Độ cứng/mềm từ tính có liên quan đến cấu trúc vi mô của vật liệu
Như đã mô tả trong phần trước của loạt bài này, vật liệu từ được phân loại sơ bộ theo tính chất của chúng thành vật liệu từ cứng và vật liệu từ mềm; vật liệu từ cứng trở thành nam châm vĩnh cửu khi có từ trường bên ngoài tác động vào, và vật liệu từ mềm trở thành nam châm tạm thời do từ trường bên ngoài. Điều thú vị là độ cứng và độ mềm của từ tương ứng với độ cứng và độ mềm vật lý khi nói đến sắt. Ví dụ, khi thép làm lưỡi dao, dụng cụ, v.v. được cọ xát bằng nam châm, nó sẽ bị từ hóa và tự nó trở thành nam châm. Thép thể hiện từ tính cứng như đã mô tả ở trên, nhưng khi được ủ (nung nóng đến đỏ rực rồi làm nguội chậm), nó trở thành nam châm gần như mềm trong khi mất độ cứng và trở nên cùn. Điều này là do những thay đổi trong cấu trúc kim loại học (pha thép).
Lưỡi kiếm được ủ sẽ lấy lại độ cứng khi cấu trúc kim loại học của nó thay đổi, khi được nung nóng lại đến đỏ rực và làm nguội nhanh bằng nước. Quá trình này, vốn nổi tiếng trong quá trình chế tạo kiếm của Nhật Bản, được gọi là “Làm nguội”. Thép KS, được Tiến sĩ Kotaro Honda phát minh vào năm 1917 như thép nam châm mạnh hơn nhiều so với các vật liệu thông thường, là một vật liệu nam châm có tính chất từ tính được cải thiện đáng kể nhờ quá trình mình luyện này.
Vật liệu từ tính được chia thành vật liệu kim loại và vật liệu oxit. Một vật liệu từ tính oxit điển hình là ferit. Giống như sắt và thép, ferit cũng phụ thuộc vào cấu trúc vi mô, về độ cứng và độ mềm từ tính. Tuy nhiên, ferit hoàn toàn khác với vật liệu từ tính kim loại như sắt và thép ở chỗ nó có điện trở cực kỳ cao.
Ferrit là một loại gốm từ được sản xuất bằng cách trộn, đúc và thiêu kết nguyên liệu dạng bột được tạo thành bằng cách trộn oxit sắt, là nguyên liệu chính của ferit, với các oxit kim loại khác và một lượng nhỏ chất phụ gia. Thông qua quá trình thiêu kết, nguyên liệu thô tạo thành dung dịch rắn và trở thành đa tinh thể trong đó các hạt tinh thể mịn tập hợp lại. Các ranh giới giữa các hạt tinh thể được gọi là ranh giới hạt. Ferrite, là một loại đa tinh thể, có điện trở cao tương đương với điện trở của chất cách điện, nhờ vào các ranh giới hạt có điện trở cao giống như lưới ba chiều này. Ngoài ra, hầu hết lượng nhỏ chất phụ gia tập trung tại các ranh giới hạt này (phân tách). Do đó, ranh giới hạt đóng vai trò quan trọng trong các đặc tính của ferrite.
biến áp là một bộ chuyển đổi điện áp xoay chiều sử dụng cảm ứng điện từ
Vật liệu từ hấp thụ từ thông theo cách tương tự như bọt biển hấp thụ nước. Khả năng hấp thụ như vậy được gọi là độ từ thẩm, và khả năng hấp thụ từ thông được gọi là mật độ từ thông bão hòa. Một đặc điểm của vật liệu kim loại đặc trưng bởi sắt là chúng có mật độ từ thông bão hòa cao. Trong khi đó, ferit (thường có nghĩa là ferit mềm khi chỉ được gọi đơn giản là ferit) là vật liệu từ oxit được biểu thị bằng công thức hóa học MFe2O4 (M biểu thị kim loại hóa trị hai). Nó có các nguyên tử oxy, không phải là nguyên tử từ tính (ví dụ: Fe), vì vậy nó không thể vượt qua vật liệu kim loại về mật độ từ thông bão hòa. Ví dụ, lõi điện từ (lõi từ) trở nên mạnh hơn nếu nó có mật độ từ thông bão hòa cao hơn. Do đó, sắt mềm (sắt từ mềm) hoặc tương tự như vậy được sử dụng làm lõi điện từ.
Trong khi dòng điện một chiều chạy qua cuộn dây của nam châm điện, dòng điện xoay chiều chạy qua cuộn dây của biến áp. Vai trò của biến áp là biến đổi điện áp xoay chiều, và nguyên lý của nó là cảm ứng điện từ, được Michael Faraday phát hiện vào năm 1831. Khi một nam châm được đẩy nhanh vào và kéo ra khỏi cuộn dây, một suất điện động (điện áp) được tạo ra trong cuộn dây, khiến dòng điện chạy qua. Điều này có thể dễ dàng xác nhận bằng một thí nghiệm, nhưng vào thời của Faraday, không có nam châm mạnh hoặc máy đo điện có độ nhạy cao, vì vậy có vẻ như ông đã gặp rất nhiều rắc rối.
Thiết bị thí nghiệm để khám phá ra cảm ứng điện từ là một cuộn sắt mềm hình bánh rán có hai cuộn dây (được gọi là vòng Faraday). Faraday phát hiện ra rằng khi một cuộn dây được kết nối và ngắt kết nối nhiều lần khỏi pin (cọc volta), dòng điện chạy qua cuộn dây kia. Vào thời điểm dòng điện được bật/tắt, một sự thay đổi từ thông đột ngột xảy ra trong một cuộn dây. Sự thay đổi từ thông như vậy đã tạo ra một suất điện động trong cuộn dây kia thông qua lõi sắt mềm. Điều này giống như nguyên lý của biến áp. Dòng điện xoay chiều (AC) là dòng điện thay đổi hướng ở tần số xác định, và mỗi lần thay đổi hướng, một sự thay đổi từ thông đột ngột xảy ra và cảm ứng từ tạo ra suất điện động trong cuộn dây thứ cấp. Độ lớn của suất điện động được xác định bởi tỷ số số vòng dây trong hai cuộn dây, và do đó, nguyên lý này áp dụng cho biến áp để chuyển đổi điện áp xoay chiều.
Ferrite điện được sử dụng trong nguồn điện chuyển mạch hiệu suất cao nhỏ
Bộ đổi nguồn AC là thiết bị chuyển đổi dòng điện xoay chiều thương mại thành dòng điện một chiều và cung cấp cho các thiết bị điện tử. Có nhiều loại AC. Là loại thông thường, bộ đổi nguồn AC hình khối được sử dụng cho điện thoại không dây, dụng cụ điện, v.v. Bạn phải thấy chúng nặng trong tay, chủ yếu là do lõi sắt của biến áp nguồn. Lõi sắt như vậy không phải là lõi khối như lõi nam châm điện mà là lõi được xếp lớp bằng các tấm kim loại từ mềm mỏng như thép silic (lõi sắt nhiều lớp).
Có một lý do sâu xa tại sao lõi sắt nhiều lớp được sử dụng. Khi từ thông thay đổi trong lõi, từ thông phản ứng xảy ra theo một hướng để ngăn chặn sự thay đổi. Điều này tương tự như lực phản ứng xảy ra khi một vật bị ép. Sự xuất hiện của phản ứng từ thông có nghĩa là sự xuất hiện của dòng điện chạy trong dây dẫn điện. Đây được gọi là dòng điện xoáy. Khi dòng điện xoáy chạy qua, nhiệt Joule được tạo ra do điện trở của lõi và điều này dẫn đến vấn đề mất năng lượng (mất nhiệt gọi là mất sắt). Điều này là do lượng nhiệt này tỷ lệ với bình phương của dòng điện chạy qua. Vì lõi kim loại có điện trở thấp nên chúng cho phép dòng điện lớn chạy qua, tăng lượng nhiệt tỏa ra. Việc sử dụng lõi sắt nhiều lớp là một thiết bị để giảm thất thoát nhiệt. Các tấm mỏng của nó được cách điện, do đó dòng điện xoáy xuất hiện trong mỗi tấm mỏng. Điều này khiến các tuyến đường của dòng điện xoáy dài ra, làm tăng giá trị điện trở và giảm lượng nhiệt tỏa ra.
Tuy nhiên, lượng nhiệt mất đi này tỷ lệ thuận với bình phương tần số. Mặc dù lõi sắt nhiều lớp có thể được sử dụng ở tần số của dòng điện xoay chiều thương mại (50/60 Hz), nhưng nó tạo ra một lượng nhiệt lớn và cuối cùng trở nên nóng đỏ trong dải tần số kilohertz, megahertz hoặc cao hơn. Do đó, cần có ferit. Điều này là do ferit có giá trị điện trở cao hơn 100.000 lần so với vật liệu kim loại và nó gây ra ít thất thoát nhiệt hơn ngay cả khi sử dụng ở tần số cao.
Bộ đổi nguồn AC nhỏ và nhẹ được sử dụng cho điện thoại di động và máy tính xách tay. Chúng được gọi là bộ đổi nguồn AC chuyển mạch. Chúng sử dụng biến áp lõi ferit để chuyển đổi dòng điện xung tần số cao thành điện áp yêu cầu. Nguồn điện chuyển mạch có kích thước rất nhỏ và hiệu suất cao đáng kể so với nguồn điện thông thường. Các nguồn điện chuyển mạch này được sử dụng cho hầu hết các thiết bị điện tử sử dụng dòng điện xoay chiều thương mại như TV, đầu ghi DVD và máy chơi game. Ferrite được sử dụng cho các ứng dụng như nguồn điện được gọi cụ thể là ferrite điện. TDK phát triển vật liệu ferrite điện có tổn thất thấp hơn bằng cách sử dụng các công nghệ và bí quyết mà mình đã tích lũy trong nhiều năm và đây là cách mình đóng góp đáng kể vào việc tiết kiệm năng lượng trong toàn xã hội.
