Độ từ thẩm (Magnetic permeability)

Độ từ thẩm tuyệt đối ($\mu$)

Độ từ thẩm tuyệt đối của một vật liệu được định nghĩa là tỷ số giữa mật độ từ thông ($B$) bên trong vật liệu và cường độ từ trường ($H$) gây ra nó:

$ \mu = \frac{B}{H} $

Đơn vị SI của độ từ thẩm tuyệt đối là henry trên mét (H/m).

Độ từ thẩm tương đối ($\mu_r$)

Độ từ thẩm tương đối của một vật liệu là tỷ số giữa độ từ thẩm tuyệt đối của vật liệu đó ($\mu$) và độ từ thẩm của chân không ($\mu_0$):

$ \mu_r = \frac{\mu}{\mu_0} $

Độ từ thẩm của chân không là một hằng số vật lý, có giá trị xấp xỉ:

$ \mu_0 = 4\pi \times 10^{-7} \text{ H/m} $

Độ từ thẩm tương đối là một đại lượng không có đơn vị. Nó cho biết vật liệu có độ từ thẩm lớn hơn bao nhiêu lần so với chân không.

Phân loại vật liệu theo độ từ thẩm

Vật liệu có thể được phân loại dựa trên độ từ thẩm tương đối của chúng:

• Nghịch từ (Diamagnetic): $\mu_r$ hơi nhỏ hơn 1. Các vật liệu này có xu hướng đẩy từ trường ra xa. Ví dụ: đồng, bạc, vàng.
• Thuận từ (Paramagnetic): $\mu_r$ hơi lớn hơn 1. Các vật liệu này bị từ hóa yếu theo hướng của từ trường ngoài. Ví dụ: nhôm, bạch kim, oxy.
• Sắt từ (Ferromagnetic): $\mu_r$ lớn hơn 1 rất nhiều (có thể lên đến hàng nghìn hoặc hàng triệu). Các vật liệu này bị từ hóa mạnh theo hướng của từ trường ngoài và có thể giữ lại từ tính sau khi từ trường ngoài bị loại bỏ. Ví dụ: sắt, niken, coban.
• Phản sắt từ (Antiferromagnetic): Mô men từ của các nguyên tử hoặc ion lân cận có xu hướng sắp xếp ngược chiều nhau, dẫn đến từ tính tổng thể yếu.
• Ferri từ (Ferrimagnetic): Tương tự như phản sắt từ, nhưng mô men từ không bằng nhau, dẫn đến từ tính tổng thể khác không.

Ứng dụng của độ từ thẩm

Độ từ thẩm là một thông số quan trọng trong nhiều ứng dụng kỹ thuật, bao gồm:

• Thiết kế các lõi biến áp và cuộn cảm: Vật liệu có độ từ thẩm cao được sử dụng làm lõi cho biến áp và cuộn cảm để tăng cường từ thông và hiệu suất của thiết bị.
• Chế tạo nam châm vĩnh cửu: Vật liệu sắt từ với độ từ thẩm cao được sử dụng để tạo ra nam châm vĩnh cửu mạnh.
• Ghi dữ liệu từ tính (như ổ cứng): Vật liệu có độ từ thẩm phù hợp được sử dụng để lưu trữ thông tin dưới dạng từ tính.
• Che chắn từ trường: Vật liệu có độ từ thẩm cao có thể được sử dụng để che chắn các thiết bị nhạy cảm khỏi từ trường bên ngoài.
• Cảm biến từ trường: Vật liệu có độ từ thẩm thay đổi theo từ trường có thể được sử dụng để chế tạo cảm biến từ trường.

Độ từ thẩm là một khái niệm quan trọng trong vật lý và kỹ thuật, giúp chúng ta hiểu và ứng dụng các hiện tượng từ tính trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Việc hiểu rõ về độ từ thẩm và các loại vật liệu từ là rất cần thiết để thiết kế và tối ưu hóa các thiết bị và hệ thống sử dụng từ trường.

Ảnh hưởng của nhiệt độ và tần số

Độ từ thẩm của vật liệu không phải là một hằng số cố định mà có thể thay đổi theo nhiệt độ và tần số của từ trường.

• Nhiệt độ: Đối với vật liệu sắt từ, khi nhiệt độ tăng lên đến một giá trị nhất định gọi là nhiệt độ Curie, vật liệu sẽ mất tính sắt từ và chuyển sang trạng thái thuận từ. Ở nhiệt độ Curie, độ từ thẩm giảm đáng kể.
• Tần số: Ở tần số cao, độ từ thẩm của vật liệu có thể giảm do hiệu ứng dòng điện xoáy và sự trễ của các đômen từ.

Độ từ thẩm phức ($\mu^*$)

Đối với các trường hợp liên quan đến từ trường biến thiên theo thời gian (ví dụ như trong các mạch điện xoay chiều), độ từ thẩm được biểu diễn dưới dạng phức:

$ \mu^* = \mu’ – j\mu” $

Trong đó:

• $\mu’$: Phần thực của độ từ thẩm, đại diện cho khả năng lưu trữ năng lượng từ trường của vật liệu.
• $\mu”$: Phần ảo của độ từ thẩm, đại diện cho sự tổn hao năng lượng do từ trễ và dòng điện xoáy.

Vòng từ trễ (Hysteresis Loop)

Đối với vật liệu sắt từ, mối quan hệ giữa $B$ và $H$ không phải là tuyến tính mà thể hiện qua một vòng từ trễ. Vòng từ trễ cho thấy sự phụ thuộc của từ hóa vào lịch sử từ trường của vật liệu. Diện tích của vòng từ trễ tỷ lệ với năng lượng bị mất đi do từ trễ trong mỗi chu kỳ từ hóa.

Các kỹ thuật đo độ từ thẩm

Có nhiều kỹ thuật khác nhau để đo độ từ thẩm của vật liệu, bao gồm:

• Phương pháp cầu Maxwell: Sử dụng một mạch cầu điện để đo độ tự cảm của một cuộn dây có lõi là vật liệu cần đo. Từ độ tự cảm, ta có thể tính được độ từ thẩm của vật liệu.
• Phương pháp cảm biến B-H: Sử dụng một cảm biến để đo trực tiếp mật độ từ thông ($B$) và cường độ từ trường ($H$) bên trong vật liệu. Độ từ thẩm được tính bằng tỷ số $B/H$.
• Phương pháp cộng hưởng: Dựa trên việc đo tần số cộng hưởng của một mạch điện có chứa vật liệu cần đo. Sự thay đổi tần số cộng hưởng liên quan đến độ từ thẩm của vật liệu.

Mối quan hệ giữa độ từ thẩm và độ tự cảm

Độ từ thẩm của lõi vật liệu ảnh hưởng trực tiếp đến độ tự cảm ($L$) của một cuộn dây. Độ tự cảm tỷ lệ thuận với độ từ thẩm của lõi:

$ L = \frac{N^2 \mu A}{l} $

Trong đó:

• $N$: Số vòng dây.
• $A$: Diện tích tiết diện của cuộn dây.
• $l$: Chiều dài của cuộn dây.

• Jiles, D. (1998). Introduction to Magnetism and Magnetic Materials. Chapman & Hall/CRC.
• Cullity, B. D., & Graham, C. D. (2008). Introduction to Magnetic Materials. John Wiley & Sons.
• Chikazumi, S. (1997). Physics of Ferromagnetism. Oxford University Press.

Câu hỏi và Giải đáp

Tại sao độ từ thẩm của vật liệu sắt từ lại lớn hơn nhiều so với vật liệu thuận từ và nghịch từ?

Trả lời: Độ từ thẩm cao của vật liệu sắt từ xuất phát từ sự tồn tại của các đômen từ. Trong vật liệu sắt từ, các mômen từ nguyên tử sắp xếp song song với nhau bên trong các vùng nhỏ gọi là đômen từ. Khi đặt trong từ trường ngoài, các đômen này có xu hướng sắp xếp theo hướng của từ trường, làm tăng đáng kể mật độ từ thông và do đó làm tăng độ từ thẩm. Vật liệu thuận từ và nghịch từ không có cấu trúc đômen từ này, nên độ từ thẩm của chúng nhỏ hơn nhiều.

Vòng từ trễ ảnh hưởng như thế nào đến hiệu suất của các thiết bị điện từ?

Trả lời: Vòng từ trễ đại diện cho năng lượng bị mất đi dưới dạng nhiệt do sự đảo chiều từ trường. Trong các thiết bị như biến áp và cuộn cảm, năng lượng tổn hao do từ trễ làm giảm hiệu suất và tạo ra nhiệt không mong muốn. Do đó, việc lựa chọn vật liệu có vòng từ trễ hẹp là rất quan trọng để tối ưu hóa hiệu suất của các thiết bị này.

Làm thế nào để đo độ từ thẩm của một vật liệu trong thực tế?

Trả lời: Có nhiều phương pháp để đo độ từ thẩm, ví dụ như phương pháp cầu Maxwell. Trong phương pháp này, vật liệu được đặt làm lõi của một cuộn dây trong mạch cầu. Bằng cách đo độ tự cảm của cuộn dây và so sánh với độ tự cảm khi không có lõi, ta có thể tính được độ từ thẩm của vật liệu. Các phương pháp khác bao gồm phương pháp cảm biến B-H và phương pháp cộng hưởng.

Độ từ thẩm phức ($ \mu^* $) có ý nghĩa gì trong trường hợp từ trường xoay chiều?

Trả lời: Trong trường hợp từ trường xoay chiều, độ từ thẩm phức $ \mu^* = \mu’ – j\mu” $ mô tả cả khả năng lưu trữ năng lượng từ trường (phần thực $\mu’$) và tổn hao năng lượng do từ trễ và dòng điện xoáy (phần ảo $\mu”$). Phần ảo $\mu”$ liên quan đến sự lệch pha giữa $B$ và $H$.

Ứng dụng của vật liệu có độ từ thẩm cao và thấp trong đời sống là gì?

Trả lời: Vật liệu có độ từ thẩm cao, như sắt từ, được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng như lõi biến áp, cuộn cảm, nam châm vĩnh cửu, và động cơ điện. Ngược lại, vật liệu có độ từ thẩm thấp, như nghịch từ, được sử dụng trong các ứng dụng che chắn từ trường, ví dụ như bảo vệ các thiết bị điện tử khỏi nhiễu từ. Một ví dụ khác là vật liệu siêu dẫn, có độ từ thẩm bằng không, được sử dụng trong các ứng dụng đòi hỏi từ trường cực mạnh và ổn định, như tàu siêu tốc từ trường (maglev).