Giáo trình thực hành vật lý chất rắn (lưu hành nội bộ)

Thực hành Vật lý Chất rắn

Nguyễn Minh Vương (chủ biên) – Hoàng Nhật Hiếu
Nguyễn Văn Nghĩa – Nguyễn Ngọc Khoa Trường –Nguyễn Tư

THỰC HÀNH

VẬT LÝ CHẤT RẮN
(Lưu hành nội bộ)

Quy Nhơn, 2016

Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!!


Thực hành Vật lý Chất rắn

Lời nói đầu

Thí nghiệm vật lý là một khâu khá quan trọng và không thể thiếu trong quá trình
học tập và nghiên cứu ngành vật lý học. Thực hành vật lý rèn luyện cho học viên
phương pháp và kĩ năng nghiên cứu, ñồng thời củng cố các kiến thức lý thuyết ñã ñược
học. Bên cạnh đó, thực hành vật lý cịn rèn luyện cho học viên những đức tính của
người làm cơng tác nghiên cứu khoa học nói chung và làm cơng tác nghiên cứu, dạy và
học vật lý nói riêng
ðể đáp ứng chương trình ñào tạo Cử nhân Vật lý, Cao học Vật lý Chất rắn và
phù hợp với trang thiết bị thí nghiệm mới ñược bổ sung tại khoa Vật lý - trường ðại học
Quy Nhơn, nhóm chúng tơi biên soạn cuốn giáo trình Thực hành Vật lý Chất rắn. Nội
dung của giáo trình được viết dựa trên các bài thí nghiệm mới ñược trang bị tại khoa
Vật lý.
Phần lý thuyết của mỗi bài thí nghiệm được trình bày ngắn gọn, đầy đủ, thuận

lợi cho học viên trong việc tóm tắt lý thuyết. Vấn ñề sai số thực nghiệm ñược xếp ở
phần phụ lục để nhắc nhở học viên tự ơn lại khi tiến hành thí nghiệm và xử lý kết quả.
Phần thực hành được trình bày rõ ràng theo thứ tự các bước tiến hành thí nghiệm, các
bảng biểu cần thiết và cách xử lý số liệu.
Nhóm biên soạn xin chân thành cảm ơn những ý kiến đóng góp q báu của q
thầy cơ giáo trong hội đồng khoa Vật lý – trường ðại học Quy Nhơn và các cán bộ phản
biện về nội dung của giáo trình.
Trong quá trình biên soạn, chắc chắn cịn có nhiều thiếu sót. Nhóm biên soạn xin
chân thành cảm ơn ý kiến đóng góp của q ñộc giả.

Nhóm biên soạn


Thực hành Vật lý Chất rắn
MỤC LỤC

Bài 1 : TÌM HIỂU DỤNG CỤ THÍ NGHIỆM VÀ CÁCH SỬ DỤNG PHẦN MỀM
ORIGIN........................................................................................................................... 3
Bài 2: XÁC ðỊNH CẤU TRÚC, KÍCH THƯỚC TINH THỂ VÀ KÍCH THƯỚC HẠT
CỦA VẬT LIỆU ........................................................................................................... 10
BÀI 3: KHẢO SÁT HIỆN TƯỢNG TỪ TRỄ CỦA VẬT LIỆU SẮT TỪ ........................... 16
BÀI 4: KHẢO SÁT TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU FERIT TỪ .......................................... 21
BÀI 5: HIỆU ỨNG HALL TRONG VẬT LIỆU BÁN DẪN ................................................. 27
BÀI 6: HIỆU THẾ TIẾP XÚC TẠI LỚP CHUYỂN TIẾP P-N ........................................... 32
BÀI 7: XÁC ðỊNH HỆ SỐ NHIỆT ðIỆN TRỞ CỦA KIM LOẠI ...................................... 37
BÀI 8: XÁC ðỊNH ðỘ RỘNG VÙNG CẤM CỦA BÁN DẪN ............................................ 40
Bài 9: KHẢO SÁT PHỔ HẤP THỤ CỦA CHẤT LỎNG ..................................................... 43
Bài 10: KHẢO SÁT NHIỆT ðỘ CỦA LÒ NUNG BẰNG CẶP NHIỆT ðIỆN .................. 46
PHỤ LỤC ................................................................................................................................... 51
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................................ 59

Thực hành Vật lý Chất rắn
Bài 1 : TÌM HIỂU DỤNG CỤ THÍ NGHIỆM VÀ CÁCH SỬ DỤNG PHẦN
MỀM ORIGIN
1.1. Mục đích
- Nắm được cách sử dụng phần mềm Origin ñể xử lý số liệu thực nghiệm.
- Nắm ñược cấu tạo, cách sử dụng các dụng cụ và thiết bị thí nghiệm.
1.2. Các bước tiến hành
1.2.1. Giới thiệu phần mềm Origin
Origin là phần mềm do Origin Lab Corporation viết và phát triển từ năm
1991. Hiện nay phổ biến là các phiên bản 7.5 và 8.0.
Chương trình vẽ đồ thị Origin có thể nhận dữ liệu từ các file có dạng:
*.DAT, *.TXT, *.CSV, cũng như các file dữ liệu số từ Excel. Chương trình cho
phép vẽ, xử lý đồ thị và xử lý dữ liệu rất tiện lợi và dễ sử dụng.
1.2.1.1. Các bước sử dụng cơ bản của chương trình Origin
Bước 1: Kích hoạt biểu tượng Origin trên màn hình Window. Origin
chia số liệu thành các cột, có thể chứa tới vài chục cột và vài chục dòng số liệu.
Trước khi chọn cách vẽ thích hợp, ta phải chọn các cột tương ứng với các trục
tọa ñộ (cột nào là cột X, cột nào là cột Y). ðể chọn trục tọa độ cho các cột ta kích
chuột phải vào cột → set as → chọn X (hoặc Y) (Hình 2).

Hình 1.2. ðịnh dạng các trục tọa ñộ

Bước 2: Nhập dữ liệu trong Origin: ta có thể nhập dữ liệu trong Origin
bằng một số cách như sau:
- Nhập trực tiếp từ bàn phím.

3

Thực hành Vật lý Chất rắn
- Copy số liệu từ một file số liệu sẵn có và dán số liệu ñó vào bảng số
liệu của phần mềm Origin.
- Nhập từ một file dữ liệu đã có sẵn.
ðể nhập file dữ liệu đã có sẵn, ta vào File → Import → Single ASCII
(nếu nhập 1 file) hoặc Multiple ASCII (nếu nhập nhiều file cùng một lúc) → Lựa
chọn file dữ liệu cần vẽ từ thư mục (chú ý nên ñể file of type ở dạng *.*) → Open
(nếu nhập 1 file) hoặc add files → OK → OK (nếu nhập nhiều file). Lúc này dữ
liệu ñã ñược nhập vào bảng ở màn hình hoạt động của Origin như Hình 1.3 và
Hình 1.4.

Hình 1.3. Trường hợp nhập 1 file dữ liệu

Hình 1.4. Trường hợp nhập nhiều file dữ liệu cùng lúc

Bước 3: Bơi đen một (hoặc nhiều) cột bằng cách kích vào B[Y] (và
C[Y], D[Y]…) sau đó kích vào Plot và chọn cách vẽ mà ta mong muốn (Hình
1.5), đồ thị phụ thuộc của B[Y] (D[Y], F[Y], H[Y]) vào A[X] (C[X], E[X],

4


Thực hành Vật lý Chất rắn
G[X]) được trình bày như Hình 1.6. Origin cung cấp rất nhiều cách vẽ đồ thị
khác nhau. Origin cịn có cả vẽ đồ thị khơng gian 3 chiều.

Hình 1.5. Chọn kiểu vẽ đồ thị

Hình 1.6. ðồ thị sau khi vẽ trong Origin

Bước 4: Ta có thể chỉnh sửa các khung của ñồ thị, giới hạn thang đo,
màu sắt khung tọa độ… bằng cách kích chuột vào một trục bất kỳ, sẽ hiện ra cửa
sổ ñiều chỉnh tùy theo ý người dùng. Ta có thể đặt tên cho trục tọa độ của đồ thị
bằng cách kích vào X axis title và Y axis title (Hình 7). ðồ thị có thể được in ra
bằng lệnh Print trong menu File.

Hình 1.7. ðồ thị sau khi chỉnh sửa

* Chú ý:

5


Thực hành Vật lý Chất rắn
- Chúng ta có thể tạo nhiều thư mục (Folder) trong cùng một file
origin bằng cách kích vào biểu tượng New Folder trên thanh cơng cụ.
- Khi các cặp dữ liệu (X, Y) có các giá trị sai số ∆X và ∆Y tương ứng,
khi đó ta thêm hai cột dữ liệu và ñặt cho các cột lần lượt là X Error và Y Error
(Hình 1.8). Khi đó đồ thị của các cặp dữ liệu này bao gồm các thanh sai số có
dạng như Hình 1.9.

Hình 1.8. Chèn sai số cho các dữ liệu

Hình 1.9. ðồ thị gồm cả sai số các giá trị X, Y

Bước 5: Sau khi ñã vẽ xong ñồ thị ta lưu File số liệu ñã vẽ trong phân
mềm Origin bằng cách vào Tab File/Save project/ tên File.
1.2.2. Sử dụng thao tác FIT hàm trong Origin
- Khái niệm hàm FIT:

Giả sử ta có sự phụ thuộc các giá trị của Y vào các giá trị tương ứng
của X thể hiện bằng các ñiểm trên ñồ thị (X, Y), hàm y = f(x) ñược gọi là hàm
FIT của sự phụ thuộc trên nếu ñường biểu diễn hàm y = f(x) ñi qua các ñiểm biểu

6


Thực hành Vật lý Chất rắn
diễn sự phụ thuộc của (X, Y) với sai số cho phép. Hàm FIT càng phù hợp nếu sai
số càng nhỏ.
Ví dụ: trên Hình 1.10, sự phụ thuộc của các giá trị Y vào X ñược thể hiện
bằng các chấm vuông trên ñồ thị, ñường cong liền nét là ñường biểu diễn hàm số:
y = (-1.25 ± 0.09)x2 + (21.4 ± 1.5) x – (26 ± 5) (1)
Nếu chấp nhận các sai số thì hàm (1) ñược gọi là hàm FIT và sự phụ thuộc
của các giá trị Y vào X có thể được biểu diễn bằng hàm 1.

Hình 1.10. Ví dụ về hàm FIT

- Sử dụng hàm FIT trong chương trình Origin:
Sau khi vẽ đồ thị bằng chương trình Origin, ta có thể tìm hàm FIT cho
đồ thị tương ứng bằng cách kích vào Analysis/Fitting trên màn hình hiển thị của
Origin. Chúng ta có thể thấy rất nhiều loại hàm có thể lựa chọn (Hình 1.11). Tuy
nhiên, để tiết kiệm thời gian, ta có thể dự đốn loại hàm FIT nào là phù hợp.

Hình 1.11. Các dạng hàm FIT

7


Thực hành Vật lý Chất rắn

Sau khi hàm FIT ñược chọn, máy tính sẽ tính tốn các hệ số của hàm FIT
sao cho ñường biểu diễn của hàm ñi gần với các ñiểm dữ liệu thực nghiệm của ñồ
thị cần fit nhất.
Những hàm FIT trong mục Analysis có thể được chọn là các hàm sau:
1. Fit linear là hàm tuyến tính
2. Fit Polynomial là hàm fit có dạng hàm mũ của x, các số mũ
của x có giá trị từ 1 đến 9. Với x có giá trị bằng 1 thì đó là hàm
tuyến tính.
3. Fit Exponential Decay là dạng hàm y = y0 + Ae-αx
4. Fit Exponential Growth là dạng hàm y = y0 + Aeαx
5. Fit Gaussian là hàm có dạng: ‫ ݕ‬ൌ ‫ݕ‬଴ ൅

஺

ഏ
మ

௪ට

6. Fit Lorentzian là hàm có dạng: ‫ ݕ‬ൌ ‫ݕ‬଴ ൅

ଶ஺

݁

ሺೣషೣ೎ ሻమ
ೢమ

ିଶ

௪

గ ସሺ௫ି௫೎ ሻమ ା௪ మ

Máy tính khơng cung cấp cho ta đủ các hàm FIT phù hợp với tất cả các
ñường ñồ thị. Do vậy trong trường hợp khơng tìm thấy hàm FIT có sẵn ta có thể
chọn hàm FIT phù hợp với ñường cong thực nghiệm của ta bằng cách lựa chọn
lệnh Non-linear Curve Fit trong menu Analysis. Sau đó đưa hàm FIT vào theo
hướng dẫn trên Hình 12. Máy tính sẽ tính tốn tìm các hệ số của hàm số đưa vào
sao cho đạt được hàm FIT phù hợp nhất.

Hình 1.12. Thao tác Fit Non-linear Curve

1.2.2. Tìm hiểu dụng cụ
Giáo viên hướng dẫn trình bày cấu tạo và cách sử dụng các dụng cụ, thiết bị
sau ñây cho sinh viên biết:

8


Thực hành Vật lý Chất rắn
- Các bộ thí nghiệm sắt từ, hiệu ứng Hall, máy UV-Vis.
- Cơ sở lý thuyết của từng bài thí nghiệm.
- Phần mềm kết nối máy tính.
Yêu cầu: Phải chỉ tỉ mỉ trên dụng cụ và thiết bị thật để học sinh có trực
quan hơn.
Sau khi nghe xong hai phần trên, sinh viên chia thành nhiều nhóm nhỏ lần lượt
tìm hiểu trực tiếp các dụng cụ về cấu tạo, cách sử dụng; ôn tập lại những nội dung ñã
ñược giáo viên nhắc lại về xử lý số liệu thực nghiệm.
1.3. Câu hỏi ôn tập

1. Giáo viên ñặt các câu hỏi và yêu cầu sinh viên trả lời bằng miệng nội dung
ñã ñược ñề cập tới trong phần tìm hiểu ở trên.
2. Giáo viên trả lời một số thắc mắc của sinh viên (nếu có).

9


Thực hành Vật lý Chất rắn
Bài 2: XÁC ðỊNH CẤU TRÚC, KÍCH THƯỚC TINH THỂ VÀ KÍCH
THƯỚC HẠT CỦA VẬT LIỆU
2.1. Mục đích
+ Từ giản đồ nhiễu xạ tia X xác ñịnh cấu trúc tinh thể của hệ lập phương
(mạng Bravais, hằng số mạng…).
+ Từ ảnh hiển vi ñiện tử qt xác định kích thước hạt trung bình của vật
liệu.
2.2. Cơ sở lý thuyết
2.2.1. Xác định thơng số mạng tinh thể lập phương
Khi chiếu một chùm tia X có bước sóng λ đi đến tinh thể, nếu chùm tia tới
tạo với mặt ngun tử một góc θ thoả mãn điều kiện nhiễu xạ Bragg:
2dhkl sinθ = nλ

(2.1)

Hình 2.1. Nhiễu xạ Bragg

Trong đó: dhkl là khoảng cách giữa các mặt phẳng nguyên tử tạo với chùm
tia tới một góc θ thoả mãn điều kiện Bragg, n là bậc nhiễu xạ
Khi đó hiện tượng nhiễu xạ sẽ xảy ra và trên giản ñồ ta sẽ ghi lại ñược
cường ñộ của chùm tia nhiễu xạ tại những góc 2θ xác định.
Khi thay các giá trị dhkl ñối với các hệ tinh thể khác nhau vào cơng thức

(2.1), ta sẽ nhận được các đẳng thức tương ứng với mỗi hệ.
Mối quan hệ giữa dhkl và thơng số mạng a của vật liệu có cấu trúc lập
phương, được xác định từ phương trình:
1
h2 + k 2 + l 2
=
2
d hkl
a2

Trong đó h, k, l là các chỉ số Miller.
Kết hợp với phương trình (2.1) ta nhận ñược:

10

(2.2)


Thực hành Vật lý Chất rắn
sin θ =
2

λ2
4a

2

(h 2 + k 2 + l 2 )

(2.3)

Như vậy sin2θ tỉ lệ với (h2 + k2 + l2) và khi θ tăng thì mặt phẳng ứng với
các chỉ số Miller lớn hơn sẽ tham gia nhiễu xạ.
Phương trình (2.3) viết cho hai mặt phẳng bất kì có dạng:
Q=

sin 2 θ1 h12 + k12 + l12
=
sin 2 θ 2 h22 + k22 + l22

(2.4)

Vì các giá trị h, k, l ln là các số nguyên nên các giá trị (h2 + k2 + l2) có
thể thu được bằng cách chia các giá trị sin2θi của các mặt phản xạ khác nhau cho
một giá trị nhỏ nhất (tức sin2θ1 của mặt phản xạ bậc nhất).
Bảng 2.1. Dạng tổng bình phương của một số chỉ số Miller cho hệ lập phương

11


Thực hành Vật lý Chất rắn
Bảng 2.2 Chỉ số giao thoa của 10 cực ñại ñầu tiên của giản ñồ nhiễu xạ tia
X trong hệ lập phương

Bảng 2.3 Tỉ số

ୱ୧୬మ ஘౟

ୱ୧୬మ ஘భ

của giản ñồ nhiễu xạ tia X trong hệ lập phương

Chú ý: Giá trị Q của mạng LPTK và LPðG rất giống nhau. ðể quy kết tinh
thể ñang xét là LPTK hay LPðG ta thường nhận biết ñỉnh nhiễu xạ số 7 (ở
LPðG Q = 8 nhưng ở LPTK Q = 7).
Thơng số mạng a được tính theo cơng thức:

a=

λ
h 2 + k 2 + l2
2sin θ

(2.5)

Vì ∆a phụ thuộc vào θ nên khơng thể lấy trung bình tất cả các giá trị a
nhận ñược từ mỗi ñỉnh nhiễu xạ. Thường người ta lấy giá trị a ứng với đỉnh nhiễu
xạ có góc lớn nhất hoặc trung bình các giá trị ứng với hai (hoặc ba) ñỉnh nhiễu xạ
cuối cùng hoặc vẽ ñồ thị a = f(θ) rồi ngoại suy ñộ lớn của a ñến θ = 90o.
2.2.2. Xác ñịnh kích thước tinh thể và kích thước hạt

ðối với phương pháp nhiễu xạ tia X, nguyên lý cơ bản là giữa độ rộng
vạch nhiễu xạ và kích thước tinh thể có mối quan hệ phụ thuộc. Nếu hạt có kích

12


Thực hành
ành Vật
V lý Chất rắn
thước tinh thể lớnn thì độ

đ rộng bé, ngược lại hạt có kích thướcc tinh thể
th bé, vạch
nhiễu xạ nhịe ra, độ rộng
r
vạch lớn. Trong trường hợp hạtt có kích thước
th
tinh thể
rất bé (nm), vạch nhiễuu xạ
x nhịe thành đám.
Từ vạch nhiễuu xạ,
x ta xác định được kích thướcc tinh thể
th theo cơng thức
Scherrer:

D=

0,9.λ
b.cos θ

(2.6)

Trong ñó: b là ñộ
ñ bá n rộng của vạch nhiễu xạ theo thang đo
đ 2θ (Hình
2.2).

Hình 2.2. ðộ rộng bán phổ

ðể giảm sai số,, thơng thường
th

ta chọn tính D cho các đỉnh
nh nhiễu
nhi xạ ứng với
góc nhiễu xạ θ bé.

ðối với phương
ương pháp hi
hiển vi điện tử qt, kích thướcc trung bình của
c hạt
được xác định
nh theo phương
phươ pháp đường dựa vào cơng thứcc sau:

D = 1,56
Trong đó:

L.103
(µm)
N.V

(2.7)

+ L là ñộ dài ñoạn thẳng kẻ trên ảnh vi cấuu trúc (mm)
+ N là số
s hạt bị cắt bởi ñường kẻ.
+ V là độ phóng đại của ảnh.

2.3. Các bước thựcc hành
2.3.1. Xác định
nh thơng số
s mạng của vật liệu

Từ giản ñồ nhiễuu xạ
x của tia X của mẫu vật liệu ñược chụụp bằng bức xạ tia
0

X Kα của Cu với bướcc sóng λ = 1,54 A , xác định các góc θ ứng
ng với
v các với các

13


Thực hành Vật lý Chất rắn
vạch nhiễu xạ. Ghi các giá trị θ và tính giá trị các đại lượng ở các cột trong bảng
số liệu 2.2.
Bảng 2.2: Xác ñịnh cấu trúc

2.3.2. Xác định kích thước tinh thể và kích thướchạt
2.3.2.1. Bằng phương pháp nhiễu xạ tia X
- Dùng thước kẻ xác định vị trí có cường độ nhiễu xạ bằng 1/2 so với
cường ñộ của ñỉnh nhiễu.
- Dùng thước ño ñộ rộng bán phổ b trên giản ñồ nhiễu xạ tia X. ðo ba
đỉnh ứng với góc nhiễu xạ θ bé nhất. Ghi giá trị vào bảng số liệu 2.3.
Bảng 2.3

Lần ño

θ (rad)

Chỉ số hkl tương ứng

ðộ rộng bán phổ b (rad)

2.3.2.2. Bằng ảnh kính hiển vi điện tử qt (SEM)
- Dùng thước kẻ một đoạn thẳng có chiều dài L tùy ý (L > 100 mm) ñi
qua các hạt trên ảnh SEM. ðếm số hạt N bị cắt bởi ñường thẳng này.
- Chuyển thước kẻ sang vị trị khác của ảnh SEM và làm tương tự như
bước trên trong 3 lần. Ghi vào bảng số liệu 2.4.
- Xác ñịnh giá trị ñộ phóng ñại V của ảnh SEM ñã cho.
Bảng 2.4

Lần ño
1
2
3

L (mm)

N

14

V

D (µ
µm)


Thực hành Vật lý Chất rắn
2.4. Xử lý số liệu
2.4.1. Xác định thơng số mạng của vật liệu

- Vật liệu có cấu trúc: …………………………
- Chọn 3 giá trị θ lớn nhất và tính giá trị hằng số mạng a tương ứng của
chúng. Tính:
3

a=

∑a
i =1

3

i

∆a = a − ai max ;

;

ε=

∆a
a

- Viết kết quả: a = a ± ∆a và ε.
2.4.2. Xác định kích thước tinh thể bằng phương pháp nhiễu xạ tia X
3

Tính:

D=

∑D
i =1

i

;

3

∆D = D − Di max ;

ε=

∆D
D

ε=

∆D
D

- Viết kết quả: D = D ± ∆D và ε.
2.4.2. Xác định kích thước hạt bằng ảnh SEM
3

Tính:

D=

∑D
i =1

3

i

;

∆D = D − Di max ;

- Viết kết quả: D = D ± ∆D và ε.
2.5. Trả lời câu hỏi
1. Trình bày khái niệm mạng không gian và ô cơ sở.
2. Trình bày đặc điểm của các hệ tinh thể trong lớp mạng không gian của
chất rắn.
3. Sai số ∆a trong cơng thức (2.5) phụ thuộc vào góc nhiễu xạ θ như thế
nào? Giải thích.

15


Thực hành Vật lý Chất rắn
BÀI 3: KHẢO SÁT HIỆN TƯỢNG TỪ TRỄ CỦA VẬT LIỆU SẮT TỪ
3.1. Mục đích
- Nắm ñược hiện tượng từ trễ của chất sắt từ.
- Khảo sát q trình từ hóa chất sắt từ bằng cách quan sát thực nghiệm sự
phụ thuộc cảm ứng từ B vào cường ñộ từ trường H .
- Từ ñường cong từ trễ của vật liệu xác ñịnh từ trường bão hòa HS, trường
kháng từ HC, cảm ứng từ bão hòa BS, từ trường dư Br.

3.2. Cơ sở lý thuyết
Mức ñộ sắp xếp của các ñômen phụ thuộc vào cường độ từ trường ngồi
r
r
r
H , do đó cảm ứng từ phụ thuộc vào H . Cường độ từ trường ngồi H càng
mạnh, các đơmen càng được định hướng theo từ trường ngồi và do đó cảm ứng
r
từ B càng lớn.
Nhưng khi tất cả các đơmen đều được định hướng theo từ trường ngồi thì
r
dù có tăng độ lớn cường độ từ trường H , cảm ứng từ B cũng không thể tăng
được nữa. Khi đó cảm ứng từ của chất sắt từ đạt giá trị bão hịa BS, ứng với giá
trị từ trường HS.
Tại giá trị từ trường bão hòa, nếu ta giảm từ trường thì do tính bất thuận
nghịch ñường cong từ trễ không giảm theo ñường cũ. Khi H = 0 ta vẫn thấy có
một từ trường dư Br. Do đó cần phải áp đặt một từ trường ngồi có chiều ngược
lại, có cường độ –HC (gọi là lực kháng từ) thì từ trường tổng cộng mới bằng
khơng.
Tiếp tục giảm từ trường ngồi đến giá trị –HS, cảm ứng từ đạt giá trị bão
hịa –BS.
Tiếp tục giảm dần và đổi chiều từ trường ngồi, ta thu được đường cong từ
trễ như hình 2.1. ðó là hiện tượng từ trễ của chất sắt từ.
Trong sắt từ ñã ñược khử từ, ñộ lớn của cảm ứng từ là B = 0 (T) tại H = 0
(A/m). Tuy nhiên bình thường sắt từ vẫn giữ một ñộ cảm ứng từ dư Br > 0 khi
r
H=0(A/m). Do vậy thông thường cảm ứng từ B ñược biểu diễn dưới dạng ñường
r
cong từ trễ là một hàm của từ trường H .

16


Thực hành Vật lý Chất rắn

Hình 3.1. ðường cong từ trễ biểu diễn sự phụ thuộc của B vào H.

Trong thí nghiệm này, một dịng điện I1 chạy trong cuộn dây sơ cấp của
máy biến áp làm tăng (hoặc giảm) tuyến tính theo thời gian tạo ra cường độ từ
trường:
H = n1I1 =

N1
I1
l

(3.1)

Trong đó: l là chiều dài của cuộn dây sơ cấp.
N1 là số vòng dây của cuộn sơ cấp.
Cảm ứng từ B trong lõi sắt từ được tính qua biểu thức:
B=

Φ
1
=
U 2 dt
N2S N2S ∫

(3.2)

Trong đó: U2 là hiệu ñiện thế hai ñầu cuộn thứ cấp
N2 là số vòng dây của cuộn thứ cấp.
S là tiết diện của cuộn dây thứ cấp, cũng chính bằng tiết diện lõi sắt
ñặt trong cuộn dây.
Như vậy, H và B là những ñại lượng ño gián tiếp thông qua các ñại lượng
ño trực tiếp như dịng điện sơ cấp I1 =

l
H và từ thông Φ = N 2 BS = ∫ U 2dt gửi
N1

qua cuộn dây thứ cấp.
Trong một chu trình từ trễ, sự phụ thuộc của I vào Φ vẽ nên ñường cong

φ = f (I ) hoàn toàn ñồng dạng với đường cong từ hóa B = f (H ) .
3.3. Dụng cụ thí nghiệm

17


Thực hành
ành Vật
V lý Chất rắn
- 1 Lõi sắt chữ “U” và thanh chặn; Thanh kẹp bằng nhơm:
nhơm để gắn chặt
thanh chặn và lõi sắt chữ
ch “U”.
- 2 cuộn dây (N = 500 vòng; Imax = 2,5A; R = 2,5 Ω;; L = 9 mH; ðường kính
dây: d = 1,0 mm; chiềuu dài của

c cuộn dây l = 15cm).
- Bộ nguồn Cassy (250 V – 2 A): ñược cung cấp ñiện áp 12 V qua bộ
chuyển ñổi ñiện áp.
- Bộộ cảm biến Cassy (250 V – 2 A): ñược cung cấp ñiện áp 12 V qua bộ
chuyển ñổi ñiện áp.
3.4. Các bước tiến hành thí nghiệm
nghi

Hình 3.1.. Sơ
S đồ bố trí thí nghiệm khảo sát hiện tượng
ng từ
t trễ.

Bước 1: Mắc mạạch như sơ đồ hình vẽ, nối 2 đầu A và E của cuộn dây sơ
cấp với 2 ñầu U và I củủa hộp nguồn; nối 2 ñầu A và E của cuộnn dây thứ cấp với 2
ñầu U và I của hộp cảm
m biến
bi ở cổng B; nối dây cáp USB giữa hộp nguồn và máy
vi tính.
Bước 2: Khởi độộng máy vi tính và bật nguồn điệnn xoay chiều
chi 220V ñể cung
cấp ñiện cho hộp nguồồn và hộp cảm biến: khi đó sẽ thấy đèn LED chỉ thị trạng
thái có màu đỏ hiện trên hộp
h cảm biến.
Bước 3: Kích hoạt phần mềm CASSY Lab 2 trên giao diện
di Window của
máy vi tính: đèn
èn LED ch
chỉ thị trạng thái chuyển từ màu ñỏ sang màu xanh lá cây.

18


Thực hành Vật lý Chất rắn
Chọn Load Experiment → Physics → Solid State Physics →Hysteresis
of a transfomer core → Load settings ở bên dưới.
Bước 4: Chọn Measuring time  (có biểu tượng đồng hồ) để bắt đầu q
trình đo (khoảng 25 giây). Sau khi kết thúc q trình đo ta thu ñược ñường cong

φ = f (I ) và bảng số liệu của Φ và I (xem như ñại lượng ño trực tiếp).
- Trên ñồ thị φ = f (I ) : xác định các điểm có giá trị Φs; –Φs; Is; –Is.
- Trên trục tung (I = 0): xác ñịnh các ñiểm có giá trị Φr và –Φr .
- Trên trục hồnh (Φ = 0): xác định các điểm có giá trị IC và –IC .
Ghi các giá trị trên vào Bảng 3.1. Tiếp tục làm thí nghiệm bước 4 thêm hai
lần nữa và ghi các giá trị ño ñược vào bảng 3.1
Bảng 3.1

Các ñại lượng ño (X)

Lần 1

Lần 2

Lần 3

X = X ± DX

Φr

Từ thông dư

–Φr

Từ thông bão hịa
Dịng điện kháng
Dịng điện bão hịa

Φs
–Φs
IC
–IC
Is
–Is

* Lưu ý:
- Nếu đường cong từ trễ nằm trong góc phần tư thứ hai và thứ tư thì đảo
ngược kết nối trên một trong hai cuộn dây.
- Muốn cho thí nghiệm đạt kết quả tốt thì việc khử từ lõi biến áp là điều rất
quan trọng, vì sau mỗi lần làm thí nghiệm, trong lõi biến áp tồn tại từ dư; Do đó
cần tháo gỡ thanh chặn khỏi lõi sắt chữ “U” ñể khử từ.
3.5. Xử lý số liệu thí nghiệm
- Từ bảng số liệu và các từ cơng thức (3.1), (3.2) tính giá trị trung bình, sai
số tuyệt đối và sai số tương ñối của các ñại lượng:
H c , ∆H c , ε =

∆H c
∆H s
; và H s , ∆H s , ε =
;
Hc

Hs

19


Thực hành Vật lý Chất rắn
Br , ∆Br , ε =

∆Br
∆Bs
Bs , ∆Bs , ε =
Br ;
Bs

- Viết các kết quả trên theo ñúng qui tắc.
3.6. Trả lời câu hỏi
1. Dựa vào dạng của ñường cong từ trễ người ta phân loại vật liệu sắt từ làm bao
nhiêu loại?
2. Chứng minh cơng thức (3.2).
3. Ngun nhân gây ra tính chất trễ trong đường cong từ hóa của vật liệu sắt từ?
4. Nêu một vài ứng dụng của vật liệu sắt từ trong kĩ thuật?

20


Thực hành Vật lý Chất rắn
BÀI 4: KHẢO SÁT TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU FERIT TỪ
4.1. Mục đích
- Nắm được ñặc tính của sắt từ, nhiệt ñộ Curie, ý nghĩa và ứng dụng của
nhiệt độ Curie.

- Khảo sát q trình chuyển pha sắt từ - thuận từ (chuyển pha loại II) của
vật liệu sắt từ và xác ñịnh nhiệt ñộ Curie của vật liệu sắt từ.
4.2. Cơ sở lý thuyết
Các vật liệu sắt từ (Fe, Ni, Co, ferit,...), nếu ñược đặt trong từ trường ngồi
ur
B 0 thì chúng sẽ bị từ hố (nhiễm từ tính) rất mạnh. Ngun nhân là do bên trong
uur
khối sắt từ khi đó xuất hiện một từ trường phụ B/ cùng hướng và rất lớn so với

uur
B0 . Vì vậy từ trường tổng hợp trong khối sắt từ có giá trị bằng :
B = B 0 + B' = µ B0

(4.1)

Hệ số tỷ lệ µ gọi là ñộ từ thẩm tỷ ñối của sắt từ. Trị số của µ phụ thuộc phức

uur

tạp vào độ lớn của B0 và có thể đạt tới 104 ÷ 105, nghĩa là từ trường tổng hợp trong
khối sắt từ có thể lớn gấp hàng vạn lần so với từ trường ngoài. Do đặc tính này,
các vật liệu sắt từ được dùng rộng rãi trong kỹ thuật ñiện ñể làm lõi từ của biến
thế ñiện, ñộng cơ ñiện, nam châm ñiện, rơle điện từ,...
Có thể giải thích đặc tính của sắt từ bằng thuyết miền từ hoá tự nhiên. Theo
thuyết này, cấu trúc của khối sắt từ gồm các miền rất nhỏ cỡ 10–5 ÷ 10–6 (m) gọi là
miền từ hố tự nhiên. Trong mỗi miền, do có "lực tương tác trao ñổi", mômen từ
spin của các êlectrôn ñịnh hướng song song với nhau, tạo thành miền từ hố đến
mức bão hồ.
Nếu chưa có từ trường ngồi, mơmen từ của các miền khác nhau sắp xếp
hỗn loạn nên mômen từ tổng hợp của khối sắt từ bằng không và sắt từ không có

từ tính. Nếu đặt vào từ trường khá mạnh, trong khối sắt từ sẽ xảy ra quá trình
"dịch chuyển vách" của các miền từ hố tự nhiên và q trình "quay mômen từ"

uur
của các miền này theo hướng song song với từ trường ngoài B0 . Kết quả là cả

khối sắt từ trở thành một miền từ hố có mơmen từ rất lớn, do đó gây ra từ

uur

uur

trường phụ B ' cùng hướng và rất lớn so với từ trường ngoài B0 .
Tuy nhiên, nếu khối sắt từ bị nung nóng đến nhiệt độ T ≥ TC thì chuyển
động nhiệt của các nguyên tử sẽ tăng mạnh, phá vỡ cấu trúc của các miền từ hoá

21


Thực hành Vật lý Chất rắn
tự nhiên, làm mất ñặc tính của sắt từ. Khi đó độ từ thẩm của sắt từ giảm rất nhanh
tới giá trị µ ≈ 1 và B ≈ B0. TC gọi là nhiệt ñộ Curie, giá trị của nó phụ thuộc vào
bản chất của sắt từ.
Ví dụ: nhiệt độ Curie của Fe là 780 0C, của Ni là 350 0C, của hợp kim 30%
Ni – 70% Fe là 800C ÷ 850C, ...
Nhiệt độ Curie TC của vật liệu sắt từ có ý nghĩa thực tế. Nếu biết TC, ta có
thể chọn khoảng nhiệt độ làm việc thích hợp đối với các linh kiện điện và ñiện tử
có sử dụng lõi sắt từ. Mặt khác, sự biến đổi đột biến của độ từ thẩm µ của sắt từ ở
nhiệt ñộ Curie cũng ñược ứng dụng ñể chế tạo các bộ cảm biến, các rơle nhiệtñiện từ dùng điều khiển tự động nhiệt độ trong các lị hơi, nồi cơm điện ,...
Trong bài thí nghiệm này, ta sẽ xác ñịnh nhiệt ñộ Curie TC của vật liệu sắt

từ bằng phương pháp cảm ứng ñiện từ. Sơ ñồ ngun lí của phương pháp được
thể hiện như hình 4.1:

Hình 4.1. Sơ đồ ngun lí khảo sát chuyển pha sắt từ - thuận từ của vật liệu sắt từ

Trong đó: R1, R2 là ñiện trở thuần của cuộn sơ cấp S và của cuộn thứ cấp T.
L là hệ số tự cảm của cuộn sơ cấp S. Trị số của L phụ thuộc vào kích
thước, số vịng dây N1 của cuộn sơ cấp S và tỷ lệ với ñộ từ thẩm tỷ đối µ của thanh
sắt từ đặt bên trong cuộn dây đó.
Nếu đặt hiệu điện thế xoay chiều u1 vào hai ñầu cuộn sơ cấp S, trong cuộn
dây sẽ có dịng điện xoay chiều i1 chạy qua và làm xuất hiện suất điện động tự
cảm ε1C có giá trị:

ε 1c = − N1
Với N1 là số vòng dây, còn

dΦ 0
dt

(4.2)

dΦ 0
di
= L 1 là tốc ñộ biến thiên từ thơng gửi qua mỗi
dt
dt

vịng dây của cuộn sơ cấp S.

22

Thực hành Vật lý Chất rắn
Áp dụng định luật Ơm tổng quát cho ñoạn mạch của cuộn sơ cấp S, ta có:
u1 = i1R1 − ε1c ⇒ ε 1c = i1 R1 − u1

(4.3)

Vì cuộn dây thứ cấp T quấn chồng lên cuộn dây sơ cấp S trên cùng lõi
ferit F, nên tốc độ biến thiên từ thơng gửi qua mỗi vòng dây của cuộn thứ cấp T
cũng bằng

dΦ 0
, do đó suất điện động cảm ứng e 2c xuất hiện trong cuộn dây thứ
dt

cấp T có giá trị bằng :

ε 2c = − N 2

dΦ 0
dt

(4.4)

Với N2 là số vòng dây của cuộn dây thứ cấp T.
So sánh (4.2) với (4.4) và chú ý đến (4.3), ta tìm được :
ε 2c =

N2

(i1 R1 − u1 )
N1

(4.5)

Khi nung nóng thanh lõi sắt từ ñến nhiệt ñộ Curie TC, ñộ từ thẩm tỷ đối
của ferit giảm nhanh xuống đến gíá trị µ ≈ 1 và hệ số tự cảm L của cuộn sơ cấp S
cũng giảm xuống ñến giá trị rất nhỏ, thực thế có thể coi L ≈ 0 . Khi đó suất điện
động tự cảm trong cuộn sơ cấp S có giá trị ε1c ≈ 0 và u1 ≈ i1R1 . Từ công thức (4.5),
ta suy ra: ε 2c ≈ 0 và dịng điện cảm ứng chạy trong cuộn thứ cấp T cũng giảm
xuống ñến giá trị ic ≈ 0 .
Như vậy, muốn xác ñịnh nhiệt ñộ Curie TC của thanh ferit F, ta chỉ cần
theo dõi giá trị của dòng cảm ứng iC chạy qua cuộn dây thứ cấp T thay ñổi phụ
thuộc nhiệt ñộ của thanh ferit F .
4.3. Dụng cụ thí nghiệm
- Bảng lắp ráp mạch ñiện và hộp chân ñế kích thước 30 x 50 x 10 cm.
- Thanh sắt từ.
- 2 Cuộn dây cảm ứng quấn quanh thanh sắt từ.
- Lị điện cơng suất nhỏ (50V – 25W): ñặt bên trong hộp chân ñế.
- Cặp nhiệt điện Cromen - Alumen (có hệ số nhiệt ñiện α = 6,2 mV/100 0C):
ñặt bên trong hộp chân ñế.
- Milivôn kế DC (0 – 100 mV); Micrôampe kế AC ( 0 – 100 µA).

23


Thực hành Vật lý Chất rắn
- Nguồn ñiện xoay chiều 50V – 1A và nguồn ñiện xoay chiều 3V – 1A (có
khóa K3).
Các dụng cụ thí nghiệm này được mắc như Hình 4.2

Hình 4.2. Sơ đồ thí nghiệm khảo sát chuyển pha sắt từ - thuận từ của vật liệu sắt từ

Thanh sắt từ F ñược ñặt ở bên trong lị điện ð. Lị điện ð nối với nguồn
điện xoay chiều AC 50V, nó gồm hai cuộn dây điện trở giống nhau mắc nối tiếp
và ñược quấn ngược chiều nhau sao cho khi có dịng điện chạy qua chúng thì
thanh ferit F bị nung nóng, nhưng từ trường của hai cuộn dây trong lị điện triệt
tiêu lẫn nhau.
Nhiệt độ T của thanh ferit F ño bằng cặp nhiệt C mắc nối tiếp với milivônkế
mV. Hai cuộn dây cảm ứng cuộn sơ cấp S và cuộn thứ cấp T, ñược quấn chồng
lên nhau bao quanh lị điện ð. Cuộn sơ cấp S nối với nguồn ñiện xoay chiều AC
3V và cuộn thứ cấp T nối với micrơampekế µA.
4.4. Các bước tiến hành thí nghiệm:
Bước 1: Nối hai đầu cuộn sơ cấp với nguồn điện xoay chiều 3V (ứng với
khóa K3); nối lị điện với nguồn điện xoay chiều 50 V (ứng với khóa K2); Nối hai
đầu cặp nhiệt vào mV kế và hai đầu cuộn thứ cấp với µA.
Bước 2: Hiệu chỉnh số “0” cho milivơnkế
- Dùng một dây dẫn có hai đầu phích nối đoản mạch hai cực của milivơnkế.
- Cung cấp nguồn điện xoay chiều 220V cho bộ thí nghiệm và bật cơng tắc
K: đèn LED phát sáng màu đỏ báo hiệu đã có điện vào bộ thí nghiệm.
- Quan sát trên đồng hồ milivơnkế: nếu thấy kim của nó lệch khỏi vị trí số 0
thì vặn từ từ núm xoay ñể ñưa kim chỉ thị quay về ñúng số 0. Giữ ngun vị trí
này trong suốt q trình ño. Tắc công tắc K ñể thực hiện bước tiếp theo.

24