LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Tên đề tài: THIẾT KẾ BÀI THÍ NGHIỆM ĐO CHU TRÌNH TỪ TRỄ. Giảng viên hướng dẫn: ThS. TRƯƠNG ĐÌNH TÒA

TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA VẬT LÝ  LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Tên đề tài: Giảng viên hướng dẫn: Th.S TRƢƠNG ĐÌNH TỊA Sinh viên thực : TRẦN VĂN QUỐC Niên khóa: 2009-2013 Thành phố Hồ Chí Minh, tháng năm 2013 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA VẬT LÝ  LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Tên đề tài: Giảng viên hướng dẫn: Thầy TRƯƠNG ĐÌNH TỊA Sinh viên thực : TRẦN VĂN QUỐC Ngành: : Sư Phạm Vật Lý Mã số : 102071 Niên khóa: 2009-2013 Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2012 Trang MỤC LỤC MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN MỞ ĐẦU Chương Cơ sở lí thuyết 1.1 Nguồn gốc từ nguyên tử 1.2 Nguyên tử từ trường – hiệu ứng nghịch từ 11 1.3 Chất sắt từ chu trình từ trễ 13 a Vecto từ độ J 13 b Chất sắt từ 14 c Chu trình từ trễ 15 1.4 Lý thuyết Wieen – domain từ - giải thích tính sắt từ 18 1.5 Phương pháp tính sai số 24 Chương Thí nghiệm đo chu trình từ trễ 30 2.1 Mục đích thí nghiệm 30 2.2 Cơ sở lí thuyết 30 2.3 Dụng cụ, cách bố trí thí nghiệm nguyên lí hoạt động 32 2.4 Kết giải thích kết thí nghiệm 37 a Kết thí nghiệm 37 b Phân tích kết thí nghiệm 43 Trang c Xử lí số liệu nhận xét 45 d Các kết chưa xác, nguyên nhân, giải thích cách khắc phục 48 Chương Thiết kế thí nghiệm “Đo chu trình từ trễ” 52 3.1 Mục đích thí nghiệm 52 3.2 Cơ sở lí thuyết 53 3.3 Dụng cụ thí nghiệm 54 3.4 Tiến hành thí nghiệm 57 3.5 Trình bày kết đo 64 3.6 Câu hỏi 68 KẾT LUẬN 68 TÀI LIỆU THAM KHẢO 69 PHỤ LỤC 71 Trang LỜI CẢM ƠN Để thực đề tài này, bên cạnh nỗ lực thân, em nhận quan tâm giúp đỡ hướng dẫn tận tình từ thầy cơ, ủng hộ nhiệt tình từ gia đình bạn bè Em xin gửi lời cám ơn sâu sắc đến: Ban chủ nhiệm khoa Vật Lý – Trường Đại học Sư Phạm TP HCM thầy cô khoa tận tình truyền đạt tri thức kinh nghiệm quí báu cho chúng em suốt khóa học Thầy Trương Đình Tịa, người hết lịng hướng dẫn, giúp đỡ động viên em suốt thời gian thực hoàn thành luận văn Thầy Nguyễn Hồng Long, Nguyễn Thanh Loan Ngơ Thị Phương hết lịng giúp đỡ, tạo điều kiện cho chúng em thực hoàn thành luận văn Tiến sĩ Andreas Kastner, giám đốc bán hàng khu vực Đông Á công ty LD DIDACTIC GmbH Tiến Sĩ Nguyễn Minh Hồng giám đốc cơng ty cổ phần thiết bị Thắng Lợi (Victory Instruments JSC) quan tâm giúp đỡ em hoàn thành luận văn Sau em xin cảm ơn kính chúc sức khỏe Hội đồng xét duyệt luận văn Khoa Vật lý – Trường Đại học Sư phạm TP.HCM Trang Do thời gian tương đối ngắn, kiến thức thân chưa sâu nên dù cố gắng luận văn tránh khỏi hạn chế thiếu sót Em mong được đóng góp ý kiến, phê bình xây dựng từ phía thầy cơ, bạn bè Em xin chân thành cảm ơn! Trang Mở đầu Vật lý hay ngành khoa học khác phải dựa kiện thực tiễn để xác nhận lý thuyết lịch sử chứng minh phương pháp thực nghiệm thực có vai trị vơ quan trọng, Galilee tìm từ kỉ 17 Cho đến nay, phương pháp thực nghiệm giữ vững vai trị nó, cân đong đếm sai hay mức độ phù hợp lý thuyết Các kết thực nghiệm vạch đường cho nhà khoa học tìm đến với chân lí khoa học thực Hay nói tóm lại thực nghiệm khoa học nói chung hay vật lý nói riêng quan trọng Cùng với phát triển khơng ngừng khoa học, thiết bị thí nghiệm, mơ hình thí nghiệm, phương pháp thí nghiệm đời ngày tinh vi hơn, xác dễ sử dụng hơn, để đáp ứng yêu cầu nghiên cứu, học hỏi, kiểm nghiệm thực tế ngày nhiều nhà khoa học, có học sinh, sinh viên Tuy nhiên nước ta, điều kiện nhiều hạn chế nên tiếp cận với phần nhỏ thí nghiệm thực nghiệm giới, chưa đáp ứng nhu cầu nhà khoa học học sinh sinh viên nước Mặt khác, số thí nghiệm tiếp cận chưa đưa vào sử dụng chưa nghiên cứu kỹ Từ thực tiễn đó, tác giả nhận thấy việc nghiên cứu để vận dụng tốt thí nghiệm mà tiếp cận vấn đề đáng phải quan tâm, trọng Do mục đích luận văn nghiên cứu tìm hiểu ngun lí hoạt động, cách sử dụng thí nghiệm mà có, nhiên chưa đưa vào sử dụng, từ tổng hợp tài liệu thiết kế thí nghiệm hồn chỉnh để đưa vào phục vụ nghiên cứu học tập Trang Trong trình nghiên cứu, tác giả nhận thấy thí nghiệm đo chu trình từ trễ (đặc trưng chất sắt từ mà nghiên cứu cho biết tính chất đặc biệt chất sắt từ) thí nghiệm hay phù hợp với mục đích luận văn đề cập Bên cạnh phát triển không ngừng khoa học, không kể tới vai trị vơ quan trọng vật liệu từ, đặt biệt chất sắt từ Ngay sống ngày, phạm vi gia đình tìm nam châm hay vật liệu từ vô số vật dụng quanh ta điện thoại, động điện, loa, ti vi, chuông điện, thẻ tính dụng, băng casette…hay đơn giản dụng cụ để đính tờ ghi lên bảng hay cửa tủ lạnh, ngồi phạm vi gia đình, lĩnh vực nam châm hay vật liệu từ đóng vai trị vơ quan trọng Vật liệu từ trở thành quen thuộc người nhiên có biết nguồn gốc từ tính vật liệu đâu nhiều sinh viên Tại vật liệu từ sắt từ lại có từ tính mạnh nhiều so với vật liệu từ khác? Nghiên cứu tính chất chất sắt từ nào? Đó câu hỏi mà tác giả đặt trình nghiên cứu Vì lí giới hạn thời gian làm luận văn tác giả xin trình bày phần cụ thể sau:  Lý thuyết chất sắt từ chu trình từ trễ  Lý thuyết để giải thích tính chất chất sắt từ  Phương pháp tính sai số thực nghiệm  Tìm hiểu sở lý thuyết, dụng cụ nguyên lí hoạt động thí nghiệm đo chu trình từ trễ  Xử lí giải thích kết đo đạt với thí nghiệm  Xây dựng thí nghiệm hồn chỉnh “Đo chu trình từ trễ” Trang Phƣơng pháp: Tìm kiếm tài liệu, đọc, đánh giá nội dung, phân tích, tổng hợp, trình bày lại theo bố cục hợp lý, thực nghiệm Bố cục luận văn: dựa vào mục tiêu nội dung trên, trừ phần mở đầu phần kết luận, luận văn chia thành ba chương, cụ thể sau:  Chương 1: CƠ SỞ LÍ THUYẾT Chương trình bày lại nguồn gốc từ nguyên tử, tương tác từ nguyên tử với từ trường hiệu ứng nghịch từ Kế tiếp trình bày chất sắt từ chu trình từ trễ, lí thuyết để giải thích tính chất chất sắt từ phương pháp để tính sai số thực nghiệm  Chương 2: THÍ NGHIỆM ĐO CHU TRÌNH TỪ TRỄ Trình bày sở lí thuyết, phương pháp, dụng cụ kết thí nghiệm, giải thích kết thí nghiệm  Chương 3: THIẾT KẾ BÀI THÍ NGHIỆM ĐO CHU TRÌNH TỪ TRỄ Chương trình bày lại kĩ lưỡng từ sở lí thuyết thí nghiệm đến bước tiến hành thí nghiệm, phương pháp tính sai số trình bày kết thí nghiệm Trang CHƢƠNG CƠ SỞ LÍ THUYẾT Trong chương tác giả trình bày lại nguồn gốc từ nguyên tử vật liệu từ nhằm tạo tiền đề cho việc giải thích tượng từ trễ - đối tượng nghiên cứu luận văn Trong phần mô tả chế tạo thành từ nguyên tử tương tác từ nguyên tử với từ trường ngoài, giới thiệu chất sắt từ, lí thuyết Wiess tượng sắt từ giải thích tượng từ trễ Cuối để thuận lợi cho việc tính tốn, xử lí số liệu chương kế tiếp, luận văn trình bày phương pháp tính sai số thực nghiệm Nội dung chương tham khảo chủ yếu tài liệu [1][2][3][4][5] 1.1 Nguồn gốc từ nguyên tử Thực nghiệm chứng tỏ, vật đặt từ trường bị từ hoá [1] tức trở nên có từ tính Nhưng từ tính vật liệu mạnh hay yếu tính chất khác vật liệu khác tuỳ thuộc vào chất vật liệu nhiệt độ vật liệu [1][2] Chúng ta biết nguyên tử cấu tạo từ hạt nhân mang điện tích dương electron mang điện tích âm Theo lí thuyết cổ điển electron quay xung quanh hạt nhân quĩ đạo trịn có bán kính xác định, tương Hình 1.1: Ngun tử lập có electron quay quanh hạt nhân đương với dịng điện kín, mà dịng điện sinh từ trường, Trang chuyển động electron sinh từ trường Để đơn giản ta xét nguyên tử cô lập có electron chuyển động quanh hạt nhân với bán kính quĩ đạo r xác định, gọi T v chu kì vận tốc dài electron Ta có: T 2 r v (1.1) Moment từ pm dịng điện trịn có vecto diện tích S cho bởi: pm  i.S (1.2) Với i dòng điện tương ứng với chuyển động electron điện lượng qua điểm quĩ đạo electron đơn vị thời gian, vậy: i e ev  T 2 r (1.3) Diện tích S bao quanh quĩ đạo electron là: S   r2 (1.4) Như moment từ e có chiều hình vẽ có độ lớn cho : pm  evr , (1.5) Thực nghiệm lí thuyết chứng tỏ, moment từ electron chưa phải nguồn gốc từ nguyên tử, để thấy rõ điều ta xét tỉ số pm gọi tỉ số từ cơ, l l moment động lượng quĩ đạo electron, đặc trưng cho chuyển động Trang 10 quay xung quanh hạt nhân electron, gọi moment động lượng obitan electron: l  r  mv  l  mrv Từ ta có: (1.6) , (1.7) dấu trừ thể l pm hướng ngược chiều Thí nghiệm Einstein Đơhats (năm 1915) thí nghiệm Iofe-kapitxa (năm 1917) cho thấy tỉ số từ sắt lại gấp đôi giá trị thu từ (1.7)[1] tức pm e  m l là: (1.8) Để giải thích kết người ta cho electron cịn phải có thêm moment riêng mà lúc đầu người ta nghĩ quay quanh hạt nhân, electron tự quay quanh trục qua [1] Để đặc trưng cho moment riêng người ta đưa vào đại lượng moment spin, vậy, electron moment từ obital pm moment động lượng obital l cịn có moment từ riêng hay cịn gọi moment từ spin pms moment riêng hay gọi spin ls , tỉ số từ spin : pms e  m ls (1.9) Sau người ta thấy khái niệm spin hiểu theo nghĩa tự quay hồn tồn khơng đúng, vật lí ngày thừa nhận spin khái niệm t lượng tử, khơng có học cổ điển, thuộc tính nội electron tương tự khối lượng điện tích Trang 11 Tóm lại, electron nguyên tử có moment từ obital Pm , moment động lượng obital l , moment từ spin pms moment spin ls Nếu ngun tử có Z electron moment từ nguyên tử bằng: Z Pm   ( pmi  pmsi ) i 1 (1.10) Và tổng moment động lượng nguyên tử bằng: Z L   (li  lsi ) i 1 (1.11) Vậy, nguồn gốc từ nguyên tử moment từ electron có quay quanh hạt nhân spin Ở ta bỏ qua moment từ hạt nhân moment từ hạt cấu tạo nên hạt nhân xấp xỉ moment từ electron [1] 1000 Ta vừa tìm hiểu nguồn gốc từ nguyên tử, thấy phần đây, nguyên tử cịn có thêm mement từ phụ đặt vào từ trường ngồi, moment từ phụ góp phần quan trọng việc thể tính chất vật liệu từ 1.2 Nguyên tử từ trƣờng – hiệu ứng nghịch từ Ở phần ta biết nguyên tử có moment từ Pm tổng tất moment từ electron nguyên tử tạo thành Như vậy, đặt nguyên tử từ trường B0 bị tác dụng moment lực  xác định bằng: Trang 12   Pm  B0 (1.12) Dưới tác dụng moment lực  Pm có xu hướng quay trùng với B0 , nhiên, chuyển động electron quanh trục giống quay, tác dụng moment lực  electron thực thêm chuyển động tuế sai xung quanh phương từ trường B0 không quay trùng với B0 , tức lúc mặt phẳng quĩ đạo electron chao chao lại quanh B0 trục mặt phẳng quĩ đạo tức vecto Pm l vẽ nên mặt nón trịn xoay xung quanh B0 hình vẽ Như vậy, electron thực thêm chuyển động tuế sai quĩ đạo chuyển động tuế sai electron vẽ đường tròn Tất nhiên, Hình 1.2: Ngun tử từ trƣờng ngồi tương đương với dịng điện kín chuyển động tuế sai electron gây moment từ gọi moment từ phụ có biểu thức vecto là: Pm   e2 Zr B0 , 6m (1.13) hiệu ứng tạo thành moment từ phụ ngược chiều với từ trường gọi ứng nghịch từ Trang 13 Như vậy, ngồi moment từ Pm ngun từ cịn có thêm moment từ phụ Pm đặt từ trường ngoài, nhiên moment từ phụ nhỏ so với moment từ nguyên tử, nên hiệu ứng nghịch từ thể rõ chất mà có tổng moment từ nguyên tử trước đặt vào từ trường ngoài, chất gọi chất nghịch từ Còn tổng moment từ nguyên tử khác không trước đặt từ trường moment từ nguyên tử lấn áp hồn tồn moment từ phụ Do đó, hiệu ứng nghịch từ khơng thể rõ, mà thay vào moment từ nguyên tử lại thể rõ đương nhiên moment từ ngun tử ln có xu hướng xếp theo từ trường ngồi, chất gọi chất thuận từ Những chất thuận từ nghịch từ nói loại vật liệu từ, nhiên từ tính chúng yếu nên ứng dụng vào khoa học kĩ thuật đời sống Một loại vật liệu từ khác gọi sắt từ, nguồn gốc từ chúng giống chất thuận từ, từ tính chúng lại lớn cịn có tính chất đặc biệt, phần tác giả trình bày rõ điều 1.3 Chất sắt từ chu trình từ trễ Trong phần tìm hiểu chất sắt từ, chu trình từ trễ lí thuyết để giải thích tính chất sắt từ, để thuận tiện cho việc nghiên cứu trước tiên ta nhắc lại đại lượng sử dụng nhiều phần a Vecto từ độ J Là vecto đặc trưng cho mức độ từ hoá vật liệu từ, xác định moment từ đơn vị thể tích vật liệu từ J P V mi V (1.14) Trang 14 Khi đặt vật liệu từ vào từ trường ngồi vật liệu từ sinh từ trường phụ B’, thực nghiệm lí thuyết cho thấy B’ tỉ lệ với từ độ J theo biểu thức B '  0 J (1.15) Thực nghiệm chứng tỏ, vecto từ độ tỉ lệ thuận với vecto cảm ứng từ B0 từ trường chất thuận từ nghịch từ, cịn chất sắt từ hồn tồn khác, khác lại ta tìm hiểu phần sau b Chất sắt từ Sắt từ loại vật liệu từ mạnh, độ từ hố sắt từ lớn gấp hàng trăm triệu lần chất thuận từ nghịch từ [1] Ta dễ dàng tìm thấy vật chất sắt từ sống ngày mà thường gặp nam châm vĩnh cữu Các ngun tố hố học có tính sắt từ sắt, kền, coban, gadolini số nguyên tố đất nhiệt độ thấp, cịn có nhiều hợp kim có tính sắt từ [1] Sắt từ khơng có từ tính mạnh, mà cịn có nhiều tính chất khác, ví dụ vecto từ độ không tỉ lệ thuận với vecto cảm ứng từ từ trường chất thuận từ nghịch từ … Để nghiên cứu tính chất sắt từ người ta cho chất sắt từ vào từ trường thay đổi vecto cảm ứng từ B0 từ trường khảo sát thay đổi từ tính chất sắt từ Bằng phương pháp người ta ghi nhận đặc tính chất sắt từ như:  Từ độ J không tỉ lệ thuận với cường độ từ trường ngồi H (tức khơng tỉ lệ thuận với từ trường ngồi B0 B0  0 H với 0 số H Trang 15 tăng đến giá trị đủ lớn J đạt cực đại lúc dù H có tăng thêm J khơng tăng thêm Hình 1.3: đồ thị biểu diễn phụ thuộc J vào H  Độ từ thẩm phụ thuộc vào từ trường cách phức tạp  Mọi chất sắt từ có tính từ dư thể chổ từ tính chất sắt từ khơng hồn tồn dù ngắt từ trường ngồi  Khi bị từ hố chất sắt từ có tượng từ giảo  Nhiệt độ có ảnh hưởng đến tính sắt từ vật liệu sắt từ Nếu nhiệt độ khối sắt từ tăng tính từ dư giảm cao giá trị (được gọi nhiệt độ Curi Tc) tính từ dư hẳn, lúc chất sắt từ trở thành chất thuận từ Sắt từ có nhiều tính chất, nhiên giới hạn thời gian nên phần xét tới tính từ dư thể chu trình từ trễ, đối tượng nghiên cứu luận văn c Chu trình từ trễ Trang 16 Khi từ hoá vật liệu sắt từ người ta thấy q trình khơng thuận nghịch tính từ dư Bằng cách thay đổi từ trường đặt vào vật liệu sắt từ khảo sát từ trường vật liệu ta vẽ chu trình có dạng: Hình 1.4: chu trình từ trễ Đường OA gọi đường cong từ hoá, ứng với lần từ hoá (vật liệu chưa nhiễm từ) Khi tăng dần cường độ từ trường ngồi H từ 0, cảm ứng từ tổng hợp B lòng vật liệu sắt từ tăng lên, nhiên thấy B khơng tăng tuyến tính theo H mà tăng cách phức tạp Khi H nhỏ B tăng tuyến tính theo H với tốc độ nhanh (đoạn OO’), H lớn khơng tăng tuyến tính (đoạn O’A), H đạt đến giá trị H1 ứng với giá trị để từ độ J bảo hồ q trình từ hố kết thúc Lúc này, ta tiếp tục tăng H cảm ứng từ B lòng vật liệu sắt từ tăng lên cách tuyến tính theo H khơng tăng nhanh lúc đầu, điều dễ hiểu ta có: B  B0  B '  0 ( H  J ) (1.16) Do đó, từ trường tổng hợp B lòng vật liệu tăng tuyến tính theo H J bảo hồ Trang 17 Khi ta giảm từ trường H B lại giảm theo đường cong ABd H=0 B giá trị Bd khác Điều thể tính từ dư sắt từ, ngắt hồn tồn từ trường ngồi sắt từ giữ lại từ tính, Bd gọi cảm ứng từ dư Để khử hồn tồn từ dư phải đặt vào từ trường ngược lại từ trường ban đầu, ta thấy H=-Hc B=0, Hc gọi cường độ từ trường khử từ Tiếp tục tăng từ trường từ -Hc đến –H1 sắt từ bị từ hoá ngược lai, tiếp tục ta giảm từ trường lại đảo chiều từ trường tăng đến giá trị H1 ta đường cong A’C’A Đường cong khép kín ACA’C’A gọi chu trình từ trễ Bd, Hc diện tích chu trình từ trễ đặc trưng quan trọng vật liệu sắt từ Bd cho ta biết độ từ dư mà vật liệu giữ lại được, Hc cho ta biết từ trường đủ để khử hoàn toàn từ dư vật liệu, hai thơng số định hình dạng chu trình từ trễ Ngồi ra, diện tích đường cong từ trễ B-H lượng hao tổn đơn vị thể tích, cần thiết để thực chu trình, đặc trưng quan trọng vật liệu sắt từ Để thấy điều này, giả sử ta xét khối sắt từ đặt từ trường thay đổi tạo cuộn dây, ta có suất điện động cảm ứng xuất cuộn dây cho bởi: e d d ( NBS ) dB    NS dt dt dt (1.17) Theo định luật Lenz suất điện động cảm ứng xuất có tác dụng chống lại nguyên nhân sinh Như vậy, để trì dịng điện cuộn dây nguồn cần cung cấp suất điện động e ngược hướng tức là: e  e  NS dB dt (1.18) Trang 18 Năng lượng tiêu thụ thời gian dt tính theo cơng thức: dE  eIdt  NS dB Idt dt Mà cường độ từ trường cuộn dây tạo có biểu thức H  nI= thức ta có: dE  HLSdB  VHdB  E  HdB V  (1.19) N I , biểu L (1.20) (1.21) Các tính chất sắt từ đặt biệt Do đó, người ta tìm cách đưa lí thuyết để giải thích từ sớm, từ năm 1907 nhà bác học Wieen đưa giả thuyết để giải thích tính chất sắt từ gọi thuyết miền từ hoá tự nhiên, phần luận văn giới thiệu sơ lược lí thuyết áp dụng vào giải thích tính chất sắt từ cụ thể chu trình từ trễ 1.4 Lý thuyết Wieen – domain từ - giải thích tính chất sắt từ Để giải thích tính chất sắt từ, Wieen đưa lý thuyết cấu trúc miền sắt từ gọi thuyết miền từ hoá tự nhiên (Domain từ)[1] Theo thuyết này, vật sắt từ cấu tạo từ vô số miền có kích thước nhỏ, dài khoảng 10-6m Trong miền moment từ spin định hướng song song với nhau, tạo thành miền từ hoá đến mức bão hồ (miền từ hố tự nhiên hay cịn gọi Domain từ) Mỗi miền có moment từ xác định, nhiên, miền khác lại xếp hỗn độn cho chưa đặt từ trường ngoài, moment từ tồn vật sắt từ ln ln không