Bài giảng Vật liệu học - Chương 5: Tính chất từ của vật liệu - Nguyễn Văn Dũng

LOGO 1
2ü Điện tử xoay quanh hạt nhân tạo moment từ khá nhỏ (bỏ qua)
ü Điện tử quay quanh trục của nó xuất hiện moment từ spin
+ Điện tử ghép đôi, spin trái dấu nên tự triệt tiêu moment từ của nhau
+ Điện tử không ghép đôi (electron độc thân) tạo moment từ spin.
ü Tính chất từ của vật liệu phụ thuộc sự sắp xếp (chiều hướng) của
các moment từ
3NT hay 
ion
Ti Ti2+ V V4+ V3+ V2+ Cr Cr3+ Cr2+ Mn Mn3+ Mn2+
Electron 
độc thân
2 2 3 1 2 3 5 3 4 5 4 5
NT hay 
ion
Fe Fe3+ Fe2+ Co Co3+ Co2+ Ni Ni2+ Cu Cu2+ Zn Zn2+
Electron 
độc thân
4 5 4 3 4 3 2 2 0 1 0 0
Electron độc thân thường xuất hiện ở các kim loại chuyển tiếp, ở các 
lớp điện tử d và f.
4Thực tế 3 kim loại Fe, Co, Ni có số điện tử không ghép đôi không
giống như lý thuyết do điện tử từ lớp 4s có thể nhảy sang 3d.
→ Số electron tự do mỗi nguyên tử thay đổi so với lý thuyết
Moment từ spin của 1 electron (Bohr magneton) là μB = 9,27.1024 A.m2
→ Moment từ mỗi nguyên tử = số electron độc thân x μB
5Từ trường là môi trường vật chất đặc biệt
sinh ra quanh các điện tích chuyển động
hoặc do sự biến thiên của điện trường hoặc
có nguồn gốc từ các mômen lưỡng cực từ
như nam châm.
6ü Từ trường H (A/m), được tạo ra bởi cuộn dây dẫn điện có
cường độ dòng I, quấn tròn n vòng và dài l là:
ü Khi đặc vật liệu có từ tính vào từ trường
ngoài H, vật liệu có cảm ứng từ B hay
mật độ từ trường B (Tesla)
ü B tỉ lệ với H với hệ số tỷ lệ là từ thẩm
(độ thẩm từ) μ:
B: Tesla (T) hay 
7Trong môi trường chân không, vật liệu có cảm ứng từ Bo và độ thẩm 
từ μo = 4π.10-7 (H/m)
B = μ.H → μr = μ / μo (độ từ thẩm tương đối của chất rắn so với chân 
không) 
B = μ.H = μo.(H + M)
M (Magnetization): Độ từ hóa của chất rắn 
(tổng moment từ mỗi đơn vị thể tích)
→ M = H
: từ cảm của vật liệu
μ = μo.(1 + )
8So sánh mật độ từ
dưới điều kiện chân
không và khi có đặt
vật liệu
9Dựa vào sự sắp
xếp khác nhau
của các moment
từ mà vật liệu có
tính chất từ khác
nhau !!
10
Vật liệu nghịch từ (diamagnetic):
μ < μo → μr < 1 (μr ≈ 5.10-6) → < 0
Vật liệu thuận từ (paramagnetic):
μ > μo → μr > 1 → > 0
Vật liệu sắt từ (ferromagnetic):
μ μo → μr 1 (μr ≈ 106) → 0
Vật liệu feri từ (ferrimagnetic): 
0, nhỏ hơn vật liệu sắt từ
Vật liệu phản sắt từ (antiferromagnetic): 
> 0, nhưng rất nhỏ
11
Là các chất không có mômem từ (nhóm phi từ). Khi đặt vào từ trường
ngoài trong các phân tử sẽ xuất hiện dòng điện phụ và tạo ra từ trường phụ
ngược chiều từ trường ngoài.
Ví dụ: các khí hiếm (He, Ne, Ar, Kr,...), các ion có các lớp electron giống khí
hiếm, kim loại (Bi, Zn, Ag, Cu, Pb), H2O, NaCl, SiO2, S, C. et al.
12
ü Thuận từ là những chất có từ tính yếu (nhóm phi từ), các moment từ sắp
xếp một cách tự do.
ü Khi có tác dụng của từ trường ngoài, các mômen từ này sẽ bị quay theo từ
trường ngoài, làm cho cảm ứng từ tổng cộng trong chất tăng lên.
13
Sắt từ là các chất có từ tính mạnh, hay khả năng hưởng ứng mạnh 
dưới tác dụng của từ trường ngoài, mà tiêu biểu là sắt (Fe).
Ví dụ: kim loại chuyển tiếp (Fe, Co, Ni), kim loại đất hiếm (Gd, Nd), etc.
Liên quan đến electron độc thân phân lớp 3d và 4f
14
Bề mặt 
Al
Bề mặt 
BaTiO3
Cấu trúc đa 
tinh thể
15
Vật liệu sắt từ chứa những vùng không gian nhỏ có các moment từ 
được sắp xếp trật tự (cùng chiều).
Các vùng này gọi là domain, giữa các domain là đường ranh giới.
Từ tính của vật liệu là tổng từ tính (theo vector) của các domain.
16
ü Khi áp từ trường ngoài H
vào VL sắt từ, các domain
có khuynh hướng sắp xếp
theo hướng từ trường, làm
tăng B và M.
ü Khi H đủ lớn, tất cả các
domain đều sắp xếp theo
hướng từ trường ngoài, B
và M đạt đến giá trị bão
hòa (Bs và Ms).
17
VD: Tính độ từ hóa bão hòa Ms và mật độ từ bão hòa Bs của Niken
biết dNi = 8,90 g/cm3.
Giải: với Ni
18
Khi từ trường ngoài H thay đổi, các domain có khuynh hướng sắp xếp 
theo hướng mới. Tuy nhiên, sự sắp xếp này chậm có thể gây nên hiện 
tượng trễ (hysteresis). 
19
ü Khi độ từ hóa bằng 0, từ
trường đảo Hc gọi là độ
kháng từ (coercivity).
ü Khi H đạt đến giá trị 0 một vài domain vẫn còn duy trì sự sắp xếp
theo hướng trước đó tạo nên độ từ hóa dư (remanence) Mr
20
ü Vật liệu từ cứng (hard magnetic) là
vật liệu sắt từ, khó khử từ và khó từ
hóa → nam châm vĩnh cửu
ü Vật liệu từ mềm (soft magnetic) là
vật liệu sắt từ, "mềm" về phương diện
từ hóa và khử từ, có nghĩa là dễ từ
hóa và dễ khử từ→ nam châm điện
ü Tinh thể bị khuyết tật hoặc không tinh
khiết có thể làm giảm khả năng di
chuyển của các domain. VD: sắt và
thép
21
Khi gia nhiệt, các nguyên tử chuyển động nhiệt tăng làm cho các
moment từ sắp xếp mất trật tự. Nhiệt độ Curie (TC) là nhiệt độ mà tại
đó vật liệu sắt từ và ferri từ bị mất từ tính, trở thành chất thuận từ.
VD: Tc của Fe - 768 oC, Co – 1120 oC, Ni – 335 oC.
22
23
Ø Siêu thuận từ (superparamagnetism) là một hiện tượng, một trạng
thái từ tính xảy ra ở các vật liệu từ, mà ở đó chất biểu hiện các tính
chất giống như các chất thuận từ.
ü Xảy ra với các chất sắt từ và ferri từ
ü Khi kích thước hạt đủ nhỏ (< Dc – kích thước tới hạn), vật liệu sẽ
chuyển từ trạng thái đa domain sang đơn domain (mỗi hạt sẽ là
một domain).
ü Năng lượng nhiệt sẽ phá vỡ sự định hướng của các moment từ, hệ
hạt sẽ đạt trạng thái hỗn loạn như chất thuận từ.
ü Khi áp từ trường ngoài, vật liệu đáp ứng nhanh tạo độ từ hóa bão
hòa lớn.
24
Độ từ hóa bão hòa cao
Độ từ dư Mr = 0
25
Siêu dẫn (superconductor) là hiện tượng vật
liệu dẫn điện mà không có sự xuất hiện của
điện trở (điện trở rất nhỏ) khi dưới một nhiệt
độ tới hạn (TC - critical temperature)
26
Hiệu ứng Meisnner: dưới nhiệt độ tới hạn
(TC), electron di chuyển theo từ trường
(magnetic levitation), vượt qua sự cản trở
của các nút mạng
27
ü Máy biến thế
ü Động cơ điện
ü Máy phát điện
28
Gia nhiệt cục bộ: bếp từ
29
Mã hóa dữ liệu theo bit (0 & 1) dựa vào 
chiều của moment từ mỗi domain
Ứng dụng làm ỗ đĩa (hard disk drive)
HCP cobalt–chromium alloy
30
Tàu điện chạy trên đệm từ trường
31
Ứng dụng hạt nano từ tính:
ü Tách, thu hồi chất
ü Dẫn truyền thuốc