BÀI GIẢNG VỀ VẬT LIỆU TỪ CẤU TRÚC NANÔ PGS TS Trần Hoàng Hải

1. BÀI GIẢNG VỀ VẬT LIỆU TỪ CẤU TRÚC NANÔPGS TS Trần Hoàng Hải

2. Lưulạithông tin cầnthiết: Địachỉbạnđãtải: http://mientayvn.com/Cao%20hoc%20quang%20dien%20tu/Semina%20tren%20lop/seminar.html Nơi bạn có thể thảo luận: http://myyagy.com/mientay/ Dịch tài liệu trực tuyến miễn phí: http://mientayvn.com/dich_tieng_anh_chuyen_nghanh.html Dự án dịch học liệu mở: http://mientayvn.com/OCW/MIT/Co.html Liên hệ với người quản lí trang web: Yahoo: thanhlam1910_2006@yahoo.com Gmail: frbwrthes@gmail.com

4. Phần I. VẬT LIỆU TỪ VÀ ỨNG DỤNG

5. Chương 1.Những khái niệm cơ bản về vật liệu từ 1. Lịch sử của từ học 1600. Dr, William Gilbert - những thí nghiệm đầu tiên về từ học:” De Magnete”. 1819. Oerstead - sự gắn liền giữa từ học và điện học. 1825. Sturgeon đã phát minh ra nam châm điện. 1880. Warburg đã vẽ ra chu trình trễ đầu tiên của sắt. 1895. Định luật Curie đã được đề xuất 1905. Langevin lần đầu tiên đã giải thích tính chất của nghịch từ và thuận từ. 1906. Weiss đã đưa ra lý thuyết sắt từ. Những năm 1920. Vật lý của từ học đã được phát trỉển với các lý thuyết liên quan đến spin electron và tương tác trao đổi; những sự bắt đầu của cơ học lượng tử.

6. Hình 1a. Sự phát triển của nam châm vĩnh cửu trong thế kỷ thứ 20.

7. Hình 1b. Lodestone, ferít khối và nam châm hợpkim NdFeB với cùng năng lượng từ như nhau

8. Lodestone ( đá nam châm): Đây là nam châm vĩnh cửu đầu tiên được ghi nhận; một ôxyt Fe3O4 hiếm có trong tự nhiên. Từ trường còn thấp,song trường khử từ là khá cao. Thép carbon từ: Chúng được phát triển vào thế kỹ 18. Các thép này là hợp kim vớI tungsten và / hoặc crom để tạo ra carbide kết tủa trong việc xử lý nhiệt thích hợp, là hệ quả trong việc làm cản trở sự dịch chuyển vách đômen. Các nam châm loại này có bão hòa từ cao, hơn nhiều so với lodestone, song chúng dễ bị khử từ, nên cần phải sử dụng hình dạng dài để làm cực tiểu các trường khử từ.

9. Nam châm Alnico: ( hợp kim trên cở sở của Al, Co, và Ni ) Nhóm nam châm này được phát triển trong những năm 1930, là nam châm vĩnh cửu hiện đại nhất đáng chú ý trong từ cứng trong các thép từ có đến lúc đó. Các tính chất của chúng dựa trên sự dị hướng từ hình dạng liên quan đến hai cấu trúc nanô pha bao gồm các hình kim Fe-Co có tính sắt từ trong một ma trận của các Al-Ni không từ. Nhờ nhiệt độ Curie cao của chúng, ~ 850 oC, chúng vẫn được sử dụng cho đến hiện nay. Các nam châm carbon-platinium: Chúng đã được phát triển vào những năm 1950. Những tính chất đã được cải thiện vượt trên hợp kim Alnico và tính chống ăn mòn của chúng đã làm cho chúng được sử dụng trong các ứng dụng y sinh học tại thời điểm đó. Song do giá thành cao nên chưa được sử dụng rộng rãi và các nam châm đất hiếm đã thay thế chúng.

10. Các nam châm ferít từ cứng: ( BaFe12O19 hoặc SrFe12O19 ) Chúng là các nam châm có tính thương mại quan trọng nhất trong vài chục năm qua. Nhờ cấu trúc dị hướng , chúng đã có lực kháng từ tương đối cao, song tích năng lượng lại thấp. Mặc dù vậy , chúng vẫn có những ứng dụng rộng rãi vì sự phong phú của quặng nguyên liệu và giá thành sản xuất thấp.. Chúng cũng phù hợp cho việc sử dụng trong việc tạo các hình dạng phức tạp. Chúng vẫn giữ là loại vật liệu thông dụng nhất hiện nay trong các ứng dụng với khối lượng lớn. Samari Cobalt: Được phát triển vào cuối những năm 1960, nhóm này bao gồm tổ hợp hợp kim cobalt, sắt và một ít nguyên tố đất hiếm; Chúng không chỉ biểu hiện bản chất từ cứng năng lượng cao , mà SmCo5 còn thể hiện tính thương mại tương đối cao. Chúng đã giữ kỷ lục về tích năng lượng cao nhất trong nhiều năm, nhưng tiếc thay chúng có nhược điểm về giá thành. Các nam châm này có độ bền vững nhiệt tốt và vì vậy mà được sử dụng ở những nơi làm việc ở nhiệt độ cao.

11. Các nam châm Neodym Sắt Bor: Chúng được tạo ra đầu tiên vào năm 1984; chúng tổ hợp của một độ từ hóa cao với tính chống khử từ tốt. Giá thành cao của samari và sự bất ổn về giá của cobalt đã dẫn các nam châm loại này trở thành sự chọn lựa trong các ứng dụng đòi hỏi các nam châm có năng lượng cao. Mặc dù có năng lượng cao, các nam châm này có nhiệt độ Curie tương đối thấp ( 312oC), điều này đã giới hạn những ứng dụng của chúng ở vùng nhiệt độ cao. Việc thêm Co và Dy sẽ cải thiện được các đặc trưng nhiệt độ nhưng cũng làm tăng giá thành sản xuất. Song điều này vẫn không ngăn cản việc sử dụng chúng ngày càng tăng trên thị trường, đặc biệt trong các ứng dụng cần giảm kích thước . Nitrid Samari Sắt: Sự phát triển của các hợp kim này vẫn đang tiếp tục; chúng là vật liệu mới đầy hứa hẹn cho các ứng dụng nam châm vĩnh cửu nhờ sự chống khử từ cao, độ từ hóa cao và sự chống ăn mòn và nhiệt độ Curie cao so với neodym sắt bor.

12. 2. Nguồn gốc của từ tính. Hầu hết mọi người đều biết vật liệu từ là gì, nhưng rất ít người biết một nam châm họat động như thế nào?. Để hiểu được điều này thì trước hết chúng ta hãy tìm hiểu mối tương quan giữa hiện tượng từ và hiện tượng điện. Một nam châm điện đơn giản có thể tạo ra bằng cách cuộn dây đồng thành cuộn và nối cuộn dây với một accu. Một từ trường được tạo ra bên trong cuộn dây , nhưng nó chỉ tồn tại khi dòng điện vẫn còn chạy qua cuộn dây. Một thanh nam châm thông thường không có một mối liên hệ rõ ràng với dòng đĩện thì nó sẽ làm việc như thế nao? Trường được tạo ra bởi nam châm được liên hệ với sự chuyển động và các tương tác của các electron, các hạt tíchđiện âm, chuyển động theo quỹ đạo hạt nhân của mỗi nguyên tử.

13. Hiện tượng điện là sự chuyển động của các electron ở trong một cuộn dây hoặc trong một nguyên tử., như vậy mỗi nguyên tử biểu hiện như một nam châm vĩnh cửu nhỏ xíu vốn có sẵn của nó. Electron dang quay tròn tạo ra một mômen từ quỹ đaợ của riêng nó , được đo bằng magneton Bohr ( B), và cũng có một mômen từ spin tương ứng với nó do electron tự quay , giống như trái đất quay trên trục của bản thân nó.( được minh họa trên hình 2). Trong hầu hết các vật liệu đều có mômen từ tổng cộng, nhờ các electron tạo thành nhóm từng cặp, gây ra mômen từ bị trượt tiêu bởi lân cận của nó. Trong các vật liệu từ nào đó, các mômen từ với một tỷ lệ lớn của các electron đã được sắp xếp, khi tạo ra một từ trường đồng nhất. Trường được tạo ra trong vật liệu ( hoặc bằng một nam chân điện) có một hướng chảy và nam châm bất kỳ nào đều thể hiện một lực để cố gắng sắp xếp nó theo từ trường ngoài, giống như cái kim la bàn. Các lực này được sử dụng để điều khiển môtơ điện, tạo âm thanh trong một hệ loa, kiểm sóat cuộn tiếng trong CD player, v.v...Các tương tác giữa từ và điện, vì vậy là một khía cạnh thiết yếu của nhiều thiết bị mà chúng ta sử dụng hàng ngày.

14. Hình 2.Quỹ đạo của một electron đang quay xung quanh hạt nhân của nguyên tử.

15. 3. Các đơn vị từ và thuật ngữ Bảng 1. Mối liên hệ giữa một vài thông số trong hai hệ đơn vị

16. Độ từ hóa (M) của vật liệu: Mômen từ trên một đơn vị thể tích của vật liệu. • Độ từ hóa riêng (): Mômen từ trên một đơn vị khốI lượng. • Cảm ứng từ (B) của vật liệu: Từ thông tổng cộng của từ trường đi qua một đơn vị tiết diện cắt ngang của vật liệu, • B = 0 (H+M) (1a). • B = H + 4M (1b). • 0 là độ từ thẩm của chân không ( 4 x 10 -7 Hm-1), là tỷ số của B/H được đo trong chân không . • Độ cảm từ của vật liệu: • Độ từ thẩm: • Độ phân cực từ: J = 0M

17. 4. Phân loại các vật liệu từ Hình 3. Bảng tuần hoàn của các nguyên tố cho ta bản chất từ của mỗi nguyên tố tại nhiệt độ phòng.

18. 1A Electronic Structures of Atoms on the Periodic Table 2A 3A 4A 5A 6A 7A 8A 1H1s1 2He1s2 3Li1s22s1 4Be1s22s2 5B1s22s22p1 6C1s22s22p2 7N1s22s22p3 8O1s22s22p4 9F1s22s22p5 10Ne1s22s22p6 11Na[Ne]3s1 12Mg[Ne]3s2 13Al[Ne]3s23p1 14Si[Ne]3s23p2 15P[Ne]3s23p3 16S[Ne]3s23p4 17Cl[Ne]3s23p5 18Ar[Ne]3s23p6

19. Chất nghịch từ Trong một vật liệu nghịch từ , các nguyên tử không có mômen từ riêng khi không có từ trường ngoài đặt vào. Dưới ảnh hưởng của một từ trường ngoài (H) các electron đang quay sẽ tiến động và chuyển động này , là một loại dòng điện, tạo ra một độ từ hóa (M) trong hướng đối diện với phương của từ trường ngoài. Tất cả vật liệu đều có hiệu ứng nghịch từ, song thường trong trường hợp mà hiệu ứng nghịch từ bị bao phủ bởi hiệu ứng thuận từ hay sắt từ lớn hơn. Giá trị của độ cảm từ là độc lập với nhiệt độ.

20. Chất thuận từ.

21. Có vài lý thuyết về chất thuận từ , phù hợp cho các loại riêng của vật liệu. Mô hình Langevin đúng cho các vật liệu với các electron định xứ không tương tác với nhau , ở các trạng thái mà mỗi nguyên tử có một mômen từ định hướng hỗn loạn do sự chuyển động nhiệt. Việc áp đặt một từ trường ngoài đã tạo ra một sự sắp xếp một ít các mômen này và vì vậy mà một độ từ hóa thấp theo cùng phương như từ trường ngoài. Khi tăng nhiệt độ, do sự chuyển động nhiệt sẽ tăng lên, nó sẽ trở nên khó hơn để sắp xếp các mômen từ nguyên tử và vì vậy, độ cảm từ sẽ giảm xuống. Bản chất này được biết như định luật Curie và được cho trong phương trình 7, ở đó C là một hằng số vật liệu được gọi là hằng số Curie. (7) Các vật liệu tuân theo định luật này là các vật liệu trong đó các mômen từ được định xứ tại vị trí nguyên tử hay ion và ở đó không có tương tác giữa các mômen từ lân cận. Muối hydrad của các kim loại chuyển tiếp, như CuSO4.5H2O, là các ví dụ của loại này có bản chất như các ion kim loại chuyển tiếp, có một mômen từ , được bao quanh bởi nhiều các ion hay các nguyên tử không từ, ngăn cản tương tác giữa các mômen từ lân cận.

22. Thực ra thì định luật Curie là trường hợp riêng của định luật Curie-Weiss tổng quát hơn ( phương trình 8), nó hợp nhất một hằng số nhiệt độ () và bắt nguồn từ lý thuyết Weiss, sử dụng cho các vật liệu sắt từ, kết hợp tương tác giữa các mômen từ. (8) Trong phương trình này,  có thể dương, âm hoặc bằng không. Rõ ràng là khi  = 0, thì định luật Curie-Weiss bằng định luật Curie. Khi  khác không thì có một tương tác giữa các mômen từ lân cận và các vật liệu chỉ là thuận từ ở trên một nhiệt độ chuyển tiếp nào đó. Nếu  dương thì vật liệu là sắt từ ở dưới nhiệt độ chuyển tiếp và giá trị  tương ứng với nhiệt độ chuyển tiếp ( nhiệt độ Curie, TC). Nếu  là âm, thì khi đó vật liệu là phản sắt từ ở dưới nhiệt độ chuyển tiếp ( nhiệt độ Néel, TN), song giá trị của  không liên quan tới TN. Một điều quan trong cần chú ý là phương trình này chỉ có giá trị khi vật liệu ở trong trạng thái thuận từ.Nó cũng không có giá trị cho nhiều kim loại vì các electron đóng góp vào mômen từ đều không định xứ. Song định luật áp dụng cho một vài kim loại , chẳng hạn các đất hiếm, ở đó các electron 4f, tạo nên mômen từ là xếp chặt.

23. Model Pauli của tính thuận từ là đúng cho các kim loại mà ở đó các electron là tự do và tương tác để tạo ra một vùng dẫn . Điều này đúng cho hầu hết các kim loại thuận từ. Trong model này các electron dẫn được xem như là tự do và dưới một trường ngoài một sự mất cân bằng giữa các electron với spin ngược nhau được tạo ra dẫn đến một độ từ hóa thấp có cùng phương với từ trường ngoài. Độ cảm từ không phụ thuộc vào nhiệt độ, tuy rằng cấu trúc vùng electron có thể bị ảnh hưởng, và lại ảnh hưởng lên độ cảm từ.

24. Tính sắt từ

25. Tính sắt từ Tính sắt từ chỉ có thể khi các nguyên tử được sắp xếp trong một mạng và các mômen từ nguyên tử có thể tương tác lên nhau và sắp xếp song song với nhau. Hiệu ứng này được giải thích theo lý thuyết cổ điển bằng sự có mặt của một trường phân tử bên trong vật liệu sắt từ, lần đầu tiên được đưa ra bởi Weiss vào năm 1907. Trường này đủ để từ hóa vật liệu đến trạng thái bão hòa. Trong cơ học lượng tử, model Heisenberg của sắt từ đã mô tả sự định hướng song song của các mômen từ theo tương tác trao đổi giữa các mômen lân cận. Weiss đã đưa ra sự có mặt của các đômen từ bên trong vật liệu, là các vùng mà ở đó các mômen từ nguyên tử được định hướng . Sự dịch chuyển của các đômen này sẽ xác định vật liệu hưởng ứng như thế nào với một từ trường và như một hệ quả, độ cảm là một hàm của từ trường ngoài. Vì vậy, các vật liệu sắt từ thường được so sánh theo độ từ hóa bão hòa ( độ từ hóa khi tất cả các đômen đã được định hướng ) hơn là theo độ cảm từ.

26. Trong bảng tuần hòan các nguyên tố, chỉ có Fe, Co và Ni là chất sắt từ tại và trên nhiệt độ phòng. Bởi vì các vật liệu sắt từ được nung lên trên nhiệt độ đó sẽ tạo nên sự chuyển động nhiệt của các nguyên tử, nghĩa là bậc định hướng của các mômen từ nguyên tử giảm đi và vì vậy,độ từ hóa bão hòa cũng giảm xuống. Dần dần, sự chuyển động nhiệt trở nên lớn đến mức vật liệu trở thành thuận từ; nhiệt độ của sự chuyển này là nhiệt độ Curie, Tc ( Fe: Tc = 770oC, Co: Tc= 1131oC và Ni: Tc= 358oC) , Trên Tc độ cảm từ thay đổi theo định luật Curie-Weiss.

27. Chất phản sắt từ.

28. Trong bảng tuần hòan, chỉ có một nguyên tố biểu hiện tính phản sắt từ tại nhiệt độ phòng là crom. Các vật liệu phản sắt từ rất giống như các vật liệu sắt từ, nhưng tương tác trao đổi giữa các nguyên tử lân cận dẫn đến sự sắp xếp phản song song của các mômen từ nguyên tử. Vì vậy, từ trường trượt tiêu và vật liệu xuất hiện bản chất giống như là một vật liệu thuận từ. Giống như các vật liệu sắt từ, các vật liệu này trở thành thuận từ ở trên một nhiệt độ chuyển tiếp , được gọi là nhiệt độ Néel, TN. ( Cr: TN = 37oC) .

29. Ferit từ

30. Ferit từ chỉ được quan sát trong các hợp chất có cấu trúc tinh thể phức tạp hơn so với các nguyên tố thuần khiết. Bên trong các vật liệu này các tương tác trao đổi dẫn đến một sự sắp xếp song song của các nguyên tử trong cùng một vị trí tinh thể và sự sắp xếp phản song song trong các vị trí khác. Vật liệu bị chia thành các đômen, giống như trong vật liệu sắt từ và bản chất từ cũng như vậy , mặc dù các vật liệu ferít có độ từ hóa bão hòa thấp hơn. Ví dụ trong ferit barium, ( BaO.6Fe2O3), ô đơn vị chứa 64 ion, trong đó các ion Ba và ôxy không có các mômen từ; 16 Fe3+ có các mômen từ sắp xếp song song và 8 Fe3+sắp xếp phản song song , cho một độ từ hóa riêng song song với trường ngoài, nhưng với độ lớn tương đối thấp, chỉ 1/8 của các ion đóng góp vào độ từ hóa của vật liệu.

31. 5. Các tính chất nội tại của các vật liệu Độ từ hóa bão hòa (Ms) Độ từ hóa bão hòa (Ms) là một phép đo số lượng cực đại của trường có thể được sinh ra bởi một vật liệu. Nó sẽ phụ thuộc vào cường độ của các mômen dipol trên các nguyên tử cấu tạo vật liệu và chúng xếp chặt như thế nào đó với nhau. Mômen dipol nguyên tử sẽ bị ảnh hưởng bởi bản chất của nguyên tử và toàn bộ cấu trúc electron bên trong hợp chất. Mật độ xếp của các mômen nguyên tử sẽ được xác định bởi cấu trúc tinh thể ( tức là không gian của các mômen ) và sự có mặt của các nguyên tố không có từ tính bên trong cấu trúc. Đối với các vật liệu sắt từ, tại các nhiệt độ nhất định, Ms cũng sẽ phụ thuộc vào việc các mômen từ này sắp xép tốt như thế nào, vì dao động nhiệt của các nguyên tử gây ra sự sai hỏng sắp xếp của các mômen và làm giảm Ms. Đối với các vật liệu ferit, không phải tất cả các mômen đều sắp xếp song song, ngay cả tại 0 K và vì vậy, Ms sẽ phụ thuộc vào sự sắp xếp tương đối của các mômen cũng như nhiệt độ.

32. Độ từ hóa bão hòa cũng được xem như độ từ hóa tự phát, tuy nhiên số hạng này thường được sử dụng để mô tả độ từ hóa bên trong một đơn đômen từ. Bảng 3 cho ta vài ví dụ các vật liệu thường dùng trong các ứng dụng từ tính. Bảng 3. Độ phân cực từ bão hòa Js và nhiệt độ Curie Tc của vài vật lịêu từ

33. Sự dị hướng từ Sự dị hướng từ của tinh thể cobalt

34. Sự dị hướng từ Trong một vật liệu từ kết tinh,các tính chất từ sẽ rất phụ thuộc vào các phương tinh thể hóa, mà các dipol từ sẽ sắp xếp. Hình 4 biểu diễn hiệu ứng này đối với một đơn tinh thể cobalt. Cấu trúc tinh thể hexagonal của cobalt có thể được từ hóa dễ dàng theo phương [0001] ( tức là dọc theo trục c), nhưng có trục khó của độ từ hóa theo phương loại [1010], nằm trong mặt phẳng cơ sở ( 90o so với trục dễ). Một phép đo dị hướng từ tinh thể theo phương dễ từ hóa là trường dị hướng, Ha ( được minh họa trên hình 4 ), là trường đòi hỏi để quay tất cả các mômen đi 90o, là một đơn vị trong một đơn tinh thể bão hòa. Sự dị hướng được gây ra bởi một liên kết của các quỹ đạo electron đối với mạng, và theo phương dễ từ hóa thì liên kết này là làm cho các quỹ đạo này ở trạng thái năng lượng thấp nhất.

35. Sự dị hướng từ Hướng dễ từ hóa đối với một nam châm vĩnh cửu, ferít hay hợp kim đất hiếm, có thể là đơn trục , song nó cũng có thể có các vật liệu với nhiều trục dễ hoặc ở đó trục dễ nằm tại mọi nơi trong một mặt phảng nào đó hoặc trên bề mặt của một hình nón. Sự thực là,một nam châm vĩnh cửu có tính dị hướng đơn trục nghĩa là khó để khử từ , vì nó cản trở sự quay của phương từ hóa.

36. Các đômen từ Để giải thích được sự thật là các vật liệu sắt từ với độ từ hóa tự phát có thể tồn tại ở trạng thái khử từ, Weiss đã đưa ra khái niệm các đômen từ. Weiss đã xây dựng trên cơ sở của công trình trước đó của Ampère, Weber và Ewing khi đưa ra sự tồn tại của chúng. Các kết quả tìm thấy của công trình này liên quan đến điều là bên trong một đômen một số lớn các mômen nguyên tử đã được định hướng là 10 12 – 10 18, vượt quá một khối lượng lớn hơn nhiều so với những dự đoán trước đó. Độ từ hóa bên trong đômen đã được bão hòa và sẽ luôn nằm theo phương từ hóa dễ khi ở đó không có từ trường ngoài đặt vào. Phương của sự định hướng đômen ngang qua một khối lượng lớn vật liệu là ngẫu nhiên nhiều hay ít và vì vậy độ từ hóa của một mẫu là có thể bằng không.

37. Các đômen từ Đômen từ tồn tại nhằm giảm năng lượng của hệ. Một mẫu được từ hóa đồng nhất, như trên hình 5(a), có một năng lượng tĩnh từ lớn liên quan đến nó. Đó là hệ quả của sự có mặt của cáccự từ tự do tại bề mặt của mẫu, khi phát sinh ra một trường khử từ , Hd. Từ quy ước được chấp nhận cho dịnh nghĩa của mômen từ cho một dipol từ thì độ từ hóa bên trong mẫu chỉ ra đi từ cực nam cho đến cực bắc, trong khi đó phương của từ trường chỉ ra là đi từ cực bắc đến cực nam. Vì vậy, trường khử từ theo phương ngược với sự từ hóa của mẫu. Độ lớn của Hd phụ thuộc vào hình học và độ từ hóa của mẫu. Nói chung, nếu mẫu có tỷ lệ cao của độ dài trên đường kính ( và được từ hóa theo truc dài) thì trường khử từ và năng lượng tĩnh từ sẽ thấp.

38. Các đômen từ Minh họa sự chia vật liệu thành (a) đơn đômen, (b) hai dômen, (c) Bốn đômen và (e) Các đômen khép kín.

39. Các đômen từ Việc phân chia mẫu được từ hóa thành hai đômen như minh họa trên hình 5(b) đã làm giảm năng lượng tĩnh từ xuống còn một nửa. Trong thực tế , nếu nam châm được phân chia thành N đômen thì năng lượng tĩnh từ sẽ được giảm đi N lần, vì vậy, hình 5(c) có ¼ năng lượng tĩnh từ của hình 5(a). Hình 5(d) chỉ ra cấu trúc đômen kín, ở đó năng lượng tĩnh từ bằng không, song điều này chỉ có thể được đối với các vật liệu mà không có một dị hướng từ đơn trục mạnh, và các đômen lân cận không phải bị từ hóa theo phương 180o đối với nhau.

40. Các đômen từ Việc đưa vào một đômen đã làm tăng năng lượng tổng cộng của hệ, vì vậy việc chia thành các đômen chỉ tiếp tục khi việc giảm năng lượng tĩnh từ lớn hơn so với năng lượng đòi hỏi để tạo ra vách đômen. Năng lượng liên quan đến một vách đômen tỷ lệ với diện tích của nó. Việc biểu diễn sơ đồ của vách đômen được chỉ ra trên hình 6, chỉ ra rằng các mômen dipol của các nguyên tử bên trong vách không nằm 180o đối với nhau và năng lương trao đổi cũng tăng lên bên trong vách. Vì vậy, năng lượng vách đômen là một tính chất nội tại của một vật liệu phụ thuộc vào mức độ dị hướng từ tinh thể và cường độ của tương tác trao đổi giữa các nguyên tử lân cận. Độ dày của vách sẽ thay đổi tương quan đến các thông số này, vì một dị hướng từ tinh thể mạnh sẽ phù hợp một vách hẹp, trong khi mà một tương tác trao đổi mạnh sẽ thích hợp với một vách rộng.

41. Domains: Magnetized material Unmagnetized material E total minimized by presence of domains within material that align spins within domains, and keep H external ~ 0

42. Domains Domains showing the effect of minimizing exchange energy and magneto static energy (a) (b) (c) • Magneto Static Energy • MAXIMUM MINIMIZED REDUCED (e) (d) Showing additional energy contributors – Magneto Striction and Wall Surface Energy

43. Domains Magnetic Domains delineated by iron filings in an applied Magnetic Field. Magnetic Force Microscopy (MFM) image showing the magnetic domains in a piece of heat treated carbon steel

44. Part 2 Domains Wall thickness about 1000 Å (100 nm, 0.1 m)

45. Các đômen từ Sơ đồ biểu diễn vách đômen 180o

46. Các đômen từ Vì vậy, một năng lượng cực tiểu có thể đạt được với một số riêng biệt các đômen bên trong một mẫu. Số các đômen sẽ phụ thuộc vào kích thước và hình dạng của mẫu ( nó sẽ ảnh hưởng lên năng lượng tĩnh từ) và tính chất từ nội tại của vật liệu ( nó sẽ ảnh hưởng lên năng lượng tĩnh từ và năng lượng vách đômen).

47. 8- Hiện tượng từ trễ Một chu trình trễ điển hình của vật liệu sắt từ hay ferít.

48. 8- Hiện tượng từ trễ Các vật liệu sắt từ và ferit từ có các đường cong từ hóa ban đầu không tuyến tính ( tức là các đường chấm trên hình 7), bởi vì độ từ hóa thay đổi với từ trường ngoài là do một sự thay đổi trong cấu trúc đômen từ. Các vật liệu này cũng chỉ ra tính trễ và độ từ hóa không quay về giá trị không sau khi cắt từ trường ngoài. Hình 7 chỉ ra một chu trình từ hóa tiêu biểu ; hai chu trình biểu diễn cùng một số liệu , song, chu trình màu đỏ là độ phân cực ( J = 0M = B - 0 H) và chu trình màu xanh là độ cảm ứng, cả hai đều được vẽ đối với từ trường ngoài.

49. Hiện tượng từ trễ Trên một phần tư thứ nhất của chu trình được minh họa là đường cong từ hóa ban đầu ( đường chấm chấm), chỉ ra sự tăng của độ phân cực và (độ cảm ứng ) lên sự áp đặt của một trường đến mẫu chưa bị từ hóa. Trong một phần tư thứ nhất, độ phân cực và trường ngoài , cả hai đều dương, tứ là chúng trong cùng hướng. Độ phân cực tăng ban đầu bằng sự lớn lên của các đômen được định hướng thuận lợi, nó sẽ được từ hóa trong phương dễ của tinh thể. Khi độ phân cực có thể tăng lên không thể hơn nửa bởi sự lớn lên của các đômen, thì phương của độ từ hóa của các đômen khi đó sẽ quay từ trục dễ sang định hướng với trường. Khi tất cả các đômen được định hướng hoàn toàn với trường ngoài thì sự bão hòa sẽ đạt được và độ phân cực không thể tăng hơn nữa.

50. Hiện tượng từ trễ Nếu trường ngoài được dỡ bỏ thì độ phân cực quay trở về dọc theo đường liền màu đỏ theo trục y ( tức là H = 0), và các đômen sẽ trở về hướng dễ từ hóa của chúng. Hệ quả làm giảm độ phân cực. Trên hinh 7, đường xuất phá từ điểm bão hòa đến trục y là nằm ngang, biểu diễn một vật liệu định hướng tốt, ở đó các đômen được từ hóa theo hướng dễ của tinh thể tại điểm bão hòa. Nếu hướng của trường ngoài là ngược lại ( tức là theo hướng âm ) thì khi đó sự phân cực sẽ đi theo đường đỏ vào trong một phần tư thứ hai. Hiện tượng trễ nghĩa là sự phân cực chậm lại phía sau trường ngoài và sẽ ngay lập tức chuyển hướng vào ytong một phần tư thứ ba ( tức là sự phân cực âm). Sự phân cực sẽ chỉ giảm xuống sau khi trường ngoài đủ cao được đặt vào để: 1) tạo mầm và nuôi lớn các đômen được định hướng phù hợp đối với trường ngoài. 2) Quay hướng của độ từ hóa của các đômen về phía từ trường ngoài.