Xem mẫu
- TẠP CHÍ HTTP://WWW.VATLYVIETNAM.ORG
SƠ LƯỢC VỀ TỪ HỌC VÀ VẬT LIỆU TỪ
Ngô Đức Thế *
Department of Physics and Astronomy, University of Glasgow, Glasgow G12 8QQ, United Kingdom
Có lẽ từ học là một trong những môn lâu đời nhất của vật lý, lịch sử về từ học bắt đầu từ hơn 3000 năm trước khi người Trung
hoa lần đầu tiên sử dụng các "đá nam châm" có khả năng định hướng Bắc-Nam làm la bàn để chỉ phương hướng. Trong sử sách
Trung Quốc có ghi lại là "Chu Công dùng xe có kim chỉ nam để đưa sứ thần người Việt về nước.." (xin đừng ngộ nhận đây là
người Việt Nam chúng ta, mà đây là người Việt trong bộ tộc Bách Việt ở miền Nam sông Dương Tử mà thôi). Các nghiên cứu
về từ học được bắt đầu với sự ra đời của bộ sách Electricity and Magnetism của William Girlbert vào năm 1600, và từ học đã
liên tục phát triển cho đến ngày nay với bao ứng dụng to lớn và hết sức thiết thực vào đời sống cũng như sản xuất. Ta có thể bắt
gặp chúng ở khắp nơi, từ chiếc la bàn, những chiếc nam châm, cho đến những lõi biến thế, lõi ferrite, hay cao cấp như ổ cứng
lưu trữ thông tin... Bài viết này hi vọng là một chút tóm tắt sơ lược cho những ai bắt đầu tìm hiểu về từ học.
I. MỞ ĐẦU giới nghiên cứu về từ học hay sử dụng 1 hệ đơn vị khác là hệ
CGS (Cm-G-S), trong hệ này, đơn vị của H là Oe (Oersted). 1
Từ học là một trong những môn khoa học lâu đời nhất
Oe ~ 80 A/m.
trong vật lý. Lịch sử của nó được bắt đầu từ khoảng hơn 3000
năm trước. Người Trung Quốc cho rằng từ đời Hoàng Đế (trị
vì Trung Hoa từ những năm 2698 TCN đến 2599 TCN), đã
chế tạo ra các kim chỉ nam dùng để xác định phương hướng.
Đó là các đá nam châm có khả năng hút sắt và định hướng
Bắc-Nam. Chính sử đầu tiên ghi chép việc chế tạo các la bàn
này là đầu đời Nhà Chu (1046-771 TCN) và la bàn thực sự
xuất hiện nhiều là thế kỷ thứ 7 trước công nguyên (đồng thời
ở Trung Quốc và Hy Lạp). Các kim chỉ nam trong la bàn là
một dạng của vật liệu từ cứng, là các ôxit sắt [1,2].
Các nghiên cứu ứng dụng các hiện tượng từ và lý giải các
hiện tượng từ bắt đầu ở Châu Âu từ thế kỷ 17, mà mở đầu là
công trình của William Gilbert và sau đó là các nghiên cứu
của Michael Faraday, Ampere, Oersted, Lorentz, Maxwell...
[2] mở đầu cho việc đem các ứng dụng từ học vào cuộc sống.
Cho đến ngày nay, từ học vẫn là một chủ đề lớn của vật lý học
với nhiều hiện tượng lý thú và nhiều khả năng ứng dụng trong
khoa học, công nghệ, y - sinh học, cũng như trong cuộc sống. Hình 1. Chuyển động của các điện tích là một nguồn gốc của từ
trường.
II. NGUỒN GỐC CỦA TỪ TÍNH TRONG VẬT CHẤT - Cảm ứng từ (Magnetic Induction): chỉ cường độ từ
trường trong môi trường (tức là nó tỉ lệ với từ trường theo
Nguồn gốc của từ tính là sự chuyển động của các điện tích,
hằng số môi trường), ký hiệu là B. Trong chân không, B =
đó là cách hiểu đơn giản nhất về nguồn gốc từ trường. Có thể
μ0.H, với μ0 = 4π.10-7 N.A-2 là hằng số từ, hay độ từ thẩm của
hiểu đơn giản là các điện tích chuyển động trong nguyên tử
chân không. Đơn vị của B là T (Tesla) trong hệ SI, còn hệ
tạo ra các dòng điện tròn, các dòng điện này tạo ra từ trường
CGS, đơn vị của B là G (Gauss), 1 T = 10000 G. Trong hệ
(tất nhiên hiểu một cách bản chất thì phức tạp hơn), và để hiểu
CGS, hằng số m0 có giá trị là 1, vì thế 1 G = 1 Oe. Ta chú ý
hơn, ta cần nắm rõ một số đơn vị trong từ học.
rằng, quan hệ B = μ0.H là trong chân không, còn trong một
- Cường độ từ trường (Magnetic field Strength): Chỉ độ
môi trường bất kỳ, còn phải nhân 1 hệ số của môi trường khác
mạnh yếu của từ trường, không phụ thuộc vào môi trường
gọi là độ từ thẩm (sẽ trình bày sau). Dưới đây là ví dụ về cảm
xung quanh, thường ký hiệu là H. Trong hệ đơn vị chuẩn SI,
ứng từ B của một số nguồn từ:
cường độ từ trường H có đơn vị là A/m (có thể nhớ đơn giản
+ Từ trường của nam châm móng ngựa: 500G-1000G
theo công thức từ trường sinh ra trong cuộn solenoid là H =
+ Từ trường của nam châm đất hiếm (rất mạnh và khá đắt
n.I, I có đơn vị A, n có đơn vị 1/m--> H là A/m). Ngoài ra,
tiền): 0,75-1.4T
*
E-mail: ndthe@physics.org
20
TẬP XX, SỐ XX, NĂM XXXX
- TẠP CHÍ HTTP://WWW.VATLYVIETNAM.ORG
+ Từ trường của các nam châm điện trong các từ kế (từ năng phản ứng của vật chất với từ trường.
Do đó, ta có quan hệ: B = μ0(M + H) = μ0(1+χ).H hay B =
trường 1 chiều DC): 1 - 2.5T
μ0(1+1/χ).M
+ Từ trường của nam châm siêu dẫn: 5-9T
Đại lượng μ = 1+χ gọi là độ từ thẩm (Magnetic
+ Từ trường xung: 9-15T
+ Từ trường Trái đất: 0,5G... permeability) hiệu dụng của vật liệu (độ từ thẩm tuyệt đối là
μ0(1+χ)), và thường chỉ gọi tắt là độ từ thẩm. Độ từ thẩm và
Chú ý là từ trường 1 T là khá lớn so với các từ trường
thông thường mà ta gặp trong cuộc sống. độ cảm từ có cùng ý nghĩa, có ý nghĩa chỉ khả năng phản ứng
- Momen từ (Magnetic moment): Là thước đo độ mạnh của vật chất dưới tác dụng của trường ngoài. Bảng 1 liệt kê
yếu của nguồn từ, là độ lớn của vectơ lưỡng cực từ, có đơn vị đơn vị của một số đại lượng.
là I.m2. Bảng 1. Đơn vị của một số đại lượng trong hệ SI (MKS Unit) và hệ
Gauss (CGS).
- Từ thông (Magnetic flux): Chỉ số đường sức qua một tiết
Đại lượng Hệ S I Hệ số chuyển đổi Hệ CGS
diện của vật, được tính bằng tích vô hướng của vecto cảm ứng
Độ dài m 100 cm
từ B và véc tơ diện tích S.
Mômen từ nguyên tử: Khối lượng kg 1000 g
105
Ta hãy xét bài toán đơn giản một nguyên tử có 1 điện tử Lự c N dyn
chuyển động quanh hạt nhân theo mô hình Bohr. Mô hình 107
Năng lượng J erg
Bohr xét điện tử chuyển động trên quỹ đạo bán kính r, vận tốc 108
Từ thông Wb Maxwell
v. Lúc đó, mômen từ sinh ra do chuyển động của điện tử là: 104
Cảm ứng từ T G
e.v 1 4π/1000
Cường độ từ trường A/m Oe
μ = I .S = π .r 2 = e.v.r (1)
2.π .r emu/cm3
2 Độ từ hóa A/m 1/1000
A.m2
Mômen từ 1000 emu
Mặt khác, mômen động lượng của điện tử là: L = p.r =
H/m2 107/4π
Độ từ thẩm --
m.v.r. Theo mô hình Bohr, mômen động lượng của điện tử
Như vậy, ta đã có những khái niệm cơ bản về từ học. Phần
chuyển động trên quỹ đạo bằng một số nguyên lần hằng số
tiếp theo sẽ nói về các loại vật liệu từ. Sự phân chia này dựa
Planck. Do đó, ta có:
trên khả năng phản ứng của mỗi chất dưới tác dụng của từ
n.
v.r = (2) trường ngoài.
m
(n là một số nguyên, có thể nhận các giá trị 1, 2, 3 ...)
III. PHÂN LOẠI CÁC VẬT LIỆU TỪ
Thay (2) vào (1), ta có công thức tính mômen từ nguyên tử:
1. Vật liệu nghịch từ (Diamagnetic materials)
1 1 n. h.e
μ = e.v.r = e. = n. "Nghịch" ở đây có thể hiểu là chống lại từ trường. Đó là
4π .m
2 2m
(3) thuộc tính cố hữu của mọi vật chất. Ta biết rằng, khi đặt một
h.e
μ B = n. = 9, 27 × 10−24 A.m 2 vật vào từ trường, theo quy tắc cảm ứng điện từ, trong nội tại
4π .m của nguyên tử sẽ sinh ra dòng cảm ứng theo quy tắc Lenz, tức
μB gọi là Bohr Magneton, dùng để làm đơn vị của mômen là dòng sinh ra sẽ có xu thế chống lại nguồn sinh ra nó (từ
từ nguyên tử. Đây là một tính toán về nguồn gốc của từ trường), và tạo ra một mômen từ phụ ngược với chiều của từ
trường là chuyển động quỹ đạo của điện tử [3]. Tuy nhiên, vật trường ngoài. Đó là tính nghịch từ.
lý hiện đại chỉ ra rằng, còn có đóng góp của spin của điện tử Chất nghịch từ là chất không có mômen từ nguyên từ (tức
vào từ tính của vật chất. Có thể hiểu spin như là mômen từ là mômen từ sinh ra do các điện tử bù trừ lẫn nhau), vì thế khi
sinh ra do chuyển động tự quay của spin (hiểu một cách đơn đặt một từ trường ngoài vào, nó sẽ tạo ra các mômen từ ngược
giản). Thực tế, spin là một thuộc tính của các hạt cơ bản. Vậy, với từ trường ngoài (quy tắc nghịch từ nói ở trên). Theo
nguồn gốc của tù trường là do 2 đóng góp: nguyên lý, vật nghịch từ sẽ bị đẩy ra khỏi từ trường. Nhưng
+ Chuyển động của điện tử trên quỹ đạo thông thường, ta khó mà quan sát được hiệu ứng này bởi tính
+ Spin (chuyển động tự quay của điện tử). nghịch từ là rất yếu (độ từ thẩm của chất nghịch là nhỏ hơn và
xấp xỉ 1 - độ cảm từ âm và rất bé, tới cỡ 10-6). Các chất
- Độ từ hóa (Magnetization): Ta vừa nói đến khái niệm
mômen từ, vậy độ từ hóa là gì? Độ từ hóa là tổng mômen từ nghịch từ điển hình là H2O, Si, Bi, Pb, Cu, Au...
trong một đơn vị thể tích. Độ từ hóa theo cách định nghĩa này Các bạn sinh viên làm về từ học trên các màng mỏng lần
có cùng thứ nguyên với từ trường H. Đôi khi người ta còn đầu tiên có thể hơi choáng khi đo đường cong từ trễ của màng
dùng khái niệm độ từ hóa là tổng mômen từ trên một đơn vị mỏng sắt từ trên các đế Si. Ví dụ như hình dưới đây, nếu chưa
khối lượng. hiểu rõ, sẽ rất ngạc nhiên vì sao đường cong từ trễ lại có dạng
Ta có quan hệ giữa B, H và M như sau: chúi mũi xuống như thế:
B = μ0(M + H), M = χ.H
χ gọi là độ cảm từ (Magnetic susceptibility), nói nên khả
21
TẬP XX, SỐ XX, NĂM XXXX
- TẠP CHÍ HTTP://WWW.VATLYVIETNAM.ORG
châm" (mômen từ nguyên tử) sẽ có xu hướng bị quay theo từ
0.3
trường, vì thế mômen từ của chất thuận từ là dương, tuy nhiên
do mỗi "nam châm" này có mômen từ rất bé, nên mômen từ
0.2
của chất thuận từ cũng rất nhỏ. Hơn nữa, do các nam châm
này không hề có tương tác với nhau nên chúng không giữ
0.1
M (memu)
được từ tính, mà lập tức bị mất đi khi ngắt từ trường ngoài.
Như vậy, chất thuận từ về mặt nguyên lý cũng bị hút vào
0.0
từ trường (một hình ảnh ví dụ là Ôxy lỏng bị hút vào cực của
nam châm điện (hình 4) nhưng thực tế, bức tranh này ta chỉ
-0.1
quan sát thấy trong từ trường mạnh.
-0.2
-0.3
-10 -5 0 5 10
H (kOe)
Hình 2. Đường cong từ trễ của màng mỏng sắt từ Co13Cu887 trên đế
Si đo bằng từ kế mẫu rung [4].
Tại sao vậy? Ta biết rằng màng mỏng là một lớp rất mỏng
phủ trên đế Si nghịch từ. Mômen từ của Si sẽ âm và lớn dần
trong từ trường, còn mômen từ của màng là dương và cũng
tăng dần. Trong từ trường nhỏ, tính sắt từ thắng thế nên ta
thấy đường cong bình thường. Nhưng khi từ trường lớn,
mômen từ âm thắng thế, và đường cong ngày càng bị chúc
mũi xuống.
Ví dụ về độ cảm từ (μ) của một số chất:
Cu: μ = -0,94.10-5 Hình 4. Ôxy lỏng (chất thuận từ) bị hút vào cực của nam
châm điện [3].
Pb: μ = -1,7.10-5
Các chất thuận từ điển hình là Al, Na, O2, Pt..., và độ cảm
H2O: μ = -0,88.10-5
từ μ của 1 số chất thuận từ như sau:
2. Chất thuận từ (Paramagnetic substance)
Al: μ = 2,10.10-5
Chất thuận từ là chất có mômen từ nguyên từ, nhưng
Pt: μ = 2,90.10-5
mômen từ này cũng rất nhỏ, có thể xem một cách đơn giản
Ôxy lỏng: μ = 3,50.10-5
các nguyên tử của chất thuận từ như các nam châm nhỏ (xem
Trước đây, người ta thường coi các chất thuận từ và
hình 3), nhưng không liên kết được với nhau (do khoảng cách
nghịch từ là các chất từ tính yếu, hay phi từ, gần đây, các chất
giữa chúng xa và mômen từ yếu).
có tính chất giống thuận từ (siêu thuận từ) lại được nghiên
cứu ứng dụng mạnh, và không phải là từ tính kém (sẽ trình
bày sau).
3. Vật liệu sắt từ và tính sắt từ (Ferromagnetic materials -
Ferromagnetism)
Chất sắt từ (Ferromagnetic materials) được biết đến là chất
có từ tính mạnh, tức là khả năng cảm ứng dưới từ trường
ngoài mạnh. Fe, Co, Ni, Gd.. là những ví dụ điển hình về loại
chất này. Chất sắt từ là các chất có mômen từ nguyên tử.
Nhưng nó khác biệt so với các chất thuận từ ở chỗ các mômen
từ này lớn hơn và có khả năng tương tác với nhau (tương tác
trao đổi sắt từ - Ferromagnetic exchange interaction). Ta
tưởng tượng tương tác này như là các nam châm đứng gần
nhau, chúng hút nhau và giữ cho nhau song song nhau. Tất
nhiên, bản chất vật lý của tương tác trao đổi không như thế,
bản chất của tương tác trao đổi là tương tác tĩnh điện đặc biệt.
Hình 3. Hình ảnh đơn giản về chất thuận từ. Tương tác này dẫn đến việc hình thành trong lòng vật liệu các
Khi đặt từ trường ngoài vào chất thuận từ, các "nam vùng (gọi là các đômen từ - Magnetic domain) mà trong mỗi
22
TẬP XX, SỐ XX, NĂM XXXX
- TẠP CHÍ HTTP://WWW.VATLYVIETNAM.ORG
đômen này, các mômen từ sắp xếp hoàn toàn song song nhau từ. TC là một thông số đặc trưng cho chất (thông số nội tại).
(do tương tác trao đổi), tạo thành từ độ tự phát - spontaneous Ví dụ với một số chất có nhiệt độ Curie như dưới đây:
magnetization của vật liệu (có nghĩa là độ từ hóa tồn tại ngay Fe: 1043K
cả khi không có từ trường). Nếu không có từ trường, do năng Co: 1388K
lượng nhiệt làm cho mômen từ của các đômen trong toàn khối Gd: 292.5K
sẽ sắp xếp hỗn độn do vậy tổng độ từ hóa của toàn khối vẫn Ni: 627K
bằng 0 (hình 5).
Hình 5. Hình ảnh các đômen từ (các vùng có màu sắc khác nhau)
trên một mẫu hợp kim Ni80Fe20 có chiều dày 20 nm, cạnh 500 nm.
Vật được chia thành 4 đômen.
Nếu ta đặt từ trường ngoài vào vật liệu sẽ có 2 hiện tượng
xảy ra:
- Sự lớn dần của các đômen có mômen từ theo phương từ
trường
- Sự quay của các mômen từ theo hướng từ trường
Khi tăng dần từ trường đến mức đủ lớn, ta có hiện tượng
bão hòa từ, lúc đó tất cả các mômen từ sắp xếp song song với
nhau và trong vật liệu chỉ có 1 đômen duy nhất. Nếu ta ngắt từ
trường, các mômen từ sẽ lại có xu hướng hỗn độn và lại tạo
thành các đômen, tuy nhiên, các đômen này vẫn còn tương tác
với nhau (ta tưởng tượng hình ảnh các nam châm hút nhau
Hình 6. Đường cong từ trễ (a) và nhiệt độ Curie (b) của chất sắt từ.
làm chúng không hỗn độn được) do vậy tổng mômen từ trong
Mỗi chất sắt từ có khả năng "từ hóa" (tức là chịu biến đổi
toàn khối không thể bằng 0 mà bằng một giá trị khác 0, gọi là
về từ tính dưới tác động của từ trường ngoài) và khử từ (sự
độ từ dư (remanent magnetization). Điều này tạo thành hiện
mất từ tính dưới tác dụng của từ trường ngoài ngược với nội
tượng trễ của vật liệu (xem hình vẽ). Nếu muốn khử hoàn toàn
trường) khác nhau. Từ tính chất này, người ta lại phân chia
mômen từ của vật liệu, ta cần đặt một từ trường ngược sao
chất sắt từ thành những nhóm khác nhau, mà cơ bản có 2
cho mômen từ hoàn toàn bằng 0, gọi là lực khác từ (coercivity,
nhóm chất sắt từ:
hay coercive field). Đường cong từ hóa (sự phụ thuộc của từ
a) Sắt từ mềm - Soft magnetic materials
độ vào từ trường ngoài của chất sắt từ khác với chất thuận từ
Sắt từ mềm, không phải là các chất mềm về mặt cơ học,
ở chỗ nó là đường cong phi tuyến (của thuận từ là tuyến tính)
mà "mềm" về phương diện từ (tức là dễ bị từ hóa và khử từ).
và đạt tới bão hòa khi từ trường đủ lớn (hình 6).
Sắt từ mềm có đường trễ hẹp (lực kháng từ rất bé, chỉ cỡ dưới
Hai đặc trưng cơ bản cần nhớ của chất sắt từ là (xem hình
102 Oe) nhưng lại có từ độ bão hòa rất cao, có độ từ thẩm lớn,
6):
nhưng từ tính lại dễ dàng bị mất đi sau khi ngắt từ trường
- Đường cong từ trễ (hysteresis loop)
ngoài. Hình vẽ dưới đây so sánh các chất từ mềm ở 2 phương
- và nhiệt độ Curie TC.
diện là từ độ bão hòa và độ từ thẩm.
Nhiệt độ Curie là nhiệt độ mà tại đó, chất bị mất trật tự từ,
và khi T>TC, chất trở thành thuận từ và khi T
- TẠP CHÍ HTTP://WWW.VATLYVIETNAM.ORG
các môi trường ăn mòn như nước biển, kiềm...
b) Vật liệu sắt từ cứng (hard magnetic materials)
Cũng tương tự như sắt từ mềm, từ "cứng" trong cái tên của
vật liệu này không phải do cơ tính cứng của nó. Ngược với sắt
từ mềm, sắt từ cứng là vật liệu khó từ hóa và cũng khó bị khử
từ (có nghĩa là từ tính có thể giữ được tốt dưới tác dụng của
trường ngoài). Một ví dụ đơn giản của vật liệu từ cứng là các
nam châm vĩnh cửu.
Vật liệu từ cứng có lực kháng từ lớn (phải trên 102 Oe),
nhưng chúng thường có từ độ bão hòa không cao. Tính
"cứng" của vật liệu từ cứng đến từ tính dị hướng từ, liên quan
đến năng lượng từ có được do tính đối xứng tinh thể của vật
liệu. Tức là, thông thường các vật liệu từ cứng thường có cấu
trúc tinh thể có tính đối xứng kém (bất đối xứng) ví dụ như tứ
giác, hay lục giác...
Do khả năng giữ lại từ tính, nên vật liệu từ cứng được
dùng làm vật liệu giữ năng lượng (nam châm vĩnh cửu) và lưu
trữ thông tin (ổ đĩa cứng, đĩa từ...). Nói đến khả năng tích trữ
Hình 8. So sánh các vật liệu từ mềm ở tần số từ trường ngoài 1 kHz
năng lượng, ta phải nhắc đến một thông số của vật liệu từ
[5].
cứng là tích năng lượng từ (B.H)max (có đơn vị là đơn vị của
Các chất từ mềm "truyền thống" đã biết là sắt non, ferrite
mật độ năng lượng J/m3), là năng lượng cực đại có khả năng
Mn,Zn,... Các chất sắt từ mềm được sử dụng trong các lõi
tồn trữ trong một đơn vị thể tích vật thể. Để có (BH)max lớn,
nam châm điện, lõi biến thế, lõi dẫn từ ..., có nghĩa là sử dụng
cần có lực kháng từ lớn, có từ độ cao và đường trễ càng lồi
nó như vật dụng trong từ trường ngoài. Do vậy, đặc trưng mà
càng tốt. Đơn vị thường dùng của (BH)max là GOe, 1
người ta quan tâm đến nó là: tổn hao trễ và tổn hao xoáy.
MGOe=8 kJ/m3.
- Tổn hao trễ sinh ra do sự mất mát năng lượng trong quá
Các nam châm vĩnh cửu truyền thống được sử dụng là
trình từ hóa, được tính bằng diện tích của đường cong từ trễ.
ferrite từ cứng BaSr, hợp kim AlNiCo (khá đắt tiền).. Thế hệ
Do vậy, vật liệu sắt từ mềm "xịn" có đường trễ càng hẹp càng
nam châm vĩnh cửu mới ra đời sau là các nam châm đất hiếm,
tốt.
mở đầu là các hợp chất RCo5 (như SmCo5..) và sau đó là
- Tổn hao xoáy: sinh ra do các dòng Foucalt sinh ra trong
R2Fe14B như (Nd2Fe14B, Pr2Fe14B...), R thường ký hiệu để chỉ
trường xoay chiều làm nóng vật liệu, năng lượng này tỉ lệ
các nguyên tố đất hiếm. Bảng 2 liệt kê một số nam châm phổ
thuận với bình phương tần số từ trường, tỉ lệ nghịch với điện
biến.
trở suất của vật liệu. Điều này lý giải tại sao dù có phẩm chất
Bảng 2. Từ dư (Br), lực kháng từ (Hc) và tích năng lượng từ (BH)max
rất cao, những lõi tôn Si chỉ có thể sử dụng trong từ trường
của một số nam châm.
tần số thấp (thường là 50-100Hz) do chúng có điện trở suất rất
Hc (MA/m) (BH)max (kJ/m3)
Vật liệu Br (T)
thấp, trong khi các ferrite lại sử dụng được trong kỹ thuật cao
Ferrite Sr 0,43 0,20 34
tần và siêu cao tần dù có phẩm chất kém hơn nhiều (vì chúng
AlNiCo 5 1,27 0,05 44
là gốm, có điện trở suất rất lớn, làm giảm tổn hao xoáy).
AlNiCo 9 1,05 0,12 84
Tuy nhiên, một loại vật liệu từ mềm mới đã khắc phục
SmCo5 0,95 1,3 176
điều này (như hình vẽ trên là các vật liệu từ nanocrystalline
Sm2Co17 1,05 1,3 208
như Fe-Si-B-Nb-Cu...). Chúng là các vật liệu có cấu trúc nano,
Nd2Fe14B 1,36 1,03 350
có tính chất từ siêu mềm (có lực kháng từ cực nhỏ, độ từ thẩm
Nếu ta so sánh, có thể thấy nam châm vĩnh cửu R2Fe14B là
rất cao, từ độ bão hòa cao), đồng thời lại có điện trở suất rất
loại tốt nhất (Trung Quốc là nước đứng đầu thế giới về thị
lớn (dù là các băng nền kim loại) do cấu trúc đặc biệt của nó
phần nam châm đất hiếm với hơn 50% thị phần), nhưng thị
nên có thể sử dụng ở các ứng dụng cao tần cỡ từ kHz-MHz.
phần nam châm trên thế giới phân bố như sau:
Loại vật liệu này được phát hiện ở cuối thế kỷ 20, và đưọc coi
- 54% là nam châm ferrite
là vật liệu từ mềm tốt nhất hiện này (ultrasoft magnetic
- 32% Nd2Fe14B
materials), và là một chủ đề nghiên cứu mạnh của Trung tâm
- 14% là các loại khác
Khoa học Vật liệu, ĐHKHTN và Viện Vật lý Kỹ thuật
Nam châm ferrite là các gốm ferrite từ cứng, có phẩm chất
(ĐHBKHN). Đặc biệt một số loại trong số các vật liệu này có
không cao nhưng có ưu điểm là chế tạo rất đơn giản, giá thành
thể sử dụng trong các môi trường khắc nghiệt như chịu nhiệt
rất thấp. Còn nam châm Nd-Fe-B tuy phẩm chất rất tốt, nhưng
độ cao (ứng dụng làm động cơ của máy bay phản lực do khả
lại có một số nhược điểm:
năng chịu nhiệt độ cao, ở Mỹ đã làm rất nhiều), sử dụng trong
- Giá thành cao (do chứa nhiều đất hiếm là các nguyên tố
24
TẬP XX, SỐ XX, NĂM XXXX
- TẠP CHÍ HTTP://WWW.VATLYVIETNAM.ORG
đắt tiền) Ở phần Sắt từ, ta đã biết rằng các chất sắt từ là các chất có
- Dễ bị ôxi hóa do các nguyên tố đất hiếm có hoạt tính rất mômen từ nguyên tử và các mômen này tương tác với nhau
mạnh. Nếu chúng ta bỏ một nam châm đất hiếm ngoài không thông qua tương tác trao đổi làm cho các mômen từ định
khí, chỉ một thời gian là chúng bị rã thành các bột. hướng song song với nhau. Đó là tương tác trao đổi dương.
- Nhiệt độ Curie thấp (312oC).
Trong thời gian gần đây, công nghệ nano phát triển, dẫn
đến sự ra đời của một loại nam châm từ cứng mới tổ hợp tính
chất của 2 loại từ cứng và từ mềm, có thể khắc phục các điểm
yếu của nam châm tốt nhất (nam châm đất hiếm), có giá thành
hạ và cho phẩm chất cao hơn rất nhiều (như tính toán lý
thuyết) nhưng chưa đạt được như dự đoán. Loại nam châm
này gọi là nam châm tổ hợp nano hay nam châm trao đổi đàn
hồi.
4. Siêu thuận từ (Superparamagnetic materials)
Nếu như trước đây, người ta coi thuận từ là các chất có từ
tính yếu và ít có khả năng ứng dụng thì gần đây, siêu thuận từ
lại trở thành một "hot topic" trong từ học. Siêu thuận từ là gì?
Ta hãy xem xét lại một chút về sắt từ. Một khái niệm cần
biết trong sắt từ là "dị hướng từ tinh thể" K, đó là năng lượng
định hướng liên quan đến sự định hướng của các mômen từ so
Hình 9. Định hướng của các mômen từ của chất phản sắt từ [7].
với từ trường. Mỗi chất sắt từ có 1 trục dễ từ hóa và khó từ
Chất phản sắt từ thì ngược lại, chúng cũng có mômen từ
hóa. Năng lượng để quay các mômen từ từ trục khó đến trục
nguyên tử nhưng tương tác giữa các mômen từ là tương tác
dễ gọi là năng lượng dị hướng từ tinh thể, liên quan đến sự bất
trao đổi âm và làm cho các mômen từ định hướng phản song
đối xứng về tinh thể (hiểu một cách đơn giản nhất là năng
song với nhau (song song, cùng độ lớn nhưng ngược chiều)
lượng định hướng).
như hình vẽ 9.
Một vật sắt từ được cấu tạo bởi một hệ các hạt (thể tích V),
Sự định hướng phản song song này tạo ra 2 phân mạng từ.
các hạt này tương tác và liên kết với nhau. Giả sử nếu ta giảm
Mn và Cr là 2 kim loại phản sắt từ điển hình. Phản sắt từ là
dần kích thước các hạt thì năng lượng dị hướng KV giảm dần,
chất thuộc loại có trật tự từ.
nếu ta tiếp tục giảm thì đến một lúc nào đó KV
- TẠP CHÍ HTTP://WWW.VATLYVIETNAM.ORG
cho những người mới bắt đầu tìm hiểu về từ học. Ở Việt Nam, Bài viết có sử dụng một số tư liệu tính toán và nghiên cứu
từ học cũng là một ngành phát triển mạnh trong vật lý và đến của tác giả cùng với sự cộng tác của các đồng nghiệp trong
bây giờ đang thu hút rất đông đội ngũ nghiên cứu vật lý ở các nhóm nghiên cứu tại Đại học Quốc gia Hà Nội và Đại
Việt Nam. Có thể kể đến 1 số nhóm rất mạnh như nhóm của học Tổng hợp Glasgow.
GS. Nguyễn Châu ở Đại học Khoa học Tự nhiên (ĐHQGHN),
TÀI LIỆU THAM KHẢO
nhóm của GS. Nguyễn Hữu Đức, Nguyễn Phú Thùy (Đại học
Công nghệ, ĐHQGHN), nhóm của GS. Thân Đức Hiền (Viện [1] http://vi.wikipedia.org/wiki/V%E1%BA%ADt_li%E1%BB%8
Itims, ĐHBKHN), nhóm của GS. Nguyễn Hoàng Nghị (Viện 7u_t%E1%BB%AB_c%E1%BB%A9ng
Vật lý Kỹ thuật, ĐHBKHN), hay nhóm của GS. Nguyễn Xuân [2] http://www.aacg.bham.ac.uk/magnetic_materials/history.htm
Phúc (Viện Khoa học Vật liệu, Viện KH&CN VN)... Tuy Serway Jewett, Physics for Scientists and Engineers, 7th Ed.,
[3]
nhiên, một điều đáng buồn là việc triển ứng dụng công nghệ ISBN 0534408427, 2005.
[4] Vương Văn Hiệp (và các tác giả khác), Báo cáo Hội nghị Vật
vật liệu từ ở Việt Nam còn vô cùng nghèo nàn (do chúng ta
lý Toàn quốc lần thứ 6, Hà Nội, 2005.
chưa hề có công nghiệp về vật liệu) vì thế các kết quả vẫn chủ
[5] http://www.wtec.org/loyola/nano/06_03.htm
yếu dừng lại ở các kết quả khoa học mà ít triển khai đại trà. Hi
[6] http://vi.wikipedia.org/wiki/Ph%E1%BA%A3n_s%E1%BA%
vọng thời gian tới sẽ thay đổi thực tế này với một đội ngũ
AFt_t%E1%BB%AB
những người làm nghiên cứu trở về từ nước ngoài.
Lời cảm ơn
26
TẬP XX, SỐ XX, NĂM XXXX
nguon tai.lieu . vn
