Báo cáo Thực hành bài 2 Đường cong từ trễ của vật liệu sắt từ

BÁO CÁO THỰC HÀNH BÀI 2 ĐƯỜNG CONG TỪ TRỄ CỦA VẬT LIỆU SẮT TỪ Nhóm 5 - Chuyên ngành: Lý luận và Phương pháp giảng dạy Vật lí. 1. Lê Văn Thuận 2. Nguyễn Thị Thúy Tình 3. Trần Thị Tuyết 4. Thongphanh Xiayalee Nhóm 4 - Chuyên ngành: Vật lý chất rắn (làm bù): Nguyễn Thị Minh Thu Lớp: Cao học Vật lí K22. Ngày thực hành: 23/5/2013. I. Tóm tắt nội dung 1. Quan sát tìm hiểu bộ thí nghiệm. Sơ đồ nguyên lý của bộ thí nghiệm: 2. Khởi động máy tính, thiết lập các thông số đo 3. Đặt công tắc chuyển mạch ở vị trí 1 (bên trái); khi 0U  , 0I  , trong lõi vẫn có từ dư 0,1T . Khử từ dư trong lõi như sau : +Xoay núm vặn điện thế, theo dõi màn hình nếu I và B cùng tăng thì: Vặn núm quay cho điện thế về 0 rồi đảo công tắc sang vị trí 2 (bên phải). + Xoay núm vặn điện thế từ từ để từ trường ngược đạt giá trị - 0,05 T sau đó xoay núm điện thế về 0. Khi đó nếu từ trường đo được chưa đặt giá trị 0 thì lặp lại thao tác đặt từ trường ngược -0.05T cho đến khi giái trị từ trường 0 R Công tắc chuyển mạch Thiết bị đo, kết nối với máy tính Đầu đo Hall Nguồn DC 4. Đo đường cong từ hóa ban đầu và chu trình từ trễ : + Nhấn vào biểu tượng “ Start measurement”. + Tăng điện thế bằng 0 từ từ lên tới từ trường bão hòa (B khoảng 0,5 T và I khoảng 1,2 A). Sau đó giảm dần điện thế về 0. Sử dụng công tắc chuyển mạch đảo ngược cực của điện thế. Lại tăng điện thế để từ trường tới bão hòa theo chiều ngược(B khoảng - 0,5 T và I khoảng - 1,2 A) và sau đó giảm điện thế từ từ. Khi I giảm tới 0 A, một lần nữa đảo ngược phân cực ngược của dòng điện với công tắc chuyển mạch và tăng điện thế để I tăng theo chiều dương cho đến khi nhận được đường B phụ thuộc I khép kín. + Dừng đo nhấn “stop measurement”. Sử dụng phần mềm origin xử lý số liệu II. Kết quả 1. Điều kiện thực hiện phép đo: điều kiện thường của phòng thí nghiệm, điện áp vào là 5V 2. Kết quả a. Đồ thị sự phụ thuộc của cảm ứng từ B trong lõi sắt vào cường độ dòng điện qua cuộn dây Hình 1. Sự phụ thuộc của cường độ từ trường vào cường độ dòng điện b. Đồ thị đường từ hóa ban đầu và chu trình từ trễ Đồ thị B(H) với H = I.n/L (trong đó n/L = 2586 đơn vị 1/m) Hình 2. Đường từ hóa ban đầu và đường cong từ trễ Từ đồ thị xác định được: Cảm ứng từ dư:  116 3rB mT  Lực kháng từ:  377 13 /CH A m  3. Các yếu tố ảnh hướng tới phép đo - Từ trường đo được gồm từ trường của lõi thép và từ trường của cuộn dây - Điều chỉnh núm xoay tăng điện áp vào không ổn định (điện áp tăng không đều) - Nhiệt độ của môi trường thay đổi trong quá trình làm thí nghiệm III. Thảo luận kết quả - Trên đồ thị không thể hiện rõ trạng thái bão hòa. Giải thích: Từ trường đo được gồm từ trường của lõi thép và từ trường của cuộn dây; thành phần từ trường của cuộn dây tăng tuyến tính theo dòng điện. - Giải thích đường từ hóa cơ bản và đường cong từ trễ của vật liệu sắt từ dựa vào thuyết miền từ hóa tự nhiên (đômen) (trình bày ở phần trả lời câu hỏi) IV. Kết luận Khảo sát quá trình từ hóa và chu trình từ trễ của vật liệu, xác định được : Cảm ứng từ dư:  116 3rB mT  Lực kháng từ:  377 13 /CH A m  v. Trả lời câu hỏi 1. Sơ đồ mạch và nguyên lý đo đường cong từ trễ: Nguyên lý của phép đo từ trễ là đo sự biến đổi của mômen từ hoặc cảm ứng từ theo sự thay đổi của từ trường. Từ trường đặt vào được biến đổi theo một chu trình (từ giá trị 0 đến giá trị cực đại, sau đó giảm dần và đổi chiều đến từ trường ngược hướng, và lại đảo trở lại giá trị cực đại ban đầu). 2. 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 các đặc tính của vật liệu sắt từ.  Ta có thể phân loại các vật liệu từ căn cứ theo cấu trúc từ của chúng thành các loại vật liệu sau: 10-5 giá trị  tăng dần (10+6) Nghịch từ Thuận từ Phản sắt từ Từ giả bền Sắt từ ký sinh Ferit từ Sắt từ (Diamagnetism) (Paramagnetism) (Antiferromagnetim) (Metamagnetism) (Parasitic ferromagnetism) (Ferrimagnetism) (Ferromagnetism) Trong các vật liệu từ trên,  có thể có giá trị từ 10-5 đối với vật liệu từ rất yếu đến 10+6 đối với vật liệu từ rất mạnh.  có thể không phụ thuộc H (I phụ thuộc tuyến tính vào H) hoặc phụ thuộc H (I phụ thuộc phi tuyến tính vào H).  Các đặc tính của vật liệu sắt từ: - Có µ>>1. R Công tắc chuyển mạch Thiết bị đo, kết nối với máy tính Đầu đo Hall Nguồn DC - Các momen từ của vật liệu sắt từ định hướng song song trong từng vùng nhất định gọi là các domain ngay cả khi H = 0. Các domain này bình thường định hướng hỗn loạn sao cho từ độ tổng cộng J của vật liệu bằng 0 khi H = 0. Khi H ≠ 0, momen từ của các domain ưu tiên định hướng song song với từ trường ngoài, do đó từ độ tổng cộng của vật liệu khác không. - Từ trường cần thiết để từ hóa bão hòa vật liệu sắt từ nhỏ, cỡ 104 Oe. - Đường phụ thuộc của J theo H là đường phi tuyến và được gọi là đường cong từ hóa. - Đường phụ thuộc của χ theo H cũng một đường phi tuyến. - Từ một điểm trên đường cong từ hóa ta giảm từ trường H về 0 rồi tăng theo phương ngược lại cho đến khi bằng giá trị ban đầu (về giá trị tuyệt đối) rồi lại giảm về 0, rồi lại tăng đến điểm xuất phát ta sẽ nhận được một đường cong kín gọi là đường cong từ trễ. - Sự phụ thuộc của từ độ vào nhiệt độ của các vật liệu sắt từ có đặc điểm là từ độ giảm về 0 ở nhiệt độ Tc gọi là nhiệt độ Curie, trên nhiệt độ Tc vật liệu trở thành thuận từ.  Giải thích các đặc tính của vật liệu sắt từ bằng thuyết đoment: - Thuyết miến từ hóa tự nhiên (đômen từ): thuyết miền từ hóa tự nhiên hay thuyết domain từ được đưa ra bởi Weiss. Weiss giả thiết rằng trong điều kiện thường và ngay khi không có từ trường, trong vật sắt từ tồn tại các miền từ hóa nhỏ (các domain từ). Trong từng miền này, momen từ của các nguyên tử định hướng song song với nhau. Momen từ tổng cộng của các nguyên tử trong từng domain tạo nên mômen từ của domain đó. Xét trên toàn vật, momen từ của các domain định hướng hỗn độn, do vậy khi chưa bị từ hóa, vật sắt từ không thể hiện từ tính. - Giải thích tính sắt từ: Khi vật sắt từ chưa bị từ hóa, các mômen từ của các domain định hướng hỗn độn trong không gian, do vậy, vật liệu không có từ tính. Khi thực hiện từ hóa vật (đặt vật trong từ trường), từ trường sẽ định hướng lại các vecto môment từ của các domain. Kết quả dẫn đến là các momen từ của các domain định hướng ưu tiên theo phương của từ trường ngoài H, do đó xét trên toàn vật sắt từ nó có một men từ tổng cộng khác không, vật liệu có tính sắt từ. Do quá trình từ hóa (bao gồm dịch vách domain vaF quay hướng momen từ) là không thuận nghịch do đó ta thu được chu trình từ trễ. Khi giá trị của từ trường ngoài tăng dần đến một giá trị H0, toàn bộ môment từ của các domain định hướng song song với H. Khi đó từ độ của vật không tăng được nữa kể cả ta có tăng từ trường ngoài. Ta nó rằng vật liều đạt trạng thái bão hòa từ. 3. Nguyên tắc xác định nhiệt độ Curie bằng phương pháp cảm ứng điện từ Đặt vào cuộn sơ cấp một hiệu điện thế xoay chiều U1, do hiện tượng cảm ứng điện từ mà trên cuộn thứ cấp xuất hiện một hiện một hiệu điện thế xoay chiều U2. Nếu ta tăng nhiệt độ của thanh ferit F tới nhiệt độ Tc thì độ từ thẩm µ của thanh Ferit giảm nhanh xuống đến giá trị µ . Khi đó, từ trở của toàn mạch tăng nhanh, từ thông qua cuộn n2 giảm, suất điện động U2 giảm nhanh xuống giá trị U0. Nhiệt độ Tc chính là nhiệt độ Curie cần tìm 4. Giải thích sự hình thành đường từ trễ: Sau khi từ hóa một vật sắt từ đến một từ trường bất kỳ, nếu ta giảm dần từ trường và quay lại theo chiều ngược, thì nó không quay trở về đường cong từ hóa ban đầu nữa, mà đi theo đường khác là do khi có sự đảo từ trường ngoài các momen từ trong vật liệu sắt từ không chuyển hướng đột ngột mà chuyển hướng dần dần tư trạng thái spin này sang trạng thái spin khác. Khi từ trường ngoài đã giảm về 0 thi trong lòng vật liệu sắt từ vẫn còn lượng từ dư do quá trình từ hóa ở trên .Và nếu ta đảo từ theo một chu trình kín (từ chiều này sang chiều kia), thì ta sẽ có một đường cong kín gọi là đường cong từ trễ hay chu trình từ trễ. Nguyên nhân cơ bản của hiện tượng từ trễ là sự tương tác giữa các mômen từ có tác dụng ngăn cản các mômen từ bị quay theo từ trường. 5. Phân loại vật liệu từ trên cơ sở đường từ trễ: Vât liệu từ cứng : lực kháng từ Hc lớn ( trên 100 Oe), Mr nhỏ Vật liệu từ mềm: lực kháng từ Hc nhỏ ( dưới 100 Oe), Mr lớn 6. Ý nghĩa thực tế của việc xác định nhiệt độ Curie của vật liệu sắt từ: Cã thÓ nãi vËt liÖu s¾t tõ ®ang ®­îc nghiªn cøu vµ hÕt søc réng r·i trong khoa häc , c«ng nghiÖp còng nh­ trong ®êi sèng, tõ c¸c nam ch©m vÜnh cöu ®Õn lâi biÕn thÕ, lâi thÐp trong ®éng c¬ ®iÖn, m¸y ph¸t ®iÖn, r¬le trong nåi c¬m ®iÖn, hay cao h¬n lµ c¸c æ cøng m¸y tÝnh, ®Çu ®äc æ cøng…Ng­êi ta ®ang nghiªn cøu m¸y l¹nh ho¹t ®éng b»ng tõ tr­êng thay thÕ m¸y l¹nh truyÒn thèng víi ­u ®iÓm kh«ng « nhiÔm, tiÕt kiÖm n¨ng l­îng vµ nhá gän. C¸c hiÖu øng tõ ®iÖn trë cña chÊt s¨t tõ còng ®ang ®­îc khai th¸c ®Ó ra ®êi c¸c linh kiÖn ®iÖn tö thÕ hÖ míi gäi lµ spintronic, tøc lµ c¸c linh kiÖn ho¹t ®éng b»ng c¸ch ®iÒu khiÓn spin cña ®iÖn tö. ViÖc x¸c ®Þnh nhiÖt ®« Tc cña chÊt s¨t tõ rÊt quan träng v× khi T < Tc vËt liÖu lµ s¾t tõ T > Tc vËt liÖu trë thµnh thuËn tõ. Nghiªn cøu gióp ta sö dông vËt liÖu cã hiÖu qu¶ trong c¸c môc ®Ých kh¸c nhau. VÝ dô trong m¸y biÕn thÕ, ®éng c¬ ®iÖn ta cÇn gi¶m tæn hao s¾t tõ th× ph¶i sö dông vËt liÖu thÕ nµo…