Tải bản đầy đủ - 0 (trang)
Hiệu ứng tổng trở khổng lồ ( Giant Magneto impedance effect – NDFE

Hiệu ứng tổng trở khổng lồ ( Giant Magneto impedance effect – NDFE

Tải bản đầy đủ - 0trang

mạch điện cản trở chống lại dòng điện chính và được gọi là tổng trở của dây

dẫn. Để đi đến khái niệm tổng trở của một dây dẫn có từ tính, chúng ta xét các

q trình xảy ra khi cho dòng điện xoay chiều i qua dây dẫn có từ tính. Dòng

điện xoay chiều này sẽ sinh ra một từ trường vng góc với dây dẫn có từ tính

( hình 1.1). Trong dây dẫn có từ tính xuất hiện một suất điện động cảm ứng

biến thiên do sự biến thiên của từ trường sinh ra bởi dòng điện chính i, suất

điện động cảm ứng này tạo ra dòng điện cảm ứng i' có chiều ngược với chiều

của dòng điện chính i. Dòng điện cảm ứng này có tác dụng chống lại dòng

điện chính cũng tương đương như sự cản trở của mạch điện RLC và được gọi

tổng trở của dây dẫn có từ tính.

Dòng điện cao tần i = Ioe



it



chạy trong



dây dẫn sinh ra một từ trường Ht quanh dây

dẫn. Từ trường Ht này từ hoá dây theo phương

ngang ( phương vng góc với trục của dây



i=Ioe



Ht



i



i'



Hình 1.1. Tổng

trở của dây dẫn

có từ tính.



dẫn ) như hình (1.1) và có độ từ thẩm theo

phương ngang t. Khi ta đưa từ trường ngoài một chiều Hext song song với

trục của dây dẫn thì từ trường này sẽ làm thay đổi quá trình từ hố theo

phương ngang tức là thay đổi t. Và tổng trở của dây dẫn từ tính có dòng điện

xoay chiều tần số  chạy qua dưới tác dụng của từ trường ngoài một chiều

Hext đặt dọc theo trục của dây được xác định theo biểu thức sau:

Z = RdckaJo(k )/2J1(k ).



(1.1)



- Rdc là điện trở của dây dẫn.

-  là bán kính tròn của dây.

- J0 và J1 là các hàm Besel, và k= (1+j)/ .

-  là độ dày thấm sâu bề mặt.

Tại tần số cao (



k >>1 ), dạng gần đúng của các biểu thức Besel cho



phép ta tính tổng trở dưới dạng sau:



Z=R + jX .



(1.2)



Với

  

R  X  Rdc 

  r .

 2 o 



(1.3)



 o là độ dầy thấm sâu khi độ từ thẩm tương đối



 r =1, và được tính theo



cơng thức sau:

 o



2



 o .



(1.4)



Với  là điện trở suất và  là tần số góc của dòng điện xoay chiều đặt

vào dây dẫn.

Từ các biểu thức trên ta thấy tổng trở của một dây dẫn có từ tính phụ

thuộc vào: Bản chất của vật liệu làm dây dẫn, tần số của dòng điện đặt vào

dây dẫn, độ dầy thấm sâu bề mặt, sự phụ thuộc của độ từ thẩm vào từ trường

ngoài. Để làm rõ bản chất của hiệu ứng tổng trở khổng lồ chúng ta đi xét các

yếu tố ảnh hưởng tới hiệu ứng.

1.3. Các yếu tố ảnh hưởng tới hiệu ứng tổng trở khổng lồ

1.3.1. Ảnh hưởng của độ từ thẩm lên hiệu ứng tổng trở khổng lồ

Độ từ thẩm của vật liệu là một hàm của từ trường H và tần số f, tùy

theo mỗi một loại vật liệu mà sự phụ thuộc đó là nhiều hay ít. Trong các vật

dẫn phi từ   1, từ trường tác động lên độ từ thẩm gần như khơng đáng kể,

có thể bỏ qua. Do do đó tổng trở của chúng chỉ thay đổi theo tần số. Nhưng

đối với các vật dẫn từ là các vật liệu từ mềm đặc biệt có độ từ thẩm rất lớn 

5



 10 ( vơ định hình nền Co và nano tinh thể Fe ). Thì độ từ thẩm của nó thay

đổi mạnh theo từ trường và tần số (  = (H, f) ), kéo theo sự thay đổi mạnh

tổng trở khi từ trường và tần số thay đổi.

Do hiệu ứng bề mặt, dòng điện chủ yếu tập trung trên bề mặt của vật

dẫn một lớp mỏng  là nguyên nhân dẫn đến cấu trúc domain trong dây vô



định hình nền Co bao gồm 2 miền domain: Domain lớp vỏ và domain lõi

(hình 1-2).



Dòng xoay chiều



Domain lõi



Domain lớp vỏ



iac



HDC



Hình1.2. Cấu trúc domain của dây vơ định hình nền Co khi có dòng xoay

chiều và từ trường một chiều.

Như vậy độ từ thẩm hiệu dụng eff bao gồm hai phần:

o (f, H) = wall (f, H) + rot (f, H).

Trong đó: o (f, H) là độ từ thẩm hiệu dụng.

wall (f, H) là độ từ thẩm do quá trình dịch vách domain.

rot (f, H) là độ từ thẩm do quá trình quay vec tơ từ độ.

f là tần số của dòng xoay chiều.

H là từ trường ngồi một chiều.

Qua mơ hình trên thấy rằng khi từ trường H tăng, wall (f, H) giảm bớt

vì thành phần từ trong mỗi domain giảm khi momen từ hướng theo từ trường

ngoài. Ngược lại rot(f, H) tăng cùng với từ trường và tiến gần đến dị hướng



Hk, sau đó giảm nếu từ trường tăng nữa bởi vì momen từ được gim theo

hướng từ trường ngồi.

Ở vùng tần số thấp q trình dịch vách domain ở lớp vỏ chiếm ưu thế

hơn quá trình quay véctơ từ độ ở domain lõi. Ở tần số cao quá trình dịch vách

domain bị dập tắt bởi dòng xốy, khi này đóng góp vào độ từ thẩm hiệu dụng

eff (f, H) chỉ do quá trình quay vectơ từ độ trong domain lõi của dây dẫn

dưới tác dụng của từ trường ngồi một chiều eff (f, H) = rot(f, H).

Hình (1.3) chỉ ra



đường



cong NDFE và các đường cong từ

hoá theo các trục ở tần số thấp

tương ứng. Đường cong từ hoá có

dạng vng, có lực kháng từ nhỏ (

một vài A/m ), trục domain hướng

theo phương từ dễ và µo sinh ra

chủ yếu từ quá trình quay của

véctơ từ độ. Cùng với quá trình

tăng dần của từ trường tĩnh, độ từ

thẩm hiệu dụng µo giảm dần và do

đó kéo theo cả sự giảm dần của

NDFEr. Tuy nhiên, khi xem xét

trong vùng từ trường thấp, người ta



Hình 1.3.



vẫn tìm thấy sự tồn tại của cấu trúc rất mịn, và trên thực tế, giá trị NDFEr cao

nhất thường đạt tới tại giá trị lực kháng từ Hc



.



Trong trường hợp của dây có cấu trúc domain tròn ( còn được gọi là cấu

trúc bambơ ), độ từ thẩm xuất hiện chủ yếu từ quá trình dịch vách domain.

Khi tăng từ trường tĩnh thì µo tăng lên do quá trình quay của véctơ từ độ theo

phương của từ trường tĩnh. Trên thực tế, độ từ thẩm do q trình quay của véc



tơ từ độ µrot tăng cùng với quá trình giảm dần của độ từ thẩm µwall do q

trình dịch vách domain. Giá trị độ từ thẩm lớn nhất đạt được tại thời điểm từ

trường tĩnh cân bằng với trường dị hướng Hk, đồng thời tại vị trí đó NDFEr

cũng đạt giá trị lớn nhất.

Tương tự với từ trường tĩnh, ứng suất đặt vào cũng làm thay đổi độ từ

thẩm và do đó làm thay đổi tổng trở ( hình1.4 ). Hiện tượng từ giảo đóng vai

trò quan trọng trong q trình xác định tỷ số NDFE và có thể được tính tốn

từ đường cong của trường dị hướng thay đổi theo ứng suất.



Hình1.4.

Nói tóm lại độ từ thẩm phụ thuộc vào rất nhiều các yếu tố khác nhau như:

Bản chất của vật liệu, tần số, cấu trúc domain, tính dị hướng, ứng suất, và

kiểu từ hóa ( q trình dịch vách domain hay q trình quay véctơ từ độ )…

Do vậy hiệu ứng tổng trở khổng lồ cũng phụ thuộc vào các yếu tố trên. Bằng

các kết quả thực nghiệm các nhà khoa học trên thế giới đã khẳng định được:

Hiệu ứng NDFE đạt kết quả tốt nhất trong các vật liệu từ mềm vơ định hình



và nanơ tinh thể có hệ số từ giảo gần như bằng 0 ( tính từ mềm tốt  lớn ),

đồng thời trên cùng một loại vật liệu từ mềm thì ứng với mỗi một tần số và

quy trình cơng nghệ chế tạo khác nhau thì hiệu ứng tổng trở khổng lồ cũng

khác nhau.

1.3.2. Ảnh hưởng của độ dầy thấm sâu của bề mặt lên hiệu ứng tổng trở

khổng lồ

Như đã biết, đối với dòng điện một chiều thì mật độ dòng điện phân bố

đều trên tiết diện của dây dẫn. Nhưng đối với dòng điện xoay chiều đặc biệt là

với dòng điện cao tần, mật độ dòng điện có xu hướng tập trung nhiều ở lớp

mỏng trên bề mặt của dây dẫn và giảm mạnh khi đi sâu vào bên trong lõi dây

dẫn. Hiện tượng này được gọi là hiệu ứng bề mặt.

Mật độ của dòng điện cao tần giảm theo hàm mũ từ bề mặt dây dẫn vào

trong lõi ( j = joe



-



of



t



2



, t là chiều dày tính từ mặt ngồi của dây dẫn ). Đặc



trưng cho hiệu ứng bề mặt người ta đưa ra đại lượng  gọi là độ thấm sâu:

 o



2



 o



.



Trong đó  là điện trở suất của vật liệu, o là độ từ thẩm hiệu dụng của

vật liệu.

1.3.3. Ảnh hưởng của quá trình xử lý nhiệt và từ nhiệt lên hiệu ứng tổng

trở khổng lồ



Hinh 1.5.



Cấu trúc domain và hiệu ứng NDFE có thể được thay đổi nhờ q trình

xử lý nhiệt tạo ra các dị hướng từ đơn trục hoặc dị hướng tròn thơng qua q

trình ủ nhiệt có từ trường hoặc có ứng suất. Ảnh hưởng của dòng điện lên

hiệu ứng NDFE được chỉ ra ở hình 2 với mẫu dây vơ định hình được ủ trong

mơi trường ứng suất. Tại mật độ dòng thấp, do chỉ xuất hiện chủ yếu là quá

trình dịch vách nên ở đường cong NDFE có xuất hiện hiện tượng tách đỉnh.

Khi tăng dần mật độ dòng điện, hiện tượng tách đỉnh dần dần biến mất. Hiện

tượng trễ trong đường cong NDFE có liên quan trực tiếp đến hiện tượng trễ



trong quá trình từ hố, và từ trường bất thuận nghịch có thể được định nghĩa

là từ trường mà tại đó tính bất thuận nghịch của đường cong từ trễ và đường

cong NDFE bị biến mất. Tính trễ bị khử dần do q trình ủ nhiệt làm đồng

nhất tính chất từ của vật liệu. Do vậy tính trễ đang dần được loại bỏ trong hiệu

ứng NDFE.



1.4. Mơ hình giải thích hiệu ứng tổng trở khổng lồ - NDFE

Hiệu ứng tổng trở khổng lồ - NDFE có ý nghĩa quan trọng trong việc

ứng dụng vật liệu từ vào khoa học kỹ thuật cũng như đời sống hàng ngày.

Nên ngay sau khi được tìm thấy vào năm 1994, có rất nhiều mơ hình lý

thuyết được đưa ra nhằm giải thích cơ chế của hiệu ứng này. Một số mơ hình

đã rất thành cơng với mục đích này, tuy nhiên mỗi mơ hình tốn học chỉ phù

hợp với mỗi dải tần số nhất định. Đồng thời có mơ hình chỉ giải thích được

nguồn gốc của hiệu ứng NDFE mà chưa nói lên được mối liên hệ giữa cấu

trúc domain, dị hướng từ và tỷ số NDFE.

Trong phạm vi nghiên cứu của luận văn. Nghiên cứu hiệu ứng tổng trở

khổng lồ - NDFE trong vật liệu từ mềm giầu Co với giải tần số thấp ( 10 KHz

đến 10 MHz ) có một số mơ hình tốn học đã được tìm thấy có dải tần phù

hợp với dải tần nghiên cứu ( lớn hơn 10 KHz ) và dạng hình học của vật liệu.

Tuy nhiên, các mơ hình này do xuất phát từ quá trình dẫn từ và hiệu ứng bề

mặt nên chỉ giải thích được nguồn gốc của hiệu ứng NDFE và mối liên hệ

giữa cấu trúc domain, dị hướng. Còn q trình từ hóa và các cấu trúc domain

thành phần trong các mơ hình này vẫn chưa được khai thác triệt để. Chính vì

vậy một mơ hình mới đã được đưa ra. Trong đó, mối quan hệ giữa cấu trúc

domain và q trình từ hóa của chất sắt từ với độ từ thẩm ngang và tỷ số

NDFE được thể hiện. Mơ hình này dựa trên mơ hình của Squire dành cho q

trình từ hóa và hiệu ứng từ giảo trong vật liệu từ mềm. Mơ hình này có thể

được sử dụng trong cả vật dẫn có cấu trúc hình trụ và vật dẫn có cấu trúc

phẳng ( hai cấu trúc này chỉ khác nhau về độ lớn của năng lượng khử từ

ngang ). Với dạng hình trụ, trường khử từ tròn là rất nhỏ do từ trường tròn

xoay liên tục duy trì. Với dạng phẳng, trường khử từ ngang phụ thuộc vào bề

rộng của mẫu. Mô hình này bao gồm cả quá trình dịch vách domain và qúa

trình quay của véctơ từ độ dưới tác dụng của từ trường ngồi cũng như từ



trường do dòng cao tần gây ra. Hình (1.6) chỉ ra cấu truc domain và các góc

được sử dụng trong mơ hình :



Hình 1.6. Mơ hình giải thích hiệu ứng từ tổng trở khổng lồ - NDFE.

Mơ hình này có thể được sử dụng trong cả vật dẫn có cấu trúc hình trụ và

vật dẫn có cấu trúc phẳng ( hai cấu trúc này chỉ khác nhau về độ lớn của năng

lượng khử từ ngang ). Với cấu trúc hình trụ, sự có mặt của vécto từ độ theo

dạng vòng khép kín, trường khử từ tròn rất nhỏ. Với cấu trúc phẳng, trường

khử từ ngang phụ thuộc vào bề rộng của mẫu. Mơ hình này bao gồm cả quá

trình dịch vách domain và quá trình quay của vécto từ độ dưới tác dụng của từ

trường ngồi cũng như từ trường do dòng cao tần gây ra.

Hình (1.6) thể hiện cấu trúc domain và các góc được sử dụng trong mơ hình.

Xét mơ hình dây bao gồm các domain vách 180º như hình vẽ trong đó: θ

ax



t



là góc tạo bởi vách domain từ trường ngồi H và từ trường ngang H do

dòng điện sinh ra, vng góc với vật dẫn, d là kích thước domain khi khơng

có từ trường ngồi và x là độ dịch chuyển của vách domain dưới tác dụng của

từ trường ngoài và từ trường ngang.



Trong mơ hình này, mật độ năng lượng tự do cũng được cực tiểu hóa

nhằm xác định cấu trúc domain ( bao gồm vị trí của vách domain và góc quay

từ hóa ). Mật độ năng lượng tự do được xác định theo công thức sau:

ax



t



Utot  Uk  U H  U H  UW .



(1.5)



Với UK là mật độ năng lượng dị hướng đơn trục và được tính theo cơng

thức sau:

U K  K[ sin 2 1  (1   ) sin



2



2 ] .



(1.6a)



Với K là hằng số dị hướng. Thừa số  chỉ phần vật liệu được chiếm giữ

bởi các domain từ hóa dọc theo trục của từ trường đặt vào.



U



ax

H



là năng lượng

ax



Zeeman energy phụ thuộc vào trục của từ trường ngoài đặt vào H :

H



Ua



 0 M S H



a



[(1   ) cos(   2 )   cos(  1 )].



(1.6b)

t



t



U H là năng lượng Zeeman phụ thuộc vào từ trường ngang H :

U tH   0 M S H



t



[(1   ) sin(   2 )   sin(  1 )] .



(1.6c)



Và UW là năng lượng tĩnh từ phụ thuộc vào vị trí cấu trúc vách domain.

Năng lượng tĩnh từ cũng được thể hiện dưới dạng hàm bậc hai:

2



UW =  u .



(1.6d)



Với u = x/d và  đơn vị đo độ cứng của vách domain. Đại lượng này

được sử dụng để chọn giá trị của moment góc 1 , 2 , và vị trí của vách domain

ax



tại vị trí có năng lượng cực tiểu tương ứng với từ trường H đặt vào và từ

t



trường ngang H = 0 do vậy phát hiện ra được những thay đổi mặc dù rất nhỏ

của các thông số trên dưới tác dụng của từ trường ngang nhỏ. Sự khác biệt

M giữa các q trình từ hóa ngang với sự có mặt và khơng có mặt của từ



trường ngang cho phép tính được độ từ cảm ngang.

2



 U tot

M

t

.

  Ht 

2

H t



Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Hiệu ứng tổng trở khổng lồ ( Giant Magneto impedance effect – NDFE

Tải bản đầy đủ ngay(0 tr)

×