Tìm hiểu về vật liệu từ và sắt từ

Những vấn đề về bản chất của vật liệu từ chỉ mới được giải thích từ những năm 30 của thế kỷ 20. Trước đó, người ta chỉ biết nam châm là cái có thể hút được sắt mà không hiểu tại sao?
 |  Xem: 5.636  |  Trả lời: 1
Ngày gửi: 11/12/2008 - 15:10  |  Câu hỏi liên quan
Trả lời

Danh sách trả lời (1)

1. Khái niệm chung về vật liệu từ.

Trước tiên, xin trả lời câu hỏi sắt và sắt từ có cấu trúc khác nhau như thế nào.
Thật ra, sắt nói chung là vật liệu từ. Vật liệu từ là loại vật liệu mà dưới tác dụng của từ trường ngoài có thể bị từ hóa, tức là có những tính chất từ đặc biệt. Nên có thể nói sắt thường và sắt từ tuy hai mà một. Đó là nếu ta hiểu đúng cái nghĩa của từ "sắt" là chất mà trong thành phần của nó chứa chủ yếu các nguyên tử của nguyên tố Fe. Vì lẽ trên, nói theo ngôn ngữ thông dụng, sự phân biệt sắt và sắt từ là thì không chính xác, nhưng có thể hiểu ý của người hỏi muốn đề cập đến các loại vật liệu nguồn gốc của sắt có ứng dụng khác nhau. Để hiểu thêm vấn đề, ta nên theo dõi đoạn tiếp sau: Tùy thuộc vào cách ứng xử của vật liệu từ trong từ trường, chúng được chia làm hai nhóm chính: vật liệu từ mềm và vật liệu từ cứng.

Vật liệu từ mềm: có độ từ thẩm lớn, từ trường khử từ nhỏ, tổn hao từ trễ nhỏ (đường cong từ trễ hẹp). Các tính chất của vật liệu từ mềm phụ thuộc vào độ tinh khiết hóa học của chúng, và mức độ biến dạng của cấu trúc tinh thể. Nếu có càng ít các loại tạp chất trong vật liệu , thì các đặc tính của vật liệu càng tốt. Vì vậy khi sản xuất vật liệu từ mềm cần phải cố gắng loại bỏ những tạp chất có hại nhất đối với chúng : carbon, phosphor, lưu hùynh, oxy, nitơ, và các loại oxit khác nhau. Đồng thời cần phải cố gắng không làm biến dạng cấu trúc tinh thể và không gây ra trong đó những ứng suất nội. Vật liệu từ mềm được dùng làm mạch từ của các thiết bị và dụng cụ điện có từ trường không đổi hoặc biến đổi. Các loại sắt từ mềm gồm thép kỹ thuật, thép ít carbon, thép lá kỹ thuật điện, hợp kim sắt - niken có độ từ thẩm cao (permaloi) và oxit sắt từ (ferrite).

Vật liệu từ cứng: có từ trường khử từ và từ dư lớn, một cách tương ứng thì đường cong từ trễ của nó rộng, rất khó bị từ hóa. Một khi bị từ hóa thì năng lượng từ của vật liệu được giữ lại lâu, có thể được dùng làm nam châm "vĩnh cữu". Về thành phần cấu tạo có thể chia thành vật liệu kim loại, phi kim loại và điện môi từ. Vật liệu từ kim loại có thể là kim loại đơn chất (sắt, cobalt, niken) và hợp kim từ của một số kim loại. Vật liệu phi kim loại thường là ferrite, thành phần gồm hỗn hợp bột của các oxit sắt và các kim loại khác. Điện môi từ là vật liệu tổ hợp, gồm 60 - 80% vật liệu từ dạng bột và 40 - 20% điện môi. Ferrite và điện môi từ có điện trở suất lớn, nên làm giảm đáng kể mất mát do dòng điện xoáy Fucault. Điều đó cho phép sử dụng chúng rộng rãi trong kỹ thuật cao tần. Ngoài ra, nhiều loại ferrite có độ ổn định của các đặc tính từ trong một dải tần số rộng, kể cả siêu cao tần.

Đối với vật liệu từ cứng kim loại có nhiều loại khác nhau, tính chất của mỗi loại tùy thuộc vào thành phần và phương pháp chế tạo, nên không tiện trình bày hết ở đây. Mà có lẽ mọi người quan tâm nhiều đến vật liệu sắt từ mềm ở trên hơn, nếu cần thêm thông tin thì hãy cho tác giả bài viết này biết.

2. Bản chất của sắt từ hay của nam châm.

Trong tự nhiên có hai loại vật liệu từ chủ yếu: chất thuận từ và chất nghịch từ. Cả hai chất này đều có nhiều như nhau. Khi đặt trong từ trường ngoài, bên trong chất nghịch từ sinh ra từ trường của riêng nó hướng ngược chiều với từ trường ngoài, còn trong chất thuận từ thì từ trường đó hướng cùng chiều với từ trường ngoài. Vật liệu sắt từ là thuận từ, nhưng từ trường riêng do nó sinh ra lớn hơn nhiều lần từ trường ngoài.

Khi các điện tích chuyển động thì tạo thànhh dòng điện. Dòng điện sinh ra từ trường. Đây là ý tưởng cơ bản.

Điện tử chuyển động xung quanh hạt nhân là một dòng điện nguyên tố, và dòng điện đó tạo ra từ trường. Nếu không phải chất sắt từ thì các từ trường nguyên tố được phân bố hỗn độn, tức là có những định hướng khác nhau. Trong loại chất như vậy không tạo nên từ trường tổng hợp nếu xét trong một thể tích đủ lớn.

Đối với chất sắt từ, ở nhiệt độ bình thường chúng có cấu trúc tinh thể. Các tinh thể nhỏ của chất sắt từ tạo thành từ các vùng riêng biệt bị từ hóa, được gọi là các đômen (domain) có kích thước từ một vài đến vài chục micrômét (tỉ lệ với căn bậc hai của kích thước vật liệu - kích thước của nam châm chẳng hạn). Trong mỗi đômen, từ trường của các nguyên tử được sắp xếp theo một trật tự xác định, tức là có hướng như nhau. Trong vật liệu chưa bị từ hóa, từ trường của các đômen khác nhau sẽ có định hướng khác nhau. Dưới tác dụng của từ trường ngoài, từ trường của một bộ phận nguyên tử bên trong đômen bị quay và có hướng dọc theo từ trường ngoài. Nói cách khác, các đômen mà từ trường của mình hầu như trùng với phương của từ trường ngoài sẽ có kích thước tăng do sự sáp nhập với các đômen lân cận. Kết quả từ trường bên trong chất sắt từ tăng mạnh.

Trường từ hóa càng mạnh thì trật tự trong các đômen càng tăng, và từ trường của cả môi trường cũng tăng. Khi trường từ hóa đủ mạnh thì từ trường của tất cả các đômen sẽ hướng như nhau, lúc đó sẽ có hiện tượng bão hòa từ. (Đoạn này giải thích vắn tắt đường cong từ hóa của sắt từ).

Cách giải thích bản chất của sắt từ trên đây được gọi là thuyết miền từ hóa tự nhiên. Tuy gọi là thuyết, nhưng đến nay không còn là giả thuyết nữa mà đã được chứng minh cả bằng lý thuyết và thực nghiệm. Chỉ một số vật liệu như sắt, coban, niken có tính chất theo kiểu đômen như vậy, nhờ vậy mà nam châm hút được chúng. Khả năng hút được của nam châm tự nhiên hay nam châm điện được giải thích như sự tương tác của từ trường lên các dòng điện nguyên tố của mỗi nguyên tử, mà đối với sắt từ thì các dòng điện nguyên tử có cùng chiều nên lực tác dụng tăng đáng kể.

Tuổi của nam châm có thể kéo dài rất lâu (vài chục năm) nếu bảo quản thích hợp. Một khi vật liệu có từ trường và trở thành nam châm thì đó cũng là một cách tích lũy năng lượng (năng lượng của từ trường). Để cho từ tính của nam châm không bị yếu đi thì phải giữ sao cho từ thông của nó không bị phát tán ra không khí. Vậy thì cần phải nối liền các đường sức từ bằng sắt mềm, để các đường sức khép kín qua sắt, đi thông suốt từ cực bắc đến cực nam.

Từ tính của nam châm cũng bị giảm do va chạm và đập, vì lúc đó sẽ phá vỡ trật tự về định hướng của từ trường trong các đômen. Nam châm còn bị mất từ tính do nhiệt độ tăng. Ở nhiệt độ cao, cấu trúc tinh thể của thép và các vật liệu từ khác bị phá hủy, chúng không còn từ hóa được nữa.

3. Một số chú ý khi chế tạo và gia công vật liệu từ.

các loại vật liệu sắt từ nói chung nhạy với các biến dạng cơ học. Vì vậy sau khi cắt thành miếng hay định hình vật liệu, trong đó phát sinh các ứng suất nội làm giảm tính chất từ của nó. Để giảm ứng suất này, người ta nung nóng vật liệu từ đến một nhiệt độ xác định, việc làm này được gọi là "đốt".

Thép dùng làm biến thế thường được đốt trước kia xuất xưởng, và khi đến tay người sử dụng thì đã có tính chất từ bình thường rồi. Ngoại trừ permalloy và các hợp kim niken tương tự với nó, sau khi đốt thì rất trơn, khó dập khuôn hay cắt thành tấm, vì vậy chúng thường đến tay người sử dụng ở trạng thái chưa được đốt.

Khi dập khuôn hay cắt tấm để làm lõi, tấm có kích thước càng nhỏ và càng dày thì việc dập và cắt càng làm giảm độ từ thẩm và làm tăng độ mất mát do xuất những nếp uốn sau khi dập hoặc cắt.

Đối với thép, đốt đến 750 - 900 độ C trong khí trơ, duy trì khoảng 1 - 2 giờ. Sau đó làm nguội dần với tốc độ 30 - 50 độ C một giờ.

Việc đốt đối với permalloy được thực hiện khác nhau đối với từng loại cụ thể (thường được thông báo từ nhà máy). Có thể đốt một cách đơn giản nhưng cho kết quả tương đối tốt đối với nhiều loại permalloy như sau: đốt trong khí trơ ở nhiệt độ 1000 - 1200 độ C, giữ ở nhiệt độ này vài giờ, rồi làm nguội chậm đến 600 - 700 độ C, sau đó làm nguội nhanh đến nhiệt độ phòng.

Hiện nay không biết có sách nào chỉ rõ hơn về việc đốt này hay không ?

Việc biến đổi tín hiệu âm thanh từ cuộn sơ cấp sang cuộn thứ cấp tương tự như nguyên tắc hoạt động của biến thế mà mọi người đều biết từ sách giáo khoa của chương trình trung học, dựa vào hiện tượng cảm ứng điện từ.

Khi lõi sắt từ được đặt trong từ trường biến thiên, thì các từ trường nguyên tố của các nguyên tử xoay và định hướng theo từ trường ngoài, kích thước của các đômen từ bị thay đổi (đã được giải thích ở phần trên). Nhờ đó mà tín hiệu ở bên cuộn sơ cấp được "truyền" sang cuộn thứ cấp, rồi đưa ra loa. Tuy nhiên, tất cả những chuyển dịch ấy gây ra nhiễu trong biến thế, điều này được gọi là hiệu ứng Barkhausen. Độ lớn của điện áp nhiễu phụ thuộc vào tính chất của vật liệu sắt từ. Sự không tuyến tính của đường cong từ hóa cũng làm cho hệ số tự cảm của cuộn thứ cấp của biến áp cũng thay đổi không tuyến tính.

Đặc tuyến tần số của OPT phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trong đó có vật liệu làm lõi. Ngoài ra nó còn phụ thuộc vào tổng trở vào và tổng trở của tải ngõ ra.

Ở tần số thấp, sự không tuyến tính của đường cong từ hóa, dẫn sự không tuyến tính của độ từ thẩm của lõi sắt, và hệ số tự cảm của cuộn thứ cấp. Kết quả làm méo tín hiệu ra loa. Sự méo do OPT đèn điện tử thể hiện rõ từ 40Hz trở xuống, tạo nên chất âm đặc biệt của amply đèn, mà đối với một số người nghe lại thích như thế. Nói thêm, méo là do hiện tượng bão hòa từ đã kể ở trên. Để giảm méo cần phải dùng lõi biến thế có tiết diện càng lớn càng tốt để tránh bị bão hòa từ, hoặc hệ số tự cảm của cuộn sơ cấp lớn để dòng điện trong cuộn dây nhỏ (tiếng bass nghe thấy mềm hơn). Tuy nhiên đối với amply SE thì cần có hệ số tự cảm của cuộn sơ cấp nhỏ, để cân bằng với sự bão hòa DC và AC (do trong cuộn sơ cấp luôn tồn tại dòng điện một chiều). Có thể điều chỉnh lại sự không tuyến tính của độ từ thẩm của lõi bằng cách điều chỉnh khe không khí của lõi (một vài nơi làm như vậy).

Ở tần số cao, sự mất mát do dòng điện xoáy trở nên đáng kể. Để giảm mất mát này, lá sắt phải càng mỏng càng tốt. Tuy nhiên, lá sắt càng mỏng thì cận dưới của đặc tuyến tần số càng được nâng lên. Mất mát ở tần số cao còn do điện dung ký sinh giữa các vòng dây, vì vậy các cuộn dây cần được quấn kỹ lưỡng.

Tính trễ của vật liệu từ là không tránh khỏi, tùy thuộc vào từng loại vật liệu mà trễ nhiều hay ít hơn thôi, một khi có lõi rồi thì không thể làm thay đổi tính chất đó được, trừ khi phải xử lý lại để nó trở thành vật liệu khác, ví dụ như đốt vật liệu như nói ở trên. Cuối cùng chỉ có cách trông chờ vào mạch điện. Một trong những phương pháp điều chỉnh bằng mạch là "đệm" (damping).

4. Thay cho lời kết.

a. Lựa chọn vật liệu lõi biến thế:

Đối với biến thế công suất nhỏ (vài chục đến vài phần trăm của watt), kích thước nhỏ, khi mà yêu cầu nhỏ gọn và nhẹ chiếm ưu thế, không có dòng điện một chiều qua cuộn dây, thì nên chọn vật liệu permalloy 78 -80% niken, có độ từ thẩm lớn nhất trong số tất cả các loại vật liệu từ. Nếu có dòng một chiều thì chọn vật liệu permalloy 45 - 50% niken.

Đối với biến thế công suất nhỏ, cần điều kiện giá thành thấp, mà không phải kích thước hay khối lượng (trong các máy dân dụng), khi không có dòng một chiều, chọn vật liệu thép silic, nó cho độ từ thẩm lớn khi từ trường yếu.

Đối với biến thế công suất trung bình và lớn (vài watts trở lên), trong tất cả các trường hợp cần kích thước nhỏ, nhẹ, giá thấp, thì dùng sắt silic cán lạnh, hoặc lõi chất lượng cao (kích thước sẽ lớn hơn).

b. Vấn đề bọc kim, chống nhiễu:

Nếu chống nhiễu có nguồn gốc điện trường thì dùng kim loại có tính dẫn điện tốt (có thể dùng nhôm là được rồi).

Nếu chống nhiễu có nguồn gốc từ trường thì dùng sắt từ có độ từ thẩm càng cao càng tốt. Tuy nhiên màn chắn từ dù có tốt cách mấy vẫn không thể triệt tiêu được hoàn toàn ảnh hưởng của từ trường ngoài đối với môi trường bên trong.

Vỏ bọc cho đèn điện tử nên bằng sắt non, để có thể chống được cả nhiễu từ và điện.

Hai biến thế để gần nhau thì cũng cần chống nhiễu từ.

và …v…v... có thể tự suy ra thêm cho từng trường hợp cụ thể.
Ngày gửi: 11/12/2008 - 15:12
Trả lời

Sản phẩm tham khảo tại cửa hàng.

Sony Bravia KS-70R200A
Liên hệ gian hàng...
Panasonic TX-51P800H
Liên hệ gian hàng...
Sony KF50E200A
Liên hệ gian hàng...
Sony KS-60R200A
Liên hệ gian hàng...

Đang được quan tâm nhất

Những thành viên tích cực trong tháng
(1 lượt cảm ơn)
(1 lượt cảm ơn)
(1 lượt cảm ơn)
(1 lượt cảm ơn)
(1 lượt cảm ơn)
(1 lượt cảm ơn)
Quảng cáo