Vật liệu dẫn từ là gì? Đặc tính và Các vật liệu dẫn từ thông dụng

Vật liệu dẫn từ là gì? Đặc tính và Các vật liệu dẫn từ thông dụng

Trong thế giới công nghệ ngày nay, vật liệu dẫn từ đang đóng vai trò ngày càng quan trọng và mang tính cách mạng trong việc phát triển các thiết bị điện tử và công nghệ hiện đại. Từ vi mạch điện tử nhỏ gọn cho đến các hệ thống truyền tải điện lớn, vật liệu dẫn từ đóng góp không thể thiếu để truyền tải và điều khiển dòng điện. Trên cơ sở đó, bài viết này sẽ tìm hiểu về khái niệm vật liệu dẫn từ, các tính chất đặc trưng và ứng dụng của chúng trong cuộc sống hàng ngày. Bên cạnh đó, chúng ta cũng sẽ khám phá những tiềm năng và thách thức mà vật liệu dẫn từ mang đến cho lĩnh vực công nghệ và khoa học.

1. Khái niệm vật liệu dẫn từ

Một trong những tác dụng cơ bản của dòng điện là tác dụng từ. Đó chính là cơ sở để chế tạo các loại máy điện. Để truyền tải được năng lượng từ trường cần phải có những vật liệu có từ tính, đó chính là nhóm vật liệu dẫn từ (còn gọi là vật liệu sắt từ). Kim loại chủ yếu có từ tính là sắt cacbon, niken và các hợp kim của chúng, bên cạnh đó còn có côban cũng được gọi là chất sắt từ đã qua quá trình tinh luyện.

2. Tính chất của vật liệu dẫn từ

Nguyên nhân chủ yếu gây nên từ tính của vật liệu là các điện tích luôn chuyển động nằm theo quỹ đạo kín, tạo nên những dòng điện vòng đó là sự quay của các điện tử xung quanh trục của mình và sự quay theo quỷ đạo của các điện tử trong nguyên tử.

Hiện tượng sắt từ là do trong một số vật liệu ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ nhất định đã phân thành những vùng mà trong từng vùng ấy các điện tử đều định hướng song song với nhau. Các vùng ấy được gọi là đômen từ.

Như vậy tính chất đặc trưng cho trạng thái sắt từ của các chất là nó có độ nhiễm từ tự phát ngay khi không có từ trường ngoài. Mặc dù trong chất sắt từ có những vùng từ hóa tự phát nhưng mômen từ của các đômen lại có hướng rất khác nhau. Các chất sắt từ đơn tinh thể có khả năng từ hóa dị hướng nghĩa là theo các trục khác nhau mức từ hóa khó hay dễ cũng khác nhau. Trong trường hợp các chất sắt từ đa tinh thể có tính dị hướng thể hiện rất rõ người ta gọi chất đó là có cấu tạo thớ từ tính. Tạo được thớ từ theo ý muốn có ý nghĩa lớn, nó được sử dụng trong kỹ thuật để nâng cao đặc tính từ của vật liệu theo hướng xác định.

3. Các đặc tính của vật liệu dẫn từ

Tại mỗi điểm trong từ trường, hệ số từ thẩm bằng tỷ số giữa cường độ từ cảm B và cường độ từ trường H.

Môi trường là chân không, có các trị số cường độ từ cảm B0 và từ trường H0, thì:

m0-hệ số từ thẩm tuyệt đối của chân không, về trị số m0= 4p.10-7 Ωs/m. Đơn vị Ωs/m còn gọi là Henry/mét (H/m).

Trong môi trường khác chân không, ta có:

m – hệ số từ thẩm tương đối của môi trường từ trường khác chân không, cho biết hệ số từ thẩm tuyệt đối của môi trường so với hệ số từ thẩm của chân không m0 là bao nhiêu.

Theo hệ số từ thẩm và từ tính của vật chất, người ta chia ra các chất thuận từ, nghịch từ và dẫn từ.

a. Chất thuận từ: là chất có độ từ thẩm m > 1 và không phụ thuộc vào cường độ từ trường ngoài. Loại này gồm có oxy, nitơ, oxyt, muối sắt, muối côban, muối niken, kim loại kiềm, nhôm, bạch

b. Chất nghịch từ: là chất có độ từ thẩm m < 1 và không phụ thuộc vào cường độ từ trường ngoài. Loại này gồm có hydro, các khí hiếm, đa số các hợp chất hữu cơ, đồng, kẽm, bạc, vàng, thuỷ ngân, antimon, gali,… .

Các chất thuận từ và nghịch từ giống nhau ở chỗ từ yếu, tức là cùng có độ từ thẩm m sấp sỉ bằng 1. Ví dụ nhôm là chất thuận từ có m = 1,000023, còn đồng là chất nghịch từ có m = 0,999995.

c. Chất dẫn từ: là chất có độ từ thẩm m >> 1 và phụ thuộc vào cường độ từ trường ngoài. Loại này gồm có sắt, niken, côban và các hợp kim của chúng, hợp kim crôm – mangan, gađôlonit và ferit có các thành phần khác nhau.

4. Những hư hỏng thường gặp vật liệu dẫn từ

Các loại vật liệu dẫn từ được sử dụng để chế tạo các mạch từ của các thiết bị điện, máy điện và khí cụ điện, nên khi sử dụng lâu ngày sẽ bị hư hỏng và ta thường gặp các dạng hư hỏng sau:

+ Hư hỏng do bị ăn mòn kim loại: đa phần chúng là các chất sắt từ và các hợp chất sắt từ nên chúng cũng bị tác dụng của môi trường xung quanh và tác dụng đó diễn ra dưới hai hình thức ăn mòn, ăn mòn hóa học và ăn mòn điện hóa như những kim loại khác mặc dầu trên bề mặt chúng có sơn lớp sơn cách điện.

+ Hư hỏng do điện: trong quá trình làm việc do xẩy ra các hiện tương như quá điện áp, do bị ngắn mạch nên các cuộn dây đặt trên mạch từ bị cháy nên làm hỏng các mạch từ.

+ Hư hỏng do bị già hóa của kim loại: dưới tác dụng của thời gian và môi trường làm cho các tính chất của vật liệu từ thay đổi.

+ Hư hỏng do các lực tác động từ bên ngoài: dưới tác dụng của ngoại lực làm cho các vật liệu từ bị biến dạng hoặc bị hỏng.

+ Dưới tác dụng của nhiệt độ: khi nhiệt độ tăng lên (khoảng 1250C) các vật liệu có từ tính sẽ mất từ tính.

5. Một số vật liệu dẫn từ thông dụng

5.1. Vật liệu từ mềm

Là những vật liệu có độ thấm từ cao lực kháng từ nhỏ tổn thất nhỏ thường dùng làm lõi máy biến áp, nam châm. Để giảm dòng điện xoáy người ta phủ một lớp mỏng lên vật liệu từ mềm có sơn cách điện để tăng điện trở suất.

a. Thép kỹ thuật (gồm cả gang) được dùng làm từ trường trong mạch từ không đổi. Thép kỹ thuật có cường độ từ cảm bão hoà cao (tới 2,2 Tesla), hằng số từ thẩm lớn và cường độ khử từ nhỏ.

b. Thép lá kỹ thuật điện là hợp chất sắt-silic (1-4%Si). Silic cải thiện đặc tính từ của sắt kỹ thuật: tăng hằng số từ thẩm, giảm cường độ khử từ, tăng điện trở suất (để giảm dòng điện Fucô hay dòng điện xoáy).

c. Pecmaloi là hợp kim sắt – niken (22%Ni), ngoài ra còn có một số tạp chất: Molipden, crôm, silic, nhôm. Pecmaloi có hằng số từ thẩm lớn gấp 10-50 lần so với thép lá kỹ thuật điện, chỉ cần một cường độ từ trường nhỏ vài phần đến vài chục phần trăm A/m, thép đã đạt tới cường độ từ cảm bão hoà.

Permalloy - Vật liệu dẫn từ
Permalloy – Vật liệu dẫn từ

d. Ferit là vật liệu sắt từ gồm có bột oxit sắt, kẽm và một số nguyên tố khác. Khi chế tạo, hỗn hợp được ép trong khuôn với công suất lớn và nung đến nhiệt độ khoảng 12000C, thành phẩm sẽ có dạng theo ý muốn. Ferit có điện trở suất rất lớn, thực tế có thể coi gần như không dẫn điện, nên dòng điện xoáy chạy trong ferit rất nhỏ. Bởi vậy cho phép dùng ferit làm mạch từ của từ trường biến thiên với tần số cao. Ferit niken- kẽm bằng cách nhiệt phân muối, gọi là Oxyfe. Ferit và Oxyfe có hằng số từ thẩm ban đầu lớn, từ dư nhỏ (0,18-0,32 Tesla) và từ trường khử từ nhỏ (8-80 A/m). Chúng được sử dụng rất rọng rãi làm mạch từ của các linh kiện điện tử, khuếch đại từ, máy tính,….

e. Những hợp kim có độ thẩm từ

  • Hợp kim niken cao chứa 72 – 80% Niken
  • Hợp kim niken thấp chứa 40 – 50% Niken

Ứng dụng:

  • Hợp kim niken thấp không có phụ gia chế tạo lõi máy biến áp cỡ nhỏ, cuộn kháng, rơle.
  • Hợp kim niken cao có phụ gia dùng trong máy biến áp xung, bộ khuếch đại từ, rơle không tiếp điểm và bộ nhớ máy tính.

5.2. Vật liệu từ cứng

Gồm: Thép hợp kim tôi cứng, hợp kim đúc, nam châm dạng bột, ferit từ cứng, hợp kim biến dạng đàn hồi và băng từ.

a. Thép hợp kim tôi cứng

Đặc điểm : Tính chất từ tính thấp, dễ gia công, giá thành rẻ.

Ứng dụng: Sản xuất nam châm vĩnh cửu.

b. Hợp kim nam châm cứng- đúc

Đặc điểm : Là hợp kim của 3 nguyên tố: Nhôm – Niken- Sắt gọi là alni, có năng lượng từ lớn.Tính chất từ tính phụ thuộc vào những kết cấu tinh thể và kết cấu từ. Hợp kim này giòn và cứng không gia công cơ khí được chỉ hoàn thiện sản phẩm bằng cách đúc và mài mòn.

Ứng dụng :sản xuất nam châm vĩnh cửu

c. Nam châm bột: có 2 loại

+ Loại 1 : Nam châm gốm kim loại là nam châm có kết dính

+ Loại 2 : Nam châm nhựa kim loại là nam châm không có kết dính ở trường từ có tần số cao.

d. Ferit nam châm cứng

Có điện trở suất cao bằng hàng triệu lần điện trở suất của hợp kim cứng, cường độ cơ học thấp, tính giòn cao, tính chất phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ.

Ứng dụng: Dùng ở các thiết bị có tần số cao

e. Băng từ và các hợp kim biến dạng dẻo

Dùng chế tạo thép nam châm cứng và các hợp kim tạo thành băng từ ghi chép và các băng ghi âm thanh hoặc dây kim loại. Khi hợp kim không thể hình thành băng hay sợi kim loại thì tạo thành các băng chất dẻo.

5.3. Nam châm điện

Khi một lõi thép được đặt trong một cuộn dây có dòng điện chạy qua (mạch từ hở) thì lõi thép sẽ trở thành nam châm và hút dưới tác động của lực điện từ ở bên trong cuộn dây.

Nam châm điện - Vật liệu dẫn từ
Nam châm điện – Vật liệu dẫn từ

Vậy nam châm điện là một thiết bị gồm có cuộn dây từ hoá và một mạch từ, phần động gọi là nêm từ được kéo bởi phần chính mạch từ với lực:

F = 4.105B2S

Với:

  • F là lực được xác định bằng N
  • B là cảm ứng từ được tính bằng T
  • S là diện tích các cực tính bằng m2

Trong trường hợp mạch từ của nam châm điện làm việc ở trạng thái không bão hòa, sự biến đổi của dòng điện cho phép làm thay đổi cảm ứng từ do đó làm biến đổi lực kéo của nam châm.

– Nam châm điện được ứng dụng rộng rãi. VD: Để cố định các chi tiết gia công trong máy công cụ, rơ le, cơ cấu phanh…

Trên thực tế, vật liệu dẫn từ đã trở thành một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng và có ảnh hưởng sâu rộng trong lĩnh vực khoa học và công nghệ. Qua bài viết trên, chúng ta đã được tìm hiểu về khái niệm vật liệu dẫn từ, tính chất, đặc tính và cả những hư hỏng thường gặp của chúng, cùng với một số vật liệu dẫn từ thông dụng.

Xem thêm:

Share this post

Trả lời

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *