Giáo trình vật liệu đại cương

h của các momen spin riêng của mỗi ion Fe2+ với số ion Fe2+ tương ứng. Các Ferit lập phương thanh phần mới có thể tạo ra nhờ thay thế một số ion Fe trong cấu trúc tinh thể bằng các ion kim loại phụ gia. Trong công thức hóa học của Ferit M2+O2- - (Fe3+)2(O2-)3, thay thế cho Fe2+, M2+ cũng là các ion hóa trị hai như : Ni2+,Mn2+, Co2+, Cu2+. Mỗi ion đó có một momen từ spin riêng khác 4 ( xem bảng 5.9) Bảng 5.9 :Momen từ riêng của cation Cation Momen từ riêng (magneton Bohr) Fe3+ Fe2+ Mn2+ Co2+ Ni2+ Cu2+ 5 4 5 3 2 1 Như vậy bằng cách điều chỉnh các thành phần tạo ra các hợp chất Ferit có tính chất từ khác nhau. Ví dụ từ Ferit Ni với công thức NiFe2O4 có thể tạo ra các hợp chất Ferit hỗn hợp chứa 2 ion kim loại hóa trị hai như (Mn, Mg) Fe2O3 trong đó tỷ số Mn2+:Mg2+ có thể thay đổi Các vật liệu gốm khác có tính chất Ferit gồm các ferit sáu phương và các garnet . Ferit sáu phương có cấu trúc tương tự như spinen đảo , với đối xứng lục giác, công thức hóa học của chúng là AB12O19 trong đó A là kim loại hóa trị hai như :Ba, Pb, Sr. Còn B là loại hóa trị ba như: Al, Ga, Cr hoặc Fe. Hai ferit sáu phương phổ biến là PbFe12O19 và BaFe12O19 Các garnet có cấu trúc tinh thể rất phức tạp , được biểu diễn bằng công thức tổng quát RE3Fe5O12. ở đây RE là một ion đất hiếm như : Sm, Eu, Gd, hoặc Y.Phổ biến nhất là garnet Y3Fe5O12. Độ từ hóa bão hòa của các vật liệu feri từ không cao như các chất sắt từ. Mặt khác các ferit ở các dạng vật liệu gốm là những điện môi điện tử tốt. Trong một số ứng dụng từ, chẳng hạn như các biến thế cao tần, độ dẫn điện thấp là điều mong muốn nhất. 4.3.5. ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ LÊN TÍNH CHẤT TỪ Khi tăng nhiệt độ, dao động nhiệt của các nguyên tử trong vật rắn sẽ tăng, các momen từ nguyên tử sẽ quay dễ dàng. Do đó khi nhiệt độ tăng, chuyển động nhiệt của các nguyên tử dẫn tới sự hỗn loạn của mọi momen từ. Đối với các vật liệu sắt từ , phản sắt từ và feri từ , chuyển đông nhiệt nhiệt nguyên tử chống lại lực tương tác ghép giữa các momen lưỡng cực nguyên tử., gây ra sự xếp hướng lầm lẫn của các lưỡng cực, kể cả khi có từ trường ngoài. Do đó từ độ bão hòa của các chất sắt từ và feri từ đều giảm. Từ độ bão hòa sẽ cực đại ở từ độ OK vì khi đó dao động nhiệt là cực tiểu. Khi nhiệt độ tăng, từ độ bão hòa giảm dần và sau đó tụt tới 0 ở nhiệt độ curie Tc. Đặc tính từ độ - nhiệt độ của Fe và Fe3O4 được biểu diễn trên hình 5.45. ở nhiệt độ Tc lực ghép spin với nhau mất tác dụng và khi nhiệt độ cao hơn Tc. Vật liệu sắt từ và Feri từ đều trở thành thuận từ. Nhiệt độ curie thay đổi theo vật liệu , ví dụ sắt, coban, niken, Fe3O4 có các trị số tương ứng là ;: 768, 1120, 335, và 5850C.. Tính phản sắt từ cũng phụ thuộc nhiệt độ. Nó biến mất ở nhiệt độ Neel. Cao hơn nhiệt độ này ở các vật liệu phản sắt từ cũng trở thành nghịch từ. 4.3.6. ĐÔMEN ( MIỀN TỪ ) VÀ TỪ TRỄ Mỗi vật liệu sắt từ và feri từ ở nhiệt độ dưới Tc được cấu tạo bởi những vùng thể tích nhỏ, trong đó tất cả các momen lưỡng cực từ đều định hướng song song với nhau với độ từ hóa đạt bão hòa ( hình 5.46). Mỗi vùng đó gọi là một miền từ (đômen) – một miền từ hóa tự nhiên. Các đômen lân cận phân cách nhau bởi các vùng biên hay vách . qua đó hướng từ hóa thay đổi dần ( hình 5.47). Thông thường các đômen có kích thước vi mô và trong đa tinh thể mỗi hạt có thể chứa các đômen đơn. Do đó một vật rắn sẽ có một số lượng lớn đômen với những hướng từ hóa khác nhau. Từ trường của vật rắn sẽ là tổng vector từ hóa của tất cả các đômen. Phần đóng góp của mỗi đomen phụ thuộc vào thể tích của nó. Một vật chứa từ hóa có tổng vector từ hóa của tất cả các đômen bằng không. Đối với chất sắt từ và feri từ, mật độ từ thong B và cường độ từ trường H không tỷ lệ với nhau.Nếu như vậy vật chưa được từ hóa sơ bộ thì hàm số B biến đổi theo H giống như hình 5.48. Đường cong đi từ gốc ,khi H tăng thì B lúc đầu cũng tăng chậm, sau nhanh hơn, cuối cùng nằm ngang vì không phụ thuộc vào H nữa. Gía trị cực đại này của B được gọi là mật độ từ thong bão hòa Bs, tương ứng với độ từ hóa bão hòa Ms , đã nêu ở trên. Theo phương trình 5.44.Độ thẩm từ là độ dốc của đường cong B-H. Hình 5.48 cho thấy phụ thuộc vào H. Độ dốc đường cong B-H tại điểm H=0 là một đặc tính của vật liệu, được gọi là độ thẩm từ ban đầu . Khi trường H tác dụng, các đômen thay đổi hình dạng và kích thước nhờ sự dịch chuyển các vách đômen. Trên hình 5.48 là sơ đồ cấu trúc miền từ tại nhiều điểm dọc theo đường cong B-H. Ban đầu, momen của các đômen định hướng hỗn loạn không có trường B( Hoặc M).Khi có từ trường ngoài, những đômen nào có định hướng thuận lợi (hoặc gần song song) với từ trường ngoài sẽ lớn hơn nhờ thu hẹp các đômen khác hướng không thuận lợi. Qúa trình này được phát triển theo cường độ từ trường H cho đến khi vật rắn trở thanh đơn đômen duy nhất đinh hướng như gần từ trường ngoài. Bão hòa tù bắt đầu khi đơn đômen tự quay để định hướng theo từ trường H. Từ điểm bão hòa S ( hình 5.49), khi từ trường H giảm và đổi hướng đường cong không trùng với đường ban đầu nữa vì trừ B đã giảm chậm hơn trường đặt vào H. Đó là hiện tượng trễ từ. Tại điểm R khi trường H bằng 0 vẫn còn một trường B được gọi là độ từ dư hay là mật độ từ thong dư , tức là vật liệu vẫn còn bị từ hóa khi đã mất từ trường ngoài H. Tính trễ và độ từ hóa vĩnh cửu có thể được giải thích bằng sự dịch chuyển của các vách đômen. Khi giảm và đổi hướng từ trường từ điểm bão hòa S (hình 5.49) thì quá trình biến đổi cấu trúc đômen cũng đổi lại. Trước hết là sự xoay hướng của cả đơn đômen theo trường hướng mới. Tiếp đó, những đômen có momen xếp theo trường hướng mới sẽ hình thành và lớn lên nhờ mất dần các đômen cũ. Tuy nhiên, sự chuyển dịch các vách miền từ để tăng từ trường theo hướng ngược lại bị cản trở, gây ra hiện tượng trễ của B theo H. Khi trường ngoài bằng 0, một phần thể tích của các đômen vẫn còn định hướng theo trường cũ, đó là nguyên nhân tồn tại của độ từ dư . Để giảm trường B ( Điểm C, hình 5.49) cần đặt một trường H có trị số - Hc ngược với hướng ban đầu; Hc được gọi là độ khử từ, hay là lực khử từ. Tiếp tục tăng cường độ trường theo hướng ngược lại thì cũng đạt tới bão hòa ở phía đối diện ứng với điểm S`. Tiếp tục biến đổi trường lần nữa cho tới điểm bão hòa ban đầu (S) sẽ kết thúc một vòng từ trễ và có thêm một độ từ dư âm (-Br) và một độ khử từ dương (Hc). Đặc tuyến B-H trên hình 5.49 biểu diễn một vòng từ trễ đạt tới bão hòa. Tuy nhiên, vẫn có trễ từ mà không cần tăng trường H cho đến bão hòa trước khi đổi hướng trên hình 5.50 vòng NP là một đường từ trễ chưa bão hòa. Như vậy, có thể đổi hướng trường tại một điểm bất kỳ trên đường cong và tạo ra những vòng từ trễ khác nhau. Hình 5.50 cho thấy vòng trễ LM tương ứng trường H được biến đổi tới không. Một phương pháp phá bỏ từ hóa ( khử từ) một chất sắt từ hay feri từ là từ hóa lặp đi lặp lại trong một trường H luôn đổi hướng và giảm cường độ. 4.3.7. VẬT LIỆU TỪ MỀN Kích thước và hình dạng của đường cong từ trễ của các vật liệu sắt từ và feri từ có tầm quan trọng thực tế. Diện tích bên trong vòng từ trễ biểu thị tổn hao năng lượng trong một đơn vị thể tích vật liệu, trong một chu trình từ hóa – khử từ. Tổn hao năng lượng được tính bằng lượng nhiệt sinh ra trong vật liệu và làm tăng nhiệt độ của nó. Các vật liệu sắt từ và feri từ được phân hóa thành vật liệu từ mền hoặc vật liệu từ cứng tùy theo đặc tính từ trễ của chúng . Vật liệu từ mền được sử dụng trong các linh kiện chiu từ trường xoay chiều với tổn hao năng lượng phải thấp; Ví dụ , làm lõi máy biến thế. Vì lý do này diện tích vòng từ trễ phải nhỏ, vòng cần mảnh và hẹp như trên hình 5.51. Do đó, vật liệu từ mền thẩm từ ban đầu cao và độ khử thấp. Vật liệu đó có thể đạt được độ từ hóa bão hòa bằng một từ trường tương đối thấp( tức dễ bị từ hóa và khử từ) và có tổn hao năng lượng từ trễ thấp. Từ trường bão hòa và độ từ hóa chỉ phụ thuộc vào thành phần của vật liệu. ví dụ, trong các ferit lập phương, sự thay thế Fe2+ bằng một ion kim loại hóa trị hai như Ni2+ ( trong FeO- Fe2O3) sẽ làm thay đổi độ từ hóa bão hòa. Ngược lại hệ số từ hóa và độ khử từ Hc lại nhạy với biến đổi cấu trúc hơn là biến đổi thành phần. Ví dụ, sự dịch chuyển dễ dàng của các vách đômen khi từ trường thay đổi độ lớn và hướng làm cho trường (lực ) khử từ nhỏ. Trong khi đó các khuyết tật cấu trúc như các hạt không từ tính hoặc các lỗ trống trong vật liệu từ lại kìm hãm sự chuyển động của các vách đômen và do đó làm tăng trường khử từ. Như vậy, vật liệu từ mền phải không có các khuyết tật cấu trúc. Một tính chất quan trọng nữa của vật liệu từ mền là điện trở. Ngoài tổn hao từ trễ còn có tổn hao năng lượng gây bởi dòng điện được cảm ứng trong vật liệu do từ trường biến thiên cường độ và hướng theo thời gian, đó là dòng điện xoáy. Để giảm tổn hao năng lượng này đặc biệt ở tần số cao cần sử dụng các vật liệu từ mền có điện trở suất lớn. Các vật liệu đó có thể là các hợp kim ( dạng dung dịch rắn) sắt- silic và sắt – niken. Các ferit gốm được dùng phổ biến vì chúng là những chất cách điện thuần túy. Tuy nhiên, khả năng ứng dụng hơi bị hạn chế do chúng có hệ số từ hóa tương đối nhỏ. Gần đây vật liệu từ mền vô định hình và nanomet (finemet) dạng băng mỏng của các hợp kim hệ Fe ( Cr, Ni, Co) – B (Si) với tính từ mền tốt đang được khai thác sử dụng đặc biệt trong tần số chung và cao. Tính chất của các vật liệu từ mền xem ở bảng 5.10. Tính từ mền của các vật liệu có thể được nâng cao cho một số ứng dụng nhờ xử lý nhiệt trong từ trường. Bằng cách này có thể nhận được một vòng từ trễ chữ nhật rất thích hợp trong mạch khuếch đại từ và biến thế xung. Ngoài ra vật liệu từ mền còn được dung trong các máy phát, động cơ, đinamô và mạch chuyển đổi. Bảng 5.10. các tính chất tiêu biểu của vật liệu từ mền Vật liệu Thành phần % trọng lượng Độ thẩm từ tương đối ban đầu Mật độ từ thông bão hòa, Tesla (Gauss) Tổn hao từ trễ trong một chu trình , J/m3 ( erg/ cm3) Điện trở suất Sắt thỏi thương mại Sắt silic ( đinh hướng) 45 permalloy Supermalloy Ferrox cube A Ferrox cube B 99,95 Fe 97 Fe, 3Si 55 Fe, 45 Ni 79 Ni, 15 Fe 5Mo, 0,5 Mn 48 Mn Fe2O4 52 ZnFe2O4 36 NiFe2O4 64 ZnFe2O4 150 1400 2500 75000 1400 650 2.14 (21 400) 2.01 (20 100) 1.60 (16 600) 0.80 (8 000) 0.33 (3 300) 0.36 (3 600) 270 ( 2700) 40 (400) 120 (1200) 40 (400) 35 (350) 1.0.10-7 4.7.10-7 4.5.10-7 6.0.10-7 2 000 107 4.3.8. VẬT LIÊU TỪ CỨNG Vật liệu từ cứng được dùng làm nam châm vĩnh cửu, vật liệu này cần có độ từ dư, trường khử từ và mật độ từ thông bão hòa cao cũng như độ thẩm từ ban đầu thấp và tổn hao từ trễ cao. Các đặc tính từ trễ của vật liệu từ cứng cho trên hình 5.51. Có thể lien hệ độ cứng tương đối (năng lượng từ) của vật liệu với tích số Br, Hc, nó bằng khoảng hai lần năng lượng càn để phá hủy từ hóa một đơn vị thể tích vật liệu. Như vậy, vật liệu từ có năng lượng càng cao nếu tích Br, Hc càng lớn. Như đã nêu, tính cánh từ trễ lien quan tới khả năng dịch chuyển các vách đômen từ. Khi sự dịch chuyển này bị cản trở thì từ trường khử từ và hệ số từ hóa đều tăng lên, để phá hủy từ hóa cần một trường ngoài lớn. Rõ ràng quá trình này có lien quan tới cấu trúc vi mô của vật liệu. Sự dịch chuyển vách đômen sẽ khó khăn khi có những phần tử tiết ra nhỏ mịn. Đa số nam châm vĩnh cửu được sử dụng rộng rãi là thép sắt từ hợp kim với volfram và crom khi xử lý nhiệt thích hợp, kết hợp với cacbon trong thép tạo thành những hạt volfram cacbit và crom cacbit phân tán. Chúng kìm hãm đặc biệt hiệu quả sự dịch chuyển vách đômen. Một số hợp kim từ cứng được phát triển sau này có chứa nhiều nguyên tố hợp kim như sắt, coban, niken, nhôm và đồng. Nhờ xử lý nhiệt thích hợp sẽ tạo ra những hạt sắt- coban đơn đômen có từ tính cao ở trong nền một pha không từ tính. Các hợp kim chứa đất hiếm (Sm, Nd, Pr,…) có và không có coban loại tinh thể và vi tinh thể có triển vọng sử dụng lớn nhờ các đặc trưng từ cứng rất cao của chúng. Các feri từ được dùng làm nam châm đều là ferit sáu phương. Bảng 5.11 giới thiệu tính chất của một số loại vật liệu từ cứng. Bảng 5.11. Giới thiệu các tính chất tiêu biểu của vật liệu từ cứng Vật liệu thành phần % trọng lượng Độ từ dư Br tesla (Gauss) Trường khử từ Hc Ampe.vong/m (oersted) (BH)max J/m3 (Gauss – Oersted) Nhiệt độ curie Tc 0C Điện trở suất Thép cacbon Mactenxit Thép volfram Cunife Cunico Alnico 8 thiêu kết Ferrox dur ( định hướng) 98,1 Fe 0,9 C1Mn 92,8Fe6W 0,5 Cr 20Fe20Ni 60Cu 29Co21Ni 50Cu 34Fe7Al 14Ni35Co 4Co5Ti BaO- 6Fe2O3 0,95 (9 500) 0,95 (9 500) 0,54 (5 400) 0,34 (3 400) 0,76 (7 600) 0,32 (3 200) 400 (50) 5 900 (74) 44 000 ( 550) 54 000 (650) 123 000 ( 1 550) 240 000 (3 000) 1 600 (0,2.106) 2 600 (0.33.106) 12 000 (1,5.106) 6 400 (0,8.106) 36 000 (4,5.106) 20 000 (2,5.106) - 760 410 860 860 450 - 3,0.10-7 1,8.10-7 2,4.10-7 - 104 4.3.9.LƯU TRỮ TỪ Trong những năm qua vật liệu từ đã ngày càng quan trọng trong lĩnh vực lưu trữ thông tin, ví dụ, đối với máy tính. Trong khi các linh kiện bán dẫn chỉ dùng làn bộ nhớ sơ cấp, thì các đĩa và băng từ lại có khả năng lưu trữ những lượng thông tin lớn và với giá thành thấp hơn. Ngày nay ngành công nghiệp ghi âm và truyền hình đang hy vọng nhiều vào băng từ để lưu trữ và cải tạo các chương trình audio (nghe) và video (nhìn). Các dữ liệu máy tính, âm thanh hoặc hình ảnh dưới dạng các tín hiệu điện tử đều được chuyển nạp rồi lưu giữ lại trong các khu vực rất nhỏ của môi trường lưu trữ từ. Việc nạp thông tin và lấy ra từ băng hoặc đĩa được thực hiện nhờ một đàu từ. Đó là một cuộn dây quấn xung quanh một lõi (vật liệu từ) có xẻ một khe. Dữ liệu được đưa vào (hay “ghi”) bằng tín hiệu điện qua cuộn dây làm lõi từ sinh một từ trường đi qua khe. Từ trường này sẽ từ hóa một khu vực rất nhỏ trên đĩa hoặc băng (nằm trực tiếp bên trong đầu từ). Khi ngắt trường, sự từ hóa vẫn còn lưu lại và tín hiệu đã được lưu trữ. Cũng chính đầu từ đó được dùng để tái hiện (tức là “đọc”) thông tin đã lưu trữ. Khi băng hoặc đĩa đi qua khe của đầu từ, mỗi một biến đổi của từ trường băng (đĩa) sẽ sinh ra một điện áp cảm ứng trong cuộn dây đầu từ. Điện áp này được khuếch đại rồi chuyển về dạng (hoặc đặc trưng) nguyên gốc. Đa số các từ môi đều gồm những hạt rất nhỏ dạng hình kim hoặc que của ferit 2O3 hay các hợp kim pha tạp của nó. Khi chế tạo những hạt này được sắp xếp sao cho trục dài của chúng song song với hướng chuyển động qua đầu từ (hình 5.52). Mỗi hạt là một đơn đômen, chỉ có thể bị từ hóa sao cho momen từ của nó nằm dọc theo trục đó. Có thể có hai trạng thái từ, tương ứng với vecto từ hóa bão hòa theo hướng trục và hướng ngược lại. Hai trạng thái này có thể lưu trữ thông tin ở dạng số ( số 1 và số 0 ). Trong một hệ thống, số 1 được biểu diễn bằng một phép đổi lại hướng từ trường, từ một khu vực nhỏ trong môi trường lưu trữ sang một khu vực khác, khi có nhiều hạt hình kim của mỗi một khu vực như vậy đi qua đầu từ. Thiếu phép đổi hướng giữa các khu vực lân cận sẽ được biểu thị bởi số 0. Vòng từ trễ cho môi trường lưu trữ từ phải tương đối hẹp và chữ nhật. Yêu cầu này bảo đảm cho sự lưu trữ được vĩnh cửu và sự đảo chiều từ hóa chỉ xảy ra trong một khoảng hẹp của cường độ từ trường đặt vào. Thông thường mật độ từ thông bão hòa nằm từ 0,4 và 0.6 Tesla. 4.3.10. SIÊU DẪN (ĐIỆN) Siêu dẫn về cơ bản là một hiện tượng điện : Tuy nhiên có những vấn đề phức tạp liên quan đến trạng thái siêu dẫn và ngoài ra các vât liệu siêu dẫn được ứng dụng trước tiên trong các nam châm có khả năng tạo ra những từ trường cao. Đa số các kim loại khi được làm lạnh xuống đến nhiệt độ gần OK thì điện trở giảm xuống từ từ , đạt tới một giá trị nhất định, đó là đặc tính của riêng kim loại. Tuy nhiên có một số ít vật liệu, khi ở nhiệt độ rất thấp, điện trở giảm đột ngột từ một giá trị xác định xuống tới không và vẫn giữ như vậy khi tiếp tục làm lạnh nữa. Đó là hiện tượng siêu dẫn (điện). Các vật liệu đó được gọi là các chất siêu dẫn. Còn nhiệt độ tại đó đạt tới trạng thái siêu dẫn được goi là nhiệt độ giới hạn Tc. Hình 5.53 cho biết đặc trưng điện trở - nhiệt độ của các vật liệu siêu dẫn va không siêu dẫn. Nhiệt độ tới hạn thay đổi tùy theo tính chất siêu dẫn nhưng chỉ trong khoảng từ dưới 1K cho đến 20K đối với kim loại và hợp kim. Mới đây người ta đã phát hiện một số gốm oxyt phức hợp có nhiệt độ tới hạn tới 100K hoặc cao hơn (siêu dẫn nhiệt độ cao). ở những nhiệt độ dưới Tc trạng thái siêu dẫn sẽ mất đi khi đặt vào một từ trường đủ mạnh, gọi là từ trường tới hạn Hc, Hc phụ thuộc vào nhiệt độ và giảm khi nhiệt độ tăng. Tương tự có một mật độ dòng điện tới hạn Jc thấp hơn nó vật liệu vẫn là siêu dẫn . Hình 5.54 là sơ đồ không gian nhiệt độ - từ trường – mật độ dòng điện . Phân chia các trạng thái dẫn thường và siêu dẫn. Vị trí của biên giới phân chia đương nhiên phụ thuộc từng vật liệu. Ở vùng nhiệt độ , từ trường và mật độ dòng điện nằm trong khoảng giữa gốc tọa độ và biên giới này, vật liệu sẽ là siêu dẫn; Ngoài biên giới vật liệu dẫn điện bình thường. Hiện tượng siêu dẫn được giải thích bằng một lý thuyết khá phức tạp. Về bản chất, trạng thái siêu dẫn có được là do tương tác giữa cặp điện tử dẫn . Chuyển động của những điện tử ghép cặp này hầu như không bị tán xạ bởi dao động nhiệt và các nguyên tử tạp chất. Nhờ vậy, điện trở vốn tỷ lệ với cường độ tán xạ điện tử sẽ bằng không. Căn cứ vào hành vi từ các chất vật liệu siêu dẫn, các vật liệu siêu dẫn có thể phân chia thanh loại I và loại II. Vật liệu loại I, khi đang ở trạng thái siêu dẫn là hoàn toàn nghịch từ tức là mọi từ trường đặt vào đều bị vật siêu dẫn đẩy ra ( hình 5.54a). Còn khi trở lại trạng thái dẫn điện bình thường thì từ trường lại đi qua ( hình 5.54b). Hiện tượng này có tên gọi hiệu ứng Mcissner ( hình 5.55). Khi tăng H , vật liệu vẫn là nghịch từ cho đến từ trường tới hạn Hc. Tại điểm này tính dẫn điện trở lại bình thường và từ thông xâm nhập toàn bộ vật liệu. Nhiều kim loại như nhôm, chì ,thiếc thuộc loại I. Các chất siêu dẫn loại II nghịch từ hoàn toàn khi từ trường đặt vào thấp và đẩy toàn bộ từ trường ra ngoài. Tuy nhiên, sự chuyển biến trạng thái siêu dẫn sang trạng thái dẫn thường diễn ra từ từ, giữa từ trường tới hạn dưới và từ trường tới hạn trên, ký hiệu tương ứng là Hc1 và Hc2. Tại Hc1 các đường từ thông bắt đầu xâm nhập vào vật liệu và quá trình sẽ kết thúc tại Hc2. Tại từ trường của Hc1 và Hc2, vật liệu tồn tại trong trạng thái hỗn hợp gồm những vùng dẫn thường và vùng siêu dẫn. Các chất siêu dẫn loại II ưu điểm hơn siêu dẫn loại I do nhiệt độ và từ trường tới hạn của chúng cao. Hiện nay, ba chất siêu dẫn được sử dụng phổ biến là hợp kim niobi - ziêconi ( Nb – Sn), niobi – titan (Nb – Ti) và hợp chất liên kim loại niobi – thiếc (Nb3Sn). Bảng 5.12 cho biết một số chất siêu dẫn loại I và loại II cùng với mật độ và từ thông tới hạn của chúng. Rất gần đây (1986-1987), một loại vật liệu gốm chứa đồng oxyt, bình thường là chất cách điện, đã được phát hiện là các chất siêu dẫn có nhiệt độ tới hạn cao một cách khác thường. Nghiên cứu đầu tiên tập chung vào hợp chất YBa2Co3O7 Với cấu trúc tinh thể phức tạp kiểu perovski và nhiệt độ tới hạn khoảng 95K. Các vật liệu gốm siêu dẫn mới có nhiệt độ tới hạn cao hơn cũng đã và đang được phát triển. Ví dụ, Hệ Bi- Ca- Cu- O có Tc 115K. Hệ TI – Ba – Ca- Cu- O có Tc = 125K và hệ Hg- Ba- Cu- O có Tc= 130K. Các vật liệu này thuộc nhóm vật liệu siêu dẫn có nhiệt độ cao. Bản chất và cơ chế siêu dẫn của chúng hiên nay chưa hoàn toàn sáng tỏ. Triển vọng ứng dụng của những vật liêu này khá lớn, vì nhiệt độ tới hạn của chúng ở trên 77K, tức cho phép dùng nitơ lỏng, một chất làm lạnh rẻ so với hydro lỏng và heli lỏng. Tuy nhiên, vật liệu gốm siêu dẫn mới cũng có nhiều nhược điểm. Trước hết là tính giòn của chúng, hạn chế khả năng chế tạo siêu dẫn dạng dây sợi. Bảng 5.12 . Nhiệt độ và mật độ từ thông tới hạn của một số vật liệu siêu dẫn chọn lọc. Vật liệu Nhiệt độ tới hạn Tc, K Mật độ từ thông tới hạn tesla(1) Vật liệu Nhiệt độ tới hạn Tc, K Mật độ từ thông tới hạn tesla(1) Các nguyên tố Các hợp chất và hợp kim Nhôm Chì Thủy ngân Thiếc Titan Vofram Niobi (Nb) 1.18 7.19 4.15 3.72 0.40 0.02 9.26 0.0105 0.0803 0.0411 0.0305 0.0056 0.0001 Hợp kim Nb- Ti Hợp kim Nb- Zr Nb3Sn Nb3Al Nb3Ge V3Ga Pb6Mo6O8 10.2 10.8 18.3 18.9 23.0 16.5 14.0 12 11 22 32 30 22 45 Ghi chú: 1) Mật độ từ thông tới hạn ( của các nguyên tố được đo ở 0K. Đối với các hợp chất và hợp kim lấy là bằng tesla đo ở 0K. Hiện tượng siêu dẫn có những ứng dụng thưc tế đa dạng. Các nam châm siêu dẫn có khả năng tạo ra những từ trường mạnh có công suất tiêu thụ thấp hơn hiện đang được sử dụng trong các thiết bị thử nghiệm và nghiên cứu khoa học. Chúng cũng đang được ứng dụng trong lĩnh vực cộng hưởng từ (MR) và chụp ảnh cộng hưởng từ (MRI). Trong y học như một công cụ chuẩn đoán . Những bất thường trong các mô và cơ quan nội tạng có thể được phát hiện nếu tạo được những ảnh cắt chéo. Có thể phân tích hóa sinh các mô cơ thể nhờ phổ cộng hưởng từ( MRS). Vật liệu siêu dẫn còn có những ứng dụng quan trọng khác . Các lĩnh vực đang được khai thác bao gồm: 1) Truyền tải điện năng bằng vật liệu siêu dẫn với tổn hao công suất thấp và trang thiết bị sẽ được vận hành ở điện áp thấp; 2) Nam châm cho các máy hạt năng lương cao; 3) truyền tín hiệu và chuyển mạch tốc độ cao hơn cho máy tính; 4) tàu đệm từ cao tốc với đệm nâng nhờ lực đẩy của từ trường Trở ngại lớn nhất để áp dụng các vật liệu siêu dẫn là khó khăn trong việc đạt và làm chủ nhiệt độ rất thấp. Hy vọng là các khó khăn này sẽ được khắc phục cùng với sự phát triển các thế hệ mới của các chất siêu dẫn có nhiệt độ tới hạn cao hợp lý. 4.4. TÍNH CHẤT QUANG Tính chất quang được hiểu là hành vi của vật liệu đối với tác dụng của bức xạ điện tử và đặc biệt là ánh sáng trông thấy. Trong phần này trình bày trước hết mọt số nguyên lý và khái niệm cơ bản liên quan đến bản chất của bức xạ điện từ và những tương tác có thể của nó đối với vật rắn. Tiếp đó là các tính chất quang của các vật liệu kim loại và phi kim loại với các đặc trưng hấp thụ , phản xạ, và lan truyền của chúng. Mục cuối cùng sẽ nêu khái quát về huỳnh quang, quang dẫn, laze, và ứng dụng thực tế của các hiện tượng đó. 4.4.1. CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN 4.4.1.1. Bức xạ điện từ Theo quan niệm cổ điển, bức xạ điện từ được xem như là sóng gồm hai thành phần từ trường và điện trường vuông góc với nhau và với cả phương truyền ( hình 5.56). ánh sáng nhiệt ( hay là năng lương bức xạ), sóng rada, sóng radio, tia Rntgen tất cả đều là dạng bức xạ điện từ. Mỗi một dạng được đặc trưng trước tiên bởi phạm vi đặc thù của bước sóng và kỹ thuật tạo ra nó. Phỏ của bức xạ điện từ trải rộng từ tia ( do các chất phóng xạ phát ra) có bước song cờ 10-12m( 10-3 mm). Qua tia Rôntgen, tia tử ngoại, ánh sáng nhìn thấy, tia hồng ngoại và cuối cùng đến sóng radio ( sóng vô tuyến điện) với bước sóng dài tới 105m. Phổ này được cho trên hình 5.56 theo thang loga. Ánh sáng nhìn thấy nằm trong một vùng hẹp của phổ với bước sóng từ 0,4 (4.10-7 m) đến 0,7. Màu sắc cảm nhận được do bước sóng xác định, ví dụ bức xạ có bước sóng cỡ 0,4 hiện màu tím. Ánh sang trắng đơn giản là hỗn hợp của các màu sắc . Phần này chủ yếu trình bày các vấn đề có liên quan đến các bức xạ nhìn thấy, theo định nghĩa chỉ là những bức xạ mà mắt ta nhạy cảm được. Tất cả các bước xạ điện từ đều truyền qua chân không với cùng một tốc độ bằng tốc độ anh sáng (C=3.108 m/s).Tốc độ này liên hệ với hắng số điện môi ε0 và độ thẩm từ của chân không µ0 bởi hệ thức C=1/ Hơn nữa tần số và bước sóng của bức xạ điện từ đều là hàm số của tốc độ C theo hệ thức: C= số được đo bằng (Hz),một Hz bằng một chu kỳ trong một giây .Thang tần số của dạng bức xạ điện từ khác nhau cũng cho trên phổ hình(hình 5.57) Nhiều khi tích hợp hơn là xem bức xạ điện từ theo quan điểm cơ học lương tử .Bức xạ điện từ không phải là các sóng mà là gồm các nhóm hay các bó năng lượng được gọi là các photon .Năng lượng E cảu một photon bị lượng tử hóa ,tức là chỉ có thể có những giá trị riêng quy định bởi hệ thức: E=hv=hC/ Trong dó h:hắng số Planck.có giá trị 6,63.10-34J.s.Như vậy năng lượng photon tỷ lệ với tần số và tỷ lệ nghịch với bước sóng của bức xạ.Năng lượng photon cũng được cho trên phổ điện từ (hình 5.57) Khi mô tả những hiện tượng quang học liên quan đến tươn tác giữa bức xạ và chất thì sự lý giải thường thuận lợi hơn nếu xem xét ánh sáng theo quan điểm photon .Trong một số trường hợp khác thì quan niệm sóng lại thích hợp hơn .Đôi khi lại sử dụng cả hai cách tiếp cận . 4.4.1.2 .Tương tác ánh sáng với vật rắn Khi anh sáng đi từ môi trường này sang môi trường khác (chẳng hạn từ không khí vào vật rắn )thì một số bức xạ ánh sáng có thể truyền qua môi trường .một số bị hấp thụ và một số bị phản xạ trên bề mặt phân cách giữa hai môi trường .cường độ Io của chùm sáng truyền qua .hấp thụ và phản xạ tương ứng là IT,IAvà IR.tức là : I0= IA+IT +IR. Trong đó T,A,R tương ứng biểu diễn độ truyền qua (IT/I0),độ hấp thụ (IA/I0) và độ phản xạ (IR/I0).tức là những tỷ phần của ánh sáng tới được truyền qua ,phản xạ và hấp thụ bởi vật liệu . Những vật liệu có khả năng truyền sáng với độ hấp thụ và phản xạ tương đối nhỏ là những vật phổ trong suố