Độ cảm từ (Magnetic Susceptibility)

Định nghĩa

Độ cảm từ $\chi$ được định nghĩa là tỷ số giữa độ từ hóa $\mathbf{M}$ (moment từ trên một đơn vị thể tích) và cường độ từ trường $\mathbf{H}$:

$\chi = \frac{\mathbf{M}}{\mathbf{H}}$

Trong nhiều trường hợp, đặc biệt là với từ trường yếu, $\mathbf{M}$ tỷ lệ thuận với $\mathbf{H}$, và $\chi$ là một hằng số. Tuy nhiên, với từ trường mạnh, mối quan hệ này có thể trở nên phi tuyến. Điều này có nghĩa là độ cảm từ không còn là một hằng số mà phụ thuộc vào cường độ của từ trường ngoài. Hiện tượng này thường được gọi là bão hòa từ.

Phân loại vật liệu theo độ cảm từ

Dựa vào giá trị và dấu của $\chi$, vật liệu được chia thành các loại sau:

• Nghịch từ (Diamagnetism): Vật liệu nghịch từ có độ cảm từ âm ($\chi < 0$), thường rất nhỏ (cỡ tuyệt đối). Khi đặt trong từ trường, chúng bị từ hóa theo chiều ngược lại với từ trường ngoài. Ví dụ: bismuth, đồng, vàng, bạc, nước.
• Thuận từ (Paramagnetism): Vật liệu thuận từ có độ cảm từ dương nhỏ ($\chi > 0$). Khi đặt trong từ trường, chúng bị từ hóa theo chiều của từ trường ngoài, nhưng từ tính này biến mất khi bỏ từ trường. Ví dụ: nhôm, bạch kim, oxy.
• Sắt từ (Ferromagnetism): Vật liệu sắt từ có độ cảm từ dương rất lớn ($\chi \gg 0$). Chúng bị từ hóa mạnh bởi từ trường ngoài và có thể giữ lại từ tính ngay cả khi bỏ từ trường. Ví dụ: sắt, niken, coban.
• Phản sắt từ (Antiferromagnetism): Vật liệu phản sắt từ có moment từ nguyên tử sắp xếp theo chiều ngược nhau, triệt tiêu lẫn nhau. Chúng có độ cảm từ dương nhỏ. Ví dụ: mangan oxit (MnO).
• Ferri từ (Ferrimagnetism): Tương tự phản sắt từ, moment từ nguyên tử trong vật liệu ferri từ sắp xếp ngược chiều nhau, nhưng độ lớn không bằng nhau, dẫn đến từ tính tổng cộng khác không. Ví dụ: magnetite (Fe₃O₄).

Ứng dụng

Độ cảm từ có vai trò quan trọng trong nhiều ứng dụng, bao gồm:

• Vật liệu từ: Thiết kế và chế tạo nam châm, thiết bị lưu trữ dữ liệu từ tính.
• Cảm biến từ: Đo cường độ từ trường.
• Y học: Chụp cộng hưởng từ (MRI).
• Khoa học vật liệu: Nghiên cứu và phát triển vật liệu mới.

Đo lường

Độ cảm từ có thể được đo bằng nhiều phương pháp, ví dụ như cân Gouy, cân Faraday, và SQUID (Superconducting Quantum Interference Device). Mỗi phương pháp này đều có ưu điểm và nhược điểm riêng, phù hợp với các loại vật liệu và phạm vi đo khác nhau. Ví dụ, cân Gouy thường được sử dụng cho các vật liệu rắn, trong khi cân Faraday phù hợp hơn với các mẫu có khối lượng nhỏ. SQUID là một thiết bị rất nhạy, cho phép đo độ cảm từ rất nhỏ.

Độ từ thẩm (Magnetic Permeability)

Độ từ thẩm ($\mu$) và độ cảm từ ($\chi$) có liên quan với nhau theo công thức:

$\mu = \mu_0 (1 + \chi)$

trong đó $\mu_0$ là độ từ thẩm của chân không. Độ từ thẩm biểu thị khả năng của một vật liệu cho phép từ trường đi qua. Nói cách khác, nó cho biết vật liệu “dễ” hay “khó” để từ trường xuyên qua.

Độ cảm từ là một đại lượng vật lý quan trọng để mô tả tính chất từ của vật liệu. Hiểu rõ về độ cảm từ giúp chúng ta lựa chọn và sử dụng vật liệu phù hợp trong các ứng dụng khác nhau.

Ảnh hưởng của nhiệt độ

Độ cảm từ của vật liệu thường phụ thuộc vào nhiệt độ. Đối với vật liệu thuận từ, độ cảm từ thường giảm khi nhiệt độ tăng, theo Định luật Curie:

$\chi = \frac{C}{T}$

trong đó $C$ là hằng số Curie và $T$ là nhiệt độ tuyệt đối. Sự giảm này là do sự dao động nhiệt của các nguyên tử làm giảm sự sắp xếp của các moment từ theo từ trường ngoài.

Đối với vật liệu sắt từ, khi nhiệt độ tăng đến một giá trị nhất định gọi là nhiệt độ Curie ($T_C$), vật liệu sẽ chuyển sang trạng thái thuận từ. Ở nhiệt độ trên $T_C$, độ cảm từ giảm theo Định luật Curie-Weiss:

$\chi = \frac{C}{T – T_C}$

Độ cảm từ thể tích và khối lượng

Độ cảm từ được định nghĩa ở trên thường được gọi là độ cảm từ thể tích. Ngoài ra, còn có độ cảm từ khối lượng ($\chi_m$) và độ cảm từ mol ($\chi_M$). Chúng được liên hệ với nhau qua mật độ ($\rho$) và khối lượng mol ($M$) của vật liệu:

$\chi_m = \frac{\chi}{\rho}$

$\chi_M = \chi_m M$

Độ cảm từ dị hướng

Trong một số vật liệu, độ cảm từ có thể khác nhau theo các hướng khác nhau trong vật liệu. Hiện tượng này được gọi là độ cảm từ dị hướng. Ví dụ, trong tinh thể graphite, độ cảm từ theo phương vuông góc với các lớp carbon lớn hơn nhiều so với độ cảm từ theo phương song song với các lớp carbon.

Độ cảm từ phức

Khi vật liệu chịu tác dụng của từ trường xoay chiều, độ cảm từ có thể được biểu diễn dưới dạng phức:

$\chi = \chi’ – j\chi”$

trong đó $\chi’$ là phần thực biểu thị khả năng lưu trữ năng lượng từ trường của vật liệu, và $\chi”$ là phần ảo biểu thị sự mất mát năng lượng do hiện tượng trễ từ.

Các yếu tố khác ảnh hưởng đến độ cảm từ

Ngoài nhiệt độ, độ cảm từ còn bị ảnh hưởng bởi các yếu tố khác như áp suất, tạp chất, và cấu trúc vi mô của vật liệu.

• Kittel, C. (2008). Introduction to Solid State Physics. John Wiley & Sons.
• Cullity, B. D., & Graham, C. D. (2009). Introduction to Magnetic Materials. John Wiley & Sons.
• Chikazumi, S. (1997). Physics of Ferromagnetism. Oxford University Press.
• Blundell, S. (2001). Magnetism in Condensed Matter. Oxford University Press.

Câu hỏi và Giải đáp

Tại sao vật liệu nghịch từ lại có độ cảm từ âm?

Trả lời: Nghịch từ xuất hiện do sự thay đổi nhỏ trong chuyển động orbital của electron khi vật liệu đặt trong từ trường ngoài. Sự thay đổi này tạo ra một moment từ cảm ứng ngược chiều với từ trường ngoài, dẫn đến độ cảm từ âm. Hiệu ứng này có trong tất cả các vật liệu, nhưng thường bị che khuất bởi các hiệu ứng từ khác mạnh hơn như thuận từ hay sắt từ.

Định luật Curie-Weiss khác gì so với định luật Curie và tại sao lại có sự khác biệt này?

Trả lời: Định luật Curie ($ chi = \frac{C}{T} $) mô tả sự phụ thuộc nhiệt độ của độ cảm từ trong vật liệu thuận từ. Định luật Curie-Weiss ($ chi = \frac{C}{T – T_C} $) áp dụng cho vật liệu sắt từ ở nhiệt độ trên nhiệt độ Curie ($T_C$). Sự khác biệt nằm ở số hạng $T_C$ trong mẫu số. $T_C$ đại diện cho sự tương tác giữa các moment từ trong vật liệu sắt từ. Ở nhiệt độ trên $T_C$, tương tác này bị phá vỡ bởi năng lượng nhiệt, và vật liệu hành xử giống như một chất thuận từ, nhưng với một sự dịch chuyển nhiệt độ do tương tác còn sót lại.

Làm thế nào để đo độ cảm từ của một vật liệu?

Trả lời: Có nhiều phương pháp để đo độ cảm từ, bao gồm cân Gouy, cân Faraday, và SQUID (Superconducting Quantum Interference Device). Cân Gouy và Faraday đo lực tác dụng lên một mẫu vật liệu trong một gradient từ trường. SQUID là một thiết bị rất nhạy, sử dụng hiệu ứng Josephson để đo từ thông và từ đó suy ra độ cảm từ.

Độ cảm từ dị hướng có ý nghĩa gì trong ứng dụng thực tế?

Trả lời: Độ cảm từ dị hướng, tức là độ cảm từ phụ thuộc vào hướng, có vai trò quan trọng trong nhiều ứng dụng. Ví dụ, trong việc thiết kế nam châm vĩnh cửu hiệu suất cao, người ta thường tìm kiếm các vật liệu có độ cảm từ dị hướng lớn theo một hướng cụ thể để tối đa hóa từ trường. Trong vật liệu ghi từ, độ cảm từ dị hướng được sử dụng để điều khiển hướng từ hóa và tăng mật độ lưu trữ dữ liệu.

Tại sao độ từ thẩm ($ \mu $) và độ cảm từ ($ chi $) lại liên quan với nhau?

Trả lời: Độ từ thẩm ($ \mu $) biểu thị khả năng của một vật liệu cho phép từ trường đi qua, trong khi độ cảm từ ($ chi $) mô tả mức độ từ hóa của vật liệu khi đặt trong từ trường. Chúng liên quan với nhau qua công thức $ \mu = \mu_0 (1 + chi) $, trong đó $ \mu_0 $ là độ từ thẩm của chân không. Công thức này cho thấy độ từ thẩm của một vật liệu phụ thuộc vào độ cảm từ của nó và độ từ thẩm của chân không. Nếu $ chi $ lớn, $ \mu $ cũng sẽ lớn, nghĩa là vật liệu cho phép từ trường đi qua dễ dàng hơn.