Bài giảng Vật liệu điện - Chương 9: Vật liệu từ

 CHƯƠNG IX: VẬT LIỆU TỪ
 NỘI DUNG
I. TÍNH CHẤT TỪ CỦA VẬT LiỆU
II. PHÂN LOẠI VẬT LIỆU TỪ
III. TỪ HÓA VÀ NHIỆT ĐỘ
IV. VÙNG TỪ TÍNH
V. VẬT LiỆU SẮT TỪ MỀM VÀ CỨNG
VI. TỔN HAO SẮT TỪ
 I. TÍNH CHẤT TỪ CỦA VẬT LiỆU
 Mô men lưỡng cực từ
 Lý thuyết từ phân tử
 Lý thuyết từ nguyên tử - Mô men từ 
nguyên tử
 Vectơ từ hóa M
 Trường từ hóa (Cường độ từ trường H)
 Độ từ thẩm và độ cảm từ
 1. Mô men lưỡng cực từ
 Cho dòng điện I khép kín mặt phẳng có diện tích a như hình 
sau
 Mô men từ lưỡng cực hay Mô men từ được xác định như sau
 Tổng quát, Mô men từ được xác định như sau:
 Khi Mô men từ được đặt trong từ trường, nó sẽ bị tác động của 
Mô men lực để quay trục của nó theo từ trường:
 sinmBT 
Biểu thức xác định Mô men lực
Độ lớn Mô men lực
T
 2. Lý thuyết từ phân tử
 Mỗi phân tử vật liệu từ là 01 nam châm
 Khi chưa từ hóa, các nam châm phân tử sắp xếp ngẫu nhiên 
(hỗn loạn) ảnh hưởng của từ trường của các nam châm 
triệt tiêu lẫn nhau tổng từ trường bằng 0 và không hình 
thành cực nam và bắc của khối vật liệu
 Khi bị từ hóa, các nam châm phân tử sắp xếp định hướng theo 
từ trường ngoài hình thành tổng từ trường cực nam và 
bắc của khối vật liệu
 3. Lý thuyết từ nguyên tử -Mômen từ nguyên tử
 Điện tử quay xung quanh hạt nhân tạo ra Mô men từ orbital
Với 

2
e
I
2
2
2 rerImorb

r
morb
 Điện tử tự quay quanh trục của nó tạo ra Mô men từ spin
S
m
e
m
e
spin
Với S: động lượng góc
ms
 Mô men từ orbital và Mô men từ spin tạo nên mô men từ 
của nguyên tử
m
 Mô men từ trong vật liệu khi không có từ trường ngoài
 Mô men từ định hướng theo từ trường ngoài
B
 4. Véc tơ từ hóa M
 Đặt cuộn dây hình ống trong
chân không. Từ trường trong
cuộn dây Bo (hay cảm ứng từ
Bo)
nIB oo  
 Nếu khối vật liệu sắt từ hình trụ
được đặt vào trong lòng ống
dây. Lúc này từ trường trong
lòng ống dây (khối vật liệu) là B
> Bo
 Mỗi nguyên tử vật liệu sẽ phản
ứng dưới tác động của từ trường
Bo và kết quả là hình thành
mạng mô men từ m theo hướng
từ trường Bo
 Vật liệu lúc này bị từ hóa. Véc tơ
từ hóa M được định nghĩa là
tổng mô men từ của vật liệu
trên 1 đơn vị thể tích
 
N
i
im
V
M
1
1
 Sau khi từ hóa, mỗi nguyên tử có một mô men từ theo hướng
Bo
 Mỗi một mô men từ theo hướng Bo có thể xem như được tạo ra
từ một mạch dòng điện (current loop) ở cấp độ nguyên tử
 Các mạch dòng điện này là kết quả của chuyển động spin và
orbital điện tử
 Do ảnh hưởng của sự từ hóa hình thành dòng điện từ hóa Im
trên bề mặt vật liệu
mIM 
 5. Trường từ hóa (cường độ từ trường)
 Khi khối vật liệu sắt từ được đặt trong lòng ống dây sẽ hình
thành dòng từ hóa trên bề mặt vật liệu
 Lúc này từ trường B hình thành trong lòng ống dây (khối vật
liệu) do dòng điện dẫn chạy trong ống dây và dòng điện từ hóa
Im trên bề mặt khối vật liệu.
 Từ trường tại 1 điểm bên trong vật liệu là tổng của từ trường
ngoài Bo và từ trường do véc tơ từ hóa M tạo ra
MBInIB oomo  )(
 Từ trường Bo là từ trường từ hóa được sinh ra bởi dòng điện
chạy trong ống dây dùng để từ hóa vật liệu
 Trường từ hóa H được định nghĩa:
 Trường từ hóa còn gọi là cường độ từ trường có đơn vị A.m-1
 Cường độ từ trường H là nguyên nhân. Từ trường B là kết
quả. H phụ thuộc vào dòng điện ngoài, trong khi B phụ thuộc
cả vào dòng điện ngoài và độ từ hóa M.
nIBMBH o
oo

11
 6. Độ từ thẩm và độ cảm từ
 Tại điểm P trong vật liệu có từ trường B và cường độ từ
trường H. Bo là từ trường tại P khi vật liệu là chân không. Độ
từ thẩm  được định nghĩa là là tỉ số giữa B và H
 Độ từ thẩm  nói lên mức độ thấm từ của vật liệu dưới tác
động của từ trường (khả năng tập trung đường sức từ vào vật
liệu)
 Độ từ thẩm tương đối r của vật liệu là tỉ số gia tăng từ
trường trong vật liệu khi so sánh với chân không
H
B
 
ro
oo
r
H
B
B
B


 
 Độ cảm từ
 Độ cảm từ m cho biết mức độ từ hóa của vật liệu (mức độ 
phản ứng của vật liệu dưới tác động của từ trường)
H
M
m 
 Vật liệu nghịch từ
 Vật liệu thuận từ
 Vật liệu sắt từ
 Vật liệu từ Ferrite
II. PHÂN LOẠI VẬT LIỆU TỪ
 1. Vật liệu nghịch từ (Diamagnetic Material)
 Là chất không có từ tính, hưởng ứng ngược với từ
trường ngoài
 Khi không có từ trường ngoài, không tồn tại các mômen
từ nên tổng mômen từ bằng 0
 Khi có từ trường ngoài, xuất hiện các mômen từ nên
tổng mômen từ khác 0 và tạo ra từ trường bên trong.
Tuy nhiên từ trường bên trong Bint ngược hướng với từ
trường ngoài Bo
 r < 1
 Độ cảm từ m có giá trị âm (<0)
 B = 0
B > 0
 Vật liệu nghịch từ có
xu hướng chống lại
các đường sức từ
 2. Vật liệu thuận từ (Paramagnetic Material)
 Là chất có từ tính yếu, hưởng ứng thuận theo từ trường ngoài
 Khi không có từ trường ngoài, tồn tại các mô men từ nguyên
tử (nhưng giá trị nhỏ)
 Tuy nhiên các mô men từ này sắp xếp ngẫu nhiên nên tổng
mômen từ bằng 0
 Khi có từ trường ngoài, các mô men từ định hướng lại để tạo
ra từ trường bên trong Bint gần cùng chiều với từ trường ngoài
Bo
 r > 1
 Độ cảm từ m có giá trị dương (>0)
 B = 0 B > 0
 Vật liệu thuận từ
cho các đường sức
từ đi qua
 3. Vật liệu sắt từ (Ferromagnetic Material)
 Khi không có từ trường ngoài, tồn tại các Domain từ
(vùng mà các momen từ cùng chiều)
 Tuy nhiên các Domain từ này sắp xếp ngẫu nhiên nên
tổng mômen từ bằng 0 (vật liệu đã bị khử từ)
 Khi có từ trường ngoài, các Domain từ định hướng lại để
tạo ra từ trường bên trong Bint cùng chiều với từ trường
ngoài Bo. Kết quả là tạo ra từ trường tổng B = Bo+ Bint
rất lớn
 r >> 1 và thay đổi phụ thuộc H, có từ tính mạnh
 Độ cảm từ m rất lớn
 Vật liệu sắt từ có xu 
hướng tập trung các 
đường sức từ
 Ví dụ: các nguyên tố sắt 
từ cơ bản: Sắt, Niken và 
Cobalt
 Vật liệu gốm chế tạo từ các oxit
 Giống vật liệu sắt từ. Khi nhiệt độ T>Tc, Ferrite trở thành
vật liệu thuận từ
 Tồn tại từ hóa M ngay cả khi không có từ trường ngoài (tồn
tại 02 loại mômen từ nguyên tử ngược hướng)
 Từ tính yếu hơn vật liệu sắt từ
 Ferrite không dẫn điện nên không có tổn hao do dòng điện
xoáy được sử dụng rộng rãi làm mạch từ trong các thiết
bị điện tử có tần số cao (Ferrite từ mềm-MnaZn(1-a)Fe2O4,
NiaZn(1-a)Fe2O4)
 Ferrite từ cứng dùng làm nam châm vĩnh cữu (Barium
ferrite, BaFe12O19 (BaO·6Fe2O3))
4. Vật liệu từ Ferrite (Ferrimagnetic Material)
 Từ hóa vật liệu từ
 Đường cong từ hóa 
 Ảnh hưởng của nhiệt độ
III. TỪ HÓA VÀ NHIỆT ĐỘ
 1. Từ hóa vật liệu sắt từ
 Vật liệu chưa bị từ 
hóa
Vật liệu bị từ hóa
 2. Đường cong từ hóa
• Tăng H B tăng theo đường 
cong từ hóa ban đầu và bão hòa 
đạt giá trị Bs
• Giảm H, B không giảm theo 
đường cong từ hóa ban đầu 
từ trễ tổn hao từ trễ
• H = 0, B= Br (từ dư)
• Giảm H = Hc (lực kháng từ), 
B=0
• Tiếp tục giảm H, B đạt cực đại 
và bão hòa theo chiều âm
• Tăng H trở lại B giảm, quá 
trình khử từ lặp lại
• Tiếp tục tăng H B tăng và 
bão hòa tại Bs
Từ hóa vật liệu bằng từ trường xoay
chiều đường cong kín gọi là vòng từ
trễ của chu trình từ hóa
 Họ đường cong từ trễ
• Khi biên độ 
dòng từ hóa 
xoay chiều 
thay đổi 
cường độ từ 
trường cực đại 
H thay đổi 
Bs thay đổi 
thu được họ 
đường cong từ 
trễ 
 3. Ảnh hưởng nhiệt độ
• Tăng nhiệt độ sẽ:
- Tăng dao động nhiệt của nguyên tử
- Tổng mô men từ giảm
- Giảm độ từ hóa M
• Tăng nhiệt độ lớn hơn Tc:
- Từ tính của vật liệu biến mất (trở
thành chất thuận từ)
- Từ dư bằng 0
- Phương pháp khử từ
Nhiệt độ Curie
 Nhiệt độ Curie (TC) một số chất
 IV. VÙNG TỪ TÍNH (DOMAIN)
• Vật liệu sắt từ và Ferrite chứa
các vùng từ tính có thể tích nhỏ
(0.1 – 1 mm3)
• Các vùng từ tính này có mô
men từ nguyên tử sắp xếp theo 1
chiều nên có độ từ hóa M lớn và
chiều của M sắp xếp ngẫu nhiên
• Giữa các Domain là vùng biên
có độ từ hóa M đổi chiều từ từ
• Độ từ hóa của vật liệu bằng
tổng véc tơ từ hóa của các
Domain
 Vật liệu sắt từ mềm
 Vật liệu sắt từ cứng
V. VẬT LIỆU SẮT TỪ MỀM VÀ CỨNG
 1. Định nghĩa
 Dựa vào đường cong B-H, vật liệu sắt từ được chia
thành sắt từ mềm và sắt từ cứng
 2. Vật liệu sắt từ mềm
 Dễ từ hóa và khử từ do đó cần cường độ từ trường
H và lực kháng từ Hc nhỏ
 Vòng từ trễ hẹp
 Mắc từ trễ (diện tích vòng từ trễ) nhỏ nên tổn hao
từ trễ nhỏ
 Từ dư nhỏ
 r lớn 
 Ứng dụng trong các thiết bị khi sự từ hóa và khử từ
diễn ra theo chu kỳ như Máy điện, Máy biến áp,
Cuộn cảm, Rơ le điện từ (yêu cầu có tổn hao từ
trễ nhỏ)
 Thông số một số sắt từ mềm thông dụng
Vật liệu oHc (T) Bsat (T) Br (T) ri rmax Wh Ứng dụng
Sắt tinh khiết 0 Lớn 0 Lớn Lớn 0 Thiết bị điện
Sắt 
(0,2% tạp chất)
<10-4 2,2 <0,1 150 104 250 Thiết bị điện
Thép Silicon
(2÷4% Si)
<10-4 2,0 0,5 - 1 103 104 - 4 105 30-100 Thiết bị điện 
lực
Supermalloy
(79Ni-15Fe-5Mo-
0,5Mn)
2 10-7 0,5 – 0,8 <0,1 105 106 <0,5 Thiết bị yêu 
cầu tổn hao 
thấp
Permalloy
(78,5Ni-21,5Fe)
5 10-6 0,86 <0,1 8 103 105 <0,1 Thiết bị yêu 
cầu tổn hao 
thấp
Ferrite (Fe3O4)
(Mn-Zn ferrite)
10-5 0,4 <0,01 2 103 5 103 <0,01 Thiết bị có tần 
số cao
Wh: tổn hao từ trễ (J/m
3.chu kỳ)
 Ứng dụng của sắt từ mềm
Thép
silic
 Lõi gốm (ferrite)
 3. Vật liệu sắt từ cứng
 Khó từ hóa và khử từ cần cường độ từ trường H
khá lớn
 Vòng từ trễ rộng và có dạng hình chữ nhật
 Lực kháng từ Hc lớn
 Từ dư lớn
 r nhỏ hơn so với vật liệu sắt từ mềm
 Dùng làm nam châm vĩnh cữu hoặc thiết bị lưu trữ
thông tin
 Vật liệu oHc (T) Br (T) (BH)max (kJ/m
3) Ứng dụng
Alnico (Fe-Al-Ni-Co-
Cu)
0,19 0,9 50 Nam châm vĩnh cữu
Đất hiếm 0,62 -1,1 1,1 150-240 Động cơ Servo, Động cơ 
bước, máy phát 
điện nam châm 
vĩnh cữu trong tua 
bin gió
NdFeB (đất hiếm) 0,9-1,0 1,0-1,2 200-275 Động cơ nhỏ (CD, MRI, 
Cassette)
-Fe2O3 0,03 0,2 Đĩa mềm, Băng audio, 
video
Thông số một số sắt từ cứng thông dụng
 Từ hóa làm Nam châm vĩnh cữu
 Từ dư lớn sau khi từ hóa
 Nam châm đất hiếm Nam châm Alnico
 Năng lượng nam châm
 Nam châm vĩnh cữu hình xuyến
 Nam châm kín: không có năng
lượng truyền cho không gian
bên ngoài
 Khi có khe hở không khí: xuất
hiện năng lượng truyền ra không
khí
 Năng lượng cho 1 đơn vị thể tích
khe hở không khí
 8
ii
L
HB
W 
 Nam châm kín: Bi=Br, Hi = 0 WL =0
 Nếu tồn tại khe hở lớn: Bi = 0 WL =0 không có năng
lượng truyền cho không gian bên ngoài
 Để có năng lượng từ cao, vật liệu cần có lực kháng từ lớn
và cảm ứng từ dư cao
 Ứng với giá trị BL và HL, năng lượng truyền ra đạt cực đại
 8
max
LLHBW 
 VI. TỔN HAO SẮT TỪ
 Tổn hao từ trễ
 Tổn hao do dòng điện xoáy
 1. Tổn hao từ trễ
 Nguyên nhân: khi cường độ từ trường đổi chiều các
domain từ cần năng lượng để định hướng lại tổn thất
năng lượng dưới dạng nhiệt tổn hao từ trễ
 Tỉ lệ thuận với mắc từ trễ sử dụng vật liệu có mắc từ trễ
nhỏ hơn
 Công thức xác định tổn hao từ trễ:
Với:
k1: hệ số phụ thuộc vật liệu
f: tần số dòng điện
Bmax: cảm ứng từ cực đại
n: chỉ số mũ Steinmetz (1,6-2,5)
 2. Tổn hao do dòng điện xoáy
 Từ thông biến thiên chạy trong lõi thép sinh ra dòng điện
Foucault (dòng điện xoáy) nóng lõi thép tổn hao
 Biện pháp khắc phục: lõi thép được tạo thành từ nhiều lá
thép mỏng có điện trở suất cao được sơn tĩnh điện hai mặt và
ghép lại với nhau
 Công thức tính tổn hao do dòng điện xoáy:
Với:
k2: hệ số phụ thuộc vật liệu
f: tần số dòng điện
t: chiều dày khối vật liệu
Beff: cảm ứng từ hiệu dụng (rms)
 : điện trở suất của vật liệu
 3. So sánh tổn hao sắt từ của một số vật liệu
Vô định hình
Siêu tinh thể
Xử lý bằng 
laser
Thép cán nguội dị hướng 
có độ từ thẩm cao
Thép cán 
nguội dị 
hướng
 Máy biến áp tôn silic: Po 52W (26,7 tr)
Máy biến áp armorphous: Po 17W (33 tr)
MBA 1PHA-12,7/0,23Kv- 15kVA