Từ tính và mômen từ
Mọi vật trên thế giới đều có từ tính, từ những chiếc bàn, chiếc ghế xung quanh chúng ta cho đến các hành tinh và mặt trời trong vũ trụ. Bất kể chúng ở trạng thái nào (tinh thể, vô định hình, lỏng hay khí), nhiệt độ cao hay thấp, áp suất cao hay thấp, tất cả đều có từ tính. Sự khác biệt là một số chất có từ tính mạnh, trong khi những chất khác có từ tính yếu. Tuy nhiên, có thể nói rằng những chất không có từ tính thì không tồn tại. Các chất có thể được phân loại thành năm loại dựa trên các đặc điểm của chúng trong từ trường bên ngoài: chất thuận từ, chất nghịch từ, chất sắt từ, chất ferri từ và chất phản sắt từ. Nguyên nhân nào khiến tất cả các chất có từ tính? Lý do tại sao các chất khác nhau có các đặc điểm khác nhau nêu trên là gì? Điều này bắt đầu từ cơ sở của vật chất - nguyên tử. Vật chất bao gồm các nguyên tử, và nguyên tử bao gồm các hạt nhân nguyên tử và electron. Trong nguyên tử, các electron có mômen từ quỹ đạo do chuyển động của chúng xung quanh hạt nhân nguyên tử; Electron có mômen từ spin do spin của chúng, và mômen từ của nguyên tử chủ yếu đến từ mômen từ orbital và spin của electron, là nguồn gốc của mọi từ tính vật chất. Mômen từ của hạt nhân nguyên tử chỉ bằng 1/1836,5 mômen từ của electron, vì vậy mômen từ của hạt nhân nguyên tử thường bị bỏ qua
Mômen từ của một nguyên tử đơn lẻ bị cô lập
Mô men từ là một vectơ định hướng. Chế độ spin của các electron trong nguyên tử có thể được chia thành hai loại: lên và xuống. Trong hầu hết các chất, có nhiều electron với spin lên và xuống, và các mô men từ mà chúng tạo ra triệt tiêu lẫn nhau. Toàn bộ nguyên tử không có từ tính đối với thế giới bên ngoài. Chỉ một số ít nguyên tử chất có số lượng electron khác nhau theo các hướng spin khác nhau. Do đó, sau khi các mô men từ của các electron có spin ngược nhau triệt tiêu lẫn nhau, vẫn còn một số electron có mô men từ spin bị triệt tiêu, và toàn bộ nguyên tử có mô men từ tổng. Mô men từ của một nguyên tử đơn lẻ phụ thuộc vào cấu trúc nguyên tử của nó, cụ thể là sự sắp xếp và số lượng electron. Tất cả các nguyên tử của các nguyên tố trong bảng tuần hoàn đều có mô men từ riêng của chúng. Mô men từ của các nguyên tử trong tinh thể mà chúng ta đã thảo luận ở trên là mô men từ của một nguyên tử đơn lẻ, nhưng trong tinh thể rắn hoặc không phải tinh thể, các nguyên tử nằm ở các nút tinh thể và bị ảnh hưởng bởi trường điện hạt nhân và trường tĩnh điện electron của các nguyên tử lân cận. Do đó, mô men từ của các nguyên tử trong tinh thể khác với mô men từ của một nguyên tử đơn lẻ bị cô lập. Ví dụ, sắt, coban và niken được gọi là kim loại chuyển tiếp 3D. Trong tinh thể, một số electron của nguyên tử trở thành electron công cộng của các nguyên tử liền kề, gây ra sự thay đổi trong cấu trúc điện tử của các nguyên tử. Một số mômen từ quỹ đạo bị đóng băng, chỉ để lại mômen từ spin góp phần tạo nên mômen từ nguyên tử trong tinh thể. Kết quả là mômen từ của các nguyên tử trong tinh thể lệch khỏi giá trị lý thuyết. Chúng ta đã biết từ nội dung trước rằng mọi thứ trong vũ trụ đều có từ tính, và từ tính chủ yếu bắt nguồn từ từ tính nguyên tử. Do các mômen từ khác nhau của các nguyên tử khác nhau, nên sự tương tác giữa các mômen từ nguyên tử trong các chất vĩ mô được gây ra. Sự sắp xếp các mômen từ nguyên tử ở nhiệt độ phòng là khác nhau. Chúng ta chia các chất vĩ mô thành các chất thuận từ, chất nghịch từ, chất sắt từ, chất dưới sắt từ và chất phản sắt từ theo tính chất từ của chúng, bao gồm ba đặc điểm sau. 1. Từ tính vĩ mô của một chất được đóng góp bởi các mômen từ của các nguyên tử hoặc phân tử cấu thành của nó. Chúng ta gọi tổng mômen từ của một vật liệu trên một đơn vị thể tích là từ hóa của nó, ký hiệu là M và được đo bằng A/m. Nếu thể tích của một chất là V, nó có n nguyên tử và mômen từ của mỗi nguyên tử là μ J, thì M=μ J1+μ J2+...+μ Jn, tức là M=∑ μ J/v. 2. Đường cong từ hóa (đường cong M~H) của cường độ từ hóa: Khi từ trường ngoài bằng 0, các mômen từ nguyên tử có thể được sắp xếp ngẫu nhiên. Tuy nhiên, khi chúng ta áp dụng một từ trường ngoài khác 0, mỗi mômen từ nguyên tử có thể quay theo hướng của từ trường ngoài,và cường độ từ hóa M của chất thay đổi. Đường cong quan hệ giữa cường độ từ hóa M và từ trường ngoài H được gọi là đường cong từ hóa, viết tắt là đường cong từ hóa M~H. Đường cong từ hóa của các chất khác nhau cũng khác nhau.
3. Độ cảm từ x2
Trên đường cong từ hóa M~H, tỷ số M/H tại bất kỳ điểm nào được gọi là độ từ cảm, được biểu diễn bằng chi. χ=M/H, Đơn vị của M là A/m, Đơn vị của H cũng là A/m, do đó, nó là độ từ cảm tương đối và không có đơn vị. Chúng tôi sử dụng kích thước và sự sắp xếp của các mômen từ nguyên tử, hình dạng của đường cong từ hóa M~H và các thông số như độ từ cảm để mô tả từ tính của các chất và phân loại chúng.
Chất thuận từ là những chất có thể bị từ hóa theo hướng của từ trường khi chúng được đưa lại gần nó, nhưng chúng rất yếu và chỉ có thể được đo bằng các dụng cụ chính xác; Nếu từ trường bên ngoài bị loại bỏ, từ trường bên trong cũng sẽ trở về không, dẫn đến việc chúng không có từ tính. Chẳng hạn như nhôm, oxy, v.v. Mỗi nguyên tử trong vật liệu thuận từ có một mômen từ, điều này tạo cho vật liệu thuận từ một mômen từ nguyên tử vốn có; Không có tương tác giữa các nguyên tử liền kề trong vật liệu thuận từ, vì vậy ở nhiệt độ phòng, các mômen từ nguyên tử được sắp xếp ngẫu nhiên và giá trị chiếu của mômen từ nguyên tử μ J theo bất kỳ hướng nào đều bằng không. Khi chịu tác động của từ trường bên ngoài H, mômen từ nguyên tử của các chất như vậy chỉ có thể quay một góc rất nhỏ theo hướng của từ trường bên ngoài và cường độ từ hóa của chúng tăng chậm theo sự gia tăng của từ trường bên ngoài. Độ cảm từ của nó lớn hơn 0, với giá trị thường nằm trong khoảng từ 10-5 đến 10-3. Để căn chỉnh các mômen từ nguyên tử của các chất thuận từ hoàn toàn theo hướng của từ trường ngoài, ước tính cần có cường độ từ trường ngoài là 109-1010 A/m, hiện nay khó đạt được bằng từ trường nhân tạo. Các chất phản từ là các chất có độ cảm từ âm, nghĩa là hướng của từ trường sau khi từ hóa ngược với hướng của từ trường ngoài. Tất cả các hợp chất hữu cơ đều có tính nghịch từ, chẳng hạn như than chì, chì, nước, v.v. Hình chiếu của mômen từ quỹ đạo nguyên tử và mômen từ spin của các chất nghịch từ trong từ trường bằng không, nghĩa là các chất nghịch từ không có mômen từ nguyên tử ròng. Tuy nhiên, dưới tác động của từ trường ngoài, quỹ đạo điện tử sẽ tạo ra một mômen từ bổ sung cảm ứng và mômen từ cảm ứng này ngược hướng với từ trường ngoài, tạo ra từ trường âm. Hướng từ hóa của các chất nghịch từ là âm, ngược với từ trường ngoài và giá trị tuyệt đối của nó tăng tuyến tính theo sự gia tăng của từ trường ngoài. Chất sắt từ là chất có thể duy trì trạng thái từ tính của nó ngay cả khi từ trường bên ngoài biến mất sau khi bị từ trường bên ngoài từ hóa. Cho đến nay, người ta đã phát hiện ra 83 nguyên tố kim loại, trong đó có 4 nguyên tố sắt từ ở nhiệt độ trên phòng, cụ thể là sắt, coban, niken và gadolinium; Ở nhiệt độ cực thấp, có năm nguyên tố có thể biến đổi thành nguyên tố sắt từ, cụ thể là terbi, dysprosi, holmium, erbi và thuli. Trong vật liệu sắt từ, các nguyên tử có mômen từ nguyên tử vốn có và một số electron được chia sẻ.Các mômen từ spin của các nguyên tử liền kề được sắp xếp song song với nhau theo cùng một hướng (còn được gọi là từ hóa tự phát). Đường cong từ hóa M~H của vật liệu sắt từ là phi tuyến tính và độ từ cảm x thay đổi theo từ trường. Độ từ cảm x của vật liệu sắt từ rất lớn, đạt tới 105~107. Chất phản sắt từ
Nó không tạo ra từ trường và chất này tương đối không phổ biến. Các chất phản sắt từ mới vẫn đang được phát hiện. Hầu hết các vật liệu phản sắt từ chỉ tồn tại ở nhiệt độ thấp và giả sử nhiệt độ vượt quá một giá trị nhất định, chúng thường trở thành thuận từ. Ví dụ, crom, mangan, v.v. đều có tính chất phản sắt từ. Các nguyên tử trong vật liệu phản sắt từ cũng có mômen từ nguyên tử vốn có, với một số electron được chia sẻ, nhưng các nguyên tử liền kề có mômen từ ngược nhau (còn được gọi là trật tự phản sắt từ). Đường cong từ hóa M~H của vật liệu sắt từ là tuyến tính, với tốc độ từ hóa là χ>0 và giá trị khoảng 10-4~10-5, rất nhỏ và là hằng số. Điều này có nghĩa là khi vật liệu phản sắt từ được từ hóa trong từ trường ngoài, mômen từ nguyên tử của chúng thay đổi rất ít theo từ trường ngoài, tương tự như vật liệu thuận từ và thuộc về từ tính yếu. Độ cảm từ của vật liệu phản sắt từ thay đổi theo nhiệt độ, như thể hiện trong hình bên dưới, trong đó Tn được gọi là nhiệt độ Niel. Từ tính vĩ mô của vật liệu sắt từ giống với từ tính của sắt từ, ngoại trừ độ từ cảm của chúng thấp hơn (với độ từ cảm là 102~105). Các vật liệu sắt từ điển hình, chẳng hạn như ferit, khác biệt đáng kể nhất so với vật liệu sắt từ ở cấu trúc từ bên trong của chúng (sự sắp xếp các mômen từ). Các mômen từ nguyên tử của vật liệu sắt từ không bằng không, và có sự trao đổi gián tiếp hoặc trao đổi RKKY giữa các mômen từ nguyên tử liền kề, khiến các mômen từ nguyên tử của các mạng con liền kề được sắp xếp theo chiều ngược lại song song, nhưng các mômen từ nguyên tử của các mạng con liền kề có kích thước khác nhau (như thể hiện trong hình trên). Hiện tượng này cũng được gọi là trật tự sắt từ hoặc từ hóa tự phát sắt từ. Đường cong từ hóa M~H của vật liệu sắt từ là phi tuyến tính, tương tự như vật liệu sắt từ, ngoại trừ độ từ cảm thấp hơn một chút, nhưng vẫn thuộc về từ tính mạnh.