Vật liệu từ cứng

 Vật liệu từ cứng là vật liệu sắt từ, khó khử từ và khó từ hóa. Ý nghĩa của tính từ "cứng" ở đây chính là thuộc tính khó khử từ và khó bị từ hóa, chứ không xuất phát từ cơ tính của vật liệu từ.
Lịch sử.
Vật liệu từ cứng là loại vật liệu từ được phát hiện và sử dụng sớm nhất trong lịch sử loài người. Người Trung Quốc cho rằng từ đời Hoàng Đế (trị vì Trung Hoa từ những năm 2698 TCN đến 2599 TCN), đã chế tạo ra các kim chỉ nam dùng để xác định phương hướng. Đó là các đá nam châm có khả năng hút sắt và định hướng Bắc-Nam. Chính sử đầu tiên ghi chép việc chế tạo các la bàn này là đầu đời Nhà Chu (1046-771 TCN) và la bàn thực sự xuất hiện nhiều là thế kỷ thứ 7 trước công nguyên (đồng thời ở Trung Quốc và Hy Lạp). Các kim chỉ nam trong la bàn là một dạng của vật liệu từ cứng, là các oxide sắt formula_1.
Các vật liệu từ cứng thương phẩm dùng để chế tạo nam châm vĩnh cửu xuất hiện lần đầu tiên vào những năm từ 1740 đến 1750 ở châu Âu và thực sự phát triển mạnh từ cuối thế kỷ 19, đầu thế kỷ 20 đến nay.
Các đặc trưng.
Vật liệu từ cứng có nhiều đặc trưng từ học, sự phụ thuộc của tính chất từ vào nhiệt độ, độ bền, độ chống mài mòn... Dưới đây liệt kê một số đặc trưng quan trọng.
Lực kháng từ.
Lực kháng từ, ký hiệu là formula_2 là đại lượng quan trọng đặc trưng cho tính từ cứng của vật liệu từ cứng. Vì vật liệu từ cứng là khó từ hóa và khó khử từ, nên ngược lại với vật liệu từ mềm, nó có lực kháng từ cao. Điều kiện tối thiểu là trên 100 Oe, nhưng vật liệu từ cứng phổ biến thường có lực kháng từ cỡ hàng ngàn Oe trở lên. Nguồn gốc của lực kháng từ lớn trong các vật liệu từ cứng chủ yếu liên quan đến đến dị hướng từ tinh thể lớn trong vật liệu. Các vật liệu từ cứng thường có cấu trúc tinh thể có tính đối xứng kém hơn so với các vật liệu từ mềm và chúng có dị hướng từ tinh thể rất lớn.
Lực kháng từ của vật liệu từ cứng thông thường được biết đến qua công thức:
trong đó:
Và a, b, c lần lượt là các hệ số đóng góp.
Tích năng lượng từ cực đại.
Tích năng lượng cực đại là đại lượng đặc trưng cho độ mạnh yếu của vật từ, được đặc trưng bởi năng lượng từ cực đại có thể tồn trữ trong một đơn vị thể tích vật từ. Đại lượng này có đơn vị là đơn vị mật độ năng lượng formula_9.
Tích năng lượng từ cực đại được xác định trên đường cong khử từ (xem hình vẽ) thuộc về góc phần tư thứ 2 trên đường cong từ trễ, là một điểm sao cho giá trị của tích cảm ứng từ B và từ trường H là cực đại. Vì thế, tích năng lượng từ cực đại thường được ký hiệu là formula_10.
Vì là tích của B (đơn vị trong CGS là Gauss - G), và H (đơn vị trong CGS là Oersted - Oe), nên tích năng lượng từ còn có một đơn vị khác là GOe (đơn vị này thường dùng hơn đơn vị chuẩn SI trong khoa học và công nghệ vật liệu từ) formula_11.
Để có tích năng lượng từ cao, vật liệu cần có lực kháng từ lớn và cảm ứng từ dư cao.
Cảm ứng từ dư.
Cảm ứng từ dư, thường ký hiệu là formula_12 hay formula_13, là cảm ứng từ còn dư sau khi ngắt từ trường (xem hình).
Nhiệt độ Curie.
Đây là nhiệt độ mà tại đó vật liệu bị mất từ tính, trở thành chất thuận từ. Một số vật liệu từ cứng được ứng dụng trong các nam châm hoạt động ở nhiệt độ cao nên nó đòi hỏi nhiệt độ Curie rất cao. Loại vật liệu từ cứng có nhiệt độ Curie cao nhất hiện nay là nhóm các vật liệu trên nền SmCo có nhiệt độ Curie từ 500 °C đến trên 1000 °C.
Mật độ từ tích hiệu dụng.
Các phương trình Maxwell (trong hệ đo lường SI) áp dụng cho vật liệu từ cứng, khi không có dòng điện tự do chạy bên trong vật liệu này:
Ở đây, B là cảm ứng từ, H là cường độ từ trường, M là độ từ hóa. Vậy tồn tại trường vô hướng "V""m", gọi là thế vô hướng từ (đóng vai trò tương tự điện thế trong tĩnh điện học), thỏa mãn:
với "ρ""m" là mật độ từ tích hiệu dụng (đóng vai trò tương tự mật độ điện tích trong tĩnh điện học):
Ứng dụng.
Vật liệu từ cứng có thể dùng để chế tạo các nam châm vĩnh cửu hoặc được sử dụng làm vật liệu ghi từ trong các ổ đĩa cứng, các băng từ.