Báo cáo Thí nghiệm xác định nhiệt độ Curie của Ferit từ

1 BÁO CÁO THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH NHIỆT ĐỘ CURIE CỦA FERIT TỪ Nhóm 5: 1. Lê Văn Thuận 2. Nguyễn Thị Thúy Tình 3. Trần Thị Tuyết 4. Thongphanh Xiayalee Lớp: Cao học Vật lí K22. Chuyên ngành: Lý luận và Phương pháp giảng dạy Vật lí. Ngày thực hành: 21/5/2013. I. Tóm tắt nội dung: 1. Mục đích bài thí nghiệm: Xác định nhiệt độ Curie Tc của ferit từ. 2. Tóm tắt lí thuyết: - Các vật liệu sắt từ khi đặt vào trong từ trường H sẽ bị từ hóa. Nguyên nhân là do bên trong khối sắt từ có xuất hiện một từ trường phụ B’ cùng hướng và rất lớn so với H. - Từ trường tổng hợp trong khối sắt lúc này: B = µ0H + B’ = µ0µH B’ : Từ trường xuất hiện trong khối sắt từ.  : Độ từ thẩm. ' / /B H uur uur , B’ >> H  phụ thuộc vào độ lớn của H một cách phức tạp và có thể đạt 104. Do đó, từ trường tổng hợp trong khối sắt có thể lớn gấp hàng vạn lần so với từ trường ngoài. - Các vật liệu sắt từ có ứng dụng rộng rãi trong kĩ thuật điện để làm biến thế điện, động cơ điện, nam châm điện, rơ le điện từ,… - Bên cạnh khả năng được từ hóa mạnh còn có hàng loạt tính chất cơ bản khác với các tính chất của chất thuận từ và nghịch từ, như sự phụ thuộc không tuyến tính và H của B, hiện tượng từ trễ, hiện tượng từ giảo,… 2 - Tính chất sắt từ chỉ thể hiện ở một khoảng nhiệt độ xác định. Nếu khối sắt từ bị nung nóng đến nhiệt độ T ≥ TC thì tính chất sắt từ biến mất và nó trờ thành chất thuận từ. Nhiệt độ TC được gọi là nhiệt độ Curie, giá trị của nó phụ thuộc vào bản chất của chất sắt từ. Tại nhiệt độ TC, chất sắt từ có hàng loạt dị thường về nhiệt dung, điện trờ suất, từ giảo. Ở gần nhiệt độ Curie, hệ số từ hóa ban đầu của chất sắt từ đạt cực đại. Các đặc tính của chất sắt từ có thể giải thích bằng thuyết miền từ hóa tự nhiên. II. Kết quả thí nghiệm: 1. Điều kiện thực hiện phép đo: Đặt điện áp lối ra xoay chiều của nguồn ở giá trị 2v 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 0.35 0.40 0.45 0.50 0.55 0.60 T2=142(0C) T1=160(0C) U 2( V ) T(0C) 2. Kết quả thu được: - Ngoại suy tuyến tính đường giảm nhất của đồ thị ta xác định được 2 giá trị TC ứng với đường đi và đường về + Với đường đi ta thu được: T1 = 160 0C + Với đường về ta thu được T2 = 142 0C 3  Nhiệt độ Curie của sắt từ là: TC = 2 21 TT   1510 C 3. Những biến cố có thể xảy ra trong quá trình đo: - Tốc độ truyền nhiệt độ và giảm nhiệt độ không đều: lúc tăng, lúc giảm. - Kỹ năng làm thí nghiệm chưa tốt. III. Thảo luận kết quả: Đồ thị thực nghiệm thu được có đường đo đi và đường đo về không trùng nhau. Ngoại suy thuyến tính từ đồ thị ta thu được 2 khoảng giá trị của Tc. Trong khi đó, nhiệt độ Curie tính theo lí thuyết chỉ có một giá trị. Sự khác nhau này là do: quá trình biến đổi của thanh sắt theo nhiệt độ là quá trình không thuận nghịch, nên đồ thị đường đo đi và đường đo về là khác nhau. Do đó ta xác định được 2 giá trị khác nhau của nhiệt độ Curie. IV. Kết luận: - Nhiệt độ Curie của thanh sắt từ xác định được là: 153,50 C V. Trả lời câu hỏi: Câu 1: Sự phân loại các vật liệu từ, các đặc tính của vật liệu sắt từ? Thuyết miền từ hóa tự nhiên trong việc giải thích đặc tính của vật liệu sắt từ? Phân loại vật liệu sắt từ: Để phân loại vật liệu từ trên quan điểm nghiên cứu cơ bản, người ta dựa và dấu và độ lớn của độ cảm từ  và sự phụ thuộc của nó và nhiệt độ. Ngoải ra, còn có nhiều cách phân loại khác nữa như việc phân loại dựa vào cấu trúc,… + Chất nghịch từ:  < 0, |  | <<1. Khi không có từ trường ngoài tác dụng, chất nghịch từ không có momen từ. Khi có từ trường ngoài tác dụng, momen từ của chất nghịch từ ngược hướng với hướng từ trường ngoài. + Chất thuận từ:  > 0, |  | <<1. Từ trường của chất thuận từ cùng hướng với từ trường ngoài. + Chất sắt từ: > 0, |  | >>1. Là chất có momen từ tự phát ờ dưới một nhiệt độ đặc trưng cho từng chất, gọi là nhiệt độ Curie. + Chất phản sắt từ: > 0,  không lớn. Là chất có momen từ định hướng dối song song và bừ trừ nhau ở dưới một nhiệt độ xác định, gọi là nhiệt độ Nell (TN). 4 + Chất ferit từ: > 0,  có giá trị tương đối lớn. Là các chất có momen từ tự phát ở dưới nhiệt độ Curie, sắp xếp đói song song nhưng không bù trừ nhau. Các đặc tính của vật liệu sắt từ: + Các chất sắt từ thong thường dễ đạt giá trị bão hòa trong từ trường ngoài cường độ nhỏ. Từ độ bão hòa của chất sắt từ thường có giá trị lớn. + Các tính chất lý thú của vật liệu được ứng dụng nhiều trong đời sống và kỹ thuật: từ trễ, hiện tượng từ giảo, hiện tượng từ điện trở, độ dẫn từ,… + Tính chất sắt từ chỉ xuất hiện trong 1 khoảng nhiệt độ xác định. Nếu khối sắt từ bị nung nóng đến nhiệt độ TTC thì tính chất sắt từ biến mất và vật chuyển thành thuận từ. Tại nhiệt độ TC, một số tính chất liên quan đến trật từ từ có tính dị thường theo nhiệt độ như: hệ số giãn nở nhiệt, nhiệt dung, từ giảo,… Thuyết miền từ hóa tự nhiên: + Các tính chất của sắt từ có thể giải thích dựa trên thuyết miền từ hóa từ nhiên. Theo lý thuyết Weiss, trong chất sắt từ có 1 từ trường phân từ. Từ trường này tác dụng lên các spin từ để chúng sắp xếp song song và hình thành nên các miền từ hóa tự nhiên (đômen từ). Việc phân chia các đômen từ đảm bảo năng lượng trong vật cực tiểu. + Mỗi mẫu sắt từ lại được cấu tạo từ nhiều đômen, mỗi đômen thường có kích thước khoảng 0,01  0, 1 mm và chứa khoảng 1011 – 1019 nguyên từ. Bình thường, khi không có từ trường ngoài các đomen này định hướng hỗn loạn nên vật sắt từ vẫn không có từ trường. Khi đặt từ trường ngoài vào, xảy ra hiện tượng từ hóa và vật liệu có từ tính. Câu 2: Mạch từ và từ trờ: Mạch từ kín : là các khung sắt từ kín có hình dạng khác nhau. Đối với một mạch từ kín thì đường sức từ chỉ chạy trong mạch và không thoát ra ngoài. Mạch từ hở: Một mạch từ không được tạo bởi khung từ không kín gọi là mạch từ hở. Đối với mahcj từ hở, một phần đường sức từ sẽ nằm ở ngoài mạch từ. Từ trờ: Xét một mạch từ đơn giản gồm 2 đoạn mạch trong khung sắt từ có tiết diện ngang S, có độ từ thẩm  và đoạn mạch là khe hở ( không khí) nhỏ có cùng tiết diện và có độ từ thẩm k . Hình 2: Mạch từ không phân nhánh. 5 Suất từ động: NIm  Với: N là số vòng dây điện cuốn trên khung; I là cường độ dòng diện qua cuộn dây; m được gọi là suất từ động. Từ thông liên hệ với suất từ động theo biểu thức: m m R    Với Rm gọi là từ trở toàn phần của mạch, với mạch đang xét thì: Rm= S l S l k k  00  l là chiều dài trung bình của khung; kl là khoảng cách khe hở. Các đại lượng: rm = S l 0 , và rmk = S l k k 0 là từ trở tương ứng. Vậy Rm = rm + rmk, tức là từ trở toàn phần của mạch từ không phân nhánh bằng tổng các từ trờ của các mạch từ hợp thành. Kết quả này cũng đúng với mạch từ không phân nhánh gồm nhiều đonạ mạch từ hợp thành Rm = rm1 + rm2 + … + rmn. Câu 3: Nguyên tắc xác định nhiệt độ Curie bằng phương pháp cảm ứng điện từ: Sơ đồ nguyên lý phép đo: - Biến thế 1 mắc qua ổn áp cung cấp hiệu điện thế xoay chiều cho cuộn sơ cấp. - Biến thế 2 cung cấp điện một chiều cho bếp H. - Cặp nhiệt điện C dùng để đo nhiệt độ của thanh ferit. Tín hiệu từ C và cuộn thứ cấp được nối với máy tính qua cạc ADC. H: lò nung, Trong máy đã có sẵn một bảng chuẩn của N1: cuôn sơ cấp. suất điện động theo nhiệt độ. N2: cuộn thứ cấp. Nguyên tắc: - Khi đặt hiệu điện thé xoay chiều cào cuộn sơ cấp thì hiện tượng cảm ửng điện từ xuất hiện hiệu điện thế U2 . N1 N2 H Ferit Hình 3. Sơ đồ nguyên lí phép đo 6 - T tăng thì U2 tăng. Khi T tăng đến nhiệt độ T = Tc thì  giảm nhanh, từ trở toàn phần giảm nhanh và từ thông giảm. Khi đó U2 giảm nhanh xuống giá trị U0. Tc chính là nhiệt độ Curie. Câu 4: Các ghép nối bài thực hành với hệ đo. Nguyên tắc biến đổi tương tự số và cách đo nhiệt độ bằng máy tính. Nguyên tắc làm việc của máy tính với bài thực hành. Hệ đo: Để đo nhiệt độ của thanh ferit và điện thế của cuộn n2 ta sử dụng đồng hồ vạn năng Keithley 2000. Đồng hộ này được ghép nối với máy tính để thu thập dữ liệu. Nguyên tắc biến đổi tương tự số ADC: - Mạch chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số, chuyển một tín hiệu ngõ vào tương tự (dòng điện hoặc điện áp) sang thành các tín hiệu số có giá trị tương ứng, có thể làm việc với CPU. - Chuyển đổi ADC có rất nhiểu phương pháp. Tuy nhiên, mỗi phương pháp đều có những thông số cơ bản sau. + Độ chính xác của chuyển đổi ADC. + Tốc độ chuyển đổi. + Dải biến đổi của tín hiệu tương tự ngõ vào. Hình 4: Sơ đồ khối bộ biến đổi tương tự số. - Nguyên tắc: Tín hiệu tương tự được đưa đến một mạch lấy mẫu, tín hiệu ra mạch lấy mẫu đưa ta đến mạch lượng hóa làm tròn với độ chính xác 2 Q  . Sau đó, mạch lượng tử hóa là mạch mã hóa.Trong mạch mã hóa kết quả lượng tử hóa được sắp xếp lại theo một quy luật nhất định phụ thuộc vào loại mã yêu cầu trên đầu ra bộ chuyển đổi. Trong nhiều loại ADC quá trình lượng tử hóa và mã hóa diễn ra đồng thời không thể tách chúng ra. Cách đo nhiệt độ của máy tính: Trong máy tính có sẵn bảng chuẩn của nhiệt độ và hiệu điện thế. Vì thế, tín hiệu nhiệt được chuyển thành tín hiệu điện. Sử dụng chuyển đổi ADC chuyển thành tín hiệu số. Tiếp theo, tín hiệu số sẽ được chuyển thành tín hiệu điện và nhiệt và đưa ra màn hình máy tính những giá trị dời dạc. Nguyên tắc làm việc của máy tính với bài thực hành của chúng ta: Thông qua đồng hồ vạn năng Keithley 2000 tín hiệu điện và tín hiệu số của bài thực hành chuyển đến máy tính. Máy tính sẽ thực hiện các chuyển đổi ADC, Mạch lấy mẫu ADC Lượng tử hóa Mã hóa UA UM UD 7 so sánh nhiệt độ và hiệu điện thế chuẩn. Kết quả, máy tính cung cấp cho chúng ta một bảng giá trị của hiệu điện thế và nhiệt độ rất lớn. Tiếp theo, sử dụng phần mềm Origin, vẽ đồ thị sự phụ thuộc hiệu điện thế U2 và nhiệt độ. Ngoại suy ra nhiệt độ Curie. Câu 5: Cách xác định nhiệt độ Curie từ đồ thị sự phụ thuộc của suất điện động cảm ứng theo nhiệt độ. Sử dụng chương trình Origin để xử lý kết quả thực nghiệm? Cách 1: Ngoại suy tuyến tính đường đo đi và đường đo về. Cách 2: Vẽ đường thẳng đi qua đoạn dốc nhất của đồ thị và đường thẳng đi qua điểm nằm ngang của đồ thị ( đoạn ứng với giá trị U0). Hai đường này cắt nhau tại một điểm. Từ đó suy ra nhiệt độ Curie.