Giáo trình Vật lý Đại cương 1 - Chương 6: Vật liệu từ

 Cu), 
bạc (silver - Ag), vàng (gold - Au).
) Vật liệu bị đẩy bởi trường ngoài
H (Oe) 
M = χH 
M (A/m)
χ > 0 
'B
r
(rất nhỏ) ngược chiều 0B
r ⇒ 0BB rr <)
'B
r
(rất nhỏ) cùng chiều 0B
r ⇒ 0BB rr >)
5) Ví dụ: Sắt (Iron - Fe), ni-ken 
(nickel - Ni), cô-ban (cobalt – Co), 
măng-gan (manganese – Mn), các
hợp kim của sắt, fer-rít.
Mức bão hòa
H (Oe) 
M (A/m)
1. Sự từ hóa và phân loại vật liệu từ
Phân loại vật liệu từ
Sắt từ
'B
r
(lớn) cùng chiều 0B
r ⇒ 0BB
rr >>)
62. Tính chất từ của nguyên tử
ª Tính chất từ của vật chất là do sự tồn tại của các moment 
từ (dipole) hình thành bởi các moment từ spin và moment từ
quỹ đạo của các electron bên trong các nguyên tử. 
l
) e- là thành phần cấu tạo của
nguyên tử, CĐ quanh hạt nhân.
) Từ trường do dòng điện sinh ra,
) Dòng điện là dòng chuyển dời
có hướng của electron (e-).
7Moment từ quĩ đạo của electron
ª Dòng điện do CĐ của e-:
r
evei
..2
.
πτ ==
ª Chu kỳ quay của e- trên quĩ đạo: ν
πτ r2=
i
+
+
i
i i
) Xét nguyên tử cô lập (Bngoài
= 0) có e- CĐ trên quĩ đạo tròn
quanh hạt nhân với vận tốc vr
Moment (lưỡng cực) từ –
Magnetic (dipole) moment
I
SIpm .=
S) Từ định nghĩa moment từ ⇒
moment từ quĩ đạo của e-:
2
..
.2
. 2 rver
r
evSipmqđ === ππ
2. Tính chất từ của nguyên tử
8Moment động lượng của electron
l
mqđp
r
+
+
i
i
i
) Moment động lượng đối
với gốc O của e- khi CĐ trên
quĩ đạo với vector vận tốc có
chiều ngược với vector 
moment từ quĩ đạo, có giá trị:
l = mv.r = mω.r2
l
r
v
2. Tính chất từ của nguyên tử
) Tỉ số giữa moment từ và
moment động lượng của e-gọi
là tỉ số từ-cơ quĩ đạo:
m
e
l
p
l
p mqđmqđ
2
. −=−=r
r
9Moment spin electron
) e- vừa CĐ trên quĩ đạo
quanh hạt nhân vừa tự xoay
quanh chính mình ⇒ moment 
động lượng riêng - moment 
spin ⇒ moment từ spin 
riêng
)(sr
)( msp
r
l
mp
+
+
i
i
i
s
msp
r
msp
r
s
) Tỉ số giữa moment từ spin 
và moment spin - tỉ số từ-cơ
spin của e-:
m
e
s
p
s
p msms −=−=r
r
2. Tính chất từ của nguyên tử
10
Moment từ và moment động lượng nguyên tử
)Moment động lượng nguyên tử:
( )∑ +=
electronsôTông
slL r
rr
) Tỉ số giữa moment từ và moment động lượng nguyên tử:
constg
m
e
L
pm =−=−
2
~.
r
ª Lgpm Δ−Δ ~r
)Moment từ nguyên tử:
( )∑ +=
electronsôTông
msmqđm ppp
rrr
2. Tính chất từ của nguyên tử
11
2. Tính chất từ của nguyên tử
Ứng dụng trong kỹ thuật chụp ảnh cộng hưởng từ (MR) 
Cuộn dây tạo
sóng tần số vô
tuyến (RF wave)
Cuộn gradient
Nam châm
Bộ xsr lý tạo ành
(Computer)
Bệnh
nhân
Khay đẩy
) Sử dụng từ trường mạnh để
sắp xếp các moment từ của các
nguyên tử H2 trong cơ thể, sau
đó, sóng tần số vô tuyến biến đổi
sự sắp xếp này ⇒ tạo ra tín hiệu
điện được nhận biết bởi bộ xử lý
thông tin (computer) dưới dạng
hình ảnh của vùng được quét trên
cơ thể.
) Ứng dụng chụp ảnh các mô mềm:
Não Đầu gối Thận
12
ωL
ωL
l
r
ld
r
r’
r’
≡ moment động lượng quĩ đạo (ngược chiều ) ⇒ e- có
thêm CĐ tuế sai quanh phương của với vận tốc góc ⇒
vẽ thành mặt nón tròn xoay với trục ≡ phương của và
chiều quay ngược chiều CĐ của e- và có thêm CĐ phụ với
quỹ đạo tròn bán kính r’.
l
r
mp
r
0B
r
0B
r Lω
r
) CĐ của e- trên quĩ đạo quanh hạt nhân
giống CĐ của con quay có trục đối xứng
)Xét:
ª Nguyên tử có 1 e-, CĐ trên quĩ đạo
quanh hạt nhân⇒ có moment từ mpr i
-
vr
mp
r
+
0B
r
α
ª Nguyên tử đặt trong từ trường
ngoài , tạo với góc α0Br mp
r
M
r
ª Từ trường tác dụng moment lực lên :
0Bpm
rrr ∧=M hay: M = pm.B0.sinα
mp
r
Hiệu ứng nghịch từ
3. Nghịch từ và thuận từ
13
3. Nghịch từ và thuận từ
) Áp dụng đ/l moment động lượng:
dtld M
rr =
00 2
B
m
eB
l
p
dt
d m
L ==θ=ω
ªVận tốc góc của e- trên quĩ đạo:
l
dtBp
l
dtBp
l
ld
d mm 00
sin.
.sin.
sin.
=α
α=α=θ
r
Có
Hiệu ứng nghịch từ
i
-
0B
r
vr
mp
r
ωL
ωL
α
M
r
l
r
ld
r
+
dθ
r’
r’
Δi
) CĐ phụ tạo ra dòng điện tròn phụ:
m
.Beee.vΔi 0
2
L ππ
ω
42
L ===
ª Và moment từ phụ:
4m
.Br'e
m
r'..Be
Δi.S'Δp 0
222
0
2
m === π
π
4
14
ª Do r’ ≠ const, nên:
m
Brepm 4
.' 0
22
=Δ
ª Nguyên tử có Z e- với các quĩ đạo
bán kính ri:
∑
=
=Δ
z
i
im rm
Bep
1
20
2
'
4
.
m
BrZepm 6
0
22
=Δ
0
22
6
B
m
rZepm
rr −=Δ
ª Trường hợp nguyên tử có đối xứng cầu:
Hay:
2. Nghịch từ và thuận từ
Hiệu ứng nghịch từ
i
-
0B
r
vr
mp
r
ωL
ωL
α
M
r
l
r
ld
r
+
dθ
15
2. Nghịch từ và thuận từ
ª Nguyên nhân: Không tồn tại moment từ nguyên từ do đặc
điểm kết cặp của các điện tử.
Vật liệu nghịch từ trong từ trường ngoài
) Xét khối vật liệu nghịch từ có mật độ
nguyên tử n0:
ª Vector từ độ luôn ngược chiều
vector cảm ứng từ và luôn có độ cảm
từ χ<0 ⇒ quá trình từ hóa với vật liệu
nghịch từ rất yếu.
0
22
0
0 6
. B
m
rZenpnM m
rrr −=Δ=
Mặt khác:
6m
rZeμn 2200−=⇒ χ
ª Từ độ:
BHM
rr
0
m
m μ
χχ ==
16
3. Nghịch từ và thuận từ
) Trong khối vật liệu thuận từ có tồn tại moment từ nguyên từ
(hoặc phân tử) nhưng xắp xếp hỗn loạn do chuyển động nhiệt ⇒
moment từ tổng cộng bị triệt tiêu khi từ trường ngoài 00 =B
r
0
2
m
mmB B3kT
pcospp
0
== α
) Coi α là góc giữa 0và Bpm
rr ⇒ hình chiếu trung bình của 0trên Bpm
rr
+ Quá trình từ hóa phụ thuộc nhiệt độ
+ Không có từ dư
)Kết luận:
+ Độ cảm từ > 0 và nhỏ
Vật liệu thuận từ trong từ trường ngoài
) moment từ sẽ sắp xếp theo phương của trường ngoài⇒
khối vật liệu bị từ hóa nhưng sẽ trở lại trạng thái cũ khi 00 =B
r:00 ≠B
r
3kT
μpn 0
2
m0=χ⇒ Độ cảm từ:0
2
m0
mB0 B3kT
pnp.nM
0
rr ==ª
17
Từ trường tổng hợp trong vật liệu nghịch từ và thuận từ
3. Nghịch từ và thuận từ
) Khi bị từ hóa, xuất hiện từ trường phụ B’⇒ 'Br có mối liên hệ với Mr
Thể tích 1 đơn vị dài của khối vật liệu
ª Độ từ hóa của khối vật liệu =
Moment từ của toàn bộ khối vật liệu
) Mỗi nguyên tử sinh ra một dòng điện i ⇒ cảm ứng từ phụ B’ do các
dòng điện này sinh ra trong lòng khối vật liệu : B’ = μ0.n0.i
) Khối vật liệu có: + Tiết diện S, độ dài l ;
+ Mật dòng điện tròn n0 
) Từ trường tổng hợp trong khối vật liệu: MBBBB rrrrr 000 ' μ+=+=
HBB 000 μμ=μ=
rr
Đặt 1 + χm = μ ⇒
0
0
BM mμ
χ= 000 )1( BBBB mm
rrrr χ+=χ+=Với: nên:
in
S.1
i.SnM 00 == hay:⇒ MB 0' μ= MB rr 0' μ=Tức là:
18
4. Sắt từ
) Vật liệu thể hiện tính chất từ mạnh nhất (lực từ hay các đáp
ứng với từ trường) ⇒ được sử dụng để tạo ra nam châm vĩnh
cửu hoặc các cấu trúc mạch dẫn từ.
Đặc điểm của vật liệu sắt từ
) Từ thẩm phụ thuộc phi 
tuyến vào trường ngoài.
μ
H
μmax
) Cảm ứng từ phụ thuộc
phức tạp vào trường ngoài
⇒ đường cong từ hóa.
B
H
) Độ từ hóa tỉ lệ phi tuyến
với trường ngoài.
Mức bão hòa
H (Oe) 
M (A/m)
19
) H ngoài tăng từ H = 0 
cho đến khi B đạt giá trị
bão hòa Bs tại Ha.
B
H0
BS
Ha
4. Sắt từ
Đường cong từ hóa của vật liệu sắt từ
) Giảm H ngoài→ 0 ⇒ B
còn giá trị Br ≠ 0 ⇒ cảm
ứng từ dư.
Br
-Hc
) Đổi chiều H ngoài và
tiếp tục tăng từ H = 0 đến
khi B = 0 ứng với giá trị H
= Hc ⇒ cường độ trường
khử từ - lực kháng từ.
20
4. Sắt từ
Đường cong từ hóa của vật liệu sắt từ
) Tiếp tục tăng H đến khi B
lại đạt giá trị bão hào -Bs và
khi giảm→ 0 ⇒ có giá trị -Br
rồi lại tăng để có giá trị Hc và
Bs ban đầu ⇒ khép kín một
chu trình ⇒ đường cong từ
trễ.
B
H0
Br
Hc-Hc
-Br
BS
-BS
Ha
Hd
) μmax, Bs và Hc là các đặc
trưng cơ bản của sắt từ.
) Bs và Hc quyết định dạng
đường cong từ trễ.
21
4. Sắt từ
Đường cong từ hóa của vật liệu sắt từ
) Căn cứ đặc điểm đường cong từ trễ⇒ phân loại vật liệu sắt từ.
ª Sắt từ mềm: Chu trình trễ
hẹp (“gầy”), Br lớn, và Hc
nhỏ ⇒ được sử dụng để làm
mạch dẫn từ trong các bộ
biến thế, máy phát điện
ª Sắt từ cứng: Chu trình
trễ rộng (“béo”), Br bền, 
và Hc lớn ⇒ được sử
dụng để làm nam châm
vĩnh cửu. 
Vật liệu Ferrite – hợp
chất của Fe2O3 với
Mn, Ni (mềm) hoặc
Co, BaCO3(cứng).
22
ª Kích thước 1 domain 
~ 10-3-10-5 mm, chứa ~ 
106-109 nguyên tử. 
) Trong cấu trúc vật liệu, các của
moment từ spin của từng nguyên tử
sắp xếp song song với nhau trong
từng vùng nhỏ (domain), nhưng
moment từ tổng cộng của từng
vùng nhỏ này có chiều khác nhau
trong toàn bộ khối thể tích ⇒
moment từ tổng cộng = 0. 
moment từ spin
domain
domain
moment từ tổng cộng
4. Sắt từ
Thuyết miền từ hóa tự nhiên
(thuyết domain)
PIERRE-ERNEST 
WEISS ( 1865 - 1940 ) 
23
) 2 cơ chế:
Vách
domain
Moment từ tổng cộng
của domain
H
r
Domain có moment từ
≡ phương trường ngoài
chiếm ưu thế
ª Dịch vách domain 
ª Quay moment từ
của domain theo
phương trường ngoài
4. Sắt từ
Thuyết miền từ hóa tự nhiên
(thuyết domain)
) Biên giới giữa các vùng – vách domain
Vách
domain
24
4. Sắt từ
Thuyết miền từ hóa tự nhiên (thuyết domain)
Định hướng
theo phương
trường ngoài
Bão hòa
Domain
Dịch vách
bất thuận
nghịch
Dịch vách
thuận nghịch
Điểm ghim giữ
25
4. Sắt từ
Tính chất từ phụ thuộc nhiệt độ của sắt từ
ª T > Tc ⇒ sắt từ trở thành thuận từ khi đặt trong trường
ngoài ⇒ mất các tính chất đặc trưng của sắt từ cũng như một
số tính chất vật lý khác (nhiệt dung, độ dẫn điện...). 
ª T < Tc⇒ các tính chất đặc trưng của sắt từ được khôi phục. 
Vật liệu Nhiệt độ Curie (0C)
Sắt 770
Cô-ban 1127
Ni-ken 357
Gadolini 16
) Tại nhiệt độ tới hạn Tc ⇒ tính chất từ dư của sắt từ biến mất⇒ nhiệt độ Curie.
cTT −
χ 1~
26
4. Sắt từ
Ứng dụng quá trình từ hóa và vật
liệu sắt từ trong kỹ thuật
Đầu từ
Hướng băng chạy
Từ hóa cảm ứng
Lớp vật liệu từ
phủ trên băng
Bộ khuếch đại tín hiệu
Kỹ thuật ghi âm trên băng từ Thẻ từ
27
4. Sắt từ
Hiện tượng từ giảo (magnetostriction) 
) Hiện tượng vật liệu sắt từ bị biến
dạng (dãn ra, co lại) trong quá trình
từ hóa.
) Cũng có hiệu ứng nghịch: khi vật liệu bị biến dạng ⇒
trạng thái từ hóa của vật liệu bị thay đổi. 
) Ứng dụng: làm máy phát siêu âm, tạo bộ rung, bộ lọc, 
thiết bị ổn định tần số,
) Đặc trưng bởi tỉ số thay đổi kích
thước tương đối (biến dạng) theo
phương của từ trường ⇒ tỉ lệ bình
phương độ từ hóa:
65 1010 −− ÷~M~
l
Δl 2
lΔl
H