Chương 15: Vật liệu từ (Phần 2)

Chia sẻ: Kata_10 Kata_10 | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:16

Thêm vào BST

Báo xấu

81
lượt xem 11
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tham khảo tài liệu 'chương 15: vật liệu từ (phần 2)', 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 2)

309 Simpo Chương 15: V SplitIUnregistered Version - http://www.simpopdf.com PDF Merge and T L U T §15.2 CH T NGH CH T i u ki n bình thư ng các ch t ngh ch t không bi u hi n t tính vì chúng không có các mômen t t phát (không b phân c c t ), nhưng khi t ngh ch t vào trong t trư ng ngoài thì chúng xu t hi n m t t trư ng ph có giá tr r t nh và hư ng ngư c v i t trư ng ngoài. kh o sát tính ngh ch t c a v t li u ta có th áp d ng nh lu t Larmor. r Khi t nguyên t vào trong t trư ng H , d c theo tr c Oz, chuy n ng c a electron quanh h t nhân g m hai chuy n ng thành ph n là chuy n ng c a nó gi ng như không có t trư ng ngoài và chuy n ng quay quanh u r r e B0 ωL = phương t trư ng v i v n t c góc Larmor: (15.21) 2m rr l = Iω L ng lư ng m i : t o ra mômen (15.22) i v i tr c quay: I = m a 2 (15.23) v i I là mômen quán tính c a electron trong này a 2 là trung bình c a bình phương kho ng cách t electron t i tr c r ea 2 u r l= B0 quay (Oz). Do ó: (15.24) 2 r er e2 a 2 u r Tương ng ta có mômen t ph c a electron th i: ∆ p m = − l=− B0 2m 4m Mômen t ph toàn ph n c a nguyên t có Z electron: u r u r r e 2 B0 Z ∆ P m = ∑ ∆ p mi = − ∑a 2 (15.25) i 4m i =1 i G i ri là kho ng cách t i n t th i n h t nhân nguyên t , ta có: 1 2 x 2 = y 2 = z 2 = ri2 . Suy ra: a i2 = x 2 + y 2 = ri2 3 3 u r u r e 2 Zr 2 u r e 2 B0 2 Z 2 ∑ ∆Pm = − ri = − B0 Do ó: (15.26) 4m 3 i =1 6m V i r 2 là trung bình bình phương kho ng cách t electron n h t nhân. Theo nh nghĩa ta có t hóa c a nguyên t : r u r n 0 e 2 Zr 2 u r J = n 0∆Pm = − B0 (15.27) 6m ây n0 là s nguyên t trong m t ơn v th tích v t li u. Khi ó có t cm n 0 e 2 Zr 2µ 0 χ=− b ng: (15.28) 6m
310 Simpo PDF Merge and Split Unregisteredt Versioni -Cương – T p I: Cơ – Nhi t - Giáo Trình V Lý in http://www.simpopdf.com Như v y χ có giá tr âm, chính là c m ngh ch t , nó thư ng có giá tr r t nh , χ ~ 10 . T (15.28) cho th y χ không ph thu c nhi t . –6 Nh ng khái ni m trên ây không h n ch cho electron l p nào và trong nguyên t c a ch t nào, vì v y có th xem như m i ch t u có tính ngh ch t . Các ch t ngh ch t hay g p bao g m các khí trơ He, Ne, Ar, Kr, Xe; nhóm halogen Cl, F, Br…, m t s kim lo i ki m, t hi m và mu i c a chúng, a s các h p ch t h u cơ, th y tinh... B ng 15.1 dư i ây cho giá tr t cm c a m t s ch t ngh ch t : B ng 15.1: Giá tr t c m c a m t s ch t ngh ch t - χ .10 – 6 - χ .10 – 6 - χ .10 – 6 V t li u V t li u V t li u Ag 2,4 Ar 6,1 Si 1,2 Au 1,9 C 6,2 Sb 10,6 B 7,8 H 25,0 Al2O3 3,5 Be 13,0 He 5,9 CaCO3 4,4 Bi 16,0 N 5,4 CO2 6,0 Cd 23,9 Hg 2,2 Cu2O 2,4 Cu 1,08 Pb 1,4 H2O 9,05 Ge 1,5 Zn 1,9 H2SO4 5,0 Các ch t siêu d n có B = 0 và χ = -1 ư c xem là các ch t ngh ch t lý tư ng. Tính ch t t c a ngh ch t r t nh bé nên trong th c t ngư i ta không quan tâm n vi c ng d ng các v t li u này v phương di n t tính. §15.3 CH T THU N T Khác v i ch t ngh ch t , các ch t thu n t khi chưa b t hóa ã có mômen t ngưyên t , nhưng do chuy n ng nhi t, các mômen này s p x p h n lo n và mômen t t ng c ng c a toàn kh i b ng không. Khi t ch t thu n t vào t trư ng ngoài thì các mômen t trong chúng nh hư ng song song, cùng chi u v i t trư ng ngoài, và như v y chúng s có t hóa dương, tuy r t nh (xem b ng 15.2). các ch t thu n t , nguyên t có m t s l electron (như Na t do, NO, C(C6H5)3…) ho c chúng thu c nhóm các nguyên t chuy n ti p v i m t l p electron bên trong chưa ư c l p y hoàn toàn (nhóm kim lo i 3d - nhóm s t - như Fe, Co, Ni, Cu, Ti…và nhóm kim lo i 4f – nhóm Lantan, t hi m – như La, Ce, Pr, Nd, Sm, Tb… 1 – Nghiên c u tính ch t t c a ch t thu n t b ng thuy t Langevin: Theo thuy t Langevin, ph n l n các ch t thu n t , t hóa ph C χ= thu c nhi t theo nh lu t Curie: (15.29) T
311 Simpo Chương 15: V SplitIUnregistered Version - http://www.simpopdf.com PDF Merge and T L U T v i C là h ng s Curie. Khi nhi t càng cao, t hóa gi m i m t cách m nh ây các mômen t nguyên t ư c coi như nh ng vectơ có th m. nh hư ng theo b t kỳ hư ng nào và chúng không tương tác l n nhau. Áp d ng phân b th ng kê Boltzman có th tính ư c mômen t c a ch t thu n t: M= n0PmL(x) (15.30) Pm H trong ó L(x) = cthx – 1/x v i x= là hàm Langevin, n0 là s k BT nguyên t trong m t ơn v th tích, pm là mômen t nguyên t . Khi t trư ng nh , x
312 Simpo PDF Merge and Split Unregisteredt Versioni -Cương – T p I: Cơ – Nhi t - Giáo Trình V Lý in http://www.simpopdf.com dU = - PdV + HdM Theo ây có th làm gi m nhi t c a m u b ng hai cách là: - Ho c cho dV > 0, dãn n h th c hi n m t công ra ngoài làm gi m n i năng dU và gi m nhi t , thư ng ti n hành trên các khí, có th h nhi t n 3-4K. - Hoăc cho dM < 0, kh t o n nhi t h làm gi m nhi t , thư ng th c hi n các mu i thu n t (ch ng h n NH4Fe(SO4)2.12H2O hay KCr(SO4)2.12H2O…), có th h nhi t Hình 15.8: S ph thu c c a t i ~ 4.10-3K. Nguyên lý c a entropy S vào nhi t và t phương pháp này như sau: dư i tác trư ng ngoài H ch t thu n t . d ng c a t trư ng ngoài, các mômen o n AB úng v i quá trình kh nh hư ng t c a tinh th thu n t t o n nhi t. không hoàn toàn h n lo n mà ưu tiên theo hư ng c a trư ng ngoài, t c là tr t t c a h tăng lên, do ó mc entropy c a h gi m i. N u t ng t ng t t trư ng ngoài (kh t on nhi t) thì m c s p x p tr t t c a các mômen t l i gi m xu ng, nhưng entropy không thay i (S = const), b iv y gi tr ng thái cân b ng, nhi t c a h ph i gi m xu ng, nghĩa là năng lư ng c a chuy n ng nhi t (các phonon) ư c cung c p cho các ion thu n t chúng tr v tình tr ng nh hư ng h n lo n ban u. Quá trình làm l nh b ng kh o n nhi t ư c bi u th b ng t Hình 15.9: Sơ thi t b làm l nh ư ng AB trên hình 15.8, mô t s b ng kh t o n nhi t mu i thu n ph thu c c a entropy S vào nhi t t : 1. bình ng m u; 2. M u; 3. . i m A ng v i tr ng thái có t Dây treo; 4. ng d n khí Heli. trư ng H3 tác d ng và nhi t là T, i m B ng v i H = 0 và nhi t To< T. Vì quá trình là o n nhi t nên AB n m ngang. Sơ th c hi n quá trình trên ư c mô t thi t b hình 15.9. Mu i thu n t (2) ư c treo cách nhi t b ng các s i dây d n nhi t kém (3) t trong h th ng hai bình th y tinh kín, ch a N2 và Heli l ng , n m gi a hai c c m t nam châm i n (có th t o t trư ng 106A/m). Hút chân không các bình ch a
313 Simpo Chương 15: V SplitIUnregistered Version - http://www.simpopdf.com PDF Merge and T L U T khí. Heli s sôi m nh và làm nhi t c a h h xu ng kho ng 1K. Khi nhi t c a m u ã n nh, óng i n cho nam châm ng th i hút h t khí Heli ra ngòai cách nhi t hoàn toàn m u thu n t . Sau ó ng t i n t ng t nam châm th c hi n quá trình o n nhi t và nhi t c a m u thu n t s gi m 3 xu ng r t th p, có th t t i ~ 4.10 K. §15.4 CH T S T T 1 – Tính ch t t c a s t t : Các ch t s t t bao g m nh ng nguyên t nhóm chuy n ti p như Fe, Co, Ni, Gd và m t s h p kim c a chúng, có t tính m nh. t hóa c a s t t l n hơn hàng tri u l n ngh ch t và thu n t . Ngay c khi không có t trư ng ngoài, dư i m t nhi t TC nào ó (nhi t t i h n Curie) trong s t t v n t n t i các mômen t t phát. B ng 15.3 dư i ây cho ta m t vài thông s v t tính c a m t s ch t s t t . B ng 15.3: Giá tr t hóa bão hòa, t nguyên t và nhi t Curie c a tinh th s t t t hóa (Gauss) Nhi t µB (0K)/( ơn Ch t Curie (K) Tphòng (K) 0K v công th c) Fe 1717 1740 2,22 1043 Co 1400 1446 1,72 1388 Ni 485 510 0,606 627 MnAs 670 870 3,4 318 CrO2 515 - 2,03 386 FeOFe2O3 480 - 4,1 858 Y3Fe5O12 130 200 5,0 560 Curie TC là i m mà dư i nó (T < TC) thì v t li u là s t t Nhi t cao hơn nó (T > TC) thì s t t tr thành thu n t . Khi nhi t còn khi nhi t tăng lên thì ch ng h n t c a v t li u gi m i. Chính t i T = TC, t s s t t cũng tuân theo nh lu t b ng 0. S ph thu c nhi t ca c mt C χ= Curie-Weiss như ch t thu n t : (15.34) T−θ ( ) 2 n 0 gµ B J ( J + 1) C= vi (15.35) 3k B θ = λwC và (15.36) trong này λ w là h s Weiss. bão hòa k thu t JS và t s 1/ χ vào Hình 15.10 mô t s ph thu c c a t nhi t . u bi u hi n tính t dư. T c là sau khi ư c t t t c các ch t s t t hóa, n u ng t t trư ng ngoài (H = 0) thì s t t v n còn gi ư c t tính ( t
314 Simpo PDF Merge and Split Unregisteredt Versioni -Cương – T p I: Cơ – Nhi t - Giáo Trình V Lý in http://www.simpopdf.com dư) và chúng ch bi n m t khi b t hóa theo chi u ngư c l i v i m t t trư ng m nh (g i là cư ng trư ng kh t HC). c trưng cho tính t dư c a v t li u ngư i ta dùng m t ư ng cong t tr trên hình 15.11, qua ó cho th y c m t ph thu c phi tuy n vào t trư ng t hóa. c m ng t , t và c Th c nghi m cũng ch ra r ng t hóa bão hòa (giá tr BS) ph n l n các v t li u s t t ch c n m t t trư ng không l n l m (kho ng 105 A/m, trong khi thu n t là 109 A/m). Ví d v i Supermalloy FeMn H~ 1A/m ; H p kim AlNiCo H~ 5.104 A/m . Hình 15.10: S ph thu c nhi t ca t hóa bão hòa IS và t s 1/ χ Hình 15.11: ư ng cong t tr c a s tt c m t l n thì s t t cũng có Hi n nhiên là v i t và t th m µ = 1 + χ l n và c m ng t B = µµoH cao, ng th i có cư ng trư ng kh t HC cao. Ch ng h n s t tinh khi t sau khi luy n trong hydro có µ = 280000, h p kim FeCoMoSiB có µ = 400000-600000, h p kim permaloi (78%Ni, 22%Fe) có µ = 80000; Thép FeWC có c m ng t bão hòa BS = 1,15-0,95 T, h p kim FeCo có BS = 2,35 T; H p kim Sm-Co có c m ng t dư Br = 1-1,15 T và l c kháng t HC = 750-850 kA/m, h p kim NdFeB cho Br = 1,1-1,25 T và HC = 800-1000 kA/m… Ngoài ra s t t còn nhi u tính ch t c áo khác như tính t gi o (khi b t hóa v t s t t thay i kích thư c ho c ngư c l i s t t có tính t gi o khi làm bi n d ng cơ h c thì cũng làm cho v t b t hóa), tính d hư ng t ( t hóa theo các phương khác nhau c a tinh th s t t thì khác nhau), hi n tư ng c ng hư ng s t t (khi t s t t vào trong t trư ng không i H cũng có th h p th c ng hư ng sóng i n t có t n s thích h p), hi u ng quang t (khi chi u chùm ánh sáng -sóng i n t - qua v t s t t thì m t ph ng phân c c c a chùm tia sáng khi i qua v t ho c ph n x trên m t v t b quay i m t góc nào ó)…
315 Simpo Chương 15: V SplitIUnregistered Version - http://www.simpopdf.com PDF Merge and T L U T T t c nh ng tính ch t nêu trên liên quan n b n ch t t tính c a s t t . 2 – B n ch t t tính c a s t t : Dư i ây chúng ta s xét m t s công trình lý thuy t nh m gi i thích hi n tư ng s t t , a. Lý thuy t Weiss (thuy t mi n t hóa t nhiên): Lý thuy t Weiss (1907) ư c xem như thuy t c i n v s t t . Weiss gi thi t r ng ch t s t t ư c t hóa do trong ó có t n t i m t trư ng n i t i phân t , ng th i cũng gi thi t r ng ngay c khi không có t trư ng ngoài ch t s t t cũng ư c t hóa n bão hòa. Trong tr ng thái kh t (H = 0) mômen t t ng c ng c a s t t cũng b ng không là do v t chia thành nh ng vùng vi mô riêng l , g i là các ômen (hay vùng t hóa t nhiên), bên trong m i vùng mômen t c a các nguyên t hư ng song song v i nhau nhưng mômen t c a các vùng khác nhau hư ng khác nhau nên t ng các mômen t c a c v t b ng không. Trong quá trình t hóa v t, t trư ng ngoài ch có tác d ng nh hư ng mômen t c a các ômen. i u này gi i thích vì sao ch c n m t t trư ng nh cũng có th t hóa bão hòa s t t . Như v y có th coi s t t là v t li u có tr t t t , tương t như ph n s t t và feri t , s ư c trình b y ph n sau (hình 15.12). Hình 15.12: S s p x p nh hư ng tr t t c a các mômen t nguyên t trong m t s v t li u s t t , ph n s t t và feri t . Kích thư c c a các ômen tùy thu c vào lo i s t t , có th có ư ng kính t 0,5-1,5 µm (n u xem chúng có d ng hình c u). Gi a các ômen có các vách ngăn (hình 15.13), thư ng g p nh t là lo i vách ngăn Block (hay vách 180o- nghĩa là 2 ômen li n k vách ngăn này có các mômen t nh hư ng Hính 15.13: Sơ c u trúc i song song v i nhau, khi i qua vách ômen trong s t t , gi a các vùng ngăn này các mômen t t ng quay là nh ng vách ngăn. Các véctơ o trùng hư ng v i mômen t k 180 mômen t (mũi tên) nh hư ng bên – Xem hình 15.14). Th c nghi m i song song t ng c p d n n t ã xác minh s t n t i c a các ômen c a toàn v t b ng không. t b ng vi c quan sát s s p x p theo trên b m t v t s t t (phương pháp m t tr t t xác nh c a ch t l ng t tr i Bitter, xem hình 15.15).
316 Simpo PDF Merge and Split Unregisteredt Versioni -Cương – T p I: Cơ – Nhi t - Giáo Trình V Lý in http://www.simpopdf.com Khi t hóa các ch t s t t , ban d u s là quá trình d ch chuy n c a các vách ngăn. Các vùng có mômen t hư ng g n trùng v i t trư ng ngoài H l n d n lên còn các vùng mà mômen t c a chúng không trùng v i phương t hóa thì thu h p d n và bi n m t, khi t trư ng t hóa tăng d n lên. Khi t trư ng t hóa H l n, s ch còn các vùng có mômen t g n trùng v i phương Hình 15.14: S xoay hư ng c a H. N u ti p t c tăng H thì các mômen t c a véctơ mômen t trong này s th c hi n quá trình quay nh vách Bloch gi a hai ômen. hư ng hoàn toàn song song và cùng chi u v i t trư ng t hóa, lúc này t c a m u t t i giá tr bão hòa (hình 1.16). Vì quá trình d ch chuy n vách và quay c a các mômen t khi t trư ng H l n là có tính ch t b t thu n nghich nên khi ng t t trư ng ngoài thì mômen t c a các ômen v n gi l i m t nh hư ng nh t s nh, không tr l i tr ng thái h n Hình 15.15: Mô hình c u trúc ômen c a lo n ban u. ó chính là s t t . a. D ng mê cung (quan sát s s p nguyên nhân tính t dư trong x p c a ch t l ng t tr i trên b m t v t). s t t . Mu n kh t m u (làm b. M u ômen th c nh n ư c sau khi tri t tiêu c m ng t dư) thì bóc tách l p b m t d y 28 µm c a v t. ho c ph i t hóa v t theo chi u ngư c l i nh hư ng có phá v s tr t t c a các mômen t (kh t b ng t trư ng), ho c ph i nung nóng v t lên phá v c u trúc ômen c a chúng (kh t b ng nhi t). Nhi t Curie TC là gi i h n t n t i các ômen s t t , quá gi i h n này (T > TC) s t t tr thành thu n t . Dư i ây xác l p các bi u th c tính các i lư ng c trưng t tính c a s t t theo quan i m c a Weiss: Trư ng phân t mà Weiss gi thi t t l v i r r t hóa: H i = λ w J (15.37) Hình 15.16: Quá trình t v i λ w là h s Weiss. Khi có t trư ng hóa v t li u s t t . ngoài H, m u v t ch u tác d ng c a trư ng toàn ph n HT lên m i mômen t r r r nguyên t : H T = H + H i (15.38)
317 Simpo Chương 15: V SplitIUnregistered Version - http://www.simpopdf.com PDF Merge and T L U T : J = n0gµBBJ(y) Tương t thu n t , ta có t (15.39) Jgµ B (H + H i ) Jgµ B (H + λ w M ) y= = Nhưng ây: (15.40) k BT k BT (J + 1) y Khi T > TC và t trư ng ngoài nh thì y TC ch t s t t tr thành thu n t . Trong trư ng h p không có t trư ng ngoài (H = 0), T < TC và θ ~ TC , b ng phương pháp th cũng có th xác nh ư c: n 0 g 2µ 2 J ( J + 1) TC = λw B (15.47) 3k B Phương trình này cho giá tr TC = θ như (15.46). Gi i phương trình này v i các giá tr T
318 Simpo PDF Merge and Split Unregisteredt Versioni -Cương – T p I: Cơ – Nhi t - Giáo Trình V Lý in http://www.simpopdf.com Theo mô hình Heisenberg có th xác nh ư c năng lư ng tương tác trao i gi a i n t th i và các i n t j còn l i c a nguyên t d c theo tr c z ∑ Wi = − 2J ijSiz S jz c a tinh th b ng bi u th c sau: (15.48) j ây Jij là tích phân trao i, Siz và Sjz là spin c a các i n t i và j chi u lên tr c tinh th z. N u thay Sij b ng trung bình th ng kê Sij (theo lý thuy t trư ng phân t c a ng lư ng pmij = gµBSij Weiss) và áp d ng h th c gi a mômen t và mômen  2J ij µ iz   ∑ (gµ )2 ta có th vi t l i (15.62) dư i d ng: Wi = − µ iz (15.49)  j  B G i Hw là cư ng trư ng n i t i (trư ng Weiss), có hư ng d c theo tr c z, ta Wi = - Hwµiz có : (15.50) 2J ij µ jz Hw = ∑ So ánh (15.49) và (15.50) rút ra: (15.51) (gµ B )2 j M M = Nµ ij hay µ ij = nh nghĩa M t khác theo t hóa: N   2J ij Hw = ∑ M Th (15.51) vào (15.50) ta có: (15.52)  j N(gµ )2    B 2J ij ∑ N(gµ ) i chi u v i (15.37) suy ra h s Weiss: λ w = (15.53) 2 j B Ng µ S(S + 1) 2 2 Curie: TC = λw B ây tính ư c nhi t T (15.54) 3k B Như v y b n ch t trư ng phân t Weiss chính là tương tác trao i. Tương tác này càng m nh thì nhi t chuy n pha s t t - thu n t càng cao. T th c nghi m ngư i ta xác nh ư c nhi t Curie và t ó tính ư c tích phân trao i tính ngư c l i giá tr Hw. Mô hình Heisenberg gi i thích ư c cơ ch hình thành t hóa t phát c a s t t nhi t T < TC và th hi n tính thu n T > TC. Tuy nhiên mô hình này ch áp d ng ư c cho các s t t cách i n t và các kim lo i t hi m có l p i n t f chưa l p y ho c các kim lo i s t t mà i n t c a chúng n m r t g n nhau, nh ng trư ng h p khác (các kim lo i s t t và h p kim s t t mà trong chúng các i n t d n óng góp chính vào t hóa) thì ph i v n d ng thêm mô hình d i năng lư ng (khi ó các i n t b t p th hóa, t o thành các d i năng lư ng) và tương tác trao i gián ti p thông qua m t i n t khác (ion) m i có th gi i thích ư c. M t khác lý thuy t Weiss v trư ng phân t cũng ch thích h p cho trư ng h p nhi t thư ng ho c cao g n b ng nhi t Curie, còn nhi t th p ho c r t th p(g n 0K) thì ph i nh t i phương pháp sóng spin (magnon) gi i thích. Cũng c n nói thêm r ng các nguyên t mà các l p i n t ư c l p y và tích phân trao i có giá tr dương d n t i s nh hư ng song song c a
319 Simpo Chương 15: V SplitIUnregistered Version - http://www.simpopdf.com PDF Merge and T L U T các spin là i u ki n c n và xu t hi n tính s t t . Chúng ta s còn tr l i v n này ph n sau. §15.5 CH T PH N S T T VÀ FERI T Tương t như s t t , ph n s t t và feri t (ferit) là các ch t ư c c u t o t nh ng ômen t , có tr t t t và t tính r t m nh. Nhưng ph n s t t các mômen t nguyên t có giá tr b ng nhau nhưng nh hư ng i song song v i nhau t ng ôi m t nên mômen t t ng c ng c a v t luôn luôn b ng không khi không có t trư ng ngoài. Còn ferit các mômen t cũng i song song nhưng giá tr c a chúng l i không b ng nhau nên mômen t nguyên t t n c ng không bù tr l n nhau do ó t hóa toàn ph n trong v t luôn khác không. Ta s tìm l i gi i áp cho nh ng hi n tư ng này. 1 – Ch t ph n s t t : ph n trên, trình b y v ch t s t t , ã ưa ra tích phân trao i Jij, c trưng cho năng lư ng tương tác trao i hay xác su t trao i gi a các i n t i và j c a hai nguyên t a và b trong v t th . i lư ng này có th ư c xác nh b ng bi u th c sau: J ij = ∫ ψ * (i )ψ * ( j)Vψ a (i )ψ b ( j)dq i dq j (15.55) a b ây ψ và ψ * là các hàm sóng và ánh x c a nó, V là toán t năng lư ng tương tác gi a hai nguyên t , q là i n tích c a i n t . Giá tr c a Jij có th r r dương ho c âm. Khi Jij > 0 các spin nh hư ng song song v i nhau ( Si ↑↑ S j ), r r v t li u là s t t . Khi Jij < 0, các spin i song song ( Si ↑↓ S j ), v t li u là ph n s tt . Tính ch t ph n s t t có nhi u v t li u như các h p ch t MnO, MnS, MnTe, FeF2, FeO, CoO…, các kim lo i t hi m như Ce, Nd, Sm, Tu…, m t s kim lo i nhóm chuy n ti p (nhóm s t) như Mn, Cr. Th c nghi m ã ch ra r ng các nguyên t l p chuy n ti p có l p v i n t d không l p y, tích phân trao i ph thu c tr c ti p vào t s a/d, trong ó a là kho ng cách gi a các nguyên t (hay h ng s m ng tinh th ) còn d là bán kính qu o l p trong không l p y. Trên hình 15.17 mô t m i quan h gi a tích phân trao i J và t s a/d c a các nguyên t nhóm chuy n ti p, ta th y khi a/d > 1,5 tích phân J có giá tr dương, tương ng v i nó có các ch t s t t Fe, Co và Ni, v i a/d < 1,5 có J < 0, khi ó Mn, Cr… là ph n s t t . B ng cách nào ó làm tăng h ng s m ng c a Mn a/d > 1,5 thì Mn có th tr thành s t t . Th c nghi m ch ng t i u này: khi pha vào Mn m t lư ng nh nitơ s làm tăng h ng s m ng c a Mn và nó nh n ư c tính s t t . nhi u h p ch t khác c a Mn như MnCuAl, MnSb, MnBi…cũng bi u th c tính này. Trong th c t ngư i ta có th s d ng ph nhi u x neutron xác nh s s p x p c a các mômen t ph n s t t . Hình 15.18 mô t c u trúc t c a
320 Simpo PDF Merge and Split Unregisteredt Versioni -Cương – T p I: Cơ – Nhi t - Giáo Trình V Lý in http://www.simpopdf.com MnO ư c xác nh b ng phương pháp ph nhi u x neutron. S phân b tr t t c a mômen t như v y ch có vùng nhi t th p hơn m t nhi t TN, ư c g i là nhi t Néel. Như v y có th nói v t li u ph n s t t t o thành t hai phân m ng b t hóa ngư c chi u nhau: MA = - MB (15.56) Các ion t trong các phân m ng này không tương tác trao i tr c ti p v i nhau mà thông qua m t ion th 3, ch mg h n MnO các ion t Mn2+ tách r i nhau b i ion không t O2-. M t cách t ng quát có th coi tinh th Hình 15.17: S ph thu c c a tích ph n s t t g m hai phân m ng s t t l ng vào nhau, sao cho t t c các ion phân trao i J vào t s gi a h ng s m ng a và bán kính d qu o lân c n g n nh t c a phân m ng th không l p y a/d. nh t là nh ng ion c a phân m ng th hai và ngư c l i. Trong m i phân m ng các spin cùng chi u v i nhau. G i phân m ng 1 có mômen t spin hư ng lên trên, phân m ng 2 có mômen t spin hư ng xu ng dư i, tương ng v i chúng có các tích phân trao i trong m i phân m ng J11, J22 và gi a các phân m ng v i nhau là J12, J21. Ta coi J11>0; J22>0; J12
321 Simpo Chương 15: V SplitIUnregistered Version - http://www.simpopdf.com PDF Merge and T L U T ( ) r C r r1 M 1 = 1 H + H (w) (15.59) T ( ) r C r r2 M 2 = 2 H + H (w ) (15.60) T ây C1, C2 là h s Curie cho t ng phân m ng. Véctơ t hóa cho toàn ph n [2H + (λ11 − λ12 )M ] r r r C c a v t s là: M = M 1 + M 2 = (15.61) 2T Ng 2 µ 2 S(S + 1) B trong này: C = 2C1 = 2C2 = (15.62) 3k B C c m t :χ = T (15.61) d dàng rút ra bi u th c cho (15.63) T+θ v i θ = ( λ 12 − λ 11 ) . Bi u th c (15.63) ư c coi như nh lu t Curie-Weiss C 2 b t kỳ, M1 và M2 th a mãn cho ch t s t t mi n thu n t (T > TN). nhi t ( ) (1)  gµ B S H + H w  các phương trình: M 1 = M 1 (0 )B S   k BT    gµ BS(H + λ 11 M 1 − λ 12 M 2 ) M1 = M 1 (0 )B S   (15.64) k BT   ( ) (2 )  gµ S H + H w  M 2 = M 2 (0 )BS  B  k BT    gµ BS(H + λ 22 M 2 − λ 21 M 1 ) = M 2 (0 )B S   (15.65) k BT   trong ó M1(0), M2(0) là t hóa c c i c a m i phân m ng 0K. Gi i h các phương trình này có th xác nh ư c t hóa toàn ph n và c mt như là hàm c a nhi t i v i ph n s t t . K t qu tính toán cho th y dáng i u χ(T ) T < TN ph thu c vào phương c a t trư ng ngoài i v i phương t hóa c a hai phân m ng (hình 15.20). Có th xác nh nhi t Néel t bi u th c sau: (λ11 + λ12 ) = θ λ11 + λ12 C TN = (15.66) λ 12 − λ 11 2 2 - Ch t feri t (ferit): a. Ngu n g c t tính c a ferit: Ferit là các v t li u t ôxit. Thành ph n c a chúng g m ôxit s t hóa tr 3 k t h p v i m t ho c nhi u ôxit kim lo i hóa tr 2 khác. Như ã c p t i trong §15.1, ferit ư c xem như là ch t ph n s t t mà các mômen t không bù tr nhau. i u này có nghĩa là ferit cũng có c u trúc t g m hai phân m ng nhưng
322 Simpo PDF Merge and Split Unregisteredt Versioni -Cương – T p I: Cơ – Nhi t - Giáo Trình V Lý in http://www.simpopdf.com hai phân m ng này không tương ương nhau, mômen t c a m i phân m ng khác nhau nên t hóa toàn ph n khác không (xem hình 15.7). Có hai kh năng cơ b n d n n s b t bù tr c a các mômen t c a ferit: - Th nh t là các ion t c a m t phân m ng có mômen t khác v i mômen t c a m t phân m ng kia hay mômen t c a các ion t trong cùng m t vào phương c a t phân m ng có giá Hình 15.20: S ph thu c c a t trư ng t hóa bên ngoài và nh hư ng c a t trư ng tr khác nhau, do nh hư ng c a n tính ph thu c nhi t ca c m t c a ph n s t t . χ là c m t toàn ph n, χ ⊥ , χ // là c m t c a tương tác trao i tr c ti p. tinh th khi t trư ng t vuông góc hay song song v i - Th hai tr c ph n s t t . tương tác trao i gián ti p (tương tác siêu trao i) gi a hai ion trong cùng m t phân m ng ho c khác phân m ng ư c th c hi n qua ion ôxy mà kho ng cách t các ion này n ion ôxy và góc t o b i ư ng n i tâm Hình 15.21: M t vài d ng c u hình s p x p c a các c a các ion t v i tâm ion trong tương tác siêu trao i ferit. Năng lư ng c a ion ôxy là khác tương tác trao i s l n nh t n u kho ng cách t ion nhau (hình 15.21). n ion ôxy nh nh t và góc φ g n t i 180O. t ferit t n t i c hai kh năng này, nhưng m c bi u hi n khác nhau nên các ferit có t tính khác nhau. Tuy nhiên tương tác trao i gaín ti p có l i hơn v m t năng lư ng và óng vai trò quy t nh. Dư i ây ta xác l p các bi u th c cho các i lư ng t tính c a ferit theo lý thuy t trư ng phân t và lý thuy t Neel. Gi s m ng tinh th ferit g m phân m ng th nh t có các spin S1quay lên, phân m ng th hai có các spin S2 quay xu ng và S2 < S1, nh lu t Curie cho t ng phân m ng có d ng: ( ) ( ) r C r r1 Cr r r M 1 = 1 H + H (w) = 1 H + λ 11 M 1 − λ 12 M 2 (15.67) T T ( ) ( ) r C r r2 Cr r r M 2 = 2 H + H (w ) = 2 H + λ 22 M 2 − λ 21 M 1 (15.68) T T
323 Simpo Chương 15: V SplitIUnregistered Version - http://www.simpopdf.com PDF Merge and T L U T ây C1 ≠ C 2 và λ 11 ≠ λ 22 vì hai phân m ng không tương ương nhau. T toàn ph n: (C1 + C 2 )T − C1C 2 (λ11 + λ 22 − 2 λ12 ) r r M = M1 + M 2 = M1 − M 2 = H (T − C1λ11 )(T − C 2 λ 22 ) − C1C 2 λ212 (15.69) ây thu ư c bi u th c ngh ch T oc a c mt : δ 1T1 =+ − (15.70) χ C χo T − θ = 2 (2C1C 2 ) λ 12 − C1 λ 11 − C 2 λ 22 ; 1 1 C = C1 + C 2 ; 2 trong ó: χo C C1C 2 [C1 (λ 11 + λ 22 ) − C 2 (λ 22 + λ 12 )] 2 (λ11 + λ 22 + 2 λ12 ) C1 C 2 δ= ; θ= 2 C C T (15.70) ta th y 1/ χ c a ferit ph thu c nhi t theo quy lu t hyperbol (hình 15.7), trong khi s t t và ph n s t t t s này thay i tuy n tính theo nhi t . T h phương trình (15.67), (15.68) v i H = 0 có th tính ư c nhi t Curie: { } [ ] (C1λ11 + C 2 λ 22 ) + (C1λ11 − C 2 λ 22 )2 + 4C1C 2 λ212 1 1/ 2 TC = (15.71) 2 Bi t ư c M1(0) và M2(0) s xác nh ư c t hóa toàn ph n c a ferit. Do M1(0) và M2(0) ph thu c r t khác Hình 15.22: S ph thu c nhi t c at bão hòa c a nhau vào nhi t ferit hai phân m ng: a/ Lo i thư ng; b/ lo i d thư ng có , trong ferit c c i; c/ có nhi t bù tr . cũng t n t i nhi u d ng thay i t hóa toàn ph n theo nhi t (hình 15.22). M(T) có th có c c T ≠ 0 ho c b ng i nhi t 0 nhi t Tk, g i là nhi t tri t tiêu. Hình 15.23: Ô cơ b n c u trúc l p phương b. M t s ferit thông d ng: spinel c a ferit. Các ion t (hình tròn nh ) Ferit có r t nhi u lo i, n m t i các v trí t di n và bát di n, bao b c ư c s d ng h t s c ph b i các ion ôxy (hình tròn l n). bi n và hi u qu .M t vài lo i
324 Simpo PDF Merge and Split Unregisteredt Versioni -Cương – T p I: Cơ – Nhi t - Giáo Trình V Lý in http://www.simpopdf.com hay g p như: - Ferit có c u trúc tinh th l p phương spinel: lo i này có công th c hóa h c t ng quát là MeO.Fe2O3, v i Me là ion kim lo i như Mn2+, Zn2+, Mg2+, Co2+, Ni2+… Tinh th c a chúng có c u trúc d ng l p phương spinel (hình 15.23). Các ferit thông d ng nh t thu c lo i này là freit Mangan-K m MnO.ZnO.Fe2O3 và Nickel-Kem NiO.ZnO.Fe2O3. l n, c m ng t dư l n, Chúng có t t th m t t i 80.000 ơn v ), l c kháng ban u l n (có th t nh (kho ng vài ch c Oe), i n tr su t r t l n (c 106 cm), thư ng ư c s d ng làm lõi các cu n c m cao t n… - Ferit l c giác: Ph bi n nh t trong s này là các ferit có c u trúc tinh th l c giác lo i khoáng ch t Magnetoplumbite Bao.6Fe2O3 và SrO.6Fe2O3 , Hình 15.24: Sơ cu thư ng g i là ferit t c ng (hình 15.24). Ô cơ b n trúc tinh th c a ferit c a chúng g m các kh i Spinel xen k v i các kh i l c giác. Các ion Ba (hay Sr, Pb…) thay th S tt B cho m t ion ôxy và n m mm S tt i x ng qua tr c l c Bd 3+ giác. Các ion t Fe c ng chi m các v trí t i n, bát di n và chóp kép. Các ferit l c giác Magnetoplumbite có - H 1 - HK t dư l n (4-5 kG), l c H O kháng t l n (3-4 kOe), HK H 1 tích s năng lư ng c c i l n ((BH)max= 4-5 MG.Oe), i n tr su t l n (~ 106 cm) và có tính d hư t l n…, ư c dùng làm nam châm vĩnh c u, s d ng Hình 15.25: ư ng cong t tr c a v t li u t ph bi n làm loa, môtơ m m ( ư ng h p) và t c ng ( ư ng r ng) DC công su t nh , d ng c o i n… §16.6 V T LI U T C NG VÀ T MM Trong lĩnh v c ng d ng th c t ngư i ta phân bi t v t li u t ra thành v t li u t c ng và v t li u t m m. ó ch y u là các ch t s t t và ferit mà chúng khác bi t nhau kh năng t n gi t tính sau khi ư c t hóa. c