Khóa luận tốt nghiệp: Nghiên cứu, chế tạo cảm biến đo từ trường dựa trên hiệu ứng Hall phẳng dạng cầu Wheatstone

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:45

Thêm vào BST

Báo xấu

37
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Với mục tiêu chế tạo đqợc cảm biến đo được từ trường với cấu hình đơn giản nhưng lại cho hiệu quả cao, tác giả đã chọn cảm biến dạng cầu Wheatstone dựa trên hiệu ứng Hall phẳng làm đề tài nghiên cứu của mình. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Khóa luận tốt nghiệp: Nghiên cứu, chế tạo cảm biến đo từ trường dựa trên hiệu ứng Hall phẳng dạng cầu Wheatstone

TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI 2 KHOA VẬT LÝ ====== NGUYỄN VĂN THIỀN NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO CẢM BIẾN ĐO TỪ TRƢỜNG DỰA TRÊN HIỆU ỨNG HALL PHẲNG DẠNG CẦU WHEATSTONE Chuyên ngành: Vật lý chất rắn KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HÀ NỘI - 2018
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI 2 KHOA VẬT LÝ ====== NGUYỄN VĂN THIỀN NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO CẢM BIẾN ĐO TỪ TRƢỜNG DỰA TRÊN HIỆU ỨNG HALL PHẲNG DẠNG CẦU WHEATSTONE Chuyên ngành: Vật lý chất rắn KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Ngƣời hƣớng dẫn khoa học ThS Lê Khắc Quynh HÀ NỘI - 2018
LỜI CÁM ƠN Lời đầu tiên, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới ThS Lê Khắc Quynh ngƣời đã giúp đỡ định hƣớng nghiên cứu, cung cấp cho em những tài liệu quý báu, tận tình hƣớng dẫn, chỉ bảo, tạo điều kiện tốt nhất trong quá trình hoàn thành khoá luận tốt nghiệp. Tiếp theo, em xin cám ơn tất cả các thầy, các cô thuộc Trƣờng Đại học Sƣ phạm Hà Nội 2 nói chung và các thầy, các cô trong khoa Vật Lý nói riêng đã giảng dạy, dìu dắt và cung cấp cho em những nền tảng khoa học từ kiến thức cơ bản đến kiến thức chuyên sâu, cũng nhƣ kĩ năng thực hành, thực nghiệm trong suốt bốn năm học qua. Cuối cùng, em xin gửi những lời chúc tốt đẹp nhất đến bố mẹ, gia đình và bạn bè đã luôn bên cạnh, kịp thời giúp đỡ và động viên em vƣợt qua những khó khăn, hoàn thành khoá luận một cách tốt đẹp. Là một sinh viên lần đầu tiên nghiên cứu khoa học nên khoá luận của em không tránh khỏi sự thiếu sót, vì vậy em rất mong nhận đƣợc những đóng góp ý kiến của thầy cô và bạn bè để khoá luận đƣợc hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cám ơn! Hà Nội, ngày 05 tháng 5 năm 2018 Sinh Viên Nguyễn Văn Thiền
LỜI CAM ĐOAN Khóa luận tốt nghiệp của em hoàn thành dƣới sự hƣớng dẫn tận tình của thầy giáo ThS Lê Khắc Quynh. Trong quá trình nghiên cứu hoàn thành bản khóa luận em có tham khảo một số tài liệu của một số tác giả đã ghi trong phần tài liệu tham khảo. Em xin cam đoan những kết quả nghiên cứu trong khoá luận hoàn toàn là trung thực và chƣa từng đƣợc công bố bởi bất kì nơi nào khác, mọi nguồn tài liệu tham khảo đều đƣợc trích dẫn một cách rõ ràng. Hà Nội, ngày 05 tháng 5 năm 2018 Sinh Viên Nguyễn Văn Thiền
MỤC LỤC MỞ ĐẦU .............................................................................................................1 1. Lý do chọn đề tài .............................................................................................1 2. Mục đích nghiên cứu .......................................................................................1 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu...................................................................1 4. Nhiệm vụ của đề tài.........................................................................................1 5. Phƣơng pháp nghiên cứu.................................................................................2 6. Cấu trúc của đề tài ...........................................................................................2 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN...............................................................................3 1.1. Phân loại vật liệu từ......................................................................................3 1.1.1. Chất nghịch từ ...........................................................................................3 1.1.2. Chất thuận từ .............................................................................................5 1.1.3. Chất sắt từ..................................................................................................6 1.1.3.1. Vật liệu từ cứng ..................................................................................... 9 1.1.3.2. Vật liệu từ mềm.................................................................................... 10 1.1.3.3. Vật liệu ghi từ....................................................................................... 12 1.1.4. Chất phản sắt từ ....................................................................................... 13 1.1.5. Chất feri từ .............................................................................................. 15 1.2. Các hiệu ứng từ điện trở ............................................................................. 17 1.2.1. Hiệu ứng từ điện trở ................................................................................ 17 1.2.2. Hiệu ứng ARM ........................................................................................ 18 1.2.3. Hiệu ứng Hall thƣờng ............................................................................. 20 1.2.4. Hiệu ứng Hall phẳng ............................................................................... 22
CHƢƠNG 2: CÁC PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM.................................. 25 2.1. Chế tạo cảm biến ........................................................................................ 25 2.2. Phún xạ tạo màng ....................................................................................... 26 2.3. Hệ đo tính chất từ VSM ............................................................................. 27 2.4. Hệ đo hiệu ứng Hall phẳng ........................................................................ 28 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .................................................... 30 3.1. Tính chất từ của lớp màng NiFe ................................................................ 30 3.1.1. Tính chất từ của lớp màng phụ thuộc vào tƣờng ghim ........................... 30 3.1.2. Tính chất từ phụ thuộc vào tính dị hƣớng hình dang cảm biến .............. 31 3.1.3. Tính chất từ của lớp màng phụ thuộc vào bề dày ................................... 32 3.2. Khảo sát tín hiệu Hall của cảm biến có kích thƣớc tối ƣu ......................... 33 KẾT LUẬN CHUNG ........................................................................................ 35 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 36
DANH MỤC HÌNH Hình 1.1. Đƣờng cong từ trễ của màng mỏng sắt từ Co13Cu887 trên đế Si đo bằng từ kế mẫu rung ............................................................................................ 4 Hình 1.2. Hình ảnh mô tả sự sắp xếp các mômen từ của chất thuận từ .............. 5 Hình 1.3. Hình ảnh đômen từ khi không có từ trƣờng ngoài tác dụng và có từ trƣờng ngoài tác dụng ........................................................................................ 7 Hình 1.4. Hình vẽ đƣờng cong từ trễ của vật liệu sắt từ ..................................... 8 Hình 1.5. Hình vẽ mô tả sự biến đổi nhiệt độ Curie của vật liệu sắt từ .............. 8 Hình 1.6. Hình ảnh một số ứng dụng của vật liệu từ cứng: (a) Nam châm vĩnh cửu, (b) Bệ phóng tàu con thoi tƣơng lai ............................................................ 9 Hình 1.7. Hình ảnh một số ứng dụng của vật liệu từ mềm: (a) Hình ảnh bên trong của một máy biến thế, (b) Hình ảnh nam châm điện đầu tiên làm từ một lõi sắt non .......................................................................................................... 11 Hình 1.8. Hình vẽ mô tả diện tích đƣờng cong từ trễ của vật liệu từ cứng và vật liệu từ mềm .................................................................................................. 12 Hình 1.9. Hình ảnh ứng dụng của vật liệu ghi từ .............................................. 12 Hình 1.10. Hình ảnh mô tả cấu trúc từ của vật liệu phản sắt từ, gồm 2 phân mạng spin đối song và bằng nhau ..................................................................... 13 Hình 1.11. Hình ảnh mô tả sự liên kết phản sắt từ trong các màng mỏng đa lớp valse spin trong ổ đĩa cứng................................................................................ 14 Hình 1.12. Hình ảnh mô tả sắp xếp của các mômen từ nguyên tử trong vật liệu feri từ ................................................................................................................. 15 Hình 1.13. Hình ảnh mô tả cấu trúc của ferrite spinel ...................................... 16 Hình 1.14. Hình vẽ mô tả sự bù trừ từ tính của 2 phân mạng và các điểm nhiệt độ đặc biệt: Nhiệt độ Curie, nhiệt độ bù trừ...................................................... 17
Hình 1.15. Sơ đồ thể hiện nguồn gốc vật lý của AMR ..................................... 19 Hình 1.16. Đồ thị mô tả giá trị của điện trở thay đổi phụ thuộc vào góc giữa dòng điện chạy qua và hƣớng của vectơ từ hoá ................................................ 20 Hình 1.17. Hình ảnh mô tả hƣớng và chiều tác dụng của từ trƣờng ngoài trong hiệu ứng Hall ..................................................................................................... 22 Hình 1.18. Mô hình hiệu ứng Hall phẳng ......................................................... 23 Hình 1.19. Sơ đồ minh họa sự khác nhau giữa hiệu ứng Hall thƣờng và hiệu ứng Hall phẳng .................................................................................................. 23 Hình 1.20. Mô hình minh họa mối liên hệ giữa thế Hall phẳng và thế ARM .. 24 Hình 2.1. (a) Qui trình chế tạo cảm biến sử dụng các mặt nạ điện trở (a), mặt nạ điện cực (b), cảm biến mô phỏng (c) và cảm biến hoàn thiện (d) ............... 25 Hình 2.2. Thiết bị phún xạ catot ATC-2000FC ................................................ 26 Hình 2.3. Sơ đồ khối hệ đo từ kế mẫu rung ...................................................... 27 Hình 2.4. Sơ đồ thí nghiệm đo hiệu ứng từ điện trở ......................................... 28 Hình 2.5. Ảnh chụp hệ đo hiệu ứng từ điện trở ................................................ 28 Hình 3.1. Đƣờng cong từ trễ tỉ đối của các cảm biến đƣợc chế tạo với các từ trƣờng ghim khác nhau: 900, 600 và 0 Oe ........................................................ 30 Hình 3.2. Đƣờng cong từ hóa tỉ đối M/Ms của các cảm biến có cùng chiều rộng 1 mm nhƣng chiều dài khác nhau 5, 7 và 10 mm với từ trƣờng ngoài song song với phƣơng từ hóa dễ ........................................................................................ 31 Hình 3.3. Đƣờng cong từ hóa tỉ đối M/Ms của màng NiFe đo theo phƣơng từ hóa dễ trên các cảm biến có bề dày khác nhau t = 5, 10, 15, 20 nm................. 32 Hình 3.4. (a) Đƣờng cong độ lệch thế và (b) Đƣờng cong độ nhạy của các cảm biến 1×10 mm, t = 5 nm, tại dòng cấp 1 mA .................................................... 33
MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Các cảm biến dựa trên các hiệu ứng khác nhau đƣợc sử dụng để đo từ trƣờng, trong đó chủ yếu là các cảm biến dựa trên hiệu ứng quang và từ nhƣ cảm biến giao thoa lƣợng tử siêu dẫn, sợi quang, bơm quang học, cảm biến dựa trên hiệu ứng điện – từ, hiệu ứng Hall… Mỗi loại cảm biến đều có đặc thù riêng, có các ƣu điểm và nhƣợc điểm riêng tuỳ thuộc vào mục đích và phạm vi trong từng lĩnh vực ứng dụng. Ngày nay, với kích thƣớc nhỏ, độ nhạy cao, dễ tƣơng thích với các mạch điện tử, cảm biến từ đƣợc ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực nhƣ y sinh, quân sự, giao thông, la bàn hàng hải, công nghệ hàng không vũ trụ, cảm biến đo dòng, cảm biến đo từ trƣờng nhỏ…. Phổ biến nhất trong cảm biến từ là các cảm biến dựa trên hiệu ứng Hall phẳng, hiệu ứng điện từ và hiệu ứng từ điện trở, trong đó cảm biến dựa trên hiệu ứng Hall phẳng đang đƣợc nghiên cứu trở lại từ năm cỡ 2000 trở lại đây. Với mục tiêu chế tạo đƣợc cảm biến đo đƣợc từ trƣờng với cấu hình đơn giản nhƣng lại cho hiệu quả cao tôi đã chọn cảm biến dạng cầu Wheatstone dựa trên hiệu ứng Hall phẳng làm đề tài nghiên cứu của mình. Tên đề tài khóa luận là “Nghiên cứu, chế tạo cảm biến đo từ trường dựa trên hiệu ứng Hall phẳng dạng cầu Wheatstone”. 2. Mục đích nghiên cứu Nghiên cứu, chế tạo cảm biến đo từ trƣờng dựa trên hiệu ứng Hall phẳng dạng cầu Wheatstone. 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu Vật liệu dạng màng mỏng sắt từ Ni80Fe20 có hiệu ứng Hall phẳng. 4. Nhiệm vụ của đề tài Chế tạo và khảo sát hiệu ứng Hall phẳng trên các cảm biến với các cấu 1
hình khác nhau. 5. Phƣơng pháp nghiên cứu - Đọc, tra cứu và tổng hợp tài liệu có liên quan. - Thực nghiệm. 6. Cấu trúc của đề tài Phần 1: Mở đầu Phần 2: Nội dung - Chƣơng 1: TỔNG QUAN - Chƣơng 2: CÁC PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM - Chƣơng 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 2
CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1. Phân loại vật liệu từ Ngƣời ta phân loại vật liệu từ thành các chất sau: Chất nghịch từ, chất thuận từ, chất sắt từ, chất phản sắt từ và chất feri từ. 1.1.1. Chất nghịch từ Vật liệu từ ở trạng thái nghịch từ là vật liệu từ có độ từ cảm nhỏ hơn 0 (hay χ
Hiện tƣợng nghịch từ thƣờng xuất hiện ở tất cả các vật nhƣng lại bị che lấp bởi các hiệu ứng khác chiếm ƣu thế hơn (nhƣ hiện tƣợng thuận từ, hiện tƣợng sắt từ…). Hiện tƣợng nghịch từ đƣợc thể hiện rõ nhất ở những chất mà mômen từ tổng cộng của chúng bằng không. Ví dụ: Khí trơ, hợp chất hữu cơ, một số kim loại: Cu, Zn, Au, Ag… Cu  0,9.105  Pb  1, 7.105  H 2O   0,88.105 Hình 1.1. Đường cong từ trễ của màng mỏng sắt từ Co13Cu887 trên đế Si đo bằng từ kế mẫu rung [2]. Ngƣời ta còn đƣa ra khái niệm vật liệu nghịch từ lý tƣởng đó là vật liệu siêu dẫn (vật mà ở dƣới nhiệt độ nhƣng điện trở của vật bằng không) vì nó có 1   0 và    lớn gấp nhiều lần so với các chất nghịch từ khác. Vì vậy, độ 4 thẩm điện môi của môi trƣờng μ < 1, độ từ cảm χ < 0. Các chất trong nhóm này là các khí hiếm nhƣ: I, He, Ne, Ar, Kr,...và các ion có các lớp electron giống khí hiếm. Các chất kim loại nhƣ: Zn, Ag, Pb, Cu, Bi và chất không kim loại nhƣ NaCl, S, H2O, C, SiO2. Bình thƣờng, ta không quan sát thấy hiện tƣợngnghịch từ vì tính nghịch từ là rất yếu trong các từ trƣờng thông thƣờng. Nhƣng nếu ta tiến hành các thí nghiệm ở từ trƣờng cao, sẽ thấy hiện tƣợng này rõ ràng hơn. 4
1.1.2. Chất thuận từ Là vật từ có độ từ cảm   0 , giá trị nhỏ (cỡ 10-5- 10-3). χ phụ thuộc C vào nhiệt độ sự phụ thuộc này tuân theo định luật Curie:   (Trong đó: T C là hằng số Curie, T là nhiệt độ tuyệt đối) Hình 1.2. Hình ảnh mô tả sự sắp xếp các mômen từ của chất thuận từ. Chất thuận từ là những chất có từ tính yếu (trong ngành từ học ngƣời ta xếp chúng vào nhóm phi từ, có nghĩa là chất không có từ tính). Tính chất thuận từ đƣợc thể hiện ở khả năng hƣởng ứng thuận theo từ trƣờng bên ngoài (từ trƣờng ngoài), có nghĩa là các chất này có các mômen từ nguyên tử (nhƣng giá trị nhỏ), khi có tác dụng của từ trƣờng ngoài, các mômen từ này sẽ bị quay theo hƣớng của từ trƣờng ngoài và sẽ làm cho cảm ứng từ tổng cộng trong chất tăng lên. Khi chƣa có từ trƣờng ngoài, do sự chuyển động nhiệt nên các mômen nguyên tử sắp xếp một cách hỗn loạn không có phƣơng ƣu tiên. Do đó, mômen từ tổng hợp của toàn vật thuận từ bằng không và vật không có từ tính. Khi có từ trƣờng ngoài thì các mômen từ nguyên tử lại có xu hƣớng sắp xếp theo hƣớng của từ trƣờng đó là chiều ƣu tiên. Do đó, lúc này toàn bộ chất thuận từ có mômen từ khác không, mômen từ tổng hợp sẽ cùng chiều với từ trƣờng ngoài. Đây ngƣời ta gọi là hiệu ứng thuận từ. 5
Dƣới đây là một số chất thuận từ cơ bản thƣờng thấy: + Các nguyên tử, phân tử sai hỏng mạng có số điện tử lẻ: Na tự do, NO dạng khí… + Các nguyên tử tự do với lớp vỏ không đầy: Các nguyên tố chuyển tiếp, các nguyên tố nhóm Uran… + Các kim loại: nhóm kim loại thuộc nhóm 4f (nhóm đất hiếm): Pm, Sm, Pr…; nhóm 3d (nhóm sắt) : Co, Mn, Cr… Chất thuận từ và chất nghịch từ đƣợc xếp vào nhóm các chất phi từ, hoặc nhóm không có trật tự từ. Độ từ thẩm của các chất thuận từ lớn hơn 1 nhƣng xấp xỉ bằng 1 (chỉ chênh lệch cỡ 10−6). Hai yếu tố chính gây ra từ tính yếu của thuận từ là: - Mômen từ nguyên tử - Các mômen từ nguyên tử này nhỏ và hoàn toàn không tƣơng tác với nhau. Các chất thuận từ điển hình là: ôxi, nhôm... 1.1.3. Chất sắt từ Chất sắt từ là chất có từ tính mạnh hay khả năng cảm ứng dƣới từ trƣờng ngoài mạnh. Những chất đặc trƣng cho chất sắt từ nhƣ Fe, Co, Ni, Gd… Về mặt lý thuyết vật liệu sắt từ là vật liệu có độ cảm ứng từ   0 , độ cảm ứng từ có rất giá trị lớn (cỡ hàng vạn, có một vài chất sắt từ chế tạo đặc biệt có thể lên tới hàng triệu). Chất sắt từ là các chất có các mômen từ nguyên tử. Nhƣng nó khác biệt so với các chất thuận từ ở chỗ là các mômen từ này lớn hơn và có khả năng tƣơng tác với nhau (tƣơng tác trao đổi sắt từ). Bản chất tƣơng tác trao đổi sắt từ này là tƣơng tác tĩnh điện đặc biệt. Tƣơng tác này dẫn đến việc hình thành trong lòng vật liệu này các vùng (gọi là các đômen từ) mà trong mỗi đômen này các mômen từ lại đƣợc sắp xếp một cách hoàn toàn song song với nhau 6
tạo thành từ độ tự phát của vật liệu (nghĩa là độ từ hoá tồn tại ngay cả khi không có từ trƣờng). + Khi không có từ trƣờng, do năng lƣợng nhiệt làm cho các mômen từ ở các đômen trong toàn khối sẽ sắp xếp hỗn độn không theo trật tự nhất định hay không có phƣơng nào ƣu tiên. Vì vậy, tổng độ từ hoá của toàn khối vẫn bằng 0. + Nếu ta đặt từ trƣờng ngoài vào vật liệu lúc này sẽ xuất hiện 2 hiện tƣợng xảy ra đó là: - Sự lớn dần của các đômen có mômen từ theo phƣơng từ trƣờng. - Sự quay của các đômen từ theo hƣớng từ trƣờng. Khi tăng dần từ trƣờng đến mức đủ lớn lúc này xuất hiện hiện tƣợng bão hoà từ, khi đó tất cả các mômen từ sẽ sắp xếp song song với nhau theo chiều của từ trƣờng tác dụng và trong vật liệu chỉ có một đômen duy nhất. Nếu khi ta ngắt từ trƣờng ngoài, các mômen từ lại có xu hƣớng trở về với hƣớng ban đầu và lại tạo thành các đômen. Tuy nhiên các đômen này vẫn còn tƣơng tác với nhau do vậy tổng môn men từ trong toàn khối không thể bằng 0 mà bằng một giá trị khác 0, ta gọi đó là độ từ dƣ (remanent magnetiration). Điều này tạo thành hiện tƣợng từ trễ của vật liệu. Hình 1.3. Hình ảnh đômen từ khi không có từ trường ngoài tác dụng và có từ trường ngoài tác dụng. 7
Nếu muốn khử hoàn toàn mômen từ của vật liệu, ta cần đặt một từ trƣờng ngƣợc sao cho mômen từ hoàn toàn bằng 0, ngƣời ta gọi đó là lực kháng từ (coercivity hay coercivity field). Đƣờng cong từ hoá (sự phụ thuộc của từ độ vào từ tƣờng ngoài) của chất sắt từ khác với chất thuận từ ở chỗ nó có đƣờng cong phi tuyến tính (chất thuận từ là đƣờng cong tuyến tính) và đạt tới bão hoà khi đƣờng cong đó đủ lớn. Hình 1.4. Hình vẽ đường cong từ trễ của vật liệu sắt từ. Hình 1.5. Hình vẽ mô tả sự biến đổi nhiệt độ Curie của vật liệu sắt từ. 8
Chất sắt từ luôn có hai đặc trƣng cơ bản là đƣờng cong từ trễ và nhiệt độ Curie Tc. Trong đó nhiệt độ Curie là nhiệt độ mà ở tại đó chất bị mất trật tự và khi T>Tc chất trở thành chất thuận từ, T
kháng từ Hc lớn (Hc >100 Oe), nhƣng chúng thƣờng có từ độ bão hòa Ms không cao và nhiệt độ Curie cao. Tính "cứng" của vật liệu từ cứng đến từ tính dị hƣớng từ và liên quan đến năng lƣợng từ có đƣợc do tính đối xứng tinh thể của vật liệu. Tức là, thông thƣờng các vật liệu từ cứng thƣờng có cấu trúc tinh thể có tính đối xứng kém (bất đối xứng) ví dụ nhƣ tứ giác, hay lục giác... Do khả năng giữ lại từ tính, nên vật liệu từ cứng đƣợc dùng làm vật liệu giữ năng lƣợng (nam châm vĩnh cửu) và lƣu trữ thông tin (ổ đĩa cứng, đĩa từ...). Nói đến khả năng tích trữ năng lƣợng, ta phải nhắc đến một thông số của vật liệu từ cứng là tích năng lƣợng từ (B.H)max (có đơn vị là đơn vị của mật độ năng lƣợng J/m 3), là năng lƣợng cực đại có khả năng tồn trữ trong một đơn vị thể tích vật thể. Để có (BH)max lớn, cần có lực kháng từ lớn, có từ độ cao và đƣờng trễ càng lồi càng tốt. Đơn vị thƣờng dùng của (BH)max là GOe, 1 MGOe=8 kJ/m3. Ngoài ra còn có rất nhiều loại nam châm khác nhau với những tính chất khác nữa. Tuỳ thuộc vào nhu cầu sử dụng mà ngƣời ta chết tạo ra các loại nam châm khác nhau. Những lĩnh vực chủ yếu ứng dụng của các nam châm là làm loa điện, môtơ điện, các thiết bị đo điện... 1.1.3.2. Vật liệu từ mềm Vật liệu từ mềm, không phải là các chất mềm về mặt cơ học, mà "mềm" về phƣơng diện từ (tức là dễ bị từ hóa và khử từ). Vật liệu từ mềm có đƣờng cong trễ hẹp (lực kháng từ Hc nhỏ, chỉ cỡ dƣới 100 Oe) nhƣng lại có từ độ bão hòa Ms rất cao, có độ từ thẩm lớn, nhiệt độ Curie thấp nhƣng từ tính lại dễ dàng bị mất đi sau khi ngắt từ trƣờng ngoài. Các vật liệu từ mềm chủ yếu là sắt tinh khiết, sắt kỹ thuật điện, thép ít carbon, hợp kim FeSi, FeNi, FeCo, FeNiMo, FeBSi..., các loại ferit MnZn, NiZn, MnMg... Đặc trƣng mà ngƣời ta quan tâm đến vật liệu từ mềm là tổn hao trễ và tổn hao xoáy: 10
- Tổn hao trễ: Sinh ra do sự mất mát năng lƣợng trong quá trình từ hóa, đƣợc tính bằng diện tích của đƣờng cong từ trễ. Do vậy, vật liệu sắt từ mềm "xịn" có đƣờng trễ càng hẹp càng tốt. - Tổn hao xoáy: Do các dòng Foucalt sinh ra trong trƣờng xoay chiều làm nóng vật liệu, năng lƣợng này tỉ lệ thuận với bình phƣơng tần số từ trƣờng, tỉ lệ nghịch với điện trở suất của vật liệu. (a) (b) Hình 1.7. Hình ảnh một số ứng dụng của vật liệu từ mềm. (a) Hình ảnh bên trong của một máy biến thế. (b) Hình ảnh nam châm điện đầu tiên làm từ một lõi sắt non. Điều này lý giải tại sao dù có phẩm chất rất cao, những lõi tôn Si chỉ có thể sử dụng trong từ trƣờng tần số thấp (thƣờng là 50-100Hz) do chúng có điện trở suất rất thấp, trong khi các ferrite lại sử dụng đƣợc trong kỹ thuật cao tần và siêu cao tần dù có phẩm chất kém hơn nhiều (vì chúng là gốm, có điện trở suất rất lớn tới 106Ωcm, làm giảm tổn hao xoáy). Nhiều loại vật liệu có tính từ giảo đƣợc sử dụng làm thiết bị siêu âm... Các đƣờng cong từ trễ ở hình 1.8 là một trong nhiều cách phân chia tƣơng đối giữa vật liệu từ cứng và vật liệu từ mềm. Từ đây ta có thể thấy rằng 11
diện tích đƣờng cong từ trễ của vật liệu từ cứng lớn hơn diện tích đƣờng cong từ trễ của vật liệu từ mềm. Hình 1.8. Hình vẽ mô tả diện tích đường cong từ trễ của vật liệu từ cứng và vật liệu từ mềm. 1.1.3.3. Vật liệu ghi từ Các tính chất từ của vật liệu ghi từ nằm trong khoảng trung gian giữa tính chất từ của vật liệu từ cứng và tính chất từ của vật liệu từ mềm. Do đó, vật liệu ghi từ đảm bảo cho việc lƣu giữ các tín hiệu (Hc lớn để lƣu giữ thông tin) đồng thời phải là vật liệu có thể dễ dàng ghi đƣợc các tín hiệu cần ghi (Hc nhỏ, là vật liệu dùng làm đầu ghi từ). Hình 1.9. Hình ảnh ứng dụng của vật liệu ghi từ. 12