Các Khái Niệm Chính về Vật Liệu Từ

Mô men từ cực

Khi tiếp xúc với cùng một trường từ ngoại vi, các vật liệu khác nhau có thể phản ứng rất khác nhau. Để khám phá nguyên nhân cơ bản, chúng ta phải nắm bắt cách các từ cực từ chi phối hành vi từ. Sự hiểu biết này bắt đầu bằng việc tìm hiểu về mô men từ cực.

Mô men từ cực, thường được gọi đơn giản là mô men từ, là khái niệm cơ bản trong điện từ. Nó cung cấp công cụ mạnh mẽ để hiểu và định lượng sự tương tác giữa một vòng dây dẫn dòng điện và một trường từ đồng nhất. Mô men từ của một vòng dây, có diện tích A và mang dòng điện I, được định nghĩa như sau:

Lưu ý rằng diện tích được định nghĩa là một vector, điều này làm cho mô men từ cũng trở thành một đại lượng vector. Cả hai vector đều có hướng giống nhau.

Hướng của mô men từ vuông góc với mặt phẳng của vòng dây. Có thể xác định hướng này bằng cách áp dụng quy tắc tay phải—Nếu bạn uốn cong các ngón tay của bàn tay phải theo hướng dòng điện chảy, ngón cái của bạn sẽ chỉ hướng của vector mô men từ. Điều này được minh họa trong Hình 1.

Mô men từ của một vòng dây chỉ phụ thuộc vào dòng điện chảy qua nó và diện tích mà nó bao quanh. Nó không bị ảnh hưởng bởi hình dạng của vòng dây.

Mô men xoắn và Mô men từ

Nhìn vào Hình 2, mô tả một vòng dây dẫn dòng điện được đặt trong một trường từ đồng nhất.

Trong hình trên:

•  I đại diện cho dòng điện.

• B biểu thị cho vector trường từ.

• u đại diện cho mô men từ.

• θ chỉ góc giữa vector mô men từ và vector trường từ.

Vì lực tác động lên hai phía đối diện của vòng dây cân bằng lẫn nhau, lực tổng cộng tác động lên vòng dây bằng không. Tuy nhiên, vòng dây chịu một mô men xoắn từ. Độ lớn của mô men xoắn này tác động lên vòng dây được tính như sau:

Từ Phương trình 2, chúng ta có thể thấy rõ ràng rằng mô men xoắn (t) liên quan trực tiếp đến mô men từ. Điều này là vì mô men từ hoạt động như một nam châm; khi đặt trong một trường từ ngoại vi, nó trải qua một mô men xoắn. Mô men xoắn này luôn có xu hướng xoay vòng dây về vị trí cân bằng ổn định.

Cân bằng ổn định đạt được khi trường từ vuông góc với mặt phẳng của vòng dây (tức là θ=0^o). Nếu vòng dây được xoay nhẹ ra khỏi vị trí này, mô men xoắn sẽ tác động để đưa vòng dây trở lại trạng thái cân bằng. Mô men xoắn cũng bằng không khi  θ=180^o. Tuy nhiên, trong trường hợp này, vòng dây ở trong trạng thái cân bằng không ổn định. Một sự xoay nhỏ từ  θ=180^o sẽ khiến mô men xoắn đẩy vòng dây xa hơn khỏi điểm này và hướng tới  θ=0^o.

Tại sao Mô men từ lại Quan trọng?

Nhiều thiết bị phụ thuộc vào sự tương tác giữa một vòng dây dẫn dòng điện và một trường từ. Ví dụ, mô men xoắn do động cơ điện tạo ra dựa trên sự tương tác giữa trường từ của động cơ và các dây dẫn mang dòng điện. Trong quá trình tương tác này, năng lượng tiềm năng thay đổi khi các dây dẫn quay.

Đó là sự tương tác giữa mô men từ và trường từ ngoại vi tạo ra năng lượng tiềm năng trong hệ thống từ của chúng ta. Góc giữa hai vector này quyết định lượng năng lượng (U) được lưu trữ trong hệ thống, như được hiển thị trong phương trình sau:

Dưới đây là các giá trị năng lượng được lưu trữ cho một số cấu hình quan trọng:

Khi θ=0^o, hệ thống ở trạng thái cân bằng ổn định, và năng lượng được lưu trữ đạt mức tối thiểu, với U=-uB.

Khi θ=90^o, năng lượng được lưu trữ tăng lên U=0.

Khi θ=180^o, năng lượng được lưu trữ đạt mức tối đa, U=uB. Trạng thái này đại diện cho vị trí cân bằng không ổn định.

Hiểu về Mô men từ Tổng qua Mô hình Nguyên tử

Để hiểu đầy đủ cách các vật liệu từ tạo ra một trường từ, cần nghiên cứu sâu về cơ học lượng tử. Tuy nhiên, vì chủ đề này nằm ngoài phạm vi của bài viết này, chúng ta vẫn có thể sử dụng khái niệm mô men từ và mô hình nguyên tử cổ điển để thu được những hiểu biết quý giá về cách các vật liệu tương tác với trường từ ngoại vi.

Mô hình này mô tả electron vừa quay xung quanh hạt nhân nguyên tử vừa quay xung quanh trục của chính nó, như được minh họa rõ ràng trong Hình 3.

Mô men từ Tổng của Electron, Nguyên tử và Đối tượng

Chuyển động quỹ đạo của electron có thể được so sánh với một vòng dây dẫn dòng điện nhỏ. Do đó, nó tạo ra một mô men từ (được ký hiệu là (u1) trong hình trên). Tương tự, chuyển động quay của electron cũng tạo ra một mô men từ (u2). Mô men từ tổng của electron là tổng vectơ của hai mô men từ này.

Đối với một nguyên tử, mô men từ tổng của nó là tổng vectơ của các mô men từ của tất cả các electron. Mặc dù proton trong nguyên tử cũng có một từ cực từ, nhưng hiệu ứng tổng thể của chúng thường không đáng kể so với electron.

Mô men từ tổng của một đối tượng được xác định bằng cách lấy tổng vectơ của các mô men từ của tất cả các nguyên tử bên trong nó.

Vector Từ hóa

Các tính chất từ của một vật liệu được xác định bởi các mô men từ của các hạt cấu thành. Như đã thảo luận trước đó trong bài viết, các mô men từ này có thể được coi là những nam châm nhỏ. Khi một vật liệu được đặt trong một trường từ ngoại vi, các mô men từ nguyên tử bên trong vật liệu tương tác với trường từ được áp dụng và trải qua một mô men xoắn. Mô men xoắn này có xu hướng căn chỉnh các mô men từ theo cùng một hướng.

Trạng thái từ của một chất phụ thuộc vào hai yếu tố: số lượng mô men từ nguyên tử có trong vật liệu và độ căn chỉnh của chúng. Nếu các mô men từ do các vòng dây dẫn dòng điện vi mô được căn chỉnh ngẫu nhiên, chúng sẽ có xu hướng hủy bỏ lẫn nhau, dẫn đến một trường từ tổng bằng không. Để mô tả trạng thái từ của chất, chúng ta giới thiệu vector từ hóa. Nó được định nghĩa là tổng mô men từ trên đơn vị thể tích của chất:

trong đó V đại diện cho thể tích của vật liệu.

Khi vật liệu được tiếp xúc với một trường từ ngoại vi, các mô men từ của nó có xu hướng căn chỉnh, dẫn đến sự tăng lên của độ lớn của vector từ hóa. Đặc tính của vector từ hóa cũng bị ảnh hưởng bởi phân loại vật liệu là顺时针或逆时针方向。这在图1中有所说明。 请注意，这里似乎有一段中文混入了翻译内容中，我将纠正并继续完成翻译：

当材料暴露在外部磁场中时，其磁矩趋于对齐，导致磁化矢量的大小增加。磁化矢量的特性还受到材料是顺磁性、铁磁性还是抗磁性的影响。

顺磁性和铁磁性材料由具有永久磁矩的原子组成。相比之下，抗磁性材料中的原子磁矩不是永久的。

找到总磁场：磁导率和磁化率

假设我们将一种材料置于一个磁场中。材料内部的总磁场有两个不同的来源：

• 外部施加的磁场（B0）。

• 材料对外部场的磁化响应（Bm）。

材料内部的总磁场是这两个分量之和：

B0是由载流导体产生的；Bm是由磁性物质产生的。可以证明Bm与磁化矢量成正比：

其中μ0是一个称为自由空间磁导率的常数。因此，我们有：

磁化矢量也通过以下方程与外部场相关：

其中希腊字母χ是一个称为磁化率的比例因子。χ的值取决于材料的类型。

结合最后两个方程，我们有：

该方程的意义和相对磁导率

这个方程有一个直观的解释：它表明材料内部的总磁场等于外部施加的磁场乘以因子1+χ。这个因子被称为相对磁导率，是表征材料如何响应磁场的重要参数。相对磁导率通常用ur表示。

不同材料的磁化率

图4描绘了三种不同类型材料在均匀磁场中的磁行为。材料内部区域由黄色矩形表示。

不同材料的磁化率

在图4(a)中，材料内部的磁力线比外部更稀疏。这表明反磁性材料内部的总磁场略弱于外部施加的磁场。对于反磁性材料，磁化率（X）是一个小的负值。例如，在300 K下，铜的磁化率为–9.8 × 10⁻⁶。结果，材料部分排斥其内部的磁场。

图4(b)展示了顺磁性材料的响应。在这里，材料内部的磁力线比外部更密集。这意味着材料内部的总磁场略强于外部磁场。对于顺磁性材料，X是一个小的正值。例如，在300 K下，锂的磁化率为2.1 × 10⁻⁵。

最后，在图4(c)中，铁磁性材料扭曲了磁力线，使它们穿过材料。材料被磁化，显著增强了内部的磁场。对于铁磁性材料，X的值范围从1,000到100,000。由于其高磁化率，这些材料产生的磁场远强于外部施加的磁场。

需要注意的是，对于铁磁性材料，X不是一个常数。因此，磁化强度（M）不是外部施加磁场（B0）的线性函数。

总结

磁性材料在变压器、电机和数据存储设备等多种应用中至关重要。物质的磁状态取决于材料中的原子磁矩数量及其在外加磁场中的对齐程度。如前所述，我们可以根据这些标准将磁性材料分为三类：顺磁性、反磁性和铁磁性。我们将在以后的文章中更详细地探讨这些类别。

Tìm Tổng Trường Từ: Tính Đạo Từ và Độ Dẫn Từ

Giả sử chúng ta đặt một vật liệu trong một trường từ. Tổng trường từ bên trong vật liệu có hai nguồn khác biệt:

• Trường từ ngoại vi được áp dụng (B0).

• Sự từ hóa của vật liệu đáp ứng với trường từ ngoại vi (Bm).

Tổng trường từ bên trong vật liệu là tổng của hai thành phần này:

B0 được tạo ra bởi một dây dẫn dòng điện; Bm được tạo ra bởi vật liệu từ. Có thể chứng minh rằng Bm tỷ lệ thuận với vector từ hóa:

trong đó μ0 là một hằng số được gọi là tính đạo từ của không gian tự do. Do đó, ta có:

Vector từ hóa cũng liên quan đến trường từ ngoại vi thông qua phương trình sau:

trong đó chữ Hy Lạp χ là một hệ số tỷ lệ được gọi là độ dẫn từ. Giá trị của χ phụ thuộc vào loại vật liệu.

Kết hợp hai phương trình cuối cùng, ta có:

Ý Nghĩa của Phương Trình và Độ Dẫn Từ Tương đối

Phương trình này có một giải thích trực quan: nó chỉ ra rằng tổng trường từ bên trong vật liệu tương đương với trường từ ngoại vi được nhân với hệ số 1+x. Hệ số này, được gọi là độ dẫn từ tương đối, là một tham số quan trọng để mô tả cách vật liệu phản ứng với một trường từ. Độ dẫn từ tương đối thường được ký hiệu là ur.

Độ Dẫn Từ của Các Loại Vật Liệu Khác Nhau

Hình 4 mô tả hành vi từ của ba loại vật liệu khác nhau khi chúng được đặt trong một trường từ đồng nhất. Phần nội bộ của vật liệu được đại diện bằng một hình chữ nhật màu vàng.

Độ Dẫn Từ của Các Loại Vật Liệu Khác Nhau

Trong Hình 4(a), các đường lực từ bên trong vật liệu được phân bố rộng hơn so với bên ngoài. Điều này cho thấy tổng trường từ bên trong vật liệu chống từ hơi yếu hơn so với trường từ ngoại vi. Đối với vật liệu chống từ, độ dẫn từ (X) là một giá trị âm nhỏ. Ví dụ, ở 300 K, đồng có độ dẫn từ là –9.8 × 10⁻⁶. Do đó, vật liệu này phần nào đẩy lùi trường từ khỏi nội bộ của nó.

Hình 4(b) minh họa phản ứng của một vật liệu từ. Ở đây, các đường lực từ bên trong vật liệu được phân bố gần nhau hơn so với trường từ ngoại vi. Điều này cho thấy tổng trường từ bên trong vật liệu hơi mạnh hơn so với trường từ ngoại vi. Đối với vật liệu từ, X là một giá trị dương nhỏ. Ví dụ, ở 300 K, độ dẫn từ của lithium là 2.1 × 10⁻⁵.

Cuối cùng, trong Hình 4(c), vật liệu từ cứng biến dạng các đường lực từ, khiến chúng đi qua vật liệu. Vật liệu này được từ hóa, tăng cường đáng kể trường từ bên trong. Đối với vật liệu từ cứng, X có giá trị dương từ 1,000 đến 100,000. Do độ dẫn từ cao, các vật liệu này tạo ra một trường từ mạnh hơn nhiều so với trường từ ngoại vi.

Cần lưu ý rằng đối với vật liệu từ cứng, X không phải là một hằng số. Do đó, từ hóa (M) không phải là một hàm tuyến tính của trường từ ngoại vi (B0).

Kết Luận

Vật liệu từ đóng vai trò quan trọng trong nhiều ứng dụng, bao gồm biến áp, động cơ và thiết bị lưu trữ dữ liệu. Trạng thái từ của một chất phụ thuộc vào số lượng mô men từ nguyên tử trong vật liệu và cách chúng căn chỉnh trong trường từ ngoại vi. Như đã thảo luận sơ lược, chúng ta có thể phân loại vật liệu từ thành ba loại dựa trên các tiêu chí này: từ, chống từ và từ cứng. Chúng tôi sẽ khám phá các loại này chi tiết hơn trong một bài viết tương lai.