Đường cong từ trễ và các đặc trưng của vật liệu từ cứng

Vật liệu từ cứng có nhiều đặc trưng từ học, sự phụ thuộc của tính chất từ vào nhiệt độ, độ bền, độ chống mài mòn... Dưới đây liệt kê một số đặc trưng quan trọng.

Lực kháng từ

Lực kháng từ, ký hiệu là H c {\displaystyle H_{c}} là đại lượng quan trọng đặc trưng cho tính từ cứng của vật liệu từ cứng. Vì vật liệu từ cứng là khó từ hóa và khó khử từ, nên ngược lại với vật liệu từ mềm, nó có lực kháng từ cao. Điều kiện tối thiểu là trên 100 Oe, nhưng vật liệu từ cứng phổ biến thường có lực kháng từ cỡ hàng ngàn Oe trở lên. Nguồn gốc của lực kháng từ lớn trong các vật liệu từ cứng chủ yếu liên quan đến đến dị hướng từ tinh thể lớn trong vật liệu. Các vật liệu từ cứng thường có cấu trúc tinh thể có tính đối xứng kém hơn so với các vật liệu từ mềm và chúng có dị hướng từ tinh thể rất lớn.

Lực kháng từ của vật liệu từ cứng thông thường được biết đến qua công thức:

H c = a . K 1 I s + b ( N 1 − N 2 ) I s + c . λ s τ I s {\displaystyle H_{c}=a.{\frac {K_{1}}{I_{s}}}+b(N_{1}-N_{2})I_{s}+c.{\frac {\lambda _{s}\tau }{I_{s}}}}

trong đó:

• Thành phần thứ nhất có đóng góp lớn nhất với K 1 {\displaystyle K_{1}} là hằng số dị hướng từ tinh thể bậc 1, I s {\displaystyle I_{s}} là từ độ bão hòa.
• Thành phần thứ 2, đóng góp nhỏ hơn một bậc với N 1 , N 2 {\displaystyle N_{1},N_{2}} là thừa số khử từ đo theo hai phương khác nhau.
• Thành phần thứ 3 có đóng góp nhỏ nhất với λ s {\displaystyle \lambda _{s}} là từ giảo bão hòa, τ {\displaystyle \tau } là ứng suất nội.

Và a, b, c lần lượt là các hệ số đóng góp.

Tích năng lượng từ cực đại

Tích năng lượng cực đại là đại lượng đặc trưng cho độ mạnh yếu của vật từ, được đặc trưng bởi năng lượng từ cực đại có thể tồn trữ trong một đơn vị thể tích vật từ. Đại lượng này có đơn vị là đơn vị mật độ năng lượng J m 3 {\displaystyle {\frac {J}{m^{3}}}} .

Tích năng lượng từ cực đại được xác định trên đường cong khử từ (xem hình vẽ) thuộc về góc phần tư thứ 2 trên đường cong từ trễ, là một điểm sao cho giá trị của tích cảm ứng từ B và từ trường H là cực đại. Vì thế, tích năng lượng từ cực đại thường được ký hiệu là ( B . H ) m a x {\displaystyle (B.H)_{max}} .

Vì là tích của B (đơn vị trong CGS là Gauss - G), và H (đơn vị trong CGS là Oersted - Oe), nên tích năng lượng từ còn có một đơn vị khác là GOe (đơn vị này thường dùng hơn đơn vị chuẩn SI trong khoa học và công nghệ vật liệu từ) 1 G O e = 8 1000 J m 3 {\displaystyle 1GOe={\frac {8}{1000}}{\frac {J}{m^{3}}}} .

Để có tích năng lượng từ cao, vật liệu cần có lực kháng từ lớn và cảm ứng từ dư cao.

Cảm ứng từ dư

Cảm ứng từ dư, thường ký hiệu là B r {\displaystyle B_{r}} hay J r {\displaystyle J_{r}} , là cảm ứng từ còn dư sau khi ngắt từ trường (xem hình).

Nhiệt độ Curie

Đây là nhiệt độ mà tại đó vật liệu bị mất từ tính, trở thành chất thuận từ. Một số vật liệu từ cứng được ứng dụng trong các nam châm hoạt động ở nhiệt độ cao nên nó đòi hỏi nhiệt độ Curie rất cao. Loại vật liệu từ cứng có nhiệt độ Curie cao nhất hiện nay là nhóm các vật liệu trên nền SmCo có nhiệt độ Curie từ 500 °C đến trên 1000 °C.

Mật độ từ tích hiệu dụng

Các phương trình Maxwell (trong hệ đo lường SI) áp dụng cho vật liệu từ cứng, khi không có dòng điện tự do chạy bên trong vật liệu này:

∇ × H = 0 {\displaystyle \nabla \times \mathbf {H} =\mathbf {0} } ∇ ⋅ B = ∇ ⋅ μ 0 ( H + M ) = 0 {\displaystyle \nabla \cdot \mathbf {B} =\nabla \cdot \mu _{0}(\mathbf {H} +\mathbf {M} )=0}

Ở đây, B là cảm ứng từ, H là cường độ từ trường, M là độ từ hóa. Vậy tồn tại trường vô hướng Vm, gọi là thế vô hướng từ (đóng vai trò tương tự điện thế trong tĩnh điện học), thỏa mãn:

H = − ∇ V m {\displaystyle \mathbf {H} =-\nabla V_{m}} ∇ 2 V m = − ρ m {\displaystyle \nabla ^{2}V_{m}=-\rho _{m}}

với ρm là mật độ từ tích hiệu dụng (đóng vai trò tương tự mật độ điện tích trong tĩnh điện học):

ρ m = − ∇ ⋅ M {\displaystyle \rho _{m}=-\nabla \cdot \mathbf {M} }