Thạc Sĩ Từ trường của vi cấu trúc từ với biến thiên từ trường lớn

MỞ ĐẦU
Nam châm và từ trường là những thành phần quan trọng trong nhiều thiết bị kỹ thuật. Ngày nay, nam châm được sử dụng trong nhiều động cơ ô tô, các đầu đọc và ghi thông tin trong lĩnh vực máy tính. Với sự phát triển của công nghệ nano, nhu cầu về các nam châm mạnh và tạo ra được từ trường không đồng nhất (biến thiên) lớn trong không gian nhỏ hơn ngày càng nhiều. Cho đến nay việc phân tách các đối tượng từ tính và phi từ tính cũng như các truyền động sử dụng lực từ thông thường sử dụng từ trường được tạo ra bởi các cuộn solenoid, các nam châm điện và các nam châm siêu dẫn. Gần đây, một số nhóm nghiên cứu đã thành công trong việc sử dụng các nam châm vĩnh cửu để tạo ra từ trường lớn thay thế các nam châm truyền thống. Từ trường lớn này được tạo ra phù hợp với đặc điểm dị hướng từ mạnh của các vật liệu được sử dụng để làm nam châm vĩnh cửu, thường là hợp chất của vật liệu đất hiếm và kim loại chuyển tiếp. Tuy nhiên, từ trường đồng nhất không phải là thuận lợi vì các phân tách sử dụng từ tính đòi hỏi nguồn từ trường có cường độ lớn và biến thiên mạnh. Bởi vì lực từ tác dụng lên các đối tượng tỉ lệ thuận với độ cảm từ của đối tượng, cảm ứng từ và độ biến thiên của cảm ứng từ. Cụ thể, một phần tử (đối tượng) từ tính khi được đặt trong một môi trường từ không đồng nhất sẽ chịu tác dụng của lực từ cho bởi công thức sau:

với V là thể tích của phần tử từ, ∆χ là sự chênh lệch độ thẩm từ của phần tử từ (χp) và môi trường (χm), B là độ lớn của từ trường. Tùy thuộc vào giá trị của ∆χ mà phần tử từ sẽ chịu tác dụng của lực hút hay lực đẩy do từ trường tác động. Nếu ∆χ > 0 thì các phần tử sẽ chịu tác động của lực hút và bị hút về những vị trí có lực hút mạnh nhất (thường là các cạnh của nam châm), trong khi các phần tử sẽ bị đẩy ra xa khỏi nguồn từ trường tới những vị trí có lực đẩy nhỏ nhất nếu ∆χ < 0.
Ngoài ra, khi ở trong dung dịch và được nhỏ lên các cấu trúc từ, các phần tử còn chịu tác động của các lực khác như: trọng lực (Fg), lực đẩy Archimedes (FA), lực kéo của dòng chất lỏng vì thế các phần tử thường có xu hướng di chuyển (magnetophoresis) tới những vị trí ổn định nơi mà tổng các lực tác động lên phần tử có xu hướng cân bằng. Việc tính toán các lực tác dụng lên phần tử từ cho phép chúng ta xác định và tiên đoán được cách mà phần tử từ di chuyển và vị trí ổn định của chúng khi được đặt vào môi trường từ. Do đó, để tăng được hiệu quả của phân tách từ tính, bên cạnh các yêu cầu khác thì giá trị của tích ⃗⃗∇⃗⃗ cao cũng được yêu cầu.
Theo dự đoán với các kỹ thuật chế tạo các hệ thống vi cơ điện tử và các vi nam châm ngày nay, các cấu trúc từ vĩnh cửu có thể tích hợp được trong các hệ thống phân tích vi lưu, do đó mở rộng các khả năng ứng dụng của nam châm.
Một thực tế rõ ràng là các hệ thống phân tách từ này khá phức tạp, đắt tiền và cần nhiều công đoạn cũng như thời gian để chế tạo. Do đó, các phương pháp thiết kế lý thuyết được sử dụng để thu được mô hình hệ thống tối ưu trước khi chế tạo. Công việc đầu tiên và quan trọng nhất của quá trình thiết kế lý thuyết này là mô phỏng từ trường. Vì vậy trong luận văn này, chúng tôi nghiên cứu lý thuyết và mô phỏng từ trường của một số cấu trúc từ kích thước micro-nano, có tính từ cứng và dị hướng từ lớn theo một trục. Tại viền của các nam châm, từ trường (B) rất mạnh và biến thiên (B) lớn được tạo ra, với tích giá trị (BB) có thể đạt 103 – 105 T2/m.

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU . 3
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN . 3
1.1. Từ trường và các đại lượng cơ bản 5
1.2. Các phương trình cơ bản của từ trường tĩnh 5
1.3. Phân loại một số vật liệu từ 7
1.3.1. Vật liệu nghịch từ 8
1.3.2. Vật liệu thuận từ 8
1.4. Đường cong từ trễ 9
1.5. Mục tiêu của luận văn 12
CHƯƠNG 2. MÔ HÌNH LÝ THUYẾT VÀ PHẦN MỀM MÔ PHỎNG 14
2.1. Mô hình lý thuyết . 14
2.1.1. Mô hình dòng tương đương 14
2.1.2. Mô hình từ tích 19
2.2. Phần mềm mô phỏng 22
2.2.1. Phần mềm MacMMems 23
2.2.2. Phần mềm Ansys Maxwell . 24
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN . 26
3.1. Kết quả khảo sát từ trường bằng phần mềm MacMMems 26
3.1.1. Cấu hình 11 nam châm . 26
3.1.2. Cấu hình 22 nam châm . 33
3.1.3. Cấu hình 33 nam châm . 38
3.1.4. Cấu hình 44 và 5×5 nam châm . 42
a) Cấu hình 4×4 nam châm . 42
b) Cấu hình 5×5 nam châm . 46
2
3.2. So sánh từ trường và sự biến thiên từ trường bề mặt của một số cấu hình
nam châm mô phỏng được bằng các phần mềm mô phỏng và tính toán lý
thuyết . 49
3.2.1. Cấu hình 11 nam châm . 49
3.2.2. Cấu hình 22 nam châm . 53
KẾT LUẬN 56
TÀI LIỆU THAM KHẢO 57