Từ hóa

Trường vectơ từ hóa (độ từ hóa) thể hiện độ mạnh của miền vật liệu bị từ hóa (miền từ hóa - hoặc đômen từ). Nó bằng tổng mômen lưỡng cực từ trên đơn vị thể tích của miền đó. Do đó, độ từ hóa của một nam châm có hình dạng đều là hằng số trong vật liệu, và bằng mômen từ chia cho thể tích của nam châm. Do trong hệ SI đơn vị của mômen từ là Am², đơn vị SI của là A/m, giống với của trường

Trường từ hóa của một vùng trong vật liệu chỉ theo hướng trung bình của mômen lưỡng cực từ trong vùng đó. Do vậy, các đường sức từ hóa bắt đầu gần cực nam và kết thúc gần cực bắc từ. (Từ hóa không tồn tại bên ngoài nam châm.)

Mô hình Từ hóa

Mô hình vòng Ampère

150px

Trong mô hình vòng Ampère, sự từ hóa là do quá trình kết hợp của nhiều vòng Ampère nhỏ để tạo nên một dòng gọi là dòng từ hóa. Dòng này chính là nguồn của từ trường sinh ra bởi vật liệu từ. Theo định nghĩa của lưỡng cực từ, trường từ hóa tuân theo định luật Ampère:

$\oint \mathbf {M} \cdot d{\boldsymbol {\ell }}=I_{\mathrm {b} },$

với tích phân đường thực hiện trên vòng kín bất kỳ và là 'dòng từ hóa' bị chặn bởi vòng đó.

Mô hình lưỡng cực từ

150px

Trong mô hình lưỡng cực từ, sự từ hóa bắt đầu và kết thúc tại các cực từ. Do vậy, nếu một miền có tổng độ lớn cực từ là dương (tương ứng với cực bắc) thì có nhiều đường sức từ hóa đi vào hơn số đường sức đi ra. Điều này tương đương về toán học:

$\oint _{S}\mu _{0}\mathbf {M} \cdot \mathrm {d} \mathbf {A} =-q_{M}$,

với tích phân mặt thực hiện trên mặt kín và là 'từ tích' (trong đơn vị của từ thông) bao bởi mặt . Dấu âm xuất hiện bởi vì trường từ hóa đi từ nam tới bắc.

Trường H và vật liệu từ

Trường được định nghĩa bằng:

$\mathbf {H} \ \equiv \ {\frac {\mathbf {B} }{\mu _{0}}}-\mathbf {M} ,$(trong SI)

Theo định nghĩa này, định luật Ampère trở thành:

$\oint \mathbf {H} \cdot d{\boldsymbol {\ell }}=\oint \left({\frac {\mathbf {B} }{\mu _{0}}}-\mathbf {M} \right)\cdot d{\boldsymbol {\ell }}=I_{\mathrm {tot} }-I_{\mathrm {b} }=I_{\mathrm {f} },$

với thể hiện 'dòng tự do' bao bởi vòng sao cho tích phân đường của không phụ thuộc hoàn toàn vào dòng từ hóa. Đối với dạng vi phân của phương trình xem phương trình Maxwell.

Định luật Ampère dẫn đến điều kiện biên

$(\mathbf {H_{1}^{\parallel }} -\mathbf {H_{2}^{\parallel }} )=\mathbf {K} _{\text{f}}\times {\hat {\mathbf {n} }},$

Với

K_f là mật độ dòng tự do trên mặt và vectơ đơn vị ${\hat {\mathbf {n} }}$ chỉ theo hướng từ môi trường 2 vào 1

Tương tự, tích phân mặt của trên một mặt đóng bất kỳ độc lập với dòng tự do và cho kết quả là 'từ tích' bên trong mặt kín:

$\oint _{S}\mu _{0}\mathbf {H} \cdot \mathrm {d} \mathbf {A} =\oint _{S}(\mathbf {B} -\mu _{0}\mathbf {M} )\cdot \mathrm {d} \mathbf {A} =(0-(-q_{M}))=q_{M},$

mà không phụ thuộc dòng tự do.

Do đó, trường H có thể tách thành hai số hạng độc lập:

$\mathbf {H} =\mathbf {H} _{0}+\mathbf {H} _{d},\,$

với H₀ là từ trường do dòng tự do và H_d là trường khử từ (demagnetizing field) do dòng từ hóa.

Do vậy trong trường H, dòng từ hóa có thể coi là 'từ tích'. Đường sức của trường H chỉ bao quanh 'dòng từ do' và không giống như từ trường B các đường sức bắt đầu và kết thúc tại các cực từ.

Từ vật

Hầu hết các vật liệu đáp ứng lại (cảm ứng) từ trường ngoài B bằng cách tự sinh ra trường từ hóa của chúng và do đó là từ trường B. Thông thường sự đáp ứng lại là rất yếu và chỉ tồn tại khi chúng đặt trong từ trường. Thuật ngữ từ học miêu tả cách vật liệu đáp ứng lại ở mức vi mô khi chúng chịu từ trường ngoài và dùng để phân loại pha của vật liệu. Trong từ học, các vật liệu đưa chia thành các nhóm trên cơ sở đáp ứng của chúng với từ trường ngoài:

• Vật liệu nghịch từtạo ra trường từ hóa ngược hướng với từ trường ngoài.
• Vật liệu thuận từ tạo ra trường từ hóa cùng hướng với từ trường ngoài.
• Vật liệu Feri từ và nhóm vật liệu sắt từ và phản sắt từ có trường từ hóa độc lập với từ trường ngoài B và hai trường này có mối liên hệ phức tạp.
• Chất siêu dẫn (và chất siêu dẫn sắt từ) là những vật liệu có đặc điểm dẫn điện hoàn hảo khi chúng có nhiệt độ dưới nhiệt độ tới hạn và từ trường giới hạn. Chúng có từ tính cao và có thể là nam châm nghịch từ hoàn hảo dưới một từ trường tới hạn. Chất siêu dẫn có nhiệt độ và từ trường tới hạn trên phạm vi rộng (siêu dẫn loại II) mà dưới các điểm tới hạn này chúng thể hiện sự trễ phức tạp vào M và B.

Trong trường hợp của các chất thuận từ và nghịch từ, độ từ hóa M tỉ lệ với từ trường ngoài sao cho:

$\mathbf {B} =\mu \mathbf {H} ,$

với μ là tham số phụ thuộc vật liệu gọi là độ từ thẩm. Trong một số trường hợp độ từ thẩm là tenxơ hạng hai sao cho H không có cùng hướng với B. Những liên hệ này giữa B và H là ví dụ của phương trình cấu thành. Tuy nhiên, các chất siêu dẫn và nam châm sắt từ có liên hệ giữa B và H phức tạp hơn.

Độ cảm từ

Độ cảm từ là đại lượng vật lý đặc trưng cho khả năng từ hóa của vật liệu, hay nói lên khả năng phản ứng của chất dưới tác dụng của từ trường ngoài. Độ cảm từ còn có tên gọi khác là hệ số từ hóa (không nhầm với độ từ hóa). Độ cảm từ thể hiện mối quan hệ giữa từ độ (là đại lượng nội tại) và từ trường ngoài, nên thường mang nhiều ý nghĩa vật lý gắn với các tính chất nội tại của vật liệu.

Độ cảm từ, thường được ký hiệu là $\chi$, hay $\chi _{m}$ (để phân biệt với $\chi _{e}$ - độ cảm điện) được định nghĩa là tỉ số giữa độ từ hóa và độ lớn của từ trường:

$\chi ={\frac {M}{H}}$

Với

M là độ từ hóa,

H là cường độ từ trường.

Từ độ M và từ trường H có cùng thứ nguyên do đó $\chi$ là đại lượng không có thứ nguyên.

Độ cảm từ và từ thẩm

Cảm ứng từ, B quan hệ với từ độ và cường độ từ trường theo biểu thức:

$\mathbf {B} =\mu _{0}(\mathbf {H} +\mathbf {M} )$

với $\mu _{0}$ là hằng số từ, hay độ từ thẩm của chân không, có độ lớn $\mu _{0}=4.\pi 10^{-7}T.m/A$. Như vậy:

$\mathbf {B} =\mu _{0}(1+\chi ).\mathbf {H}$

Đại lượng $\mu =\mu _{0}(1+\chi )$ được gọi là độ từ thẩm. Độ từ thẩm có cùng ý nghĩa với độ cảm từ, đều nói lên khả năng phản ứng của các vật liệu dưới tác dụng của từ trường ngoài.

Trong kỹ thuật, người ta thường quan tâm đến giá trị độ từ thẩm hiệu dụng được định nghĩa bởi: $\mu _{r}=\mu /\mu _{0}=(1+\chi )$.

Độ cảm từ vi phân

Trong các vật liệu sắt từ, độ cảm từ không phải là một hằng số, mà có giá trị biến thiên phụ thuộc vào từ trường ngoài và phụ thuộc cả vào tiền sử từ (tức là phụ thuộc cả vào các quá trình từ diễn ra trước đó), nên người ta sử dụng khái niệm độ cảm từ vi phân:

$\chi _{ij}={\frac {\partial M_{j}}{\partial H_{i}}}$

Độ cảm từ xoay chiều

Hay là hệ số từ hóa xoay chiều, là độ cảm từ tạo ra khi vật liệu được đặt trong từ trường xoay chiều. Các phép đo độ cảm từ xoay chiều phụ thuộc vào nhiệt độ rất quan trọng trong các nghiên cứu chuyển pha từ trong các vật liệu sắt từ. Độ cảm từ xoay chiều thường được ký hiệu là $\chi _{AC}$ (chữ AC là ký hiệu của dòng điện xoay chiều).