VẬT LIỆU ĐIỆN - ĐIỆN TỬ (ELECTRONIC & ELECTRICAL MATERIALS) VẬT LIỆU TỪ (MAGNETIC MAGNETIC MATERIALS) MATERIALS VẬT LIỆU TỪ (MAGNETIC MATERIALS) NỘI DUNG : I NGUỒN GỐC TỪ TÍNH CỦA VẬT LIỆU II ĐẶC TÍNH TỪ HOÁ CUẢ VẬT LIỆU III TỔN HAO TRONG VẬT LIỆU TỪ IV ỨNG DỤNG CỦA VẬT LIỆU TỪ NGUỒN GỐC TỪ TÍNH CỦA VẬT LIỆU MNT Ms ML  Ms : Moment electron chuyển động tự quay (spin)  Ml : Moment electron chuyển động quanh q đạo Mnt : Moment từ nguyên tử Mnt = Ms + Ml NGUỒN GỐC TỪ TÍNH CỦA VẬT LIỆU ĐỘ TỪ HOÁ CỦA VẬT LIỆU Độ từ hoá vật liệu tổng moment từ có đơn vò thể tích đặt vật liệu từ trường (: Độ cảm từ)  Moment phân cực từ M đặt vật liệu từ trường Từ cảm B quan hệ tỉ lệ với cường độ từ trường M   H J M  0 M  0  H B = μ0 (H +M) B = μ0(1 + χ).H μr = (1 + χ) gọi hệ số từ thẩm tương đối μ = 0.r : gọi hệ số từ thẩm tuyệt đối HỆ THỐNG ĐƠN VỊ TỪ PHÂN LOẠI VẬT LIỆU TỪ Vật liệu nghòch từ = - 10-6 (Zn, Au, Hg, Si, P, S) Vật liệu thuận từ   10-5  10-1 Vật liệu sắt từ  = 106 (Fe, Ni, Co) VẬT LIỆU NGHỊCH TỪ Chất nghịch từ (Diamagnetic substances), chất khơng có mơment từ ngun tử Tổng mơment từ điện tử chất =0, khơng có từ trường ngồi Khi đặt vào từ trường B0, hiểu giống quy tắc cảm ứng điện từ sinh từ trường phụ bù trừ với từ trường ngồi (B'< B0 ngược chiều với B0 ) Các chất Bi, H_2O, Si, Pb, Cu chất nghịch từ điển hình Bình thường, ta khơng quan sát thấy tượng nghịch từ tính nghịch từ yếu từ trường thơng thường Nhưng ta tiến hành thí nghiệm từ trường cao, thấy tượng rõ ràng VẬT LIỆU THUẬN TỪ Chất thuận từ (Paramagnetic substances), chất có mơmen từ ngun tử, mơment khơng có tương tác với nên trạng thái thường, tổng mơmen từ =0 Khi đặt vào từ trường ngồi B0, mơmen từ có xu hướng xoay theo chiều từ trường (cũng giống sinh từ trường phụ) nên tính nghich từ ngun tử khơng ý nghĩa Các chất thuận từ điển hình Al, Na, O2 Hình ảnh quen thuộc mà bạn hay thấy ơxy lỏng bị hút vào nam châm điện quan sát thấy nam châm mạnh tính thuận từ tính chất yếu Hình mơ tả cấu trúc từ chất thuận từ VẬT LIỆU FERRI TỪ Vật liệu gốm Ferite (MeO.Fe2O3) Là dạng hợp chất tạo từ hỗn hợp ơxit Fe (Fe2O3) với ơxit kim loại khác mang hóa trị (MeO) Về mặt chất, ferrite nhóm vật liệu ferri từ, có nghĩa cấu trúc gồm phân mạng có spin đối song song với nhau, khơng bù trừ hồn tồn Các ferrite từ mềm điển hình MnZnFe2O4, ferite Cd, ferrite NiMnFe2O4 Điểm mạnh ferrite có điện trở suất cao (chúng có tính dẫn bán dẫn có chất gốm) nên sử dụng ứng dụng sử dụng tần số cao ĐẶC TÍNH TỪ HOÁ CỦA VẬT LIỆU ĐẶC TÍNH TỪ HOÁ CỦA VẬT LIỆU DOMEN TỪ (VÙNG TỪ HOÁ) H=0 H VẬT LIỆU TỪ H0 H H H=0 BÃO HOÀ TỪ TRỄ TỪ ĐẶC TÍNH TỪ HOÁ CỦA VẬT LIỆU ĐẶC TÍNH TỪ HOÁ CỦA VẬT LIỆU VẬT LIỆU TỪ MỀM; TỪ CỨNG Vật liệu từ cứng: Là vật liệu sắt từ khó từ hóa khó khử từ thường dùng cho ứng dụng lưu trữ từ trường nam châm vĩnh cửu, vật liệu ghi từ Các vật liệu từ cứng điển hình Nd2Fe14B, Sm2Co5, FePt Vật liệu từ mềm: Là vật liệu sắt từ dễ từ hóa dễ bị khử từ, thường dùng cho ứng dụng hoạt động từ trường ngồi lõi biến thế, nam châm điện, lõi dẫn từ, cảm biến từ trường Các vật liệu từ mềm điển hình sắt silic (FeSi), hợp kim permalloy NiFe Năng lượng từ VẬT LIỆU từ cứng Tích lượng từ cực đại Là lượng từ lớn tồn trữ đơn vị thể tích vật từ, liên quan đến khả sản sinh từ trường vật từ, thường tham số kỹ thuật nam châm vĩnh cửu vật liệu từ cứng Tích lượng từ cực đại xác định đường cong khử từ B(H) góc 1/4 thứ 2, điểm có giá trị tích B.H lớn Tích lượng từ tham số dẫn suất, phụ thuộc vào tính chất từ nội vật liệu hình dạng vật liệu, thường mang ý nghĩa ứng dụng nam châm vĩnh cửu vật liệu từ cứng Tỉ số tích lượng từ cực đại chia cho tích lực kháng từ từ dư gọi hệ số lồi đường cong từ trễ, hay hệ số lồi vật từ VẬT LIỆU TỪ MỀM - TỪ CỨNG Hợp kim Permalloy (Ni {100-x} Fex) hợp kim Fe Ni vật liệu sắt từ mềm cao cấp có độ từ thẩm cao, có tính dẻo tốt, khả chịu mài mòn chống ăn mòn cao, từ độ bão hồ khơng cao Độ từ thẩm ban đầu Permalloy đạt tới 10.000 lần, độ từ thẩm cực đại đạt tới 600.000 có lực kháng từ nhỏ tới 0,01 Oe (với permalloy chuẩn Ni {75} Fe {25} Tuy nhiên,permalloy có điện trở suất thấp cảm ứng từ bão hồ khơng cao nên khơng sử dụng ứng dụng cao tần Permalloy sử dụng nhiều màng mỏng spintronics, và biến thế có chất lượng cao, hay lõi dẫn từ, stator động cơ, máy phát điện Tính chất permalloy phụ thuộc mạnh vào tỉ sớ Fe Ni vật liệu VẬT LIỆU TỪ GIẢO Từ giảo - Magntostriction (hiệu ứng từ đàn hồi): Hiệu ứng từ giảo hiệu ứng thay đổi kích thước vật từ tác dụng từ trường ngồi Khi ta đặt từ trường ngồi, kích thước vật thay đổi, hiệu ứng từ giảo thuận, thay đổi kích thước vật dẫn đến thay đổi từ tính, từ giảo nghịch Hiệu ứng thay đổi chiều dài, gọi từ giảo dài, thay đổi thể tích gọi từ giảo khối Độ biến dạng đặc trưng thơng số độ từ giảo bão hòa (L) – độ biến dạng cực đại, độ cảm từ giảo (susceptibility) – độ biến thiên từ giảo theo từ trường ngồi Có loại vật liệu có từ giảo bão hòa gần khơng hợp kim Invar có vật liệu có từ giảo bão hòa lớn liên kim loại đất – kim loại chuyển tiếp Vật liệu có từ giảo lớn ứng dụng nhiều hệ vi mơ vi cảm biến chẳng hạn (microsensor) để đo biến dạng học để điều khiển dịch chuyển hệ kích thước micromet ẢNH HƯỞNG CỦA TẦN SỐ VÀ NHIỆT ĐỘ NHIỆT ĐỘ CURIE Sắt: 1043 K Cơban: 1388 K Niken: 627 K Gađơli: 292,5 K Dysproxium (Dy): 88 K MnBi: 630 K MnSb: 587 K ẢNH HƯỞNG TẦN SỐ ẢNH HƯỞNG NHIỆT ĐỘ TỔN HAO TRONG VẬT LIỆU TỪ Tổn hao từ trễ: Tổn hao dòng xoáy: Tổn hao lượng trễ Được tính phần diện tích đường cong từ trễ, lượng tiêu tốn cần thiết cho chu trình từ trễ, có đơn vị mật độ lượng n S PH   f B Là tổn hao dòng điện Foucault PFoucault  S 2 f 4.B d k f 3.  Với: Bs cảm ứng từ bão hồ lõi d: độ dày lõi kf hệ số đặc trưng f: Tần số từ trường xoay chiều : Khối lượng riêng vật liệu ρ: điện trở suất Với: Bs cảm ứng từ bão hồ lõi : Hệ số tuỳ thuộc vật liệu f: Tần số từ trường xoay chiều n = (1,620):tuỳ theo dạng cong B=f(H) TỔN HAO TRONG VẬT LIỆU TỪ MẠCH ĐIỆN TƯƠNG ĐƯƠNG TỔN HAO TỪ : U i P=I2.L..tgm LM U RM UR= I.R  m UL UR UL= I..L Với: m góc tổn hao từ tg m : hệ số tổn hao R tg m  L. f  B PH   pH  B   M f  B0  f0  f B PF   pF  B   M  f B0  fO ỨNG DỤNG CỦA VẬT LIỆU TỪ Có thể nói vật liệu sắt từ nghiên cứu ứng dụng rộng rãi khoa học, cơng nghiệp đời sống, từ nam châm vĩnh cửu, đến lõi biến thế, hay cao ổ cứng máy tính, đầu đọc ổ cứng Một hiệu ứng khác chất sắt từ hiệu ứng từ nhiệt khổng lồ nghiên cứu phát triển hệ máy lạnh hoạt động từ trường thay cho máy lạnh truyền thống với ưu điểm khơng nhiễm, tiết kiệm lượng nhỏ gọn Các hiệu ứng từ điện trở chất sắt từ khai thác để đời linh kiện điện tử hệ gọi spintronic, tức linh kiện hoạt động cách điều khiển spin điện tử ỨNG DỤNG CỦA VẬT LIỆU TỪ XU THẾ MỚI TRONG NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU TỪ Các màng mỏng ghi từ mật độ cao Ứng dụng ổ cứng lưu trữ thơng tin Đó màng mỏng từ (có tính chất từ cứng) mà tiêu biểu màng FePt màng CoPt với tính từ cứng cao, độ bền khả chống mài mòn, chống ơxi hóa tốt Hiện nay, xu tập trung nâng cao mật độ ghi Các vật liệu từ nano tổ hợp có tính chất siêu mềm siêu cứng Nghiên cứu vật liệu từ tổ hợp kích thước nano có tính chất từ mềm tuyệt vời, nam châm nano có phẩm chất cao, giá thành thấp độ bền lớn Các vật liệu từ nhiệt cho máy lạnh từ khơng nhiễm, tiết kiệm lượng Vật liệu có hiệu ứng từ trở khổng lồ, cơng nghệ spintronics Nghiên cứu vật liệu khối, màng mỏng có hiệu ứng từ trở khổng lồ, ứng dụng đầu đọc tốc độ cao, nhớ RAM từ điện trở Đây cơng nghệ TK 21 Các vật liệu có hiệu ứng từ giảo ứng dụng cơng nghệ vi Từ giảo thay đổi kích cỡ, hình dạng vật liệu tác dụng từ trường Các chất lỏng từ ứng dụng cơng nghệ y sinh [...]... CỦA VẬT LIỆU DOMEN TỪ (VÙNG TỪ HOÁ) H=0 H VẬT LIỆU TỪ H0 H H H=0 BÃO HOÀ TỪ TRỄ TỪ ĐẶC TÍNH TỪ HOÁ CỦA VẬT LIỆU ĐẶC TÍNH TỪ HOÁ CỦA VẬT LIỆU VẬT LIỆU TỪ MỀM; TỪ CỨNG Vật liệu từ cứng: Là các vật liệu sắt từ khó từ hóa và khó khử từ thường dùng cho các ứng dụng lưu trữ từ trường như nam châm vĩnh cửu, vật liệu ghi từ Các vật liệu từ cứng điển hình là Nd2Fe14B, Sm2Co5, FePt Vật liệu từ mềm: Là các vật. .. thành từ độ tự phát - spontaneous magnetization của vật liệu (có nghĩa là độ từ hóa tồn tại ngay cả khi khơng có từ trường) Nếu khơng có từ trường, do năng lượng nhiệt làm cho mơmen từ của các đơmen trong tồn khối sẽ sắp xếp hỗn độn do vậy tổng độ từ hóa của tồn khối vẫn bằng = 0 VẬT LIỆU NGHỊCH TỪ; THUẬN TỪ VẬT LIỆU PHẢN SẮT TỪ; FERRIT TỪ VẬT LIỆU PHẢN SẮT TỪ VẬT LIỆU FERRI TỪ VẬT LIỆU PHẢN SẮT TỪ Ở... mềm: Là các vật liệu sắt từ dễ từ hóa và dễ bị khử từ, thường dùng cho các ứng dụng hoạt động trong từ trường ngồi như lõi biến thế, nam châm điện, lõi dẫn từ, cảm biến từ trường Các vật liệu từ mềm điển hình là sắt silic (FeSi), hợp kim permalloy NiFe Năng lượng từ trong VẬT LIỆU từ cứng Tích năng lượng từ cực đại Là năng lượng từ lớn nhất có thể tồn trữ trong một đơn vị thể tích vật từ, liên quan... cửu và vật liệu từ cứng Tỉ số tích năng lượng từ cực đại chia cho tích lực kháng từ và từ dư được gọi là hệ số lồi của đường cong từ trễ, hay hệ số lồi của vật từ VẬT LIỆU TỪ MỀM - TỪ CỨNG Hợp kim Permalloy (Ni {100-x} Fex) là hợp kim của Fe và Ni là vật liệu sắt từ mềm cao cấp có độ từ thẩm rất cao, có tính dẻo rất tốt, khả năng chịu mài mòn và chống ăn mòn cao, nhưng từ độ bão hồ khơng cao Độ từ thẩm... Fe và Ni trong vật liệu VẬT LIỆU TỪ GIẢO Từ giảo - Magntostriction (hiệu ứng từ đàn hồi): Hiệu ứng từ giảo là hiệu ứng thay đổi kích thước vật từ dưới tác dụng của từ trường ngồi Khi ta đặt một từ trường ngồi, kích thước của vật thay đổi, đó là hiệu ứng từ giảo thuận, còn nếu thay đổi kích thước của vật dẫn đến thay đổi từ tính, đó là từ giảo nghịch Hiệu ứng thay đổi chiều dài, gọi là từ giảo dài, còn... tích gọi là từ giảo khối Độ biến dạng được đặc trưng bởi các thơng số như độ từ giảo bão hòa (L) – độ biến dạng cực đại, và độ cảm từ giảo (susceptibility) – độ biến thiên của từ giảo theo từ trường ngồi Có những loại vật liệu có từ giảo bão hòa gần bằng khơng như hợp kim Invar nhưng cũng có những vật liệu có từ giảo bão hòa rất lớn như liên kim loại đất hiếm – kim loại chuyển tiếp Vật liệu có từ giảo... các vật liệu từ tổ hợp kích thước nano có tính chất từ mềm tuyệt vời, hoặc các nam châm nano có phẩm chất cao, giá thành thấp và độ bền lớn 3 Các vật liệu từ nhiệt cho máy lạnh từ khơng ơ nhiễm, tiết kiệm năng lượng 4 Vật liệu có hiệu ứng từ trở khổng lồ, cơng nghệ spintronics Nghiên cứu về các vật liệu khối, màng mỏng có hiệu ứng từ trở khổng lồ, ứng dụng trong các đầu đọc tốc độ cao, bộ nhớ RAM từ điện. .. spin của điện tử ỨNG DỤNG CỦA VẬT LIỆU TỪ XU THẾ MỚI TRONG NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU TỪ 1 Các màng mỏng ghi từ mật độ cao Ứng dụng trong các ổ cứng lưu trữ thơng tin Đó là các màng mỏng từ (có tính chất từ cứng) mà tiêu biểu là màng FePt và màng CoPt với tính từ cứng rất cao, độ bền và khả năng chống mài mòn, chống ơxi hóa tốt Hiện nay, xu thế đang tập trung là nâng cao mật độ ghi 2 Các vật liệu từ nano... d k f 3.  Với: Bs là cảm ứng từ bão hồ của lõi d: độ dày của lõi kf là một hệ số đặc trưng f: Tần số từ trường xoay chiều : Khối lượng riêng vật liệu ρ: điện trở suất Với: Bs là cảm ứng từ bão hồ của lõi : Hệ số tuỳ thuộc vật liệu f: Tần số từ trường xoay chiều n = (1,620):tuỳ theo dạng cong của B=f(H) 2 TỔN HAO TRONG VẬT LIỆU TỪ MẠCH ĐIỆN TƯƠNG ĐƯƠNG TỔN HAO TỪ : U i P=I2.L..tgm LM U RM UR=... từ, liên quan đến khả năng sản sinh từ trường của vật từ, thường là tham số kỹ thuật của các nam châm vĩnh cửu và vật liệu từ cứng Tích năng lượng từ cực đại được xác định trên đường cong khử từ B(H) trong góc 1/4 thứ 2, là điểm có giá trị tích B.H lớn nhất Tích năng lượng từ là tham số dẫn suất, phụ thuộc vào các tính chất từ nội tại của vật liệu và hình dạng của vật liệu, thường mang ý nghĩa ứng dụng