Báo cáo thực hành vật lý chất rắn bài số 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:
Thiết bị đo, kết
nối với máy tính

Đầu đo Hall

R

Công tắc
chuyển mạch

Nguồn DC

2. Khởi động máy tính, thiết lập các thông số đo
3. Đặt công tắc chuyển mạch ở vị trí 1 (bên trái); khi U  0 , I  0 , 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


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: Br  116  3  mT 

Lực kháng từ: H C  377  13  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: Br  116  3  mT 
Lực kháng từ: H C  377  13  A / m 


v. Trả lời câu hỏi
1. Sơ đồ mạch và nguyên lý đo đường cong từ trễ:
Thiết bị đo, kết
nối với máy tính

Đầu đo Hall

R

Công tắc
chuyển mạch

Nguồn DC

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
Nghịch từ
(Diamagnetism)
Thuận từ
(Paramagnetism)
giá
Phản sắt từ
(Antiferromagnetim)
Từ giả bền
(Metamagnetism)
trị  tăng dần
Sắt từ ký sinh
(Parasitic ferromagnetism)
Ferit từ
(Ferrimagnetism)
(10+6)
Sắt từ
(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.


- 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.
4

- Từ trường cần thiết để từ hóa bão hòa vật liệu sắt từ nhỏ, cỡ 10 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


khụng tng c na k c ta cú tng t trng ngoi. Ta nú rng vt liu t
trng thỏi bóo hũa t.
3. Nguyờn tc xỏc nh nhit Curie bng phng phỏp cm ng in
t
t vo cun s cp mt hiu in th xoay chiu U1, do hin tng cm
ng in t m trờn cun th cp xut hin mt hin mt hiu in th xoay chiu
U2. Nu ta tng nhit ca thanh ferit F ti nhit Tc thỡ t thm à ca
thanh Ferit gim nhanh xung n giỏ tr à
. Khi ú, t tr ca ton mch tng
nhanh, t thụng qua cun n2 gim, sut in ng U2 gim nhanh xung giỏ tr U0.
Nhit Tc chớnh l nhit Curie cn tỡm
4. Gii thớch s hỡnh thnh ng t tr:
Sau khi t húa mt vt st t n mt t trng bt k, nu ta gim dn t
trng v quay li theo chiu ngc, thỡ nú khụng quay tr v ng cong t húa
ban u na, m i theo ng khỏc l do khi cú s o t trng ngoi cỏc

momen t trong vt liu st t khụng chuyn hng t ngt m chuyn hng
dn dn t trng thỏi spin ny sang trng thỏi spin khỏc. Khi t trng ngoi ó
gim v 0 thi trong lũng vt liu st t vn cũn lng t d do quỏ trỡnh t húa
trờn .V nu ta o t theo mt chu trỡnh kớn (t chiu ny sang chiu kia), thỡ ta
s cú mt ng cong kớn gi l ng cong t tr hay chu trỡnh t tr.
Nguyờn nhõn c bn ca hin tng t tr l s tng tỏc gia cỏc mụmen
t cú tỏc dng ngn cn cỏc mụmen t b quay theo t trng.
5. Phõn loi vt liu t trờn c s ng t tr:
Võt liu t cng : lc khỏng t Hc ln ( trờn 100 Oe), Mr nh
Vt liu t mm: lc khỏng t Hc nh ( di 100 Oe), Mr ln
6. í ngha thc t ca vic xỏc nh nhit Curie ca vt liu st t:
Có thể nói vật liệu sắt từ đang được nghiên cứu và hết sức rộng rãi trong
khoa học , công nghiệp cũng như trong đời sống, từ các nam châm vĩnh cửu đến
lõi biến thế, lõi thép trong động cơ điện, máy phát điện, rơle trong nồi cơm điện,
hay cao hơn là các ổ cứng máy tính, đầu đọc ổ cứngNgười ta đang nghiên cứu
máy lạnh hoạt động bằng từ trường thay thế máy lạnh truyền thống với ưu điểm
không ô nhiễm, tiết kiệm năng lượng và nhỏ gọn. Các hiệu ứng từ điện trở của
chất săt từ cũng đang được khai thác để ra đời các linh kiện điện tử thế hệ mới gọi
là spintronic, tức là các linh kiện hoạt động bằng cách điều khiển spin của điện tử.
Việc xác định nhiệt đô Tc của chất săt từ rất quan trọng vì khi T < Tc vật
liệu là sắt từ T > Tc vật liệu trở thành thuận từ. Nghiên cứu giúp ta sử dụng vật liệu


có hiệu quả trong các mục đích khác nhau. Ví dụ trong máy biến thế, động cơ
điện ta cần giảm tổn hao sắt từ thì phải sử dụng vật liệu thế nào