Chương 5: Tính chất từ của vật liệu

LOGO 1 2ü Điện tử xoay quanh hạt nhân tạo moment từ khá nhỏ (bỏ qua) ü Điện tử quay quanh trục của nó xuất hiện moment từ spin + Điện tử ghép đôi, spin trái dấu nên tự triệt tiêu moment từ của nhau + Điện tử không ghép đôi (electron độc thân) tạo moment từ spin. ü Tính chất từ của vật liệu phụ thuộc sự sắp xếp (chiều hướng) của các moment từ 3NT hay ion Ti Ti2+ V V4+ V3+ V2+ Cr Cr3+ Cr2+ Mn Mn3+ Mn2+ Electron độc thân 2 2 3 1 2 3 5 3 4 5 4 5 NT hay ion Fe Fe3+ Fe2+ Co Co3+ Co2+ Ni Ni2+ Cu Cu2+ Zn Zn2+ Electron độc thân 4 5 4 3 4 3 2 2 0 1 0 0 Electron độc thân thường xuất hiện ở các kim loại chuyển tiếp, ở các lớp điện tử d và f. 4Thực tế 3 kim loại Fe, Co, Ni có số điện tử không ghép đôi không giống như lý thuyết do điện tử từ lớp 4s có thể nhảy sang 3d. → Số electron tự do mỗi nguyên tử thay đổi so với lý thuyết Moment từ spin của 1 electron (Bohr magneton) là μB = 9,27.1024 A.m2 → Moment từ mỗi nguyên tử = số electron độc thân x μB 5Từ trường là môi trường vật chất đặc biệt sinh ra quanh các điện tích chuyển động hoặc do sự biến thiên của điện trường hoặc có nguồn gốc từ các mômen lưỡng cực từ như nam châm. 6ü Từ trường H (A/m), được tạo ra bởi cuộn dây dẫn điện có cường độ dòng I, quấn tròn n vòng và dài l là: ü Khi đặc vật liệu có từ tính vào từ trường ngoài H, vật liệu có cảm ứng từ B hay mật độ từ trường B (Tesla) ü B tỉ lệ với H với hệ số tỷ lệ là từ thẩm (độ thẩm từ) μ: B: Tesla (T) hay 7Trong môi trường chân không, vật liệu có cảm ứng từ Bo và độ thẩm từ μo = 4π.10-7 (H/m) B = μ.H → μr = μ / μo (độ từ thẩm tương đối của chất rắn so với chân không) B = μ.H = μo.(H + M) M (Magnetization): Độ từ hóa của chất rắn (tổng moment từ mỗi đơn vị thể tích) → M = H : từ cảm của vật liệu μ = μo.(1 + ) 8So sánh mật độ từ dưới điều kiện chân không và khi có đặt vật liệu 9Dựa vào sự sắp xếp khác nhau của các moment từ mà vật liệu có tính chất từ khác nhau !! 10 Vật liệu nghịch từ (diamagnetic): μ < μo → μr < 1 (μr ≈ 5.10-6) → < 0 Vật liệu thuận từ (paramagnetic): μ > μo → μr > 1 → > 0 Vật liệu sắt từ (ferromagnetic): μ μo → μr 1 (μr ≈ 106) → 0 Vật liệu feri từ (ferrimagnetic): 0, nhỏ hơn vật liệu sắt từ Vật liệu phản sắt từ (antiferromagnetic): > 0, nhưng rất nhỏ 11 Là các chất không có mômem từ (nhóm phi từ). Khi đặt vào từ trường ngoài trong các phân tử sẽ xuất hiện dòng điện phụ và tạo ra từ trường phụ ngược chiều từ trường ngoài. Ví dụ: các khí hiếm (He, Ne, Ar, Kr,...), các ion có các lớp electron giống khí hiếm, kim loại (Bi, Zn, Ag, Cu, Pb), H2O, NaCl, SiO2, S, C. et al. 12 ü Thuận từ là những chất có từ tính yếu (nhóm phi từ), các moment từ sắp xếp một cách tự do. ü Khi có tác dụng của từ trường ngoài, các mômen từ này sẽ bị quay theo từ trường ngoài, làm cho cảm ứng từ tổng cộng trong chất tăng lên. 13 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). Ví dụ: kim loại chuyển tiếp (Fe, Co, Ni), kim loại đất hiếm (Gd, Nd), etc. Liên quan đến electron độc thân phân lớp 3d và 4f 14 Bề mặt Al Bề mặt BaTiO3 Cấu trúc đa tinh thể 15 Vật liệu sắt từ chứa những vùng không gian nhỏ có các moment từ được sắp xếp trật tự (cùng chiều). Các vùng này gọi là domain, giữa các domain là đường ranh giới. Từ tính của vật liệu là tổng từ tính (theo vector) của các domain. 16 ü Khi áp từ trường ngoài H vào VL sắt từ, các domain có khuynh hướng sắp xếp theo hướng từ trường, làm tăng B và M. ü Khi H đủ lớn, tất cả các domain đều sắp xếp theo hướng từ trường ngoài, B và M đạt đến giá trị bão hòa (Bs và Ms). 17 VD: Tính độ từ hóa bão hòa Ms và mật độ từ bão hòa Bs của Niken biết dNi = 8,90 g/cm3. Giải: với Ni 18 Khi từ trường ngoài H thay đổi, các domain có khuynh hướng sắp xếp theo hướng mới. Tuy nhiên, sự sắp xếp này chậm có thể gây nên hiện tượng trễ (hysteresis). 19 ü Khi độ từ hóa bằng 0, từ trường đảo Hc gọi là độ kháng từ (coercivity). ü Khi H đạt đến giá trị 0 một vài domain vẫn còn duy trì sự sắp xếp theo hướng trước đó tạo nên độ từ hóa dư (remanence) Mr 20 ü Vật liệu từ cứng (hard magnetic) là vật liệu sắt từ, khó khử từ và khó từ hóa → nam châm vĩnh cửu ü Vật liệu từ mềm (soft magnetic) là vật liệu sắt từ, "mềm" về phương diện từ hóa và khử từ, có nghĩa là dễ từ hóa và dễ khử từ→ nam châm điện ü Tinh thể bị khuyết tật hoặc không tinh khiết có thể làm giảm khả năng di chuyển của các domain. VD: sắt và thép 21 Khi gia nhiệt, các nguyên tử chuyển động nhiệt tăng làm cho các moment từ sắp xếp mất trật tự. Nhiệt độ Curie (TC) là nhiệt độ mà tại đó vật liệu sắt từ và ferri từ bị mất từ tính, trở thành chất thuận từ. VD: Tc của Fe - 768 oC, Co – 1120 oC, Ni – 335 oC. 22 23 Ø Siêu thuận từ (superparamagnetism) là một hiện tượng, một trạng thái từ tính xảy ra ở các vật liệu từ, mà ở đó chất biểu hiện các tính chất giống như các chất thuận từ. ü Xảy ra với các chất sắt từ và ferri từ ü Khi kích thước hạt đủ nhỏ (< Dc – kích thước tới hạn), vật liệu sẽ chuyển từ trạng thái đa domain sang đơn domain (mỗi hạt sẽ là một domain). ü Năng lượng nhiệt sẽ phá vỡ sự định hướng của các moment từ, hệ hạt sẽ đạt trạng thái hỗn loạn như chất thuận từ. ü Khi áp từ trường ngoài, vật liệu đáp ứng nhanh tạo độ từ hóa bão hòa lớn. 24 Độ từ hóa bão hòa cao Độ từ dư Mr = 0 25 Siêu dẫn (superconductor) là hiện tượng vật liệu dẫn điện mà không có sự xuất hiện của điện trở (điện trở rất nhỏ) khi dưới một nhiệt độ tới hạn (TC - critical temperature) 26 Hiệu ứng Meisnner: dưới nhiệt độ tới hạn (TC), electron di chuyển theo từ trường (magnetic levitation), vượt qua sự cản trở của các nút mạng 27 ü Máy biến thế ü Động cơ điện ü Máy phát điện 28 Gia nhiệt cục bộ: bếp từ 29 Mã hóa dữ liệu theo bit (0 & 1) dựa vào chiều của moment từ mỗi domain Ứng dụng làm ỗ đĩa (hard disk drive) HCP cobalt–chromium alloy 30 Tàu điện chạy trên đệm từ trường 31 Ứng dụng hạt nano từ tính: ü Tách, thu hồi chất ü Dẫn truyền thuốc