Bài giảng Vật lý đại cương - Chương 6: Những tính chất từ của các chất

Bμi gi¶ng VËt lý ®¹i c−¬ng
T¸c gi¶: PGS. TS §ç Ngäc UÊn
ViÖn VËt lý kü thuËt
Tr−êng §H B¸ch khoa Hμ néi
Ch−¬ng 6
nh÷ng tÝnh chÊt tõ cña c¸c chÊt
Khi nằm trong từ trường ngoài mọi
chất đều bị từ hoá và trong chúng có một
từ trường phụ riêng hay véc tơ c.− từ
0B
r
'B
r
Tính chất từ thể hiện qua việc hút các vật liệu Fe
=> Từ trường tổng hợp trong chất là:
'
0 BBB
rrr +=ThuËn tõ
B>B0
'
0 BB
rr ↑↑
NghÞch tõ
b<b0
'
0 BB
rr ↑↓
'B
r 'B
rB
r
B
r0
B
r
'B
rB
r
S¾t tõ B>b0 nhiÒu
1. Bản chất của từ tính:
Các điện tử quay quanh hạt
nhân giống như một dòng điện
tròn và gây ra momen từ quÜ
®¹o cña ®iÖn tö mLP
r
TÇn sè
quay cña
®iÖn tö r2
vf π=
Dßng do 
®iÖn tö r2
evefi π==
+
H mLP
r
-
i
dtmL SiP
rr =
M«men ®éng
l−îng:
vmrL
Momen từ quÜ
®¹o của điện tử rrr ×=
2
evrr
r2
eviSP 2dtmL =ππ==
L=rmv
HÖ sè tõ c¬:
m2
e
L
PmL −=r
r
L
m2
ePmL
rr −=
• Các điện tử có spin với số lượng tử
spin ms↑ hoặc ms↓ các momen spin 
tạo ra các momen từ spin quÜ ®¹o: Sm
ePmS
rr −=
+
- ↑sm
- ↓sm He
+
- ↑sm
H
h.1)s(sS +=
hll .1)(L +=C¬ häc l−îng tö cho thÊy: 
M«men ®éng l−îng
M«men Spin
Dẫn đến tính chất từ của các chất
SL JJJ 
rrr +=VÐc t¬ tõ ho¸ tổng cộng
VÐc t¬ tõ ho¸ = m«men
tõ cña ®¬n vÞ thÓ tÝch V
P
J V
ami
Δ=
∑
Δ
r
r
D−íi t¸c dông cña
tõ tr−êng ngoμi
HJ m
rr χ= 0
0
m BJ 
rr
μ
χ=
χm §é tõ ho¸
 Tổng hợp các momen từ cña ®iÖn tö
thành m«men từ của nguyên tử thø i amiP
r
→
π= 2
hh H»ng sè Planck
của điện tử chống lại từ trường ngoài (Nh− §L 
Lenz) dẫn đến tính chất nghịch từ của các chất.
e
0
L m2
eB=ωVận tốc góc Lamor
2. Nghịch từ:
Khi trong từ trường các điện tử có phản ứng
như hạt tích điện chuyển động trong từ trường
và có thêm phần chuyển động tuế sai
χm <0
Phần dòng tương ứng dòng
cảm ứng của nguyên tử
e
0
2
L m4
ZBe
2
1)eZ(I π−=πω−=Δ
-
PmL
><−=ρ−=πρΔ=Δ= 2
e
0
2
2
e
0
2
2
dtmCU rm6
ZBe
m4
ZBe.IS.IP
3/r2yx 2222 >==<ρ
3/rzyx 2222 >>===<<
Nếu momen từ quĩ đạo spin bằng không ( Trong
trường hợp số điện tử luôn chẵn nh− tinh thể khí
trơ He) thì
Độ từ hoá của
vật liệu
Momen từ cảm ứng nguyên tử
0
0
m B
Jμ=χTrong đó J m«men tõ một
đơn vị thể tích mẫu.
Đây là nghịch từ lý tưởng.
0r
m6
Zen
0
2
e
2
0
m <−=χ
Khi đặt trong từ trường ngoài, monen từ của
mạch điện và từ trường tương tác với nhau, 
năng lượng tương tác bằng: B.PW mm
rr−=
VÐc t¬ tõ ho¸ của nguyên tử
h
rrr
e
BBmamSmLma m2
e ;mP ;PP P =μμ−=+=
B0=0, do tác động của nhiệt độ các momen từ
nguyên tử có định hướng hỗn loạn và tổng của
chúng bằng 0.
B0≠ 0, các mô men từ nguyên tử tương tác với
từ trường ngoài như các mô men từ của các
dòng điện, tổng hợp các mô men từ khác không.
3. Thuận từ:
Năng lượng tương tác: Trong từ trường các
momen từ nguyên tử có 2 mức năng lượng
B.Bμ±=ε
B0=0 B0≠ 0
Phân bố của chúng tuân theo hàm phân bố
Boltzmann ở nhiệt độ T, Các hạt có momen từ
thuận theo từ trường: )TkB.exp(nn BB0 μ=
Trong trường hợp 1)TkB.( BB <<μ
)TkB.(nn BB0 μ≈
T
C
B
JTkn
B
J
B
2
B0m =μ==χ Hay
Trong đó C là hằng số Curie. 
Đây là định luật Curie: Độ từ hoá tỷ lệ nghị với
nhiệt độ tuyệt đối.
4. Tõ tr−êng tæng hîp trong chÊt nghÞch tõ vμ
thuËn tõ
PhÇn ®ãng gãp do c¸c m«men quay 
theo tõ tr−êng ngoμi: cïng chiÒu víi Pm
J'B 0
rr μ=
JB'BBB 000
rrrrr μ+=+=Tõ tr−êng tæng hîp
0
0
m BJ
rr
μ
χ=
0m0 BBB
rrr χ+=
00m BB)1(B
rrr μ=χ+= μ=χ+ )1( m
HB 0
rr μμ= μ -§é tõ thÈm tû ®èi
VÐc t¬ c¶m øng tõ tæng hîp trong c¸c vËt liÖu
thuËn tõ vμ nghÞch tõ tû lÖ víi vÐc t¬ c¶m øng
tõ B0 trong ch©n kh«ng vμ b»ng μ lÇn B0
thuËn tõ χm.106 nghÞch tõ -χm.106
Nit¬ 0,013 Heli 0,063
oxy 1,9 N−íc 9,0
£bonit 14 Th¹ch anh 15,1
Nh«m 23 Bismut 176
Platin 360
|χm| << 1 nªn ®èi víi c¸c chÊt thuËn tõ vμ nghÞch
tõ μ=1+ χm≈ 1;
ThuËn tõ μ > 1, NghÞch tõ μ<1
5. S¾t tõ
TÝnh chÊt s¾t tõ: χm>0 nh− thuËn tõ, §é tõ ho¸
lín (gÊp tr¨m lÇn thuËn tõ)
• Tõ ®é J kh«ng tû lÖ thuËn víi
vÐc t¬ c−êng ®é tõ tr−êng H
• Phô thuéc c¶m øng tõ B vμo
c−êng ®é tõ tr−êng H: Kh«ng
cã ®o¹n n»m ngang
H
B
B=μ0(H+J); J->const,H↑,B↑
H
J
KG
N1
N2
BS C¶m øng tõ b·o hoμ, HC Lùc khö tõ, tõ d− Bd
, μmax lμ c¸c ®¹i l−îng ®Æc tr−ng c¬ b¶n
Chu tr×nh
tõ trÔ
• Mäi chÊt s¾t tõ cã tÝnh
tõ d−: H=0, Bd≠0
Bd
• §é tõ thÈm tû ®èi μ phô
thuéc vμo H phøc t¹p
1
H
J1
H
)JH(
H
B
0
0
0
→+=μ
+μ=μ=μ
μ
H
μmax
C¸c ®Æc tr−ng cña s¾t tõ
S¾t tõ cøng BC= μ0HC C¦ tõ d− Bd
Tr−êng khö tõ
FeO,Fe2O3 5.10
-3T 0,6T
ThÐp 1%C 4÷6.10-3T 0,9÷0,7T
S¾t tõ cøng: HC lín
S¾t tõ mÒm BC= μ0HC C¦ tõ d− Bd μmax
Fe tinh khiÕt 2,5.10-5T 0,2T 280000
Fe+4%Si 3,5.10-5T 0,5T 15000
78%Ni+22%Fe 6.10-6T 0,5T 80000
ChÊt TC (
0C)
Fe 770
Co 1127
Ni 357
Tecbi -43
• NhiÖt ®é Curi
T> TC => ThuËn tõ
S¾t tõ mÒm: HC nhá, chu tr×nh tõ trÔ hÑp
TC T
χm T 
χm
S¾t tõ
ThuËn tõ
T S¾t tõ
->øng dông tõ gi¶o ®Ó Ph¸t siªu
©m c«ng suÊt lín: Cho dßng ®iÖn
xoay chiÒu trªn 20000Hz ch¹y 
trong cuén d©y tõ ho¸ s¾t tõ. 
BiÕn d¹ng xoay chiÒu kÝch ®éng
sãng siªu ©m.
• Ferrit tõ: CÊu t¹o tõ c¸c oxýt s¾t tõ Fe2O3, 
Fe3O4, MnO...Cã tÝnh chÊt nh− s¾t tõ, ®iÖn trë
suÊt cao
->Tæn hao Ýt, dïng trong c¸c biÕn ¸p cao tÇn, Lâi
¨ng ten
• Tõ gi¶o: Khi cã tõ tr−êng ngoμi t¸c dông ->S¾t 
tõ biÕn d¹ng: εbd ~ H
~
f>20000Hz
B0
B
H
DÞch chuyÓn v¸ch miÒn thuËn nghÞch
DÞch chuyÓn v¸ch miÒn kh«ng thuËn nghÞch
Quay m«men tõ ®é
MiÒn tõ V¸ch miÒn
MiÒn tõ, c¬ chÕ tõ ho¸
V¸ch miÒn