Download miễn phí Sơ lược về từ học và vật liệu từ
Chất nghịch từlà chất không có mômen từnguyên từ(tức
là mômen từsinh ra do các điện tửbù trừlẫn nhau), vì thếkhi
đặt một từtrường ngoài vào, nó sẽtạo ra các mômen từngược
với từtrường ngoài (quy tắc nghịch từnói ởtrên). Theo
nguyên lý, vật nghịch từsẽbị đẩy ra khỏi từtrường. Nhưng
thông thường, ta khó mà quan sát được hiệu ứng này bởi tính
nghịch từlà rất yếu (độtừthẩm của chất nghịch là nhỏhơn và
xấp xỉ1 - độcảm từâm và rất bé, tới cỡ10-6). Các chất
nghịch từ điển hình là H2O, Si, Bi, Pb, Cu, Au.
Để tải bản Đầy Đủ của tài liệu, xin Trả lời bài viết này, Mods sẽ gửi Link download cho bạn sớm nhất qua hòm tin nhắn.
Ai cần download tài liệu gì mà không tìm thấy ở đây, thì đăng yêu cầu down tại đây nhé:
Nhận download tài liệu miễn phí
Tóm tắt nội dung tài liệu:
đừng ngộ nhận đây làngười Việt Nam chúng ta, mà đây là người Việt trong bộ tộc Bách Việt ở miền Nam sông Dương Tử mà thôi). Các nghiên cứu
về từ học được bắt đầu với sự ra đời của bộ sách Electricity and Magnetism của William Girlbert vào năm 1600, và từ học đã
liên tục phát triển cho đến ngày nay với bao ứng dụng to lớn và hết sức thiết thực vào đời sống cũng như sản xuất. Ta có thể bắt
gặp chúng ở khắp nơi, từ chiếc la bàn, những chiếc nam châm, cho đến những lõi biến thế, lõi ferrite, hay cao cấp như ổ cứng
lưu trữ thông tin... Bài viết này hi vọng là một chút tóm tắt sơ lược cho những ai bắt đầu tìm hiểu về từ học.
* E-mail: [email protected]
I. MỞ ĐẦU
Từ học là một trong những môn khoa học lâu đời nhất
trong vật lý. Lịch sử của nó được bắt đầu từ khoảng hơn 3000
năm trước. Người Trung Quốc cho rằng từ đời Hoàng Đế (trị
vì Trung Hoa từ những năm 2698 TCN đến 2599 TCN), đã
chế tạo ra các kim chỉ nam dùng để xác định phương hướng.
Đó là các đá nam châm có khả năng hút sắt và định hướng
Bắc-Nam. Chính sử đầu tiên ghi chép việc chế tạo các la bàn
này là đầu đời Nhà Chu (1046-771 TCN) và la bàn thực sự
xuất hiện nhiều là thế kỷ thứ 7 trước công nguyên (đồng thời
ở Trung Quốc và Hy Lạp). Các kim chỉ nam trong la bàn là
một dạng của vật liệu từ cứng, là các ôxit sắt [1,2].
Các nghiên cứu ứng dụng các hiện tượng từ và lý giải các
hiện tượng từ bắt đầu ở Châu Âu từ thế kỷ 17, mà mở đầu là
công trình của William Gilbert và sau đó là các nghiên cứu
của Michael Faraday, Ampere, Oersted, Lorentz, Maxwell...
[2] mở đầu cho việc đem các ứng dụng từ học vào cuộc sống.
Cho đến ngày nay, từ học vẫn là một chủ đề lớn của vật lý học
với nhiều hiện tượng lý thú và nhiều khả năng ứng dụng trong
khoa học, công nghệ, y - sinh học, cũng như trong cuộc sống.
II. NGUỒN GỐC CỦA TỪ TÍNH TRONG VẬT CHẤT
Nguồn gốc của từ tính là sự chuyển động của các điện tích,
đó là cách hiểu đơn giản nhất về nguồn gốc từ trường. Có thể
hiểu đơn giản là các điện tích chuyển động trong nguyên tử
tạo ra các dòng điện tròn, các dòng điện này tạo ra từ trường
(tất nhiên hiểu một cách bản chất thì phức tạp hơn), và để hiểu
hơn, ta cần nắm rõ một số đơn vị trong từ học.
- Cường độ từ trường (Magnetic field Strength): Chỉ độ
mạnh yếu của từ trường, không phụ thuộc vào môi trường
xung quanh, thường ký hiệu là H. Trong hệ đơn vị chuẩn SI,
cường độ từ trường H có đơn vị là A/m (có thể nhớ đơn giản
theo công thức từ trường sinh ra trong cuộn solenoid là H =
n.I, I có đơn vị A, n có đơn vị 1/m--> H là A/m). Ngoài ra,
giới nghiên cứu về từ học hay sử dụng 1 hệ đơn vị khác là hệ
CGS (Cm-G-S), trong hệ này, đơn vị của H là Oe (Oersted). 1
Oe ~ 80 A/m.
Hình 1. Chuyển động của các điện tích là một nguồn gốc của từ
trường.
- Cảm ứng từ (Magnetic Induction): chỉ cường độ từ
trường trong môi trường (tức là nó tỉ lệ với từ trường theo
hằng số môi trường), ký hiệu là B. Trong chân không, B =
μ0.H, với μ0 = 4π.10-7 N.A-2 là hằng số từ, hay độ từ thẩm của
chân không. Đơn vị của B là T (Tesla) trong hệ SI, còn hệ
CGS, đơn vị của B là G (Gauss), 1 T = 10000 G. Trong hệ
CGS, hằng số m0 có giá trị là 1, vì thế 1 G = 1 Oe. Ta chú ý
rằng, quan hệ B = μ0.H là trong chân không, còn trong một
môi trường bất kỳ, còn phải nhân 1 hệ số của môi trường khác
gọi là độ từ thẩm (sẽ trình bày sau). Dưới đây là ví dụ về cảm
ứng từ B của một số nguồn từ:
+ Từ trường của nam châm móng ngựa: 500G-1000G
+ Từ trường của nam châm đất hiếm (rất mạnh và khá đắt
tiền): 0,75-1.4T
TẠP CHÍ
TẬP XX, SỐ XX, NĂM XXXX
21
+ Từ trường của các nam châm điện trong các từ kế (từ
trường 1 chiều DC): 1 - 2.5T
+ Từ trường của nam châm siêu dẫn: 5-9T
+ Từ trường xung: 9-15T
+ Từ trường Trái đất: 0,5G...
Chú ý là từ trường 1 T là khá lớn so với các từ trường
thông thường mà ta gặp trong cuộc sống.
- Momen từ (Magnetic moment): Là thước đo độ mạnh
yếu của nguồn từ, là độ lớn của vectơ lưỡng cực từ, có đơn vị
là I.m2.
- Từ thông (Magnetic flux): Chỉ số đường sức qua một tiết
diện của vật, được tính bằng tích vô hướng của vecto cảm ứng
từ B và véc tơ diện tích S.
Mômen từ nguyên tử:
Ta hãy xét bài toán đơn giản một nguyên tử có 1 điện tử
chuyển động quanh hạt nhân theo mô hình Bohr. Mô hình
Bohr xét điện tử chuyển động trên quỹ đạo bán kính r, vận tốc
v. Lúc đó, mômen từ sinh ra do chuyển động của điện tử là:
2. 1. . . .
2. . 2
e vI S r e v r
r
μ ππ= = = (1)
Mặt khác, mômen động lượng của điện tử là: L = p.r =
m.v.r. Theo mô hình Bohr, mômen động lượng của điện tử
chuyển động trên quỹ đạo bằng một số nguyên lần hằng số
Planck. Do đó, ta có:
.. nv r
m
= = (2)
(n là một số nguyên, có thể nhận các giá trị 1, 2, 3 ...)
Thay (2) vào (1), ta có công thức tính mômen từ nguyên tử:
24 2
1 1 . .. . . .
2 2 4 .
.. 9, 27 10 .
4 .B
n h ee v r e n
m m
h en A m
m
μ π
μ π
−
= = =
= = ×
=
(3)
μB gọi là Bohr Magneton, dùng để làm đơn vị của mômen
từ nguyên tử. Đây là một tính toán về nguồn gốc của từ
trường là chuyển động quỹ đạo của điện tử [3]. Tuy nhiên, vật
lý hiện đại chỉ ra rằng, còn có đóng góp của spin của điện tử
vào từ tính của vật chất. Có thể hiểu spin như là mômen từ
sinh ra do chuyển động tự quay của spin (hiểu một cách đơn
giản). Thực tế, spin là một thuộc tính của các hạt cơ bản. Vậy,
nguồn gốc của tù trường là do 2 đóng góp:
+ Chuyển động của điện tử trên quỹ đạo
+ Spin (chuyển động tự quay của điện tử).
- Độ từ hóa (Magnetization): Ta vừa nói đến khái niệm
mômen từ, vậy độ từ hóa là gì? Độ từ hóa là tổng mômen từ
trong một đơn vị thể tích. Độ từ hóa theo cách định nghĩa này
có cùng thứ nguyên với từ trường H. Đôi khi người ta còn
dùng khái niệm độ từ hóa là tổng mômen từ trên một đơn vị
khối lượng.
Ta có quan hệ giữa B, H và M như sau:
B = μ0(M + H), M = χ.H
χ gọi là độ cảm từ (Magnetic susceptibility), nói nên khả
năng phản ứng của vật chất với từ trường.
Do đó, ta có quan hệ: B = μ0(M + H) = μ0(1+χ).H hay B =
μ0(1+1/χ).M
Đại lượng μ = 1+χ gọi là độ từ thẩm (Magnetic
permeability) hiệu dụng của vật liệu (độ từ thẩm tuyệt đối là
μ0(1+χ)), và thường chỉ gọi tắt là độ từ thẩm. Độ từ thẩm và
độ cảm từ có cùng ý nghĩa, có ý nghĩa chỉ khả năng phản ứng
của vật chất dưới tác dụng của trường ngoài. Bảng 1 liệt kê
đơn vị của một số đại lượng.
Bảng 1. Đơn vị của một số đại lượng trong hệ SI (MKS Unit) và hệ
Gauss (CGS).
Đại lượng Hệ SI Hệ số chuyển đổi Hệ CGS
Độ dài m 100 cm
Khối lượng kg 1000 g
Lực N 105 dyn
Năng lượng J 107 erg
Từ thông Wb 108 Maxwell
Cảm ứng từ T 104 G
Cường độ từ trường A/m 4π/1000 Oe
Độ từ hóa A/m 1/1000 emu/cm3
Mômen từ A.m2 1000 emu
Độ từ thẩm H/m2 107/4π --
Như vậy, ta đã có những khái niệm cơ bản về từ học. Phần
tiếp theo sẽ nói về các l...