- Phản ứng từ có nguồn gốc như thế nào bên trong các chất?
- Các miền từ tính
- Từ trễ từ
- Vật liệu từ tính cứng và mềm: ứng dụng
- Người giới thiệu
Tính chất sắt từ là đặc tính tạo cho một số chất phản ứng từ trường mạnh và vĩnh viễn. Trong tự nhiên, có năm nguyên tố có tính chất này: sắt, coban, niken, gadolini và dysprosi, những loại đất hiếm sau này.
Khi có từ trường bên ngoài, chẳng hạn như từ trường được tạo ra bởi nam châm tự nhiên hoặc nam châm điện, một chất phản ứng theo một cách đặc trưng, theo cấu hình bên trong của nó. Độ lớn định lượng phản ứng này là độ từ thẩm.
Nam châm tạo thành một cây cầu. Nguồn: Pixabay
Độ từ thẩm là đại lượng không có thứ nguyên cho bởi thương số giữa cường độ của từ trường sinh ra bên trong vật liệu và cường độ từ trường tác dụng bên ngoài.
Khi câu trả lời này lớn hơn 1 nhiều, vật liệu được phân loại là sắt từ. Mặt khác, nếu độ từ thẩm không lớn hơn 1 nhiều thì phản ứng từ được coi là yếu hơn, chúng là vật liệu thuận từ.
Trong sắt, độ từ thẩm có bậc 10 4 . Điều này có nghĩa là trường bên trong bàn ủi lớn hơn trường bên ngoài khoảng 10.000 lần. Điều này cho ta biết phản ứng từ của khoáng chất này mạnh như thế nào.
Phản ứng từ có nguồn gốc như thế nào bên trong các chất?
Từ tính được biết đến là một hiệu ứng liên quan đến sự chuyển động của các điện tích. Đó chính xác là dòng điện bao gồm. Vậy thì đặc tính từ của thanh nam châm mà một tờ giấy bạc đã được dán trên tủ lạnh đến từ đâu?
Vật liệu của nam châm, và bất kỳ chất nào khác chứa bên trong proton và electron, chúng có chuyển động riêng và tạo ra dòng điện theo nhiều cách khác nhau.
Một mô hình rất đơn giản giả định rằng electron trong một quỹ đạo tròn xung quanh hạt nhân được tạo thành từ các proton và neutron, do đó tạo thành một dòng điện vòng nhỏ. Mỗi vòng lặp được liên kết với một cường độ vectơ được gọi là "mômen từ quỹ đạo", cường độ của nó được cho bởi tích của dòng điện và diện tích được xác định bởi vòng lặp: nam châm Bohr.
Tất nhiên, trong vòng nhỏ này, dòng điện phụ thuộc vào điện tích của electron. Vì tất cả các chất đều chứa các điện tử bên trong nên về nguyên tắc, tất cả đều có khả năng thể hiện tính chất từ. Tuy nhiên, không phải tất cả chúng đều như vậy.
Điều này là do các mômen từ của nó không thẳng hàng mà được sắp xếp ngẫu nhiên bên trong, sao cho các hiệu ứng từ vĩ mô của nó bị triệt tiêu.
Câu chuyện không kết thúc ở đây. Tích mômen từ của chuyển động electron xung quanh hạt nhân không phải là nguồn từ tính duy nhất có thể có trên thang này.
Electron có dạng chuyển động quay quanh trục của nó. Nó là một hiệu ứng biến thành một mômen động lượng nội tại. Tính chất này được gọi là spin của electron.
Đương nhiên nó cũng có một mômen từ liên quan và nó mạnh hơn nhiều so với mômen quỹ đạo. Trên thực tế, đóng góp lớn nhất vào mômen từ thuần của nguyên tử là thông qua spin, tuy nhiên cả hai mômen từ: chuyển dịch cộng với mômen nội tại đều đóng góp vào tổng mômen từ của nguyên tử.
Những mômen từ này là những mômen có xu hướng căn chỉnh khi có từ trường bên ngoài. Và họ cũng làm điều đó với các trường được tạo ra bởi các khoảnh khắc lân cận trong vật liệu.
Bây giờ, các electron thường bắt cặp trong các nguyên tử có nhiều electron. Các cặp được hình thành giữa các điện tử có spin trái dấu, dẫn đến mômen từ spin bị triệt tiêu.
Cách duy nhất mà spin đóng góp vào tổng mômen từ là nếu một trong số chúng là không ghép đôi, nghĩa là nguyên tử có một số lẻ electron.
Còn momen từ của proton trong hạt nhân thì sao? Vâng, chúng cũng có mômen quay, nhưng nó không được coi là đóng góp đáng kể vào từ tính của nguyên tử. Điều này là do mômen spin tỷ lệ nghịch với khối lượng và khối lượng của proton lớn hơn nhiều so với khối lượng của electron.
Các miền từ tính
Trong sắt, coban và niken, bộ ba nguyên tố có phản ứng từ lớn, mômen spin thuần do các electron tạo ra không bằng 0. Trong các kim loại này, các electron trong quỹ đạo 3d, các electron ngoài cùng, là góp phần vào mômen từ trường. Đó là lý do tại sao những vật liệu như vậy được coi là sắt từ.
Tuy nhiên, mômen từ riêng lẻ này của từng nguyên tử không đủ để giải thích hoạt động của vật liệu sắt từ.
Bên trong các vật liệu có từ tính mạnh có các vùng được gọi là miền từ , có độ mở rộng có thể nằm trong khoảng từ 10 -4 đến 10 -1 cm và chứa hàng tỷ nguyên tử. Trong những vùng này, mômen quay ròng của các nguyên tử lân cận trở nên liên kết chặt chẽ với nhau.
Khi một vật liệu có miền từ tiếp cận nam châm, các miền sắp xếp với nhau, làm tăng cường hiệu ứng từ.
Đó là bởi vì các miền, giống như nam châm thanh, có các cực từ, được ký hiệu bằng nhau Bắc và Nam, như các cực đẩy và các cực ngược nhau hút.
Khi các miền thẳng hàng với trường bên ngoài, vật liệu phát ra âm thanh nứt vỡ có thể nghe thấy bằng cách khuếch đại thích hợp.
Hiệu ứng này có thể được nhìn thấy khi một nam châm hút các đinh sắt mềm và đến lượt chúng hoạt động giống như nam châm hút các đinh khác.
Miền từ không phải là ranh giới tĩnh được thiết lập trong vật liệu. Kích thước của nó có thể được thay đổi bằng cách làm lạnh hoặc làm nóng vật liệu, đồng thời cũng để nó chịu tác động của từ trường bên ngoài.
Tuy nhiên, sự phát triển của tên miền không phải là không giới hạn. Tại thời điểm không thể căn chỉnh chúng được nữa, người ta nói rằng điểm bão hòa của vật liệu đã đạt đến. Hiệu ứng này được phản ánh trong các đường cong trễ bên dưới.
Sự gia nhiệt của vật liệu làm mất sự liên kết của các mômen từ. Nhiệt độ mà từ hóa bị mất hoàn toàn khác nhau tùy thuộc vào loại vật liệu, đối với nam châm dạng thanh, nó thường bị mất ở khoảng 770ºC.
Một khi nam châm được lấy ra, từ tính của các đinh sẽ mất đi do sự kích động nhiệt luôn luôn xuất hiện. Nhưng có những hợp chất khác có từ hóa vĩnh cửu, bởi vì chúng có các miền liên kết một cách tự nhiên.
Miền từ có thể được quan sát khi một vùng phẳng của vật liệu sắt từ không nhiễm từ, chẳng hạn như sắt mềm, được cắt và đánh bóng rất tốt. Sau khi hoàn thành, nó được rắc bột hoặc mạt sắt mịn.
Dưới kính hiển vi, người ta quan sát thấy các phoi được nhóm lại trên các vùng tạo khoáng có định hướng xác định rất rõ, tuân theo các miền từ tính của vật liệu.
Sự khác biệt về hành vi giữa các vật liệu từ tính khác nhau là do cách các miền hoạt động bên trong chúng.
Từ trễ từ
Từ trễ là một đặc tính mà chỉ vật liệu có độ từ thẩm cao mới có. Nó không có trong vật liệu thuận từ hoặc nghịch từ.
Nó đại diện cho tác dụng của từ trường bên ngoài tác dụng, được ký hiệu là H, lên cảm ứng từ B của kim loại sắt từ trong một chu kỳ từ hóa và khử từ. Đồ thị được hiển thị được gọi là đường cong trễ.
Chu kỳ trễ sắt từ
Ban đầu tại điểm O không có trường tác dụng H hoặc phản ứng từ B , nhưng khi cường độ của H tăng , cảm ứng B tăng dần cho đến khi đạt độ lớn bão hòa B s tại điểm A như mong đợi.
Bây giờ cường độ của H giảm dần cho đến khi nó trở thành 0, khi đó chúng ta đạt đến điểm C, tuy nhiên phản ứng từ của vật liệu không biến mất, vẫn giữ lại từ hóa còn lại được chỉ ra bởi giá trị B r . Nó có nghĩa là quá trình này không thể đảo ngược.
Từ đó cường độ của H tăng lên nhưng ngược cực (dấu âm), do đó từ hóa còn lại bị hủy bỏ tại điểm D. Giá trị cần thiết của H được ký hiệu là H c và được gọi là trường cưỡng bức .
Độ lớn của H tăng cho đến khi nó đạt đến giá trị bão hòa tại E một lần nữa và ngay lập tức cường độ của H giảm cho đến khi nó về 0, nhưng vẫn tồn tại một từ hóa còn lại với cực tính trái ngược với cực đã mô tả trước đó, tại điểm F.
Bây giờ cực của H được đảo ngược một lần nữa và độ lớn của nó được tăng lên cho đến khi phản ứng từ của vật liệu tại điểm G bị hủy bỏ. Theo đường GA thì độ bão hòa của nó lại thu được. Nhưng điều thú vị là bạn đã không đến đó bằng con đường ban đầu được chỉ ra bởi các mũi tên màu đỏ.
Vật liệu từ tính cứng và mềm: ứng dụng
Sắt mềm dễ từ hóa hơn thép, và việc gõ nhẹ vào vật liệu càng tạo điều kiện thuận lợi cho sự liên kết của các miền.
Khi một vật liệu dễ từ hóa và khử từ, nó được cho là có tính từ tính mềm , và tất nhiên nếu điều ngược lại xảy ra thì đó là vật liệu có tính cứng từ tính . Ở phần sau, các miền từ tính nhỏ, trong khi ở phần trước chúng lớn, vì vậy chúng có thể được nhìn thấy qua kính hiển vi, như đã trình bày chi tiết ở trên.
Diện tích được bao quanh bởi đường cong từ trễ là thước đo năng lượng cần thiết để từ hóa - khử từ vật liệu. Hình bên cho thấy hai đường cong từ trễ cho hai vật liệu khác nhau. Cái bên trái là từ tính mềm, trong khi cái bên phải cứng.
Một vật liệu sắt từ mềm có trường cưỡng bức nhỏ H c và đường cong từ trễ cao, hẹp. Nó là vật liệu thích hợp để đặt trong lõi của máy biến điện. Ví dụ về chúng là sắt mềm và hợp kim sắt silic và sắt-niken, hữu ích cho thiết bị thông tin liên lạc.
Mặt khác, các vật liệu cứng từ tính rất khó khử từ một khi đã bị nhiễm từ, như trường hợp của hợp kim alnico (nhôm-niken-coban) và hợp kim đất hiếm mà nam châm vĩnh cửu được tạo ra.
Người giới thiệu
- Eisberg, R. 1978. Vật lý lượng tử. Limusa. 557-577.
- Còn trẻ, Hugh. 2016. Vật lý đại học của Sears-Zemansky với Vật lý hiện đại. 14 Ed. Pearson. 943.
- Zapata, F. (2003). Nghiên cứu các khoáng chất liên quan đến giếng dầu Guafita 8x thuộc mỏ Guafita (Apure State) sử dụng phép đo Độ nhạy từ và Quang phổ của Mossbauer. Luận văn cấp bằng. Đại học Trung ương Venezuela.