Thuận từ

Mô hình về cấu trúc mômen từ của chất thuận từ: hệ mômen từ của chất thuận từ được xem như các nam châm nhỏ, độc lập, không tương tác.

Vật lý vật chất ngưng tụ
Pha · Chuyển pha * QCP
Trạng thái vật chất Chất rắn · Chất lỏng · Chất khí · Ngưng tụ Bose–Einstein · Khí Bose · Ngưng tụ Fermion · Khí Fermi · Chất lỏng Fermi · Siêu rắn · Siêu lỏng * Tinh thể thời gian
Hiện ứng pha Tham số thứ bậc · Chuyển pha
Pha điện tử Lý thuyết vùng năng lượng * Plasma * Cấu trúc dải điện tử · Chất cách điện · Chất cách điện Mott · Chất bán dẫn · Bán kim loại · Chất dẫn điện · Chất siêu dẫn · Hiệu ứng nhiệt điện · Áp điện · Sắt điện
Hiệu ứng điện tử Hiệu ứng Hall lượng tử · Hiệu ứng Hall spin · Hiệu ứng Kondo
Pha từ Nghịch từ · Siêu nghịch từ Thuận từ · Siêu thuận từ Sắt từ · Phản sắt từ Metamagnet · Spin glass
Giả hạt Phonon · Exciton · Plasmon Polariton · Polaron · Magnon
Vật chất mềm Chất rắn vô định hình * Hệ keo · Vật liệu hạt · Tinh thể lỏng · Polyme
Nhà khoa học Maxwell · Einstein · Onnes * Laue * Bragg * Van der Waals · Debye · Bloch · Onsager · Mott · Peierls · Landau · Luttinger · Anderson · Bardeen · Cooper · Schrieffer · Josephson · Kohn · Kadanoff · Fisher và nhiều người khác...
x t s

Thuận từ là những chất có từ tính yếu (trong ngành từ học xếp vào nhóm phi từ, có nghĩa là chất không có từ tính). Tính chất thuận từ thể hiện ở khả năng hưởng ứng thuận theo từ trường ngoài, có nghĩa là các chất này có mômen từ nguyên tử (nhưng giá trị nhỏ), khi có tác dụng của từ trường ngoài, các mômen từ này sẽ bị quay theo từ trường ngoài, làm cho cảm ứng từ tổng cộng trong chất tăng lên.

Thuận từ và nghịch từ được xếp vào nhóm các chất phi từ, hoặc nhóm không có trật tự từ. Độ từ thẩm của các chất thuận từ là lớn hơn 1 nhưng xấp xỉ 1 (chỉ chênh lệch cỡ 10⁻⁶). Từ tính yếu của thuận từ do hai yếu tố đem lại:

- Mômen từ nguyên tử

- Các mômen từ nguyên tử này nhỏ và hoàn toàn không tương tác với nhau.

Các chất thuận từ điển hình là: ôxi, nhôm...

Chất thuận từ theo lý thuyết cổ điển Langevin

Từ tính của chất thuận từ được tính theo mômen từ nguyên tử mà trong đó, coi rằng các mômen từ này không tương tác (không tồn tại tương tác trao đổi trong các chất thuận từ). Tổng thống kê của hệ sẽ được cho bởi^[1]:

${\displaystyle \Theta (T,H)=\int _{0}^{\pi }\exp \left(-{\frac {\mu _{0}\times H\times \cos {\theta }}{k_{B}T}}\right)\times 2\pi \times \sin {\theta }d\theta }$

${\displaystyle \Theta (T,H)=4\pi \times {\frac {k_{B}T}{\mu _{0}H}}\times \operatorname {sh} \left({\frac {\mu _{0}H}{kT}}\right)}$

và độ từ hóa của chất thuận từ được xác định bởi:

${\displaystyle M={\frac {N}{V}}{\overline {\mu _{H}}}=-{\frac {N}{V}}\times {\frac {\partial \Theta (T,H)}{\partial H}}}$

${\displaystyle M={\frac {N}{V}}\times \mu _{0}\times \left[\operatorname {cth} \left({\frac {\mu _{0}H}{k_{B}T}}\right)-{\frac {k_{B}T}{\mu _{0}H}}\right]}$

với:

- ${\displaystyle k_{B},H,T}$ là hằng số Boltzmann, từ trường ngoài và nhiệt độ.

- ${\displaystyle N,V,\mu _{0}}$ là số nguyên tử, thể tích của vật và mômen từ của một nguyên tử.

Theo lý thuyết lượng tử

Trong cơ học lượng tử, từ độ được xác định bằng phương pháp thống kê lượng tử và cho kết quả tương tự:

${\displaystyle M=\mu _{B}\times {\frac {N}{V}}\times \left[(2S+1).\operatorname {cth} \left({\frac {(2S+1)\mu _{B}H}{k_{B}T}}\right)-\operatorname {cth} \left({\frac {\mu _{B}H}{k_{B}T}}\right)\right]}$

với ${\displaystyle \mu _{B},S}$ là Bohr magneton và mômen spin.

Chất thuận từ trong các giới hạn

• Trong giới hạn từ trường nhỏ

Từ hàm từ độ của chất thuận từ, có thể khai triển gần đúng trong giới hạn từ trường nhỏ (hoặc nhiệt độ cao):

Khi ${\displaystyle \ {\frac {\mu _{0}H}{k_{B}T}}\ll 1}$, thì ${\displaystyle \operatorname {cth} \left({\frac {\mu _{0}H}{k_{B}T}}\right)\approx {\frac {\mu _{0}H}{3k_{B}T}}+{\frac {k_{B}T}{\mu _{0}H}}}$

Do đó, từ độ của chất thuận từ tỉ lệ thuận với từ trường ngoài và tỉ lệ nghịch với nhiệt độ theo hàm:

${\displaystyle M={\frac {N}{V}}\times {\frac {\mu _{0}^{2}H}{3k_{B}T}}}$

• Trong giới hạn từ trường lớn và nhiệt độ thấp

Ở nhiệt độ thấp và từ trường đủ lớn ${\displaystyle \left({\frac {\mu _{B}H}{k_{B}T}}\gg 1\right)}$ thì chất thuận từ đạt trạng thái bão hòa từ, từ độ sẽ nhận giá trị:

${\displaystyle M=2S\times {\frac {N}{V}}\times \mu _{B}}$

Siêu thuận từ

Bài chi tiết: Siêu thuận từ

Là một trạng thái của chất các chất sắt từ đạt được khi kích thước các hạt nhỏ hơn giới hạn siêu thuận từ, khi đó chất sẽ mang hành vi như một chất thuận từ với từ độ lớn và biến thiên theo hàm Langevin.

Xem thêm

• Siêu thuận từ
• Nghịch từ
• Sắt từ
• Từ độ
• Bohr magneton

Tham khảo

1. Buschow K.H.J, de Boer F.R. (2004). Physics of Magnetism and Magnetic Materials. Kluwer Academic / Plenum Publishers. ISBN 0-306-48408-0.