Tài liệu Skkn khái quát vật liệu từ học

SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM KHÁI QUÁT VẬT LIỆU TỪ HỌC Mở đầu Kính thưa các đồng chí cùng toàn thể các bạn trẻ yêu vật lý. Từ học là một trong những lĩnh vực quan trọng của vật lý học hiện đại. Xong nhìn lại phần từ học trong chương trình vật lý phổ thông thật là ít ỏi, hầu như không đáp ứng được nhu cầu đòi hỏi của các em. Trong khi ấy thì các hiện tượng từ lại luôn đập vào mắt các em: Nam châm hút sắt sao lại không hút nhôm hay đồng… Tại sao lõi các cuộn dây lại phải là sắt hay hợp kim của sắt? vậy từ tính của các vật liệu ấy có giống nhau không? Chẳng cần chúng ta các em cũng đã có nhận định rất rõ ràng các hiện tượng này. Song một điều không đúng với các em là trong sách còn thiếu một mô hình để giải thích các hiện tượng trên, trong khi đó việc tính toán kĩ lưỡng các hiện tượng lại chiếm quá nhiều thời gian trên lớp cũng như ở nhà của các em, các em hầu như quá tải. Vì vậy trong sang kiến này, tôi xin phép được đưa vào trong chương trình học tập của các em phần “vật lý các hiện tượng từ”- đây là một phần lý thú, nó sẽ giúp các em có được một mô hình về cấu tạo của các vật liệu từ, từ đó có thể phân loại được các vật liệu từ các em thường gặp trong cuộc sống, cũng như công việc của các em sau này. Hơn nữa trong nền khoa học công nghệ thông tin đang phát triển ngày nay, từ học ngày càng chiếm một vai trò quan trọng trong đời sống cũng như trong xã hội. Chúng ta không thể thoát khỏi sự chi phối của các màng ghi từ siêu mỏng, hay các mạch vi điện tử… Công nghệ nano từ đã đem lại cho ta những thành tựu đáng kinh ngạc các bộ nhớ máy tính khổng lồ, các thẻ nhớ điện thoại, các máy MP3… Như vậy có thể nói ở đâu có con người ở đó có từ học. Vì vậy các em có quyền được biết về từ học, việc đưa từ học vào chương trình giáo khoa là một việc cần thiết. Tôi quyết định viết sáng kiến với 6 phần lớn, chia thành 2 tiết trong chương trình giáo khoa, và lấy tên là “Khái quát vật liệu từ học” I. Các khái niệm cơ bản. II. Phân loại vật liệu từ. III. Các chất thuận từ, nghịch từ. IV. Các chất sắt từ V. Cấu trúc domain VI. Tổng kết và áp dụng I. Các khái niệm cơ bản: Từ trường: Thừa kế khái niệm từ trường đã được cung cấp ở SKG đang dùng. Độ nhiễm từ- độ từ hoá(I): Vectơ hướng từ bắc sang nam của một nam châm, có đơn vị là Wb/m2. Mômen từ tổng hợp trên một đơn vị thể tích của vật liệu từ tính. Đặc trưng bằng mật độ từ thông trên một đơn vị diện tích tiết diện 2 cực. Độ từ thẩm(m): Đại lượng đặc trưng cho khả năng khuệch đại từ trường của vật liệu, có đơn vị là H/m. Mối liên hệ giữa vectơ cảm ứng từ B và vectơ từ độ I là: B=I+B0= I+m0H H: cường độ từ trường khi không có vật liệu từ B: cảm ứng từ trường khi đã được khhuếch đại bằng vật liệu từ. I=c.H c: độ cảm từ hay hệ số từ hoá. Đơn vị là (H/m) Þ B=(c+m0)H ÞB=mH; m=c+m0 m m = ÞB= m B0 mo II. Phân loại vật liệu từ: 1. Vật liệu nghịch từ: c <0, và độ lớn chỉ vào cỡ 10-5 (rất yếu). m0 Nguồn gốc tính nghịch từ là chuyển động của điện tử trong từ trường, từ đó sinh ra từ trường ngược chiều theo định luật Lenz. Dòng cảm ứng sinh ra từ thông ngược với biến đổi của từ trường bên ngoài. Chú ý: vật liệu siêu dẫn đôi khi được gọi là vật liệu nghịch từ lí tưởng tức c =-1. Khi ấy ta thấy B=0, trong lòng vật liệu. Là những vật liệu có c = 2. Vật liệu thuận từ: Vật liệu thuận từ là vật liệu có độ cảm từ dương nhỏ, c dương nhỏ cỡ 103 tới 10-5. Bao gồm những nguyên tử có mômen từ cô lập, định hướng hỗn loạn do tác dụng nhiệt (hình 1). Khi từ trường ngoài H ¹ 0, mô-men từ định hướng theo từ trường ngoài làm cho I tăng theo H. Những vật liệu này có c tỉ lệ với tỉ số 1 . T Các điện tử dẫn trong kim loại tạo thành vùng năng lượng cũng biểu hiện tính thuận từ, gọi là thuận từ Pauli. Trong trường hợp này tính thuận từ gây bởi sự kích thích các điện tử có spin âm lên vùng có spin dương và c không phụ thuộc T. 3. Vật liệu phản sắt từ Vật liệu phản sắt từ là vật liệu có tính từ yếu, đường cong từ nhiệt có một hõm tại TN. TN được gọi là nhiệt độ Neel. ở nhiệt độ TTN các spin được sắp xếp hỗn loạn, thể hiện tính thuận từ (hình 2). 4. Ferit từ. Trong mạng tinh thể tồn tại các spin có độ lớn khác nhau sắp xếp phản song song với nhau dẫn đến từ độ tổng cộng khác không cả khi từ trường ngoài H=0. Từ độ I tổng cộng được gọi là từ độ tự phát. Tồn tại nhiệt độ Tc được gọi là nhiệt độ Currie. Tại T>Tc trật tự từ bị phá vỡ vật liệu trở thành vật liệu thuận từ.(hình 3) 1 c 5. Vật liệu sắt từ. Trong vật liệu này tương tác giữa các spin là lớn, dương nên các spin từ sắp xếp giống nhau, song song và cùng chiều(h3a), nên từ độ của vật liệu là rất lớn. ở nhiệt độ T>Tc, thì c-1 phụ thuộc vào nhiệt độ T theo qui luật tuyến tính ( Định luật Curie- weiss). Trạng thái sắt từ cũng là trạng thái từ hóa tự phát: Khi T0 nên I>0, cũng có nghĩa là các mômen từ hướng theo từ trường ngoài. Phần lớn các chất thuận từ đều theo định luật Curie. C c= (3.2) T C là một hằng số gọi là hằng số Curie. Các vật liệu thuận từ là các chất mà nguyên tử của chúng có mômen ngay cả khi không có từ trường ngoài. Như vậy khi khảo sát vật liệu từ, công việc của chúng ta chủ yếu là phải tìm cho ra hằng số C của vật liệu. Để đáp ứng được điều này Langevin đã đưa ra thuyết của mình. Ông xét một hệ N nguyên tử, mỗi nguyên tử có mômen từ m đủ lớn được đặt cách xa nhau để không tương tác với nhau. Từ đó ông sử dụng công thức liên hệ giữa từ độ và năng lượng để tính toán. Rồi từ đó đưa ra được công thức của mình như sau: Nµ 2 C= . (3.3) 3k B Chúng ta cũng có thể phát biểu định luật đó như sau: “ Hằng số Curie của mỗi lượng chất thuận từ tỉ lệ thuận với số hạt mang từ tính và bình phương mômen từ mỗi hạt”. kB là hằng số Boltzman. Từ đó ta suy ra: c= Nµ 2 C = 3k BT T (3.4) Nµ 2 I= H 3k BT (3.5) 2. Các chất nghịch từ: Là những chất có c<0, xuất phát từ định luật Lens cho suất điện động cảm ứng ( hoặc từ trường cảm ứng). Để khảo sát tính nghịch từ của vật liêu ta dựa vào lí thuyết VanVleck. Song lý thuyết này quá phức tạp đối với các em nên tôi không nói ở đây. IV. Các chất sắt từ. Trong thực tế gần gũi với các em hơn cả vẫn là vật liệu sắt từ, từ thuơ thiếu thời các em đã biết sử dụng nam châm để hút sắt. Vậy thế nào được gọi là sắt từ. 1. Đặc điểm của vật liệu sắt từ. Các chất sắt từ như kim loại Fe hoặc oxit Fe3O có tính trễ từ lớn (được người xưa sử dụng làm la ban). Tồn tại những vùng nhỏ mà trong đó các mômen từ được sắp xếp theo trật tự, song song và cùng chiều, được gọi là đô men từ. Có nhiều vật liệu mang tính sắt từ như kim loại, oxit, hợp kim. Trong số các kim loại chỉ có 3 kim loại thuộc nhóm sắt có tính sắt từ ở nhiệt độ phòng là Fe, Co, Ni. Được ứng dụng rộng rãi trong đời sống, các vật liệu từ được dùng ở trong thực tế thường có mặt của 3 kim loại trên. Thường được chia làm 4 loại chủ yếu là vật liệu từ mềm (lõi biến thế Fe-Si, Permalloy,…), các vật liệu từ cứng ( nam châm- hợp kim, đất hiếm, ferit…), các vật liệu ghi từ (đĩa từ, băng từ…), các hợp kim Invar… Để đặc trưng cho vật liệu sắt từ người ta dùng từ độ I, cảm ứng từ B, độ cảm từ c, và độ thẩm từ m. Môi liên hệ giữa các đại lượng này là: B=mH=m0H+I=(m0+c)H ( hệ SI) (4.1) m và c của vật liệu sắt từ rất lớn, m>>1. 2. Đường cong từ trễ: Sự phụ thuộc của I vào H là phi tuyến, đường biểu diễn sự phụ thuộc của I vào H được gọi là đường cong từ hóa (hình 6). Ban đầu ở đoạn OA, quá trình từ hóa hầu như là thuận nghịch và tăng chậm, đoạn sau từ độ tăng nhanh hơn và không thuận nghịch, nếu giảm từ trường ngoài, thì từ độ sẽ giảm theo đường khác. Đường cong từ hóa nói trên thu được là khi từ trường ngoài H tăng dần từ 0 lên nên được gọi là đường từ hóa cơ bản. Từ một điểm trên đường từ hóa cơ bản ta giảm từ trường H về 0 rồi lại tăng theo chiều ngược lại ta thấy thu được một đường cong như hình 6 ( được gọi là đường cong từ trễ). Khi từ trường tăng đến giá trị của HBh làm cho từ độ I=Imax(bh) ta có đường từ trễ là cực đại được gọi là từ trễ giới hạn. Khi đạt Ibh ta tiếp tục tăng H thêm thi I không tăng nữa. Nếu từ đó giảm H về 0 thì I ¹ 0, ta thấy đường cong từ trễ cắt trục tung tại Ir -được gọi là từ độ dư. Đảo chiều H, rôi tăng cho tới khi I=0 thì thấy khi đó đường cong lại cặt trục hoành tại -Hc- gọi là lực kháng từ. Dựa vào đường cong từ trễ người ta đưa ra vật liệu từ cứng và vật liệu từ mềm, được so sánh như hình 6. V.Cấu trúc đômen. Các vật liệu từ được đặc trưng bởi đường cong từ hóa bão hào. Theo quan điểm vật lý, ta đặc trưng cho vật liệu bằng đường I(H) đo ở một nhiệt độ nào đó. từ đó ta có thể lấy ra các thông tin cần thiết để đánh giá phẩm chất của vật liệu. Chúng ta có thể nghiên cứu các dạng năng lượng để có thể xác định trạng thái của vật liệu đang xét, song có lẽ việc đó quá khó đối với các em nên tôi không đưa vào tài liệu này. Vì vậy nên tôi quyết định đi trực tiếp vào cấu trúc đômen để giải thích cho các em hiểu được tính chất của các vật liệu sắt từ. Xét tới năng lượng trao đổi, trạng thái có lợi năng lượng nhất là trạng thái các mômen từ đồng nhất, có phương như nhau tại các điểm của mẫu. Nhưng do có sự đóng góp của các dạng năng lượng khác, nên trong vật liệu từ tồn tại các vùng từ hóa tự phát vĩ mô được gọi là đômen(hình 7). Như vậy theo đó một khối vật liệu từ sẽ do nhiều đômen ghép lại, và ở giữa chúng là các vách ngăn. Với cấu trúc này thì nó sẽ có lợi hơn hẳn về năng lượng. Do có vách ngăn nên ở trạng thái không có từ trường ngoài thì các đômen này sắp xếp thiếu trật tự, nên từ độ của vật liệu sắt từ là khá nhỏ, từ tính thể hiện không rõ. Song khi có từ trường ngoài các đômen từ bị quay theo từ trường về cùng một hướng, làm cho từ độ của sắt từ tăng nhanh, nên từ trường tổng cộng được thêm vào một lượng lớn gấp từ vài lần đến vài chục lần so với từ trường ngoài ban đầu. Đặc biệt với các từ trường quá lớn các đômen lần lượt di chuyển, các vạch đômen bị thu hẹp lại và mất dần, số lượng đômen giảm dần, kích thước các đômen tăng dần và theo đó từ độ của sắt từ cũng tăng dần. Vì vậy nên vật liệu sắt từ thể hiện từ tính cực mạnh dễ phát hiện và ứng dụng. VI. Tổng kết và áp dụng. Như vậy tôi đã cùng các đồng nghiệp và các em vừa đi qua những tính chất thú vị của các vật liệu từ. Từ học vẫn còn nhiều hứa hẹn lý thú đang chờ đợi các em và các đồng nghiệp khám phá. Tài liệu cũng xin được dừng lại ở giáo án “ từ học, phân loại vật liệu từ” do tôi thiết kế phía dưới đây, rât mong được đóng góp ý kiến của các đồng nghiệp và các em. Giáo án – thời lượng 1 tiết. Tiết…: phân loại vật liệu từ học. I . Mục tiêu: Học xong bài này học sinh có được các kiến thức sau: - Nắm được khái niệm độ từ hóa, vector từ độ, và mối liên hệ được các khái niệm này với khái niệm quen thuộc - cảm ứng từ B. - Phân biệt được chất thuận từ và chất nghịch từ - Biết cách tính hằng số Curie. - áp dụng công thức đó vào việc tính toán từ độ của vật liệu. Thái độ cần có đối với bài học: - Tôn trọng thầy cô và yêu thích sự khám phá và tự khám phá của bản thân - Thêm yêu hơn môn công nghệ thông tin mà các em đang phải học trong mọi nhà trường. II. Sự chuẩn bị của thầy và trò: - Cuộn dây, nam châm có các khối lượng khác nhau, lõi thép, lõi đồng, lõi nhôm hình thỏi… - Chuẩn bị bài mới, lý thuyết về từ trường… III. Nội dung bài mới: Hoạt động của thầy Hoạt động của trò Ghi bảng Chắc các em không Nghe giới thiệu, hình Tiêt… Khái quát về vật còn xa lạ gì với các hiện dung về bài mới liệu từ tượng từ nữa phải I. Các khái niệm không? Ngày hôm nay Độ nhiễm từ- độ từ chúng ta sẽ đi sâu vào hoá(I): việc nghiên cứu và giải Độ từ thẩm(m): thích tính chất từ của c: độ cảm từ hay hệ số từ một số chất mà chúng ta hoá. thường gặp trong thực tế, B=I+B0= I+m0H để trả lời câu hỏi: tại sao I=c.H nam châm hút sắt mạnh ÞB=mH; m=c+m0 thế, mà ta khó lòng phát m m = ÞB= m B0 hiên ra được tương tác mo của nó với đồng? Chúng ta vào phần I. Các II. Phân loại vật liệu từ. khái niệm 1. Vật liệu nghịch từ Để đánh giá phân loại Độ nhiễm từ- độ từ 2. Vật liệu thuận từ vật liệu từ ta sử dụng các hoá(I): 3. Vật liệu sắt từ va ferit khái niệm nào? Độ từ thẩm(m): từ Theo sách các em hãy c: độ cảm từ hay hệ số 4. Vật liệu từ cứng định nghĩa cho tôi các từ hoá. 5. Vật liệu từ mềm khái niệm đó. Đúng vậy chúng ta hãy quan sát sách giáo khoa và cho tôi mối liên hệ của chúng với cảm ứng từ B? Bây giờ ta dựa vào 1 trong 3 chi tiêu trên để phân loại vật liệu từ. Chúng ta chọn độ cảm từ c. Ta sang phần II. Phân loại vật liệu từ. Các em hãy định nghĩa Theo dõi sách và đưa ra các nhiệt độ Neel-Tn và các định nghĩa. nhiệt độ Curie-Tc. Cuối cùng chúng ta khảo sát những vật liệu cho ta sự tăng cường về từ trường, vật liệu thuận từ. Nhắc lại cho thầy biết vật liệu thuận từ là vật liệu như thế nào? Từ đó cho thầy biết đặc điểm của vật liệu thuận từ? Cả lớp làm cho thầy bài tập sau: “ cho thanh đồng 64 gam được đặt trong một từ trường ngoài H=3A/m. Tính cảm ứng từ của trường mà ta thu được ở vùng xung quang thanh đồng. Biết nhiệt độ môi trường là 300K, độ từ thẩm của đồng m=1,6 H/m” Định nghĩa(SGK). III. Vật liệu thuận từ. 1. Đặc điểm: c>0; nhỏ m>1 Tồn tại mômen từ tự phát. 2. Sự phụ thuộc của c vào nhiệt độ, định luật Curie. C χ= T Nµ 2 C= . 3k B Làm bài tập. Nµ 2 c= 3k BT N A .µ 2 C= 3k B Nµ 2 I= H 3k BT C T I=cH B=(c+m0).H χ=