Sáng kiến kinh nghiệm Khái quát vật liệu Từ học

SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM 
KHÁI QUÁT VẬT LIỆU 
TỪ HỌC 
 Mở đầu 
Kính thưa các đồng chí cùng toàn thể các bạn trẻ yêu vật lý. Từ học là 
một trong những lĩnh vực quan trọng của vật lý học hiện đại. Xong nhìn lại 
phần từ học trong chương trình vật lý phổ thông thật là ít ỏi, hầu như không đáp 
ứng được nhu cầu đòi hỏi của các em. Trong khi ấy thì các hiện tượng từ lại 
luôn đập vào mắt các em: Nam châm hút sắt sao lại không hút nhôm hay 
đồng Tại sao lõi các cuộn dây lại phải là sắt hay hợp kim của sắt? vậy từ tính 
của các vật liệu ấy có giống nhau không? Chẳng cần chúng ta các em cũng đã 
có nhận định rất rõ ràng các hiện tượng này. Song một điều không đúng với các 
em là trong sách còn thiếu một mô hình để giải thích các hiện tượng trên, trong 
khi đó việc tính toán kĩ lưỡng các hiện tượng lại chiếm quá nhiều thời gian trên 
lớp cũng như ở nhà của các em, các em hầu như quá tải. Vì vậy trong sang kiến 
này, tôi xin phép được đưa vào trong chương trình học tập của các em phần 
“vật lý các hiện tượng từ”- đây là một phần lý thú, nó sẽ giúp các em có được 
một mô hình về cấu tạo của các vật liệu từ, từ đó có thể phân loại được các vật 
liệu từ các em thường gặp trong cuộc sống, cũng như công việc của các em sau 
này. 
Hơn nữa trong nền khoa học công nghệ thông tin đang phát triển ngày 
nay, từ học ngày càng chiếm một vai trò quan trọng trong đời sống cũng như 
trong xã hội. Chúng ta không thể thoát khỏi sự chi phối của các màng ghi từ 
siêu mỏng, hay các mạch vi điện tử Công nghệ nano từ đã đem lại cho ta 
những thành tựu đáng kinh ngạc các bộ nhớ máy tính khổng lồ, các thẻ nhớ 
điện thoại, các máy MP3 Như vậy có thể nói ở đâu có con người ở đó có từ 
học. Vì vậy các em có quyền được biết về từ học, việc đưa từ học vào chương 
trình giáo khoa là một việc cần thiết. 
Tôi quyết định viết sáng kiến với 6 phần lớn, chia thành 2 tiết trong 
chương trình giáo khoa, và lấy tên là “Khái quát vật liệu từ học” 
 I. Các khái niệm cơ bản. 
 II. Phân loại vật liệu từ. 
III. Các chất thuận từ, nghịch từ. 
IV. Các chất sắt từ 
 V. Cấu trúc domain 
VI. Tổng kết và áp dụng 
I. Các khái niệm cơ bản: 
 Từ trường: Thừa kế khái niệm từ trường đã được cung cấp ở SKG 
đang dùng. 
 Độ nhiễm từ- độ từ hoá(I): Vectơ hướng từ bắc sang nam của một 
nam châm, có đơn vị là Wb/m2. Mômen từ tổng hợp trên một đơn vị thể tích 
của vật liệu từ tính. Đặc trưng bằng mật độ từ thông trên một đơn vị diện tích 
tiết diện 2 cực. 
 Độ từ thẩm(m): Đại lượng đặc trưng cho khả năng khuệch đại từ 
trường của vật liệu, có đơn vị là H/m. 
 Mối liên hệ giữa vectơ cảm ứng từ B và vectơ từ độ I là: 
 B=I+B0= I+m0H 
 H: cường độ từ trường khi không có vật liệu từ 
 B: cảm ứng từ trường khi đã được khhuếch đại bằng vật liệu từ. 
 I=c.H 
 c: độ cảm từ hay hệ số từ hoá. Đơn vị là (H/m) 
 Þ B=(c+m0)H 
 ÞB=mH; m=c+m0 
o
mm
m
= ÞB=m B0 
II. Phân loại vật liệu từ: 
1. Vật liệu nghịch từ: 
Là những vật liệu có 
0
cc
m
= <0, và độ lớn chỉ vào cỡ 10-5 (rất yếu). 
Nguồn gốc tính nghịch từ là chuyển động của điện tử trong từ trường, từ đó 
sinh ra từ trường ngược chiều theo định luật Lenz. Dòng cảm ứng sinh ra từ 
thông ngược với biến đổi của từ trường bên ngoài. 
Chú ý: vật liệu siêu dẫn đôi khi được gọi là vật liệu nghịch từ lí tưởng 
tứcc =-1. Khi ấy ta thấy B=0, trong lòng vật liệu. 
 2. Vật liệu thuận từ: 
Vật liệu thuận từ là vật liệu có độ cảm từ dương nhỏ, c dương nhỏ cỡ 10-
3 tới 10-5. Bao gồm những nguyên tử có mômen từ cô lập, định hướng hỗn loạn 
do tác dụng nhiệt (hình 1). Khi từ trường ngoài H ¹ 0, mô-men từ định hướng 
theo từ trường ngoài làm cho I tăng theo H. Những vật liệu này có c tỉ lệ với tỉ 
số 1
T
. 
Các điện tử dẫn trong kim loại tạo thành vùng năng lượng cũng biểu hiện 
tính thuận từ, gọi là thuận từ Pauli. Trong trường hợp này tính thuận từ gây bởi 
sự kích thích các điện tử có spin âm lên vùng có spin dương và c không phụ 
thuộc T. 
3. Vật liệu phản sắt từ 
Vật liệu phản sắt từ là vật liệu có tính từ yếu, đường cong từ nhiệt có một 
hõm tại TN. TN được gọi là nhiệt độ Neel. 
ở nhiệt độ T<TN các spin có trật tự song song đối ngẫu thể hiện tính phản 
sắt từ. ở nhiệt độ T>TN các spin được sắp xếp hỗn loạn, thể hiện tính thuận từ 
(hình 2). 
4. Ferit từ. 
Trong mạng tinh thể tồn tại các spin có độ lớn khác nhau sắp xếp phản 
song song với nhau dẫn đến từ độ tổng cộng khác không cả khi từ trường ngoài 
H=0. Từ độ I tổng cộng được gọi là từ độ tự phát. Tồn tại nhiệt độ Tc được gọi 
 là nhiệt độ Currie. Tại T>Tc trật tự từ bị phá vỡ vật liệu trở thành vật liệu thuận 
từ.(hình 3) 
5. Vật liệu sắt từ. 
Trong vật liệu này tương tác giữa các spin là lớn, dương nên các spin từ 
sắp xếp giống nhau, song song và cùng chiều(h3a), nên từ độ của vật liệu là rất 
lớn. ở nhiệt độ T>Tc, thì c-1 phụ thuộc vào nhiệt độ T theo qui luật tuyến tính 
( Định luật Curie- weiss). 
Trạng thái sắt từ cũng là trạng 
thái từ hóa tự phát: Khi T<Tc, từ độ tự 
phát xuất hiện cả khi H=0. Tuy nhiên, 
thông thường khi H=0 ta nhận thấy 
vật liệu bị khử từ. Điều này được giải 
thích bởi cấu trúc đômen tôi sẽ nói ở 
phía cuối tài liệu này. Cấu trúc đômen 
làm đường cong từ hóa của sắt từ 
phức tạp và có tính trễ, nên tôi gọi là đường cong từ trễ (hình 5). 
6. Vật liệu từ cứng, và vật liệu từ mềm. 
Dựa vào đường cong từ trễ của vật liệu sắt từ, người ta có chia vật liệu 
sắt từ ra thành từ cứng và từ mềm(hình 6). Sự khác nhau là do sự bền vững của 
1
c
 các vách ngăn đômen trong 2 vật liệu trên khác nhau, từ dó cũng dẫn đến ứng 
dụng của 2 loại vật liệu trong cuộc sống khác nhau. Chúng ta sẽ nói trong bài 
soạn ở cuối tài liệu. 
Ngoài sự phân loại trên người ta còn có thể dựa vào đặc tính của vật liệu 
khi đặt trong từ trường để phân ra thêm vật liệu từ giả bền và vật liệu sắt từ kí 
sinh, mà trong tài liệu này không giới thiệu đến. 
III. Các vật liệu thuận từ 
1) Chất thuận từ: 
Hệ thức giữa từ độ và từ trường ngoài: 
 I=cH (3.1) 
c>0 nên I>0, cũng có nghĩa là các mômen từ hướng theo từ trường ngoài. 
Phần lớn các chất thuận từ đều theo định luật Curie. 
 c=
C
T
 (3.2) 
C là một hằng số gọi là hằng số Curie. Các vật liệu thuận từ là các chất 
mà nguyên tử của chúng có mômen ngay cả khi không có từ trường ngoài. 
Như vậy khi khảo sát vật liệu từ, công việc của chúng ta chủ yếu là phải 
tìm cho ra hằng số C của vật liệu. Để đáp ứng được điều này Langevin đã đưa 
ra thuyết của mình. 
Ông xét một hệ N nguyên tử, mỗi nguyên tử có mômen từ m đủ lớn được 
đặt cách xa nhau để không tương tác với nhau. Từ đó ông sử dụng công thức 
liên hệ giữa từ độ và năng lượng để tính toán. Rồi từ đó đưa ra được công thức 
của mình như sau: 
 C=
2
B
Nµ
3k
. (3.3) 
Chúng ta cũng có thể phát biểu định luật đó như sau: “ Hằng số Curie của 
mỗi lượng chất thuận từ tỉ lệ thuận với số hạt mang từ tính và bình phương 
mômen từ mỗi hạt”. kB là hằng số Boltzman. 
 Từ đó ta suy ra: c=
2
B
Nµ C
=
3k T T
 (3.4) 
 I=
2
B
Nµ
H
3k T
 (3.5) 
2. Các chất nghịch từ: 
Là những chất có c<0, xuất phát từ định luật Lens cho suất điện động 
cảm ứng ( hoặc từ trường cảm ứng). Để khảo sát tính nghịch từ của vật liêu ta 
dựa vào lí thuyết VanVleck. Song lý thuyết này quá phức tạp đối với các em 
nên tôi không nói ở đây. 
 IV. Các chất sắt từ. 
 Trong thực tế gần gũi với các em hơn cả vẫn là vật liệu sắt từ, từ thuơ 
thiếu thời các em đã biết sử dụng nam châm để hút sắt. Vậy thế nào được gọi là 
sắt từ. 
 1. Đặc điểm của vật liệu sắt từ. 
 Các chất sắt từ như kim loại Fe hoặc oxit Fe3O có tính trễ từ lớn 
(được người xưa sử dụng làm la ban). 
 Tồn tại những vùng nhỏ mà trong đó các mômen từ được sắp xếp 
theo trật tự, song song và cùng chiều, được gọi là đô men từ. 
 Có nhiều vật liệu mang tính sắt từ như kim loại, oxit, hợp kim. 
Trong số các kim loại chỉ có 3 kim loại thuộc nhóm sắt có tính sắt từ ở nhiệt độ 
phòng là Fe, Co, Ni. 
 Được ứng dụng rộng rãi trong đời sống, các vật liệu từ được dùng 
ở trong thực tế thường có mặt của 3 kim loại trên. Thường được chia làm 4 loại 
chủ yếu là vật liệu từ mềm (lõi biến thế Fe-Si, Permalloy,), các vật liệu từ 
cứng ( nam châm- hợp kim, đất hiếm, ferit), các vật liệu ghi từ (đĩa từ, băng 
từ), các hợp kim Invar 
 Để đặc trưng cho vật liệu sắt từ người ta dùng từ độ I, cảm ứng từ B, độ 
cảm từ c, và độ thẩm từ m. Môi liên hệ giữa các đại lượng này là: 
 B=mH=m0H+I=(m0+c)H ( hệ SI) (4.1) 
m và c của vật liệu sắt từ rất lớn, m>>1. 
2. Đường cong từ trễ: 
Sự phụ thuộc của I vào H là phi tuyến, đường biểu diễn sự phụ thuộc của 
I vào H được gọi là đường cong từ hóa (hình 6). Ban đầu ở đoạn OA, quá trình 
từ hóa hầu như là thuận nghịch và tăng chậm, đoạn sau từ độ tăng nhanh hơn và 
không thuận nghịch, nếu giảm từ trường ngoài, thì từ độ sẽ giảm theo đường 
khác. Đường cong từ hóa nói trên thu được là khi từ trường ngoài H tăng dần từ 
0 lên nên được gọi là đường từ hóa cơ bản. Từ một điểm trên đường từ hóa cơ 
 bản ta giảm từ trường H về 0 rồi lại tăng theo chiều ngược lại ta thấy thu được 
một đường cong như hình 6 ( được gọi là đường cong từ trễ). Khi từ trường 
tăng đến giá trị của HBh làm cho từ độ I=Imax(bh) ta có đường từ trễ là cực đại 
được gọi là từ trễ giới hạn. Khi đạt Ibh ta tiếp tục tăng H thêm thi I không tăng 
nữa. Nếu từ đó giảm H về 0 thì I ¹ 0, ta thấy đường cong từ trễ cắt trục tung tại 
Ir -được gọi là từ độ dư. Đảo chiều H, rôi tăng cho tới khi I=0 thì thấy khi đó 
đường cong lại cặt trục hoành tại -Hc- gọi là lực kháng từ. 
Dựa vào đường cong từ trễ người ta đưa ra vật liệu từ cứng và vật liệu từ 
mềm, được so sánh như hình 6. 
V.Cấu trúc đômen. 
 Các vật liệu từ được đặc trưng bởi đường cong từ hóa bão hào. Theo 
quan điểm vật lý, ta đặc trưng cho vật liệu bằng đường I(H) đo ở một nhiệt độ 
nào đó. từ đó ta có thể lấy ra các thông tin cần thiết để đánh giá phẩm chất của 
vật liệu. 
 Chúng ta có thể nghiên cứu các dạng năng lượng để có thể xác đ