Thuận từ (Paramagnetism)

Nguyên nhân của thuận từ

Thuận từ xuất hiện trong các vật liệu có các nguyên tử hoặc phân tử sở hữu mômen từ vĩnh cửu (do các electron chưa ghép đôi). Khi không có từ trường ngoài, các mômen từ này định hướng ngẫu nhiên, do đó vật liệu không biểu hiện từ tính vĩ mô. Tuy nhiên, khi đặt trong một từ trường ngoài, các mômen từ có xu hướng thẳng hàng theo hướng của từ trường, tạo ra một từ trường cảm ứng cùng chiều với từ trường ngoài, dẫn đến lực hút yếu. Sự thẳng hàng này cạnh tranh với xu hướng ngẫu nhiên do chuyển động nhiệt, do đó độ từ hóa của vật liệu thuận từ phụ thuộc vào cường độ của từ trường ngoài và nhiệt độ. Cụ thể hơn, ở nhiệt độ cao, chuyển động nhiệt sẽ phá vỡ sự thẳng hàng do từ trường ngoài gây ra, làm giảm độ từ hóa. Ngược lại, ở nhiệt độ thấp và từ trường mạnh, sự thẳng hàng sẽ được tăng cường, dẫn đến độ từ hóa lớn hơn.

Mô tả toán học

Độ từ hóa $M$ của vật liệu thuận từ tỉ lệ thuận với cường độ từ trường $H$ và tỉ lệ nghịch với nhiệt độ tuyệt đối $T$:

$M = C \frac{H}{T}$

trong đó $C$ là hằng số Curie, một hằng số đặc trưng cho từng vật liệu. Công thức này được gọi là định luật Curie.

Đối với trường hợp tổng quát hơn, khi các tương tác giữa các mômen từ không thể bỏ qua, định luật Curie-Weiss được sử dụng:

$M = C \frac{H}{T – \theta}$

trong đó $\theta$ là nhiệt độ Curie-Weiss. $\theta$ có thể dương, âm hoặc bằng không, phản ánh bản chất của tương tác giữa các mômen từ. Cụ thể, $\theta > 0$ cho thấy tương tác sắt từ, $\theta < 0$ cho thấy tương tác phản sắt từ, và $\theta = 0$ tương ứng với trường hợp thuận từ lý tưởng theo định luật Curie.

Độ cảm từ

Độ cảm từ $\chi$ của vật liệu thuận từ được định nghĩa là tỉ số giữa độ từ hóa $M$ và cường độ từ trường $H$:

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

Đối với vật liệu tuân theo định luật Curie, độ cảm từ là:

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

và đối với vật liệu tuân theo định luật Curie-Weiss:

$\chi = \frac{C}{T – \theta}$

Độ cảm từ của vật liệu thuận từ luôn dương và thường nhỏ hơn nhiều so với 1.

Ví dụ về vật liệu thuận từ

Một số ví dụ về vật liệu thuận từ bao gồm:

• Nhôm (Al)
• Magiê (Mg)
• Oxy (O₂)
• Platin (Pt)
• Vonfram (W)

Ứng dụng của vật liệu thuận từ

Vật liệu thuận từ được sử dụng trong nhiều ứng dụng, bao gồm:

• Cảm biến từ trường
• Chất tương phản trong chụp cộng hưởng từ (MRI)
• Làm lạnh bằng giải từ

Phân biệt thuận từ với các loại từ tính khác

• Sắt từ: Vật liệu sắt từ bị hút mạnh bởi từ trường và có thể giữ được từ tính khi từ trường ngoài bị loại bỏ.
• Phản sắt từ: Vật liệu phản sắt từ có các mômen từ sắp xếp ngược chiều nhau, dẫn đến độ từ hóa ròng bằng không.
• Thuận từ nghịch: Vật liệu thuận từ nghịch bị đẩy ra bởi từ trường ngoài.

Mômen từ nguyên tử và phân tử

Nguồn gốc của thuận từ nằm ở cấu trúc nguyên tử và phân tử của vật liệu. Mômen từ của một nguyên tử hay phân tử được đóng góp bởi cả momen từ quỹ đạo của electron và momen từ spin của electron. Đối với các nguyên tử có các lớp electron lấp đầy hoàn toàn, các mômen từ spin và quỹ đạo triệt tiêu lẫn nhau, dẫn đến mômen từ tổng bằng không. Tuy nhiên, đối với các nguyên tử hoặc phân tử có các electron chưa ghép đôi, mômen từ tổng cộng khác không, dẫn đến tính thuận từ.

Ảnh hưởng của nhiệt độ

Như đã đề cập, chuyển động nhiệt ngẫu nhiên của các nguyên tử và phân tử cạnh tranh với sự thẳng hàng của các mômen từ do từ trường ngoài. Ở nhiệt độ cao, năng lượng nhiệt lớn hơn năng lượng tương tác từ, làm giảm độ từ hóa. Ngược lại, ở nhiệt độ thấp, sự thẳng hàng của các mômen từ được tăng cường, dẫn đến độ từ hóa lớn hơn. Điều này được phản ánh trong định luật Curie, với độ từ hóa tỉ lệ nghịch với nhiệt độ tuyệt đối.

Sự bão hòa từ

Khi từ trường ngoài đủ lớn, hầu hết các mômen từ sẽ thẳng hàng theo hướng của từ trường. Lúc này, độ từ hóa đạt đến giá trị bão hòa và không tăng thêm nữa khi tăng cường độ từ trường. Hiện tượng bão hòa từ ít quan sát thấy ở vật liệu thuận từ ở nhiệt độ phòng do năng lượng nhiệt lớn.

Liên hệ với độ cảm từ

Độ cảm từ $\chi$ là một đại lượng không thứ nguyên cho biết mức độ từ hóa của vật liệu khi đặt trong từ trường. Đối với vật liệu thuận từ, $\chi$ luôn dương và rất nhỏ (thường trong khoảng $10^{-5}$ đến $10^{-3}$). Giá trị nhỏ của $\chi$ phản ánh sự từ hóa yếu của vật liệu thuận từ so với vật liệu sắt từ, có độ cảm từ lớn hơn nhiều.

Thuận từ và thuận từ nghịch

Điều quan trọng cần lưu ý là không phải tất cả các vật liệu không phải là sắt từ đều là thuận từ. Một số vật liệu thể hiện tính thuận từ nghịch, có nghĩa là chúng bị đẩy ra bởi từ trường ngoài. Điều này xảy ra khi các nguyên tử hoặc phân tử có cấu hình electron đặc biệt sao cho năng lượng của chúng tăng khi đặt trong từ trường. Độ cảm từ của vật liệu thuận từ nghịch là âm, mặc dù giá trị tuyệt đối của nó thường rất nhỏ.

• Introduction to Solid State Physics, Charles Kittel
• Magnetism in Condensed Matter, Stephen Blundell
• Principles of Magnetic Resonance, Charles P. Slichter

Câu hỏi và Giải đáp

Tại sao định luật Curie chỉ là một xấp xỉ và khi nào nó không còn chính xác?

Trả lời: Định luật Curie, $M = C \frac{H}{T}$, dựa trên giả định rằng không có tương tác giữa các mômen từ. Giả định này chỉ đúng ở nhiệt độ cao và từ trường yếu. Khi nhiệt độ giảm hoặc từ trường tăng, tương tác giữa các mômen từ trở nên đáng kể, và định luật Curie không còn chính xác. Lúc này, cần sử dụng định luật Curie-Weiss: $M = C \frac{H}{T – \theta}$, trong đó $\theta$ là nhiệt độ Curie-Weiss, để tính đến các tương tác này. Ngoài ra, định luật Curie cũng không áp dụng khi xảy ra hiện tượng bão hòa từ, tức là khi hầu hết các mômen từ đã thẳng hàng với từ trường ngoài.

Sự khác biệt chính giữa thuận từ và sắt từ là gì?

Trả lời: Sự khác biệt chính nằm ở sự tồn tại của trật tự từ tự phát trong vật liệu sắt từ. Trong vật liệu sắt từ, các mômen từ có xu hướng thẳng hàng song song với nhau ngay cả khi không có từ trường ngoài, tạo ra từ tính vĩnh cửu. Ngược lại, trong vật liệu thuận từ, các mômen từ chỉ thẳng hàng khi có từ trường ngoài và trở nên ngẫu nhiên khi từ trường bị loại bỏ. Hơn nữa, độ cảm từ của vật liệu sắt từ lớn hơn nhiều so với vật liệu thuận từ.

Vai trò của các electron chưa ghép đôi trong thuận từ là gì?

Trả lời: Các electron chưa ghép đôi là nguồn gốc của mômen từ nguyên tử, đóng góp vào tính thuận từ của vật liệu. Mỗi electron sở hữu momen từ spin nội tại. Trong các nguyên tử có các lớp electron lấp đầy hoàn toàn, các momen từ spin của các electron ghép đôi triệt tiêu lẫn nhau. Tuy nhiên, nếu có các electron chưa ghép đôi, thì nguyên tử sẽ có một mômen từ tổng cộng khác không, cho phép nó tương tác với từ trường ngoài và thể hiện tính thuận từ.

Làm thế nào để xác định hằng số Curie ($C$) của một vật liệu?

Trả lời: Hằng số Curie ($C$) có thể được xác định bằng thực nghiệm bằng cách đo độ từ hóa ($M$) của vật liệu ở các nhiệt độ ($T$) khác nhau dưới tác dụng của một từ trường ngoài ($H$) cố định. Sau đó, vẽ đồ thị $1/chi$ theo $T$, trong đó $chi = M/H$ là độ cảm từ. Đối với vật liệu tuân theo định luật Curie, đồ thị này sẽ là một đường thẳng đi qua gốc tọa độ, và độ dốc của đường thẳng này chính là $1/C$.

Ứng dụng của thuận từ trong kỹ thuật là gì?

Trả lời: Thuận từ có nhiều ứng dụng trong kỹ thuật, bao gồm:

• Cảm biến từ trường: Vật liệu thuận từ có thể được sử dụng để chế tạo cảm biến từ trường, do độ từ hóa của chúng thay đổi theo cường độ từ trường.
• Chụp cộng hưởng từ (MRI): Một số hợp chất thuận từ được sử dụng làm chất tương phản trong MRI để tăng cường độ tương phản của hình ảnh.
• Làm lạnh bằng giải từ: Kỹ thuật này sử dụng hiệu ứng từ nhiệt của vật liệu thuận từ để đạt được nhiệt độ cực thấp, gần độ không tuyệt đối.
• Lưu trữ dữ liệu từ tính: Một số vật liệu thuận từ được nghiên cứu để ứng dụng trong lưu trữ dữ liệu từ tính.