Chương II: Các tính chất điện và từ của vật liệu

II.1. Vật chất Cấu trúc cơ bản của vật chất: Nguyên tử Các điện tích chuyển động trên các quĩ đạo đều tạo từ trường. Và các điện tử này chuyển động trên quĩ đạo xung quanh hạt nhân tạo từ trường. Sự quay đó của điện tử là mômen từ sinh ra do điện tử tự quay quanh nó. Các hạt nhân nằm trong cấu trúc mạng tinh thể. Dạng mạng tinh thể phụ thuộc vào sự cân bằng giữa các lực khác nhau: điện – từ – động năng (dao động-quay) – lực hút của vật chất. Điều đó giải thích về các mạng khác nhau và ảnh hưởng đến cấu trúc tinh thể của các nguyên tử khác nhau khi chúng ta tạo các hợp kim. Đối với tính chất điện và từ của vật chất, là điều hiển nhiên rằng sự tương tác giữa vật chất và từ trường bên ngoài sẽ phụ thuộc vào sự cân bằng điện – từ của cấu trúc tinh thể . Trong bảng dưới đây là dạng cấu trúc tinh thể của một số kim loại. Khi hợp kim của các chất được tạo ra, chúng ta có một cấu trúc mạng tinh thể khác, một trạng thái cân bằng điện từ mới. Ngoài ra, khi hợp kim của các chất được tạo ra, chúng ta cũng không thể chắc chắn sự tương tác của chúng với điện trường hoặc từ trường II.2. Tính hai mặt của ĐIỆN TỪ Chúng ta nói về điện từ vì điện trường được tạo ra ảnh hưởng tới từ trường và ngược lại. Ví dụ: Điện tích khi chuyển động sẽ tạo ra từ trường vuông góc với quĩ đạo. Khi từ trường biến thiên tới gần vật dẫn, dòng điện cảm ứng sẽ xuất hiện vuông góc với các đường sức của từ trường. Điện và Từ trường luôn luôn vuông góc với nhau. II.3. Tính chất điện của vật liệu Vật liệu kim loại được định nghĩa bởi khả năng cho phép các hạt tích điện âm hoặc dương chuyển động. Tính chất điện của vật liệu được định nghĩa từ hai đại lượng  gọi là độ dẫn điện, biểu diễn bằng Siemens/mét (S/m) Độ dẫn điện được thực hiện bởi sự dịch chuyển của các điện tử tự do trong vật dẫn. Trong thực tế, Độ dẫn điện được biểu diễn bằng Mêga-Siemens/mét (MS/m) 1 MS/m = 1.000.000 S/m •  được gọi là điện trở suất, biểu diễn bằng Ohm-mét (.m). Ta có mối liên hệ:  = 1/ Độ dẫn điện của vật liệu phụ thuộc vào bản chất của nó và nhiệt độ. Nó còn phụ thuộc vào chế độ sử lý nhiệt hoặc cơ khí của vật liệu Ví dụ: • Độ dẫn điện của đồng nguyên chất:  = 58 MS/m • Độ dẫn điện của hợp kim nhôm 15 MS/m    35 MS/m • Độ dẫn điện của hợp kim titan:   2 MS/m • Độ dẫn điện của sắt: 1 MS/m    9 MS/m Sự thay đổi Độ dẫn điện theo nhiệt độ được biểu diễn bằng công thức:  = o / (1 +  (T – To)) o Độ dẫn điện ở nhiệt độ To  Độ dẫn điện ở nhiệt độ T  hệ số phụ thuộc vào bản chất vật liệu Ví dụ hệ số  của hợp kim nhôm khoảng 0,003 đến 0,004 khi nhiệt độ nằm trong dải từ 0 C đến 100 C Ghi chú: Độ dẫn điện của vật liệu có thể được biểu diễn bằng % IACS (International Annealed Copper Standard) trong đó đồng nguyên chất được lấy làm đối chứng. Độ dẫn điện của vật liệu sau đó được biểu diễn như % độ dẫn điện của đồng nguyên chất. Theo đơn vị đó, độ dẫn điện của đồng nguyên chất:  = 58 MS/m = 100 % IACS. Ta có: 1 % IACS = 0,58 MS/m 1 MS/m = 1,7241 % IACS Bảng sau cung cấp các giá trị tương ứng giữa độ dẫn điện biểu diễn bằng đơn vị hệ quốc tế và đơn vị % IACS. II.4. Tính chất từ của vật liệu Tính chất từ của vật liệu được xác định qua ảnh hưởng của từ trường H xuất hiện trong vật liệu. Để định lượng ảnh hưởng này, chúng ta dựa vào hai khái niệm cơ bản: • Độ từ thẩm • Độ cảm từ 4.1. Độ từ thẩm Độ từ thẩm  được hiểu là đại lượng đặc trưng cho khả năng của vật liệu ‘mang, dẫn’ các đường sức của từ trường. Nó liên quan đến khả năng phát triển của vật liệu từ hóa. Độ từ thẩm  có đơn vị đo là Henry/mét (H/m) 4.2. Độ cảm từ Khi vật liệu được đưa vào trong từ trường H, ta thấy vật liệu có thể tạo ra một Từ hoá J. Mối liên quan giữa Từ hoá J và từ trường H có thể thể hiện bằng công thức sau: J =  . H Trong đó  được gọi là độ cảm từ, đại lượng không thứ nguyên (không đơn vị) H và J được đo bằng Ampe/mét (A/m) Mối liên quan này cho ta thấy vật liệu có độ cảm với từ trường, khả năng phản ứng khi có tác động của từ trường. 4.3. Cảm ứng từ Chúng ta gọi cảm ứng từ B là đại lượng biểu thị thông lượng từ (Từ thông) qua vật liệu. Đơn vị của cảm ứng từ B là Tesla (T). Trong chân không, cảm ứng từ B và từ trường H được liên hệ bởi: B = 0. H Trong đó 0 là độ từ thẩm của chân không, 0 = 4..10-7 H/m Khi từ trường H đi qua vật liệu, cảm ứng từ B được tính như sau: B = 0. (H+J) B = 0. (H+  . H) B = 0. (1+). H Đặt r = (1+) Ta có: B = 0. r . H = . H Trong đó . là độ từ thẩm của vật liệu r là độ từ thẩm tương đối (không thứ nguyên) r =  /0 Thông thường ta phân loại vật liệu thành 3 loại theo cách mà chúng phản ứng với từ trường: • Vật liệu nghịch từ • Vật liệu thuận từ • Vật liệu sắt từ Ghi chú: Vật liệu nghịch từ và thuận từ còn được gọi là vật liệu phi từ tính vì chúng có độ cảm từ rất yếu so với vật liệu sắt từ o Vật liệu nghịch từ và thuận từ có độ cảm từ rất yếu (  1) r = 1 o Vật liệu sắt từ có độ cảm từ lớn: r  1 4.4. Vật liệu nghịch từ Đối với vật liệu nghịch từ, khi không có từ trường, các quĩ đạo của điện tử quay xung quanh hạt nhân là bất kỳ và tổng của quỹ đạo từ trường được tạo ra bởi sự chuyển động của điện tử là bằng không (triệt tiêu – null). Chúng ta nói rằng vật liệu có 2 mômen từ của nguyên tử triệt tiêu (bằng không). Khi các vật liệu này đưa vào từ trường H, các quĩ đạo của điện tử có xu hướng theo hướng vuông góc với hướng của từ trường H. Trong trường hợp này tổng của các moment từ quỹ đạo tạo bởi sự chuyển động của điện tử khác không (không triệt tiêu). Đối với mỗi nguyên tử, chúng ta nói rằng chúng có một mômen từ. Tổng của các mômen từ của các nguyên tử truyền một từ hoá J vào vật liệu. Hướng của Tổng của các mômen từ của các nguyên tử luôn luôn ngược với hướng của từ trường H. Vật liệu nghịch từ được đặc trưng bởi độ cảm từ yếu và mang dấu âm ( 0). Ví dụ một số vật liệu nghịch từ:  Chì  Bạc  Thủy ngân  Đồng 4.5. Vật liệu thuận từ Đối với vật liệu thuận từ, các mômen từ nguyên tử khác không nhưng khi không có từ trường H, chúng có các hướng khác nhau và momen tổng lại bằng 0. Dưới ảnh hưởng của từ trường H, mômen có xu hướng hướng theo từ trường H, xuất hiện từ hóaJ. Vật liệu thuận từ được đặc trưng bởi độ cảm từ yếu và mang dấu dương ( 0). Ví dụ một số vật liệu thuận từ  Platinum  Nhôm  Crôm  Mangan 4.6. Vật liệu sắt từ Vật liệu sắt từ được đặc trưng bởi sự xuất hiện các vùng từ (domains) Các domains này có diện tích rất nhỏ bển trong vật liệu (kích thước cạnh khoảng 10 m), mômen từ của chúng tự tạo ra một từ hoá cùng hướng khi vật liệu được đặt trong từ trường H Đối với vật liệu sắt từ chưa bị từ nhoá (nhiễm từ), kết quả của sự nhiễm từ của các vùng từ khác nhau bằng không. Khi các vật liệu này đưa vào từ trường, chúng có khả năng phát triển từ hoá rất mạnh. Sự xuất hiện từ hoá đó liên quan tới sự thay đổi kích thước các vùng từ cũng như hướng của các mômen từ với từ trường H Đối với những vật liệu này, giá trị của từ hoá J không biến thiên tuyến tính theo từ trường H. Đường cong thu được gọi là đường cong từ hoá thứ nhất. Khi tất cả các mômen từ đều hướng theo hướng của từ trường H, chúng ta nói chúng có từ hoá bão hòa. Ví dụ một số vật liệu sắt từ • Nickel • Cobalt • Sắt • Thép II.5. Từ dư và vòng từ trễ Chúng ta gọi từ dư là lượng từ còn lưu lại trong vật liệu sau khi được đặt trong từ trường H. Vật liệu nghịch từ và thuận từ được đặc trưng bởi thực tế rằng chúng không có từ dư. Sự nhiễm từ cảm ứng trong vật liệu biến mất ngay sau khi chúng ta loại bỏ từ trường H. Hiện tượng này không xuất hiện trong trường hợp vật liệu sắt từ. Khi từ trường giảm từ giá trị +Hm tạo bão hòa Js tới giá trị 0. Chúng ta vẽ đường cong từ giá trị bão hòa tới giá trị từ Jr dư (đoạn AJr) Jr+ được gọi là từ dư Trong trường hợp chúng ta muốn hạn chế lượng từ dư Jr đó, có thể áp dụng từ trường theo hướng ngược lại (H 0) với từ trường đã áp dụng ở lần từ hóa đầu tiên. Sau đó chúng ta vẽ đoạn AB. Lượng từ dư bị loại bỏ (J = 0) khi từ trường H đạt giá trị Hc. Giá trị đó có tên là từ trường cưỡng bức. Nếu chúng ta tiếp tục thay đổi từ giá trị -Hc tới giá trị -Hm, chúng ta lại đạt giá trị bão hòa mới –Js (đoạn BC) Nếu bây giờ chúng ta tăng từ trường từ -Hm tới giá trị Hm, ta vẽ đường cong CDA. Đường cong khép kín ABCD, thu được với sự thay đổi từ trường H giữa giá trị Hm và –Hm được gọi là vòng từ trễ. Hình dạng của vòng từ trễ phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố, trong đó có bản chất và thành phần của vật liệu sắt từ và sự gia công cơ khí; xử lý nhiệt của vật liệu.Cho nên có loại sắt từ có lượng từ dư lớn, trong khi loại khác lại có lượng từ dư nhỏ.

Ghi chú quan trọng: Vật liệu sắt từ cũng đặc trưng bởi thực tế rằng độ từ thẩm  thay đổi theo từ trường H, không giống như vật liệu nghịch từ và thuận từ. Trong trường hợp từ hóa ban đầu, độ từ thẩm tương đối r tăng tới giá trị cao nhất và rồi giảm xuống gần giá trị 1 khi H lớn nhất, đạt tới bão hòa. II.6. Nhiệt độ Curie Bất cứ vật liệu sắt từ nào có chứa từ dư có thể khử từ bằng cách đưa vào nhiệt độ thích hợp rồi làm nguội khi không có từ trường. Nhiệt độ mà ở đó vật liệu thay đổi tính chất của nó chuyển từ trạng thái từ tính sang trạng thái phi từ tính (thuận từ) được gọi là nhiệt độ hay điểm Curie. Nhiệt độ đó phụ thuộc tính chất và thành phần của vật liệu. Ví dụ, hợp kim Nickel chứa 1 % Silicon có nhiệt độ Curie là 3200C. Hợp kim Nickel chứa 5% Silicon sẽ có nhiệt độ Curie bằng 450C. Nhiệt độ Curie của thép thay đổi từ 6500C tới 8700C. Hiện tượng này có thể đảo ngược. Khi nhiệt độ của vật liệu cao hơn Nhiệt độ Curie, vật liệu trở thành thuận từ. Khi nhiệt độ thấp hơn Nhiệt độ Curie, vật liệu lại trở thành sắt từ nhưng mất hết từ dư.