NHỮNG NGUYÊN LÝ VẬT LÝ CỦA TỪ HỌC

Các quá trình vật lý của từ trường ở cấp độ nguyên tử được mô tả bởi sự chuyển động của điện tử quanh quỹ đạo và của spin điện tử “tự quay” - sau đó mở rộng ra cho nguyên tử và tinh thể kim loại, để giải thích vì sao có tính chất từ và tính sắt từ của vật liệu.

1. TỔNG QUAN

Co, Ni, Fe là các chất sắt từ điển hình. Các chất này là các chất vốn có mômen từ nguyên tử lớn (ví dụ như sắt là 2,2 μB, Gd là 7 μB...) và nhờ tương tác trao đổi giữa các mômen từ này, mà chúng định hướng song song với nhau theo từng vùng (gọi là các đômen từ tính). Mômen từ trong mỗi vùng đó gọi là từ độ tự phát - có nghĩa là các chất sắt từ có từ tính nội tại ngay khi không có từ trường ngoài. Đây là các nguồn gốc cơ bản tạo nên các tính chất của chất sắt từ.

Tính chất từ ở cấp độ nguyên tử có nguồn gốc từ sự chuyển động của điện tử trên quỹ đạo quanh hạt nhân và chuyển động spin. Từ trường mạnh được sinh ra từ các nguyên tố sắt từ (Co, Ni, Fe) chủ yếu bắt nguồn từ chuyển động spin. Những vật liệu sắt từ này là những tinh thể có cấu trúc lập phương (hoặc lục giác), lực tĩnh điện tạo sự sắp xếp các spin điện tử song song (hoặc đối song) của những nguyên tử lân cận không phải toàn bộ tinh thể mà thành từng vùng, những vùng đó gọi là đômen từ, và do đó từ trường tự động đạt bảo hòa và định hướng theo một hoặc một số trong sáu chiều pháp tuyến của bề mặt khối lập phương.

Tuy nhiên, quá trình hình thành từ tự phát trên không phải là nguyên nhân của tính chất từ bên ngoài (nam châm) của vật liệu sắt từ, nó còn phải thỏa mãn điều kiện năng lượng cực tiểu nữa. Vì vậy, thay vì hình thành một nam châm lớn, thì chất sắt từ tự từ hóa ở khắp nơi, tạo nên những vùng bị từ hóa gọi là đômen từ. Những đômen từ này đạt mức bão hòa, nó định hướng theo những chiều khác nhau (sắp xếp hỗn loạn) vì vậy năng lượng từ triệt tiêu lẫn nhau và từ trường trong mạng tinh thể có thể coi còn rất nhỏ, xem như bằng không. Những đômen từ này phân biệt nhau bởi những vách mỏng (Bloch Walls) trong những đômen khác nhau thì chiều của từ trường khác nhau. Những vách mỏng này được hình thành khi năng lượng của từ trường không đủ để tách một đômen thành hai đômen, lúc đó tính chất từ sẽ đạt trạng thái cân bằng .

Khi vật liệu sắt đặt trong từ trường ngoài, quá trình quen thuộc bao gồm sự dịch chuyển của các vách đômen, sự thay đổi kích thước các đômen, vì thế các đômen này tự từ hóa và hướng theo chiều của từ trường ngoài và tăng lên theo từ trường ngoài, dần dần giảm số vách mỏng cuối cùng là đạt bão hòa, vì vậy mà vật liệu từ trở thành giống như một khối cầu lớn bị từ hóa hoàn toàn. Còn một số ít vách đômen mất đi và tạo thành các đômen qua lại nhưng phần lớn thì không. Khi ngắt từ trường ngoài hay khử từ theo chiều ngược lại, do sự liên kết giữa các mômen từ và các đômen từ, các mômen từ không lập tức bị quay trở lại trạng thái hỗn độn như ban đầu giống các chất thuận từ mà còn giữ được từ độ ở giá trị khác không.