Thư Viện Bài Giảng Vật Lý Đại Cương
7.3. Chất thuận từ
Khác với chất nghịch từ, các chất thuận từ khi chưa bị từ hóa đã có momen từ nguyên tử, nhưng do chuyển động nhiệt, các momen này sắp xếp hỗn loạn và momen từ tổng cộng của toàn khối bằng không. Khi đặt chất thuận từ vào từ trường ngoài thì các momen từ trong chúng định hướng song song, cùng chiều với từ trường ngoài, và như vậy chúng sẽ có độ từ hóa dương, tuy rất nhỏ (xem bảng 15.2). Ở các chất thuận từ, nguyên tử có một số lẻ electron (như Na tự do, NO, C(C6H5)3,…) hoặc chúng thuộc nhóm các nguyên tố chuyển tiếp với một lớp electron bên trong chưa được lấp đầy hoàn toàn (nhóm kim loại 3d – nhóm sắt – như Fe, Co, Ni, Ti, … và nhóm kim loại 4f – nhóm Lantan, đất hiếm – như La, Ce, Nd, Sm, Tb, …)
1. Nghiện cứu tính chất từ của chất thuận từ bằng thuyết Langevin
Theo thuyết Langevin, ở phần lớn các chất thuận từ, độ từ hóa phụ thuộc nhiệt độ theo định luật Curie: \( \chi =\frac{C}{T} \) (15.29) với C là hằng số Curie. Khi nhiệt độ càng cao, độ từ hóa giảm đi một cách mạnh mẽ. Ở đây các momen từ nguyên tử được coi như những vectơ có thể định hướng theo bất kì hướng nào và chúng không tương tác lẫn nhau. Áp dụng phân bố thống kê Boltzman có thể tính được momen từ của chất thuận từ: \( M={{n}_{0}}{{P}_{m}}L(x) \) (15.30)
Trong đó, \( L(x)=cthx-\frac{1}{x} \) với \( x=\frac{{{P}_{m}}H}{{{k}_{B}}T} \) là hàm Langevin, n0 là số nguyên tử trong một đơn vị thể tích, pm là momen từ nguyên tử.
Khi từ trường nhỏ, x <<1, có thể khải triển \( L(x)\approx \frac{x}{3} \), do đó: \( \overrightarrow{M}={{n}_{0}}{{P}_{m}}\frac{x}{3}=\frac{{{n}_{0}}P_{m}^{2}}{3{{k}_{B}}T}\overrightarrow{H}=\chi \overrightarrow{H} \) (15.31)
Từ đây có: \( \chi =\frac{{{n}_{0}}P_{m}^{2}}{3{{k}_{B}}T}=\frac{C}{T} \) (15.32)
Với \( C=\frac{{{n}_{0}}P_{m}^{2}}{3{{k}_{B}}} \) là hằng số Curie (15.33)
Như vậy, theo thuyết Langevin cổ điển độ cảm thuận từ tỉ lệ nghịch với nhiệt độ tuyệt đối. Điều này phù hợp với định luật thực nghiệm Curie (15.29) (công bố năm 1895, trước khi có lí thuyết Langevin).
Nhận Dạy Kèm Vật Lý Đại Cương Online qua ứng dụng Zoom, Google Meet,...
- Dạy kèm tương tác 1 thầy 1 trò! Hỗ trợ trực tuyến 24/7
- Dạy kèm Vật Lý Đại Cương (Cơ - Nhiệt - Điện Từ - Quang - VLNT-HN)
- Bồi dưỡng HSG Vật lý các cấp, luyện thi vào lớp 10 Chuyên, ôn thi ĐH-CĐ
- Sách Giải Bài Tập Vật Lý Đại Cương - Vật Lý Kỹ Thuật - Vật Lý Lý Thuyết
- Lịch học sắp xếp linh động, sáng - chiều - tối đều học được!
- Thời gian học từ 1,5h - 2h/1 buổi!
2. Ứng dụng chất thuận từ để tạo nhiệt độ thấp
Một trong những ứng dụng quan trọng của chất thuận từ là tạo nhiệt độ thấp bằng phương pháp khử từ đoạn nhiệt các muối thuận từ. Khi nghiên cứu về nhiệt động học các hiện tượng từ ta có mối liên hệ:
\( dQ=TdS=PdV-HdM+dU \)
Với Q là nhiệt lượng, S là entropy nhiệt, P là áp suất và V là thể tích vật thể, U là nội năng. Khi xảy ra quá trình đoạn nhiệt thì dQ = 0 và S = const. Do đó: \( dU=-PdV-HdM \)
Theo đây có thể làm giảm nhiệt độ của mẫu bằng hai cách là:
+ Hoặc cho dV > 0, dãn nở hệ để thực hiện một cong ra ngoài làm giảm nội năng dU và giảm nhiệt độ, thường tiến hành trên các khi, có thể hạ nhiệt độ đến 3 – 4K.
+ Hoặc cho dM < 0, khử từ đoạn nhiệt hệ để làm giảm nhiệt độ, thường thực hiện ở các muối thuận từ (chẳng hạn NH4Fe(SO4)2.12H2O hay KCr(SO4)2.12H2O, …) có thể hạ nhiệt độ tới \( \sim{{4.10}^{-3}}\text{ }K \). Nguyên lý của phương pháp này như sau: dưới tác dụng của từ trường ngoài, các momen từ tinh thể thuận từ định hướng không hoàn toàn hỗn loạn mà ưu tiên theo hướng của trường ngoài, tức là mức độ trật tự của hệ tăng lên, do đó entropy của hệ giảm đi. Nếu đột ngột ngắt từ trường ngoài (khử từ đoạn nhiệt) thì mức độ sắp xếp trật tự của các momen từ lại giảm xuống, nhưng entropy không thay đổi (S = const), bởi vậy để giữ ở trạng thái cân bằng, nhiệt độ của hệ phải giảm xuống, nghĩa là năng lượng của chuyển động nhiệt (các phonon) được cung cấp cho các ion thuận từ để chúng trở về tình trạng định hướng hỗn loạn ban đầu.
Quá trình làm lạnh bằng khử từ đoạn nhiệt được biểu thị bằng đường AB trên hình 15.8, mô tả sự phụ thuộc của entropy S vào nhiệt độ. Điểm A ứng với trạng thái có từ trường H3 tác dụng và nhiệt độ là T, điểm B ứng với H = 0 và nhiệt độ TO < T. Vì quá trình là đoạn nhiệt nên AB nằm ngang.
Sơ đồ thiết bị để thực hiện quá trình trên được mô tả ở hình 15.9. Muối thuận từ (2) được treo cách nhiệt bằng các sợi dây dẫn nhiệt kém (3) đặt trong hệ thống hai bình thủy tinh kín, chứa N2 và Heli lỏng, nằm giữa hai cực một nam châm điện (có thể tạo từ trường 106 A/m). Hút chân không các bình chứa khí. Heli sẽ sôi mạnh và làm nhiệt độ của hệ hạ xuống khoảng 1K. Khi nhiệt độ của mẫu đã ổn định, đóng điện cho nam châm đồng thời hút hết khí Heli ra ngoài để cách nhiệt hoàn toàn mẫu thuận từ. Sau đó ngắt điện đột ngột nam châm để thực hiện quá trình đoạn nhiệt và nhiệt độ của mẫu thuận từ sẽ giảm xuống rất thấp, có thể đạt tới \( \sim{{4.10}^{3}}\text{ }K \).
