
X 
X 
X 
X 
X 
X 
X 
X 
Ba Ba Y 
YBa2Cu3O7 
CuO2 planes 
linear 
chains 
Cu
O
Cu
(001) planes 
Chapter 20 - 35 
• Từ trường có thể tạo thành do: 
 -- dòng điện qua cuộn dây. 
• Cảm ứng từ: 
 -- khi đặt vật liệu trong từ trường. 
 -- thay đổi moment từ từ các electron. 
• Các loại vật liệu: 
 -- ferri- or ferro-magnetic (cảm ứng từ tốt) 
 -- thuận từ (cảm ứng từ kém) 
 -- nghịch từ (opposing magnetic moment) 
• Từ cứng: kháng từ lớn. 
• Từ mềm: kháng từ nhỏ. 
• Phương tiện lưu giữ từ: 
 -- các hạt g-Fe2O3 trong màng polymer (băng hoặc đĩa) 
 -- màng mỏng CoPtCr hoặc CoCrTa trong đĩa thủy tinh (phần cứng)
Tổng kết