Tabla de Contenidos
Thuận từ là tính chất của một số vật liệu trong đó khi chịu tác động của từ trường, một lực được tạo ra, lực này sẽ biến mất khi từ trường bị loại bỏ. Trước khi giải thích hiện tượng thuận từ, trước tiên chúng ta hãy xem xét một số ý tưởng về từ tính và từ trường.
Từ tính và từ trường
Từ tính là một trong ba tương tác của vật chất mà vật lý cổ điển dự tính, tức là vật lý Newton, cùng với lực hấp dẫn và tương tác điện. Trong quá khứ, người ta đã quan sát thấy rằng một số vật liệu nhất định đã hút sắt, và ở Hy Lạp cổ đại, thuật ngữ “từ tính” bắt nguồn, liên quan đến một loại khoáng chất sắt có đặc tính sắt từ. Sau đó, một ứng dụng cơ bản của từ tính đã được phát hiện ở Trung Quốc, la bàn, giúp căn chỉnh kim từ tính trong từ trường của trái đất cho phép định hướng trong bất kỳ môi trường địa lý nào. Từ trường và điện có liên quan với nhau, như Hans Christian Oersted lần đầu tiên chứng minh vào năm 1820 khi ông quan sát thấy dòng điện tạo ra lực từ. Một điện tích chuyển động tạo ra từ trường, trong khi từ trường chuyển động tạo ra dòng điện. Tuyên bố cuối cùng này là nguyên tắc hoạt động của máy phát điện, bằng cách quay từ trường với động cơ sẽ tạo ra dòng điện. Mối liên hệ giữa điện tích trong chuyển động và từ trường là điều cần thiết để hiểu hành vi của vật liệu từ tính và thuận từ.
Electron là một điện tích âm và chuyển động trong nguyên tử sẽ tạo ra từ trường; đây là nguồn gốc của tính chất từ của vật liệu. Chính các electron và chuyển động của chúng tạo ra từ tính của vật liệu. Từ trường được hiểu là sự phân bố của lực tại mỗi điểm xung quanh nguồn trường , lực này sẽ có độ lớn , phương và chiều .; Hình trình bày của bài báo cho thấy từ trường của một thanh nam châm với hai cực hút của nó. Các electron và chuyển động của chúng tạo ra từ trường theo hai cách, liên quan đến các loại chuyển động mà chúng phát triển trong nguyên tử: chuyển động quỹ đạo quanh hạt nhân và chuyển động tự quay, spin của nó. Cái sau, mômen từ quay, là quan trọng nhất do độ lớn của nó. Momen từ của nguyên tử bằng tổng momen từ của các electron. Các electron chiếm quỹ đạo nguyên tử theo từng cặp, có spin ngược chiều nhau; momen từ spin của các cặp electron trong cùng quỹ đạo sẽ bằng không. vì chúng triệt tiêu nhau khi chúng ngược chiều nhau. Do đó, chỉ những nguyên tử có quỹ đạo không hoàn chỉnh, chỉ có một electron, chúng sẽ có momen từ thuần và cường độ sẽ phụ thuộc vào số lượng quỹ đạo chỉ có một electron. Ví dụ, sắt có 26 electron và 4 3 obitan.d được chiếm giữ bởi một electron duy nhất; Coban, với 27 electron, có 3 quỹ đạo 3d được chiếm bởi một electron.
Vật liệu sắt từ và sắt từ
Trong một vật liệu, các momen từ nguyên tử bị mất trật tự, theo các hướng khác nhau. Khi tất cả các momen từ nguyên tử của vật liệu được sắp xếp theo cùng một hướng và theo cùng một nghĩa, chúng sẽ cộng lại và tạo ra từ hóa của vật liệu. Trong trường hợp này, chúng ta có một vật liệu sắt từ, có từ trường vĩnh cửu. Thứ tự của các momen từ nguyên tử này được tạo ra một cách tự phát trong một số vật liệu, nhưng nó không chỉ phụ thuộc vào nguyên tố mà còn phụ thuộc vào cách nó được tổ chức ở cấp độ vi mô, và đặc biệt là vào cấu trúc tinh thể. Một vật liệu tạo ra từ hóa vĩnh viễn tự phát có thể bao gồm các cung cực nhỏ với các hướng từ hóa khác nhau, như thể hiện trong hình dưới đây. Trong trường hợp này,
Sắt (Fe), coban và niken là một số nguyên tố tạo thành cấu trúc tinh thể dưới dạng nguyên tố hoặc là một phần của phân tử, tạo thành vật liệu sắt từ. Một hợp chất sắt từ được tạo thành từ sắt là oxit sắt khác, Fe 3 O 4 , cái gọi là từ tính, đã tạo ra thuật ngữ từ tính.
Một cách khác để định hướng mômen từ nguyên tử trong vật liệu có thể theo cùng hướng nhưng ngược hướng trong các đường xen kẽ, như thể hiện trong hình dưới đây. Vì độ lớn của mô men từ là khác nhau đối với mỗi hướng, nên tổ hợp có từ hóa thuần. Những vật liệu này được gọi là sắt từ và, giống như sắt từ, được từ hóa vĩnh viễn. Ferrite là vật liệu sắt từ phổ biến nhất. Ferrite là một nhóm các hợp chất sắt được tạo hợp kim với bari, kẽm, coban, stronti, mangan, molypden hoặc niken, tạo thành các cấu trúc tinh thể lập phương tâm diện. Tầm quan trọng của chúng nằm ở chỗ chúng là những vật liệu có từ hóa vĩnh viễn nhưng chúng không phải là chất dẫn điện và chúng có các tính chất cơ học rất tốt. Các ứng dụng của nó bao gồm từ nam châm trong tủ lạnh đến mực in trong máy in laser. Chúng tạo thành lõi bộ nhớ của các máy tính đời đầu và ở dạng bột, chúng được sử dụng trong các băng và dải ghi dữ liệu, trong sơn và trong nhiều ứng dụng khác.
vật liệu thuận từ
Vật liệu thuận từ là vật liệu có các momen từ nguyên tử được sắp xếp trật tự trong từ trường, và do đó sẽ chịu một lực khi được đặt trong từ trường, nhưng khi từ trường bên ngoài dừng lại, các momen từ nguyên tử của nó trở nên mất trật tự và không không giữ lại từ hóa. Một số ví dụ về vật liệu thuận từ là oxit sắt (FeO) và các phức hợp kim loại chuyển tiếp: crom, đồng, mangan, scandium, titan và vanadi. Nhưng tất cả các vật liệu sắt từ và sắt từ đều trở thành thuận từ khi được nung nóng trên một nhiệt độ nhất định, được gọi là nhiệt độ Curie (T c ) . Ví dụ nhiệt độ Curie của sắt là 770 o C, của coban là 1127 o C.C và của magnetit 585 o C.
Trong các vật liệu thuận từ, nhiệt độ ảnh hưởng đến lực từ sinh ra trong vật liệu khi có từ trường bên ngoài tác dụng, vì khi nhiệt độ tăng, thứ tự của các momen từ nguyên tử giảm. Điều này được thể hiện trong định luật Curie. bằng biểu thức sau:
χ = C/T
trong đó χ là độ cảm từ, T là nhiệt độ tuyệt đối (tính bằng Kelvin) và C là tham số phụ thuộc vào vật liệu, hằng số Curie.
Độ từ hóa M của vật liệu thuận từ cũng phụ thuộc vào cường độ của từ trường ngoài H. Biểu thức của độ từ hóa là:
M = χH = (C/T)H
Biểu thức này có giá trị đối với nhiệt độ cao và đối với từ trường bên ngoài yếu; tuy nhiên, nó mất giá trị khi tất cả các momen từ nguyên tử gần như hoàn toàn thẳng hàng. Tại thời điểm đó, ngay cả khi từ trường bên ngoài tăng lên hoặc giảm nhiệt độ, sẽ không có ảnh hưởng đến từ hóa của vật liệu, vì sẽ không có sự thay đổi trong thứ tự của các mômen từ nguyên tử. Đây là một điểm bão hòa từ tính .
Ý tưởng về sự bão hòa được thể hiện rõ ràng trong phần mở rộng của định luật Curie đối với các vật liệu sắt từ trong cái gọi là định luật Curie-Weiss, giới thiệu nhiệt độ Curie T c mà chúng ta đã thấy trước đây:
χ = C/(TT c )
Biểu thức này chỉ có ý nghĩa đối với các giá trị nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ Curie, một tình huống trong đó vật liệu hoạt động như thuận từ; đối với các giá trị nhiệt độ nhỏ hơn hoặc bằng nhiệt độ Curie, vật liệu có tính chất sắt từ và độ từ hóa của nó đạt giá trị lớn nhất có thể.
nguồn
Amikam Aharoni. Giới thiệu về lý thuyết sắt từ . Phiên bản thứ hai. Nhà xuất bản Đại học Oxford, 2000.
Rolf E. Hummel. Tính chất điện tử của vật liệu . Mùa xuân, 2011.
WKH Panofski và M. Philips. Điện và từ cổ điển . New York: Dover, 2005.
Nguyên tắc cơ bản của khóa học vật liệu, UPV. https://www.upv.es/materiales/Fcm/Fcm10/trb10_2.html
