Chương 15: Vật liệu từ (Phần 1)

Chia sẻ: Kata_10 Kata_10 | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:8

Thêm vào BST

Báo xấu

91
lượt xem 9
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tham khảo tài liệu 'chương 15: vật liệu từ (phần 1)', khoa học tự nhiên, vật lý phục vụ nhu cầu học tập, nghiên cứu và làm việc hiệu quả

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Chương 15: Vật liệu từ (Phần 1)

301 Simpo Chương 15: V SplitIUnregistered Version - http://www.simpopdf.com PDF Merge and T L U T Chương 15 V T LI U T §15.1 KHÁI NI M V T TÍNH C A V T LI U T tính là m t thu c tính c a v t li u. T t c các v t li u, m i tr ng thái, dù ít hay nhi u u bi u hi n tính ch t t . Các v t li u t có nh ng ng d ng r t quan tr ng, không th thi u ư c trong khoa h c k thu t và cu c s ng. Vi c nghiên c u tính ch t t c a v t li u giúp chúng ta khám phá thêm nh ng bí n c a thiên nhiên, n m v ng ki n th c khoa h c k thu t ng d ng chúng ngày càng có hi u qu hơn, ph c v l i ích con ngư i, c bi t là trong lĩnh v c t h c. 1 – Hi n tư ng t hóa: Các v t li u khi ư c t trong t trư ng r ngoài H (do m t dòng i n ho c m t nam châm vĩnh c u sinh ra) thì b nhi m t . T c là chúng có Hình 15.1: Thanh nam châm là m t lư ng th hút các m t s t ho c b c c t . Các m t s t cho th y hình d ng c a hút vào các nam châm các ư ng s c t . vĩnh c u. Khi ó ta nói v t b t hóa hay v t ã b phân c c t . Có th hình dung m t th i v t li u ã ư c t hóa như hình nh m t thanh nam châm hút các m t s t mô t hình 15.1. Hai u thanh b phân thành hai c c mà ta Hình 15.2: Khi b g y thanh nam châm thành quen g i là c c b c và nhi u m nh thì m i m nh l i tr thành m t nam c c nam. S s p x p châm riêng bi t v i các c c nam (S) và b c (N). c a m t s t hai u
302 Simpo PDF Merge and Split Unregisteredt Versioni -Cương – T p I: Cơ – Nhi t - Giáo Trình V Lý in http://www.simpopdf.com và xung quanh thanh tương t hình nh các ư ng s c t i vào và i ra hai lư ng c c i n. Tuy nhiên các lư ng c c t thì không th tách r i hai c c t riêng bi t ra như t ng i n tích m t ư c. N u b g y m t thanh nam châm thì ta l i ư c nh ng thanh nam châm m i, nh hơn, m i thanh u có c c b c và c c nam, ngay c khi th i nam châm ch còn b ng m t nguyên t thì ta cũng không th tìm ư c ơn c c t hay là c c t cô l p (hình 15.2). Như v y, ph n t nh bé nh t có t tính trong thiên nhiên là lư ng c c t . 2 – Các i lư ng c trưng cho t tính c a v t li u: N u có m t thanh v t li u t dài l ( o b ng mét [m], theo h SI) và có cư ng c c t là m ( o b ng Weber [Wb]) thì tích ml g i là mômen t , c trưng cho kh năng ch u tác d ng b i t trư ng ngoài c a thanh, ký hi u là Pm uu r r M = ml [Wb.m] i lư ng véctơ: và là m t (15.1) ơn v c a Pm là Weber.metre [Wb.m]. T ng các mômen t trong m t ơn v th tích v t li u g i là t hay t hóa, c trưng cho t tính c a v t li u, ký hi u là J, cũng là m t véctơ: uu r → M J= [Wb/m2] (15.2) V → ơn v c a J là Wb/m2 hay Tesla [T]. r Kho ng không gian xung quanh các c c t có m t t trư ng H , c trưng cho tác d ng t tính c a m t c c t này lên m t c c t khác. Véctơ cư ng r t trư ng u H có th ư c xác nh tương ng v i t trư ng ư c t o ra b i m t cu n dây th ng, dài (cu n solenoid) có dòng i n ch y qua: r H = n.I [A/m] (15.3) ây n là s vòng dây trên 1m chi u dài cu n dây, I là cư ng dòng i n trong cu n dây. ơn v c a cư ng t trư ng là Amper/met [A/m]. r r J và t trư ng H ư c xác nh qua bi u th c: M i quan h gi a t r r J = χµ o H (15.4) χg i lư ng không th nguyên c trưng i là c m t hay h s t hóa, h p th t tính trong m t ơn v th tích v t li u, còn µo là mc t th m c a chân không , có giá tr : µo = 4 π .10-7 [H/m]. r t thông B ( o Ngư i ta cũng dùng i lư ng c m ng t hay m t b ng Tesla [T]), c trưng cho m c h p thu t tính c a v t li u: rr r B = J + µ0 H [T] (15.5) r r r r Thay J t (15.4) vào (15.5) ta ư c: B = (χ + 1) µ o H = µµ o H (15.6) v i µ = (χ + 1) là t th m c a v t li u, là i lư ng không th nguyên.
303 Simpo Chương 15: V SplitIUnregistered Version - http://www.simpopdf.com PDF Merge and T L U T 3 – Phân lo i v t li u t : Các v t li u t có t tính m nh y u khác nhau, ư c phân lo i theo c u trúc và tính ch t t J → như sau: pm a- Ch t ngh ch t : là cmt χ ch t có H có giá tr âm và r t 0 nh hơn 1, ch vào kho ng 10-5. Ngu n → H g c tính ngh ch t là a) b) chuy n ng c a i n t trên qu o quanh h t nhân, t o ra t Hình 15.3: a) Mômen t c a nguyên t ngh ch t trư ng có chi u ngư c trong t trư ng ngoài; b) ư ng cong t hóa c a v i t trư ng ngoài v t li u ngh ch t . (hình 15.3). t hóa χ > 0 nhưng cũng r t nh , c 10 – 4 và t l v i b- Ch t thu n t : có 1/T. Khi chưa có t trư ng ngoài các mômen t c a các nguyên t ho c ion nh hư ng h n lo n còn khi có t trư ng ngoài chúng s p x p cùng thu n t hư ng v i t trư ng (hình 15.4). 1 J χ 0 0 H T a) b) c) Hình 15.4: a) S s p x p các mômen t c a nguyên t ch t thu n t khi không có t trư ng ngoài; b) ư ng cong t hóa c a v t li u thu n t ; c) S phh thu c c a 1/ χ vào nhi t . c m t χ có giá tr r t l n, c 106. T < TC (nhi t c- Ch t s t t : Curie) tăng lên. T i T = TC t t J gi m d n, không tuy n tính khi nhi t bi n T > TC giá tr 1/ χ ph thu c tuy n tính vào nhi t . S t m t. vùng nhi t t là v t li u t m nh, trong chúng luôn t n t i các mômen t t phát, s p x p m t cách có tr t t ngay c khi không có t trư ng ngoài (hình 15.5). S t t còn có nhi u tính ch t c áo và nh ng ng d ng quan tr ng.
304 Simpo PDF Merge and Split Unregisteredt Versioni -Cương – T p I: Cơ – Nhi t - Giáo Trình V Lý in http://www.simpopdf.com JS 1 χ 0 TC T a) b) Hình 15.4: a) S s p x p các mômen t c a nguyên t v t li u s t t khi nhi t T < TC; b) S ph thu c nhi t ca bão hòa và 1/ χ ch t s t t . t d- Ch t ph n s t t : là ch t t y u, χ ~ 10 – 4, nhưng s ph thu c c a 1/ χ vào không hoàn toàn tuy n tính như ch t thu n t và có m t hõm t i nhi t nhi t Nell). Khi T < TN trong ph n s t t cũng t n t i các TN (g i là nhi t momen t t 1 phát như s t χ nhưng t chúng sp x p i song song t ng dôi m t. Khi T > TN s s p x p 0 TN T ca các a) b) mômen t spin tr nên Hình 15.6: a) S s p x p các mômen t c a nguyên t v t h n lo n v à li u ph n s t t khi nhi t T < TN; b) S ph thu c nhi t χ l i tăng c a 1/ χ ch t ph n s t t . tuy n tính theo t như ch t thu n t (hình 15.6). c m t có giá tr khá l n, g n b ng c a s t t ( χ ~ !04) và e- Ch t feri t : cũng t n t i các mômen t t phát. Tuy nhiên c u trúc tinh th c a chúng g m hai phân m ng mà ó các momen t spin (do s t quay c a i n t t o ra) có giá tr khác nhau và s p x p ph n song song v i nhau, do ó t t ng c ng khác không ngay c khi không có t trư ng ngoài tác d ng, trong vùng nhi t T < TC. Vì v y feri t còn ư c g i là ph n s t t không bù tr . Khi T > TC tr t t t b phá v , v t li u tr thành thu n t (hình 15.7). Ngoài ra ngư i ta cũng còn phân bi t các lo i v t li u t theo tính năng ng d ng ho c thành ph n k t c u c a chúng như v t li u t c ng (nam châm vĩnh c u), v t li u t m m, v t li u t kim lo i, v t li u t ôxit, v t li u t d o (cao su, nh a) … các ph n sau s trình b y c th hơn v tính ch t c a các lo i v t li u t này.
305 Simpo Chương 15: V SplitIUnregistered Version - http://www.simpopdf.com PDF Merge and T L U T JS 1 χ 0 T TC a) b) Hình 15.7: a) S s p x p các mômen t c a nguyên t trong feri t khi nhi t T < TC; b) S ph thu c nhi t bão hòa JS và 1/ χ c a v t li u feri t . c at 1.4. B n ch t t tính c a v t li u: Ngay t năm 1820 Amper (A.P. Amper 1775-1843, nhà V t lý Pháp) ã gi thi t r ng t tính c a v t li u liên quan n s t n t i các dòng i n tròn không t t d n trong nó. Quan ni m c a Amper v nam châm “như là m t t p h p nh ng dòng i n khép kín t trên nh ng m t ph ng vuông góc v i ư ng n i li n hai c c c a nam châm”, theo ó có th quy m i hi n tư ng t v các tương tác gi a các dòng i n phân t . T i u th k 20 Rơdepho (E. Ruther ford 1871-1937, nhà V t lý Anh) xây d ng mô hình nguyên t có các i n t quay xung quanh m t h t nhân n ng, mang i n dương. Theo quan ni m này thì các dòng i n tròn c a Amper sinh ra do các i n t quay trên các qu o quanh h t nhân. Sau này Planck (Max Planck 1858-1947, nhà V t lý c), Bohr (Niels Bohr 1885-1962, nhà V t lý anm ch), Broglie (Louis de Broglie 1892- 1987, nhà V t lý Pháp), Schrödinger (Erwin Schrödinger 1887-1961 nhà V t lý Áo) và nhi u ngư i khác ã ưa ra thuy t lư ng t hoàn thi n thêm v c u t o v t ch t, trên cơ s ó làm sáng t hơn b n ch t t tính c a v t li u. N u coi nguyên t là ph n t nh bé nh t c u t o nên các v t th thì s hình thành t tính c a nguyên t chính là ngu n g c tính ch t t c a v t li u. V y chúng ta hãy kh o sát t tính c a nguyên t , xu t phát t tính ch t t c a i n t , h t nhân. a. Mômen t c a electron: ơn gi n ta coi qu o chuy n ng c a electron quanh h t nhân là m t ư ng tròn có bán kính r, khi ó mômen t qu o c a electron này xác nh theo bi u th c sau: r r eur er re p m = i.S = πr 2 .n = − ωr 2 = − l (15.7) T 2 2m ây e = 1,6.10 – 19 C: i n lư ng c a electron; m = 9,1.10 – 31kg: kh i lư ng electron; T và ω : chu kì và v n t c góc quay c a electron quanh h t nhân; r u r l = mr 2 ω : mômen ng lư ng quĩ o c a electron; S = πr2: di n tích hình o; i = e/T: cư ng tròn qu dòng i n do chuy n ng c a i n t trên qu
306 Simpo PDF Merge and Split Unregisteredt Versioni -Cương – T p I: Cơ – Nhi t - Giáo Trình V Lý in http://www.simpopdf.com r o; n là pháp vectơ ơn v c a m t ph ng quĩ o, xác nh theo qui t c “cái inh c”: xoay cái inh c theo chi u dòng i n thì chi u ti n c a cái inh c là r chi u c a n . Do electron mang i n âm nên chi u dòng i n luôn ngư c v i r r u r chi u quay c a electron, nên n ngư c chi u v i ω và l . T (15.7) suy ra, quan h gi a mômen t quĩ o và mômen ng lư ng c a electron ư c xác nh b i t s t cơ hay t s h i chuy n: r pm e γ= r =− (15.8) 2m l Véctơ mômen t và véctơ mômen ng lư ng c a i n t hư ng ngư c chi u nhau vì mômen t xác nh theo chi u dòng i n còn mômen ng lư ng xác nh theo chi u chuy n ng c a i n t . Trong cơ h c lư ng t m i quan h c a hai véctơ này ư c bi u th dư i d ng toán t : ∧ ∧ r er pm = − l (15.9) 2m r r eh e l (l + 1) pm = | l |= Tr s v môdun: (15.10) 2m 2m r eh p mz = ml Hình chi u c a p m lên tr c Oz: (15.11) 2m v i l là s lư ng t qu o ( l = 0, 1, 2, 3…) và m l là s lư ng t hình chi u o ( m l = 0, ± 1, ± 2, ng lư ng trên tr c z hay là s lư ng t t qu mômen …, ± l ); h = h / 2π và h = 6,6238.10 – 34 Js là h ng s Plank. M t khác electron cũng t quay xung quanh mình nó (chuy n ng n i t i) nên có mômen t spin (spin có nghĩa là t quay) có giá tr l n g p 2 l n r er ps = − s mômen t qu o: (15.12) m r eh s ( s + 1) ps = hay: (15.13) m c trưng tr ng thái c a electron. Chi u lên phương ây s là s lư ng t spin, eh eh p sz = = ± µB mS = ± z có: (15.14) m 2m eh = 0,927.10−23 Am 2 (hay ây mS = ±½ là s lư ng t t spin và µ B = 2m J/T) g i là magneton Bohr, là ơn v ot c a nguyên t . V i các nguyên t ph c t p l p v i n t g m nhi u electron, mômen t qu o t ng c ng và c mômen t spin, b ng t ng các momen t c a các electron riêng l . Các nguyên t có l p v electron l p y có mômen t b ng
307 Simpo Chương 15: V SplitIUnregistered Version - http://www.simpopdf.com PDF Merge and T L U T không. các h p ch t m i electron có th thu c v nhi u nguyên t hay toàn m ng (mô hình electron t do). Trong trư ng h p này ngư i ta gi i thích t tính c a electron theo thuy t vùng năng lư ng mà ây không xét n. b. Mômen t c a h t nhân: H t nhân nguyên t mang i n tích dương, có th coi nó như m t i n tích bé nh , d ch chuy n t i ch (do dao ng nhi t) có spin và tương tác v i nhau b ng các mômen t . V l n, spin h t nhân b ng spin electron (do i n tích b ng nhau), nhưng kh i lư ng h t nhân thư ng l n g p 103 l n kh i lư ng c a electron, do ó theo bi u th c (15.14) mômen t h t nhân ph i nh hơn mômen t electron t i 3 b c, vì v y nó nh hư ng r t ít n tính ch t t c a v t li u, có th b qua. Tuy nhiên trong m t s trư ng h p, ví d như hi n tư ng c ng hư ng t h t nhân…, vai trò c a mômen t h t nhân là r t quan tr ng. c. Mômen t t ng h p c a nguyên t : Như ã trình b y trên, mômen t h t nhân r t nh bé, có th b qua, vì v y mômen t c a nguyên t là t ng các mômen t c a các electron. Mà t ng → → ∑p o c a các electron: P L = các mômen t quĩ (15.15a) mi i Theo cơ h c lư ng t ta có: eh L ( L + 1) PL = ∑ p mi = (15.15b) 2m i ∑l V i L= là mômen ng lư ng t ng c ng c a electron. i i → → ∑p Mômen t spin c a nguyên t : PS = (15.16a si i eh S ( S + 1) PS = ∑ psi = Và l n c a mômen t spin (1.16b) m i ∑s ây S = là t ng s lư ng t tr ng thái. i i → → → Mômen t t ng c ng c a nguyên t : P J = P L + PS (15.17a) e ( L + 2S) Và : P J = PL + P S = (15.17b) 2m G i J là s lư ng t mômen ng lư ng tòan ph n c a electron, J có th nh n các giá tr : J = L + S , L + S -1, L + S – 2,…, L – S n u L > S ho c J = S + L, S + L -1, S + L – 2,…, S – L n u S > L | PJ |= gµ B J ( J + 1) Khi ó có: (15.18) → Và hình chi u c a P J lên tr c z: PJz = g µ B m J (15.19) J (J + 1) + S(S + 1) − L(L + 1) V i g là th a s Landé: g = 1 + (15.20) 2J (J + 1)
308 Simpo PDF Merge and Split Unregisteredt Versioni -Cương – T p I: Cơ – Nhi t - Giáo Trình V Lý in http://www.simpopdf.com hay th a s tách m c t , mJ là s lư ng t hình chi u mômen ng lư ng toàn ph n, có th nh n (2J + 1) giá tr : mJ = 0, ±1, ±2, …, ±J tr ng thái cơ b n, các s lư ng t S, L, J ư c xác nh b ng quy t c Hund, áp d ng cho các electron trong m t l p cho trư c c a nguyên t như sau: - Spin toàn ph n S có giá tr c c i th a mãn nguyên lý lo i tr Pauli - m i tr ng thái ng v i 4 s lư ng t n, l , m l ,ms ch có m t electron chi m ch . o L (mômen ng lư ng) có giá tr c c i phù h p v i - Mômen qu giá tr ó c a S. - Mômen ng lư ng tòan ph n J = L – S khi l p ư c l p y chưa n ½ và J = L + S khi l p ư c l p y trên ½ (n u l p ư c l p y úng ½ thì theo quy t c u L = 0 và J = S). Các quy t c Hund có ngu n g c là tr ng thái cơ b n năng lư ng c a các l p electron ph i th p nh t. Khi L = 0, nghĩa là ch có s t spin thì g = 2; Khi S = 0, nghĩa là ch có s t qu o, g = 1. Thư ng ngư i ta không quan tâm n bi u th c (15.18) mà ch lưu ý n bi u th c (15.19) i v i mômen t nguyên t . t t c các nguyên t và ion có l p v l p y S = 0, L = 0 và J = 0, mômen t c a chúng b ng 0. Vì v y tính t hóa g n li n v i s có m t trong nguyên t có l p v không l p y electron. Theo nguyên lí Pauli m i tr ng thái lư ng t không có quá 2 electron có spin i song song, như v y mômen spin t ng c ng c a các electron này b ng 0. Các electron này g i là “electron c p ôi”. N u m t nguyên t ho c ion bao g m m t s l các electron thì 1 trong chúng s không c p ôi ư c và nhìn chung nguyên t này có kh năng xu t hi n mômen t . i v i các nguyên t có s ch n electron có th x y ra 2 trư ng h p: t t c các electron u c p ôi và mômen spin h p thành b ng 0, hay là 2 ho c 1 vài electron không c p ôi và nguyên t s có mômen t . Ví d H, K, Na, Ag có s l các electron và m t trong chúng không c p ôi; Be, C, He, Mg có s ch n electron và t t c chúng u c p ôi; Oxy có s ch n electron nhưng 2 trong chúng không c p ôi. Khi tính t ng các mômen t qu o và mômen t spin có th x y ra trư ng h p chúng bù tr nhau và mômen t ng h p c a nguyên t b ng 0, còn n u không có bù tr thì nguyên t s có mômen t , t c là chúng có t tính. Có th d a vào ây phân lo i v t li u t . Nh ng v t li u mà nguyên t c a nó không có kh năng t o mômen t thì g i là nh ng v t li u ngh ch t (hình 15.3), nh ng v t li u mà nguyên t c a nó có kh năng có mômen t thì có th là thu n t , s t t , ph n s t t hay feri t . Các v t li u có t ng các mômen t b ng 0 ho c r t nh thì là thu n t (hình nh hư ng song song v i nhau, t c là 15.4). các v t li u mà các mômen t mômen t t ng c ng r t l n, thì là s t t (hình 15.5). Các v t li u ph n s t t có i song song v i nhau (hình 15.6). V t li u feri t như ã bi t, có cá mômen t i song song nhưng các mômen t l n c a chúng không b ng nhau (hình 15.7).