Language
Country/Area
No result found
Thuật thuận từ là gì? Nó ảnh hưởng thế nào đến vật chất xung quanh chúng ta?
Tính thuận từ là một hiện tượng từ trường đặc biệt. Dưới tác động của từ trường ngoài, một số chất sẽ có lực hút yếu và hình thành từ trường bên trong cùng hướng với từ trường ngoài. Ngược lại, vật liệu phản từ bị đẩy lùi bởi từ trường và tạo ra từ trường ngược hướng với từ trường bên ngoài.
Vật liệu thuận từ bao gồm hầu hết các nguyên tố hóa học và một số hợp chất và có độ từ thẩm tương đối lớn hơn 1 một chút, nghĩa là chúng bị thu hút bởi từ trường.
Momen từ của các vật liệu thuận từ này sẽ được tạo ra khi chịu tác động của từ trường bên ngoài và cảm ứng từ này có mối quan hệ tuyến tính với cường độ từ trường. Tuy nhiên, hiệu ứng này thường rất yếu và thường đòi hỏi cân phân tích có độ nhạy cao để phát hiện. Nguồn gốc của tính thuận từ chủ yếu là các electron không ghép đôi có trong vật liệu, do đó hầu hết các nguyên tử có quỹ đạo electron không đầy đủ đều biểu hiện tính thuận từ, nhưng vẫn có một số ngoại lệ như đồng.
Các electron không ghép đôi có mômen lưỡng cực từ do sự quay tròn của chúng, hoạt động giống như những nam châm nhỏ. Từ trường bên ngoài khiến các vòng quay của các electron này thẳng hàng với hướng của từ trường, tạo ra một mạng lưới lực hấp dẫn.
Các vật liệu thuận từ phổ biến bao gồm nhôm, oxy, titan và oxit sắt (FeO). Có một quy tắc đơn giản trong hóa học: nếu tất cả các electron trong một vật liệu được ghép đôi thì vật liệu đó là vật liệu nghịch từ; nếu có các electron không ghép đôi thì vật liệu đó là vật liệu thuận từ. Không giống như vật liệu sắt từ, vật liệu thuận từ không giữ lại bất kỳ từ tính nào sau khi từ trường bên ngoài biến mất vì chuyển động nhiệt làm ngẫu nhiên hóa hướng spin. Ngay cả khi có từ trường tác dụng, từ hóa cảm ứng cũng cực kỳ nhỏ vì chỉ có một phần nhỏ các spin được sắp xếp theo hướng của từ trường ngoài.
Ảnh hưởng của spin electron
Vật liệu thuận từ bao gồm các nguyên tử hoặc phân tử tạo ra các mômen từ vĩnh cửu (lưỡng cực) khi có từ trường bên ngoài, thậm chí vẫn tồn tại khi không có từ trường tác dụng. Khi có từ trường tác dụng, các lưỡng cực này có xu hướng thẳng hàng với từ trường bên ngoài, tạo thành mômen từ tổng hợp.
Trong tính thuận từ thuần túy, các lưỡng cực này không tương tác với nhau và được định hướng ngẫu nhiên khi không có từ trường bên ngoài, dẫn đến tổng mômen từ bằng không.
Khi có từ trường bên ngoài tác dụng, các spin sẽ sắp xếp sao cho mômen từ tổng hợp hướng theo hướng của từ trường bên ngoài. Điều này có thể được hiểu thông qua hiệu ứng mô-men xoắn trong vật lý cổ điển, nhưng nguyên nhân thực sự của nó cần được giải thích thông qua cơ học lượng tử.
Mối tương quan giữa biểu hiện vĩ mô và cấu trúc vi mô
Ngay cả một số vật liệu sắt từ cũng thể hiện tính thuận từ ở trên nhiệt độ Curie khi năng lượng nhiệt khả dụng vượt quá năng lượng tương tác giữa các spin và do đó hoạt động giống như các vật liệu thuận từ thông thường. Nhìn chung, hiệu ứng thuận từ tương đối nhỏ, với hầu hết độ cảm từ trong khoảng từ 10^-3 đến 10^-5, nhưng một số vật liệu tổng hợp như chất lỏng sắt từ có thể có độ cảm từ cao tới 10^-1.
Trong vật liệu dẫn điện, các electron không cục bộ, nghĩa là chúng có thể di chuyển tự do khắp chất rắn. Sự xuất hiện của hiện tượng này cho phép các tính chất thuận từ và nghịch từ tồn tại đồng thời trong các vật liệu này.
Trong hầu hết các trường hợp, các electron của kim loại loại s và p thể hiện tính thuận từ hoặc tính nghịch từ yếu, trong đó tính nghịch từ thường lớn hơn tác động của tính thuận từ trong các kim loại như vàng. Ngược lại, các electron loại d và f thường thể hiện tác động từ mạnh hơn, đặc biệt là loại sau, vì chúng thường có tính cục bộ cao và có thể mang tới bảy electron không ghép đôi. Ví dụ, erbi (Gd) được sử dụng trong công nghệ MRI vì tính chất cảm ứng từ cao của nó.
Thảo luận về cơ sở lý thuyết
Cơ sở lý thuyết của tính thuận từ có thể được tìm thấy trong cơ học lượng tử, đặc biệt là định lý Bohr-van Leeuwen, trong đó nêu rằng sẽ không có tính nghịch từ hoặc thuận từ trong một hệ thống hoàn toàn cổ điển. Trong điều kiện từ hóa thấp, hành vi từ hóa của vật liệu thuận từ tuân theo định luật Curie, nghĩa là từ hóa của chúng tăng khi nhiệt độ giảm.
Định luật này nêu rằng độ từ tính của một vật liệu tỉ lệ nghịch với nhiệt độ của nó, nghĩa là vật liệu sẽ trở nên từ tính hơn ở nhiệt độ thấp hơn.
Vậy, xét đến tính thuận từ và các đặc tính của vật liệu trong cuộc sống hàng ngày, liệu điều này có giúp chúng ta hiểu sâu hơn về môi trường xung quanh không?
