BAØI GIAÛNG VAÄT LIEÄU KYÕ THUAÄT ÑIEÄN – ÑIEÄN TÖÛ Trang
Chöông 4: VAÄT LIEÄU TÖØ
130
CHÖÔNG 4 VAÄT LIEÄU TÖØ (VLT)
4.1 Caùc quaù trình vaät lyù trong VLT vaø caùc tính chaát cuûa chuùng
4.1.1 Caùc khaùi nieäm cô baûn
Nguyeân nhaân chuû yeáu gaây neân töø tính cuûa VLT laø do caùc ñieän tích luoân luoân
chuyeån ñoäng theo caùc quó ñaïo kín taïo neân nhöõng doøng ñieän voøng. Noùi cuï theå hôn
laø do söï quay cuûa caùc ñieän tích tích xung quanh truïc cuûa mình (spin ñieän töû) vaø
söï quay theo quó ñaïo cuûa caùc ñieän töû trong nguyeân töû;moâmen töø cuûa proton vaø
nôtron nhoû hôn haøng ngaøn laàn so vôùi moâmen töø cuûa ñieän töû. Vì vaäy tính chaát töø
cuûa nguyeân töû ñöôïc xaùc ñònh baèng ñieän töû, moâmen töø cuûa haït nhaân coù theå boû
qua.Moïi vaät chaát neáu ñöa vaøo töø tröôøng seõ hình thaønh momen töø
M
G
naøo
ñoù.Momen töø cuûa moät ñôn vò theå tích J
G
M ñöôïc xaùc ñònh bôûi:
J
G
M = V
M
G
= kM.
→
H
( khi vaät theå khoâng ñoàng nhaát thì: J
G
M= d
M
G
/dV )
Trong ñoù: : Vectô cöôøng ñoä töø tröôøng [A/m]
→
H
J
G
M : Ñoä töø hoùa [A/m]
V: theå tích vaät [m3]
k
M :Heä soá ñaëc tröng cho khaû naêng nhieãm töø trong töø tröôøng cuûa vaät.
kM- laø ñaïi löôïng khoâng ñôn vò, ñöôïc goïi laø ñoä töø caûm(hay heä soá phaân cöïc töø).
Trong theå tích vaät nhieãm töø taïo thaønh moät töø tröôøng rieâng (theo höôùng
hoaëc ngöôïc höôùng vôùi töø tröôøng ngoaøi ). Vì vaäy (veùctô caûm öùng töø toång
coäng trong vaät chaát) xaùc ñònh baèng toång caùc vectô caûm öùng töø cuûa töø tröôøng
ngoaøi vaø töø tröôøng rieâng:
→
i
H
→
H
→
B
→→→ +=+=+= HkHJHBBB MMi ..... 00000
μμμμ
G
G
G
G
→→→ μμ=+μ= HH).k1(B r0M0
Trong ñoù : = [H/m]
0
μ7
10.4 −
Π
Heä soá töø thaåm töông ñoái, chæ caûm öùng töø trong moâi
tröôøng lôùn gaáp bao nhieâu laàn caûm öùng töø trong chaân khoâng(khoâng ñôn vò).
)k1( Mr +=μ
r
μ
μ
0
= Heä soá töø thaåm tuyeät ñoái .[H/m]
4.1.2 Phaân loaïi vaät chaát theo tính chaát töø:
BAØI GIAÛNG VAÄT LIEÄU KYÕ THUAÄT ÑIEÄN – ÑIEÄN TÖÛ Trang
Chöông 4: VAÄT LIEÄU TÖØ
131
Vaät lieäu töø ñöôïc phaân loaïi theo phöông dieän nhieãm töø treân cô sôû nhöõng giaù trò
cuûa vaø k
r
μM.Theo phaûn öùng vôùi töø tröôøng ngoaøi vaø ñaëc tính saép xeáp töø beân
trong, moïi vaät chaát trong thieân nhieân coù theå chia thaønh naêm nhoùm: nghòch töø,
thuaän töø, saét töø, khaùng saét töø vaø ferit töø .
Hình 4.1 Bảng tuần hoàn trình bày một số nguyên tố từ tính ở nhiệt độ phòng.
Vaät chaát nghòch töø (Diamagnetic): laø nhöõng vaät chaát coù ñoä töø caûm aâm vaø khoâng
phuï thuoäc vaøo höôùng cuûa töø tröôøng ngoaøò.Chuùng coù r
μ
coù giaù trò khoâng ñoåi cho
ñeán cöôøng ñoä töø tröôøng raát lôùn. Trong vaät lieäu khoâng coù töø tröôøng rieâng khi
khoâng coù töø tröôøng ngoaøi : r
μ
<1 ; kM = ( - 0,1.10- 6 ) ñeán ( – 10- 5 ). Ñoä töø caûm cuûa
vaät chaát nghòch töø thay ñoåi raát ít theo nhieät ñoä. Ñieàu naøy ñöôïc giaûi thích raèng
hieäu öùng nghòch töø laø quaù trình beân trong nguyeân töû, maø söï chuyeån ñoäng nhieät
cuûa caùc haït khoâng bò aûnh höôûng leân noù.Söï theå hieän beân ngoaøi cuûa vaät chaát
nghòch töø laø chaát nghòch töø bò ñaåy ra khoûi töø tröôøng khoâng ñoàng nhaát.
Vaät chaát nghòch töø laø caùc khí trô, H2 vaø nhieàu chaát loûng( nöôùc, daàu moû vaø caùc
saûn phaåm cuûa noù ), haøng loaït kim loaïi nhö ñoàng vaøng, baïc, thuûy ngaân… vaø phaàn
lôùn baùn daãn nhö silic, Ge, lieân keát AIIIBv, AIIBvI vaø caùc lieân keát höõu cô, tinh theå
kieàm – halogen, thuûy tinh voâ cô vaø caùc vaät chaát khaùc. Vaät chaát nghòch töø laø taát
caû caùc vaät chaát coù lieân keát ñoàng hoùa trò vaø caùc vaät chaát coù traïng thaùi sieâu daãn.
Vaät chaát thuaän töø (Paramagnetic): laø caùc vaät chaát coù ñoä töø caûm kM döông,
khoâng phuï thuoäc vaøo cöôøng ñoä töø tröôøng ngoaøi. ÔÛ nhieät ñoä bình thöôøng ñoä töø
caûm kM cuûa vaät chaát thuaän töø khoaûng 10-3 -10-6. Vì vaäy heä soá töø thaåm töông ñoái
μ
r khoâng khaùc nhieàu 1. Nhôø ñoä nhieãm töø döông cuûa vaät chaát thuaän töø, neáu ñöa
chuùng vaøo töø tröôøng khoâng ñoàng nhaát seõ bò keùo vaøoï Trong tröôøng raát maïnh vaø ôû
nhieät ñoä thaáp trong vaät chaát thuaän töø coù theå xaûy ra traïng thaùi baõo hoøa töø, trong
ñoù taát caû moâmen töø cô baûn ñònh höôùng song song vôùi cöôøngai2 .Hieäu öùng thuaän
töø theo baûn chaát vaät lyù raát gioáng phaân cöïc löôõng cöïc cuûa ñieän moâi.
BAØI GIAÛNG VAÄT LIEÄU KYÕ THUAÄT ÑIEÄN – ÑIEÄN TÖÛ Trang
Chöông 4: VAÄT LIEÄU TÖØ
132
Haàu heát caùc kim loaïi, caùc chaát khí oâxy, nitô, caùc muoái kim loaïi, saét töø ôû nhieät ñoä
cao, caùc chaát mangan, crom, vanadi, clorua coban (CoCl2) clorua saét (FeCl2)
clorua canxi (CaCl2) laø vaät chaát thuaän töø .
Caùc vaät chaát thuaän töø raén coù ñoä töø caûm thay ñoåi theo nhieät ñoä tuaân theo ñònh
luaät Quyri – Veiss:
k
M = C/(T-
θ
)
C, vaø
θ
laø haèng soá cuûa vaät chaát quan saùt.
Vaät chaát saét töø (ferromagnetic): laø caùc vaät chaát coù ñoä töø caûm raát cao tôùi106, vaø
phuï thuoäc raát nhieàu vaøo cöôøng ñoä töø tröôøng vaø nhieät ñoä. Tính chaát quan troïng
nhaát cuûa vaät chaát saét töø laø khaû naêng töø hoùa tôùi baõo hoøa trong töø tröôøng yeáuï-
chuùng coù raát lôùn, vaø laø haøm soá cuûa cöôøng ñoä töø tröôøng. Khi khoâng coù töø
tröôøng ngoaøi, beân trong vaät lieäu ñaõ coù nhöõng mieàn töø hoùa töï phaùt. Khi coù töø
tröôøng ngoaøi, nhöõng mieàn naøy saép xeáp theo traät töï.VD: saét, coban, niken, moät soá
ñaát hieám coù k
r
μ
M=106 laø vaät chaát saét töø
Vaät chaát khaùng saét töø(antiferromagnetic):laø caùc vaät chaát, ôû nhieät ñoä thaáp hôn
moät nhieät ñoä naøo ñoù seõ xuaát hieän söï ñònh höôùng töï phaùt phaûn song song cuûa caùc
moâmen töø cô baûn cuûa caùc nguyeân töû (hoaëc ion) gioáng nhau trong maïng tinh theå.
Vaät chaát khaùng saét töø coù ñoä töø caûm döông (kM = 10-3- 10-5) vaø phuï thuoäc raát
nhieàu vaøo nhieät ñoä. Khi bò ñoát noùng,vaät chaát khaùng saét töø seõ chuyeån tieáp pha vaøo
traïng thaùi thuaän töø. Nhieät ñoä cuûa chuyeån tieáp naøy, khi bieán maát traät töï töø ñöôïc
goïi laø ñieåm khaùng saét töø Quyri.
Hình 4.2 Traät töï töø trong caáu truùc MnO
Coù haøng ngaøn lieân keát coù tính chaát khaùng saét töø .Hình 4.2 laø ví duï chæ roõ caáu truùc
cuûa MnO(coù maïng tinh theå gioáng NaCl). Caùc ion cuûa Mn coù caùc momen töø
höôùng ngöôïc nhau. Maëc duø coù söï saép xeáp traät töï töø trong tinh theå ,nhöng toång töø
hoaù (nhieãm töø ) cuûa tinh theå khi khoâng coù töø tröôøng ngoaøi baèng 0.
Ferit töø goàm caùc vaät chaát maø tính chaát töø cuûa chuùng coù khaùng saét töø khoâng trieät
tieâu. Töông töï nhö chaát saét töø chuùng coù ñoä töø caûm raát cao, vaø phuï thuoäc raát
nhieàu vaøo cöôøng ñoä töø tröôøng vaø nhieät ñoä. Maëc duø vaäy ferit töø coù nhöõng khaùc
bieät cô baûn vôùi saét töø. Tính chaát cuûa ferit töø coù ôû moät vaøi hôïp kim, nhöng chuû
yeáu laø caùc lieân keát oxit, trong ñoù ferit coù yù nghóa thöïc teá nhaát.
BAØI GIAÛNG VAÄT LIEÄU KYÕ THUAÄT ÑIEÄN – ÑIEÄN TÖÛ Trang
Chöông 4: VAÄT LIEÄU TÖØ
133
Thuaän töø, nghòch töø , khaùng saét töø coù theå lieân keát thaønh nhoùm vaät chaát coù töø tính
yeáu, trong khi ñoù saét töø vaø ferit töø laø vaät chaát coùtöø tính maïnh.
4.1.3 Baûn chaát cuûa traïng thaùi saét töø
Thöïc nghieäm ñaõ chæ roõ raèng tính chaát ñaëc bieät cuûa traïng thaùi saét töø laø do caáu truùc
vuøng (mieàn) domen beân trong. Caùc domen laø nhöõng vuøng vó moâ coù theå töø hoùa
ñeán giaù tri baõo hoøa ngay khi khoâng coù töø tröôøng ngoaøi. Töø hoùa töï phaùt cuûa caùc
mieàn laø do söï ñònh höôùng song song caùc moâmen töø cuûa nguyeân töû trong saét töø .
Hình 4.3 Caáu truùc domen cuûa saét töø vaø söï ñònh höôùng cuûa domen trong tröôøng
ngoaøi H : a/H=0 b/H nhoû c/H lôùn d/traïng thaùi baõo hoaø
Trong vaät lyù coù hai loaïi löïc coù aûnh höôûng lôùn ñeán caùc hieän töôïng trong nguyeân
töû, ñoù laø löïc töø vaø löïc ñieän. Tuy nhieân lyù thuyeát vaø thöïc nghieäm chæ ra raèng löïc
töø raát yeáu ñeå coù theå choáng laïi chuyeån ñoäng nhieät khi nhieät ñoä lôùn hôn moät vaøi ñoä
K. Vì theá traïng thaùi saét töø xuaát hieän do löïc ñieän. Naêng löôïng töông taùc tónh ñieän
cuûa ñieän töû hoùa trò coù theå chieám khoaûng moät vaøi eV, vaø chæ caàn moät naêng löôïng
nhoû cuûa naêng löôïng naøy cuõng ñuû ñeå ñaït hieäu öùng ñònh höôùng caàn thieát.
Söï phuï thuoäc caûm öùng töø vaøo cöôøng ñoä töø tröôøng goïi laø ñöôøng cong töø hoùa . Ñeå
nhaän ñöôïc ñöôøng cong töø hoùa ta xeùt traïng thaùi khöû töø cuûa maãu (töùc laø söï vaéng
maët töø tröôøng ngoaøi thì caûm öùng töø baèng 0).
BAØI GIAÛNG VAÄT LIEÄU KYÕ THUAÄT ÑIEÄN – ÑIEÄN TÖÛ Trang
Chöông 4: VAÄT LIEÄU TÖØ
134
B E
(G,kG) D deã Trung bình
C [100] [110]
B
A khoù
[111]
0 H=0 H (Ocstet)
Hình 4.4 a/ñöôøng cong töø hoùa b/ höôùng töø hoùa deã vaø khoù cuûa saét
Treân ñöôøng cong töø hoùa ( hình 4.4a) coù nhöõng kyù töï O, A , B, C, D, E ñeå chæ caùc
giai ñoaïn cuûa quaù trình töø hoùa. Trong ñoù xaûy ra söï saép xeáp cuûa nhöõng mieàn töø
hoùa töï phaùt trong vaät lieäu ( caùc domen töø).
-Taïi O: Cöôøng ñoä töø tröôøng baèng 0, nhöõng vuøng töø hoùa töï phaùt saép xeáp khoâng
theo traät töï, caûm öùng töø baèng 0.
-Ñoaïn OA: Cöôøng ñoä töø tröôøng raát nhoû, vaùch cuûa nhöõng vuøng bò xoâ leäch.
Nhöõng vuøng naøo ôû gaàn töø tröôøng ngoaøi hôn thì theå tích cuûa chuùng taêng leân,
nhöõng vuøng coù söï ñònh höôùng khoâng thuaän lôïi cuûa vectô töø hoùa JM thì theå tích
giaûm xuoáng. Sau khi loaïi boû tröôøng yeáu caùc vaùch seõ trôû laïi vò trí cuõ (khoâng coù JM
thöøa), quaù trình naøy coù tính chaát ñaøn hoài.
-Ñoaïn A-B-C: Moät soá vuøng xoay höôùng moät caùch roõ reät, nhöõng vuøng naøo gaàn
töø tröôøng ngoaøi hôn thì xoay höôùng deã hôn, quaù trình naøy mang tính chaát khoâng
ñaûo ngöôïc ñöôïc. Ñöôøng cong töø hoùa coù ñoä cong lôùn nhaát.
-Ñoaïn DE: Taát caû caùc vuøng daàn daàn xoay theo höôùng cuûa tröôøng. Ñaây laø
traïng thaùi baõo hoøa.
4.1.4 Caùc quaù trình khi töø hoùa saét töø
a. Dò höôùng töø
Trong vaät chaát ñôn tinh theå saét töø toàn taïi höôùng töø hoùa deã vaø khoù . Soá löôïng cuûa
höôùng naøy ñöôïc xaùc ñònh baèng tính ñoái xöùng cuûa maïng tinh theå. Khi khoâng coù töø
tröôøng ngoaøi caùc moâmen töø cuûa mieàn töï ñònh höôùng theo moät trong caùc truïc deã
töø hoùa.
OÂ cô baûn cuûa saét laø moät khoái vuoâng laäp phöông theå taâm. Höôùng töø hoùa deã truøng
vôùi caïnh cuûa khoái vuoâng [100] ( hình 4.4b).Vaäy trong tinh theå Fe coù 6 höôùng töø
hoùa deã. Höôùng khoâng gian cuûa ñöôøng cheùo khoái vuoâng [111] laø höôùng khoù töø
hoùa.ÔÛ Niken ,oâ cô baûn laø moät khoái vuoâng laäp phöông dieän taâm. Höôùng cuûa
ñöôøng cheùo khoái vuoâng [111] laïi laø höôùng deã töø hoùa Trong khi ñoù Coban (ñöôïc
tinh theå hoùa ôû daïng laêng truï luïc giaùc) chæ coù hai höôùng töø hoùa deã, truøng vôùi truïc