XÁC ðỊNH CẤU TRÚC, KÍCH THƯỚC TINH THỂ VÀ KÍCH THƯỚC HẠT CỦA VẬT LIỆU
THƯỚC HẠT CỦA VẬT LIỆU 2.1 Mục ủớch
+ Từ giản ủồ nhiễu xạ tia X xỏc ủịnh cấu trỳc tinh thể của hệ lập phương (mạng Bravais, hằng số mạng…)
+ Từ ảnh hiển vi ủiện tử quột xỏc ủịnh kớch thước hạt trung bỡnh của vật liệu
2.2.1 Xỏc ủị nh thụng s ố m ạ ng tinh th ể l ậ p ph ươ ng
Khi chiếu một chùm tia X có bước sóng λ vào tinh thể, nếu chùm tia tới tạo với mặt nguyên tử một góc θ thoả mãn điều kiện nhiễu xạ Bragg, hiện tượng nhiễu xạ sẽ xảy ra.
Trong ủú: d hkl là khoảng cỏch giữa cỏc mặt phẳng nguyờn tử tạo với chựm tia tới một gúc θ thoả món ủiều kiện Bragg, n là bậc nhiễu xạ
Khi ủ, hiện tượng nhiễu xạ xảy ra và trên giản đồ, ta sẽ ghi lại được cường độ của chùm tia nhiễu xạ tại những góc 2θ xác định.
Khi thay cỏc giỏ trị d hkl ủối với cỏc hệ tinh thể khỏc nhau vào cụng thức (2.1), ta sẽ nhận ủược cỏc ủẳng thức tương ứng với mỗi hệ
Mối quan hệ giữa d hkl và thông số mạng a của vật liệu có cấu trúc lập phương, ủược xỏc ủịnh từ phương trỡnh:
Trong ủú h, k, l là cỏc chỉ số Miller
Kết hợp với phương trỡnh (2.1) ta nhận ủược:
Như vậy sin 2 θ tỉ lệ với (h 2 + k 2 + l 2 ) 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:
Vì h, k, l là các số nguyên, nên giá trị (h² + k² + l²) có thể thu được bằng cách chia các giá trị sin²θi của các mặt phản xạ khác nhau cho giá trị nhỏ nhất, tức là sin²θ₁ của mặt phản xạ bậc nhất.
B ả ng 2.1 D ạ ng t ổ ng bình ph ươ ng c ủ a m ộ t s ố ch ỉ s ố Miller cho h ệ l ậ p ph ươ ng
Thực hành Vật lý Chất rắn
Bảng 2.2 Chỉ số giao thoa của 10 cực ủại ủầu tiờn của giản ủồ nhiễu xạ tia
Bảng 2.3 Tỉ số ୱ୧୬ మ ୱ୧୬ మ భ của giản ủồ nhiễu xạ tia X trong hệ lập phương
Giá trị Q của mạng LPTK và LPðG có sự tương đồng đáng kể Để xác định tinh thể là LPTK hay LPðG, ta thường dựa vào việc nhận biết đỉnh nhiễu xạ số 7; cụ thể, ở LPðG giá trị Q là 8, trong khi ở LPTK giá trị Q là 7.
Thụng số mạng a ủược tớnh theo cụng thức:
Vì giá trị a phụ thuộc vào θ, nên không thể tính trung bình tất cả các giá trị a từ mỗi đỉnh nhiễu xạ Thông thường, người ta chọn giá trị a ứng với đỉnh nhiễu xạ có góc lớn nhất hoặc trung bình của các giá trị ứng với hai (hoặc ba) đỉnh nhiễu xạ cuối cùng Một phương pháp khác là vẽ đồ thị a = f(θ) và ngoại suy giá trị của a đến θ = 90 độ.
Xỏc ủị nh kớch th ướ c tinh th ể và kớch th ướ c h ạ t ðối với phương phỏp nhiễu xạ tia X dựa trên nguyên lý rằng giữa ủộ rộng vạch nhiễu xạ và kích thước tinh thể có mối quan hệ phụ thuộc Khi kích thước tinh thể lớn, ủ nhiễu xạ sẽ nhũe ra, dẫn đến ủộ r rất bé (nm).
2.2) ðể giảm sai số, thông th góc nhiễu xạ θ bé ðối với phương pháp hi ủược xỏc ủịnh theo phươ
X K α của Cu với bước sóng
Hạt có kích thước nhỏ thường có độ rộng lớn hơn, ngược lại, hạt có kích thước lớn lại có độ rộng nhỏ hơn Trong trường hợp hạt có kích thước nhỏ, chúng có thể bị ảnh hưởng bởi các yếu tố như độ ẩm và nhiệt độ Để xác định kích thước chính xác của hạt, cần thực hiện các phương pháp đo lường phù hợp.
= λ θ là ủộ bỏ n rộng của vạch nhiễu xạ theo thang ủ
Hình 2.2 ðộ rộng bán phổ
Thông thường, chúng ta chọn tính D cho các ủỉnh nhi ương pháp hiển vi điện tử quét, với kích thước trung bình c được xác định theo phương pháp chuẩn dựa vào công thức sau:
= N.V à + L là ủộ dài ủoạn thẳng kẻ trờn ảnh vi cấu trỳc (mm) + N là số hạt bị cắt bởi ủường kẻ
+ V là ủộ phúng ủại của ảnh c hành nh thông s ố m ạ ng c ủ a v ậ t li ệ u u xạ của tia X của mẫu vật liệu ủược chụ c sóng
1,54 A λ = , xỏc ủịnh cỏc gúc θ ứng v c tinh thể bé, vạch t có kích thước tinh thể c tinh thể theo công thức
(2.6) theo thang ủo 2θ (Hỡnh nh nhiễu xạ ứng với c trung bình của hạt c sau:
(2.7) u trúc (mm) ụp bằng bức xạ tia ng với các với các
Thực hành Vật lý Chất rắn
14 vạch nhiễu xạ Ghi cỏc giỏ trị θ và tớnh giỏ trị cỏc ủại lượng ở cỏc cột trong bảng số liệu 2.2
B ả ng 2.2: Xỏc ủị nh c ấ u trỳc
2.3.2 Xỏc ủị nh kớch th ướ c tinh th ể và kớch th ướ ch ạ t
2.3.2.1 Bằng phương pháp nhiễu xạ tia X
- Dựng thước kẻ xỏc ủịnh vị trớ cú cường ủộ nhiễu xạ bằng 1/2 so với cường ủộ của ủỉnh nhiễu
Dựng thước ủo ủộ rộng bỏn phổ b trên giản ủồ nhiễu xạ tia X, đo ba ủỉnh ứng với gúc nhiễu xạ θ bộ nhất và ghi giá trị vào bảng số liệu 2.3.
Lần ủo θθθθ (rad) Chỉ số hkl tương ứng ðộ rộng bỏn phổ b (rad)
2.3.2.2 Bằng ảnh kớnh hiển vi ủiện tử quột (SEM)
- Dựng thước kẻ một ủoạn thẳng cú chiều dài L tựy ý (L > 100 mm) ủi qua cỏc hạt trờn ảnh SEM ðếm số hạt N bị cắt bởi ủường 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
- Xỏc ủịnh giỏ trị ủộ phúng ủại V của ảnh SEM ủó cho
2.4.1 Xỏc ủị nh thụng s ố m ạ ng c ủ a v ậ t li ệ u
- 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:
2.4.2 Xỏc ủị nh kớch th ướ c tinh th ể b ằ ng ph ươ ng phỏp nhi ễ u x ạ tia X
2.4.2 Xỏc ủị nh kớch th ướ c h ạ t b ằ ng ả nh SEM
1 Trình bày khái niệm mạng không gian và ô cơ sở
2 Trỡnh bày ủặc ủiểm của cỏc hệ tinh thể trong lớp mạng khụng gian của chất rắn
3 Sai số ∆a trong công thức (2.5) phụ thuộc vào góc nhiễu xạ θ như thế nào? Giải thích
Thực hành Vật lý Chất rắn
KHẢO SÁT HIỆN TƯỢNG TỪ TRỄ CỦA VẬT LIỆU SẮT TỪ
- Nắm ủược hiện tượng từ trễ của chất sắt từ
- Khảo sát quá trình từ hóa chất sắt từ bằng cách quan sát thực nghiệm sự phụ thuộc cảm ứng từ B vào cường ủộ từ trường H
- Từ ủường cong từ trễ của vật liệu xỏc ủịnh từ trường bóo hũa H S , trường kháng từ H C , cảm ứng từ bão hòa B S , từ trường dư B r
Mức ủộ sắp xếp của cỏc ủụmen phụ thuộc vào cường ủộ từ trường ngoài H r
Độ cảm ứng từ B phụ thuộc vào cường độ từ trường ngoài Hr Khi cường độ từ trường ngoài Hr tăng, các dipole từ sẽ được định hướng mạnh mẽ hơn theo từ trường, dẫn đến độ cảm ứng từ B cũng tăng lên.
Khi tất cả các moment từ đều được định hướng theo từ trường ngoài, cường độ từ trường H sẽ đạt giá trị tối đa Lúc này, cảm ứng từ B không thể tăng thêm nữa Khi cảm ứng từ của chất sắt từ đạt giá trị bão hòa BS, điều này tương ứng với giá trị từ trường HS.
Tại giá trị từ trường bão hòa, khi giảm từ trường, độ từ trễ không giảm theo đường cũ Khi H = 0, vẫn xuất hiện một từ trường dư B r Để làm từ trường tổng cộng bằng không, cần áp dụng một từ trường ngoài có chiều ngược lại với cường độ -H C, được gọi là lực kháng từ.
Tiếp tục giảm từ trường ngoài ủến giỏ trị –H S , cảm ứng từ ủạt giỏ trị bóo hòa –B S
Tiếp tục giảm dần và ủổi chiều từ trường ngoài, ta thu ủược ủường cong từ trễ như hình 2.1 đó là hiện tượng từ trễ của chất sắt từ
Trong sắt từ, khi được khử từ, cảm ứng từ B bằng 0 (T) tại H bằng 0 (A/m) Tuy nhiên, sắt từ thường vẫn duy trì một cảm ứng từ dư Br lớn hơn 0 khi H bằng 0 (A/m) Do đó, cảm ứng từ Br thường được biểu diễn dưới dạng đường cong từ trễ, là một hàm của từ trường Hr.
Hình 3.1 ðường cong từ trễ biểu diễn sự phụ thuộc của B vào H
Trong thí nghiệm này, một dòng điện I1 chạy trong cuộn dây sơ cấp của máy biến áp, làm tăng hoặc giảm từ tính theo thời gian, tạo ra cường độ từ trường.
Trong ủú: l là chiều dài của cuộn dõy sơ cấp
N 1 là số vòng dây của cuộn sơ cấp
Cảm ứng từ B trong lừi sắt từ ủược tớnh qua biểu thức:
Trong ủú: U 2 là hiệu ủiện thế hai ủầu cuộn thứ cấp
N 2 là số vòng dây của cuộn thứ cấp
S là tiết diện của cuộn dây thứ cấp, cũng chính bằng tiết diện lõi sắt ủặt trong cuộn dõy
Như vậy, H và B là những ủại lượng ủo giỏn tiếp thụng qua cỏc ủại lượng ủo trực tiếp như dũng ủiện sơ cấp 1
= N và từ thông Φ = N 2 BS = ∫ U 2 dt gửi qua cuộn dây thứ cấp
Trong một chu trỡnh từ trễ, sự phụ thuộc của I vào Φ vẽ nờn ủường cong
= f φ hoàn toàn ủồng dạng với ủường cong từ húa B = f ( ) H
- 1 Lõi sắt chữ thanh chặn và lõi sắt ch
- 2 cuộn dây (N dây: d = 1,0 mm; chiều dài c
- Bộ nguồn Cassy chuyển ủổi ủiện ỏp
- Bộ cảm biến Cassy chuyển ủổi ủiện ỏp
3.4 Các bước tiến hành thí nghi
Bước 1 : Mắc mạ cấp với 2 ủầu U và I củ ủầu U và I của hộp cảm bi vi tính
Bước 2: Khởi ủộ cấp ủiện cho hộp nguồ thỏi cú màu ủỏ hiện trờn h
Bước 3: Kích hoạt mỏy vi tớnh: ủốn LED ch
“U” và thanh chặn; Thanh kẹp bằng nhôm chữ “U”
(N = 500 vòng; I max = 2,5A; R = 2,5 Ω; L = 9 mH; u dài của cuộn dây l = 15cm)
Bộ nguồn Cassy (250 V – 2 A): ủược cung cấp ủiện ỏp ộ cảm biến Cassy (250 V – 2 A): ủược cung cấp ủiện ỏp
Các bước tiến hành thí nghiệm
Sơ đồ bố trí thí nghiệm khảo sát hiện tượng tách bao gồm việc nối hai đầu A và E của hộp nguồn, kết nối hai đầu A và E của cuộn biến ở cổng B, và sử dụng dây cáp USB để kết nối giữa hộp nguồn và máy tính Sau khi bật nguồn điện xoay chiều và hộp cảm biến, người dùng sẽ thấy tín hiệu hiển thị trên hộp cảm biến.
Kích hoạt phần mềm CASSY Lab 2 trên giao diện LED, chỉ thị trạng thái chuyển từ màu vàng sang màu xanh Điều này liên quan đến vật lý chất rắn thông qua việc sử dụng nhụm để gắn chặt.
; L = 9 mH; ðường kính ủược cung cấp ủiện ỏp 12 V qua bộ cấp ủiện ỏp 12 V qua bộ ng từ trễ
E của cuộn dây sơ n dây thứ cấp với 2 nối dây cáp USB giữa hộp nguồn và máy n xoay chiều 220V ủể cung
LED chỉ thị trạng giao diện Window của sang màu xanh lá cây
Chọn Load Experiment → Physics → Solid State Physics →Hysteresis of a transfomer core → Load settings ở bên dưới
Bước 4: Chọn Measuring time (cú biểu tượng ủồng hồ) ủể bắt ủầu quỏ trỡnh ủo (khoảng 25 giõy) Sau khi kết thỳc quỏ trỡnh ủo ta thu ủược ủường cong
= f φ và bảng số liệu của Φ và I (xem như ủại lượng ủo trực tiếp)
- Trờn ủồ thị φ= f ( ) I : xỏc ủịnh cỏc ủiểm cú giỏ trị Φ s ; –Φ s ; I s ; –I s
- Trờn trục tung (I = 0): xỏc ủịnh cỏc ủiểm cú giỏ trị Φ r và –Φ r
- Trờn trục hoành (Φ = 0): xỏc ủịnh cỏc ủiểm cú giỏ trị I C và –I C
Ghi các giá trị trên vào Bảng 3.1 Tiếp tục làm thí nghiệm bước 4 thêm hai lần nữa và ghi cỏc giỏ trị ủo ủược vào bảng 3.1
Cỏc ủại lượng ủo (X) Lần 1 Lần 2 Lần 3 X = X ± D X
- Nếu ủường cong từ trễ nằm trong gúc phần tư thứ hai và thứ tư thỡ ủảo ngược kết nối trên một trong hai cuộn dây
Để đạt được kết quả tốt trong thí nghiệm, việc khử từ lừi biến ỏp là rất quan trọng, vì sau mỗi lần thí nghiệm, lừi biến ỏp thường tồn tại từ dư Do đó, cần tháo gỡ thanh chặn khỏi lừi sắt chữ “U” để thực hiện quá trình khử từ hiệu quả.
3.5 Xử lý số liệu thí nghiệm
- Từ bảng số liệu và các từ công thức (3.1), (3.2) tính giá trị trung bình, sai số tuyệt ủối và sai số tương ủối của cỏc ủại lượng: c c c c H
Thực hành Vật lý Chất rắn
- Viết cỏc kết quả trờn theo ủỳng qui tắc
1 Dựa vào dạng của ủường cong từ trễ người ta phõn loại vật liệu sắt từ làm bao nhiêu loại?
3 Nguyờn nhõn gõy ra tớnh chất trễ trong ủường cong từ húa của vật liệu sắt từ?
4 Nêu một vài ứng dụng của vật liệu sắt từ trong kĩ thuật?
KHẢO SÁT TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU FERIT TỪ
- Nắm ủược ủặc tớnh của sắt từ, nhiệt ủộ Curie, ý nghĩa và ứng dụng của nhiệt ủộ Curie
Khảo sát quá trình chuyển pha sắt từ - thuận từ (chuyển pha loại II) của vật liệu sắt từ và xác định nhiệt độ Curie của chúng là rất quan trọng trong nghiên cứu vật liệu Việc hiểu rõ quá trình chuyển pha này giúp cải thiện tính chất từ tính của vật liệu, đồng thời xác định nhiệt độ Curie cho phép ứng dụng hiệu quả trong các lĩnh vực công nghệ và công nghiệp.
Cỏc vật liệu sắt từ (Fe, Ni, Co, ferit, ), nếu ủược ủặt trong từ trường ngoài
Khi từ trường B 0 xuất hiện, các vật liệu sẽ bị nhiễm từ tính mạnh Nguyên nhân là do trong khối sắt từ, khi áp dụng từ trường B / uur, một từ trường phụ cùng hướng và có cường độ lớn sẽ hình thành.
Vì vậy từ trường tổng hợp trong khối sắt từ có giá trị bằng :
Hệ số tỷ lệ, hay còn gọi là độ từ thẩm, của sắt từ phụ thuộc vào cường độ từ trường B 0, có thể đạt giá trị từ 10^4 đến 10^5 Điều này có nghĩa là từ trường tổng hợp trong khối sắt từ lớn gấp hàng vạn lần so với từ trường bên ngoài Nhờ đặc tính này, các vật liệu sắt từ được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật điện, như làm lõi từ cho biến thế điện, động cơ điện, nam châm điện, và rơle điện từ.
Giải thích đặc tính của sắt từ dựa trên thuyết miền từ hóa tự nhiên cho thấy rằng cấu trúc của khối sắt từ bao gồm các miền rất nhỏ có kích thước từ 10^-5 đến 10^-6 mét, được gọi là miền từ hóa tự nhiên Trong mỗi miền, nhờ vào lực tương tác trao đổi, momen từ spin của các electron được định hướng song song với nhau, tạo thành miền từ hóa đến mức bão hòa.
Khi không có từ trường bên ngoài, mômen từ của các miền trong khối sắt từ sắp xếp một cách hỗn loạn, dẫn đến mômen từ tổng hợp bằng không và vật liệu sắt từ không có từ tính Tuy nhiên, khi đặt vào một từ trường mạnh, quá trình sắp xếp mômen từ trong khối sắt từ sẽ diễn ra.
Quá trình "dịch chuyển vách" của các miền từ hóa tự nhiên và "quay mômen từ" theo hướng song song với từ trường ngoài B₀ tạo ra một khối sắt từ với mômen từ lớn Kết quả là, từ trường phụ B' cùng hướng và mạnh hơn so với từ trường ngoài B₀ xuất hiện Tuy nhiên, khi khối sắt từ bị nung nóng đến nhiệt độ T ≥ Tₐ, chuyển động nhiệt của các nguyên tử tăng mạnh, dẫn đến việc phá vỡ cấu trúc của các miền từ hóa.
Thực hành Vật lý Chất rắn
Nhiệt độ Curie là điểm tại đó tính chất từ tính của sắt từ bị mất đi, với từ độ giảm nhanh chóng xuống gần giá trị bằng không (B ≈ B0) Giá trị này phụ thuộc vào bản chất của vật liệu sắt từ.
Vớ dụ: nhiệt ủộ Curie của Fe là 780 0 C, của Ni là 350 0 C, của hợp kim 30%
Nhiệt độ Curie (T C) của vật liệu sắt từ có ý nghĩa thực tiễn quan trọng Biết được T C giúp chúng ta lựa chọn khoảng nhiệt độ làm việc phù hợp cho các linh kiện điện và điện tử sử dụng lõi sắt từ Bên cạnh đó, sự biến đổi từ tính của sắt từ tại nhiệt độ Curie cũng được ứng dụng trong việc chế tạo các bộ cảm biến và rơle nhiệt - điện từ, phục vụ cho việc điều khiển tự động nhiệt độ trong các lò hơi, nồi cơm điện, và nhiều thiết bị khác.
Trong bài thí nghiệm này, chúng ta sẽ xác định nhiệt độ Curie (T_C) của vật liệu sắt từ bằng phương pháp cảm ứng điện từ Sơ đồ nguyên lý của phương pháp được thể hiện trong hình 4.1.
Hỡnh 4.1 Sơ ủồ nguyờn lớ khảo sỏt chuyển pha sắt từ - thuận từ của vật liệu sắt từ
Trong ủú: R 1 , R 2 là ủiện trở thuần của cuộn sơ cấp S và của cuộn thứ cấp T
Hệ số tự cảm L của cuộn sơ cấp S phụ thuộc vào kích thước và số vòng dây N1 của cuộn Ngoài ra, L còn tỷ lệ với độ từ thẩm của thanh sắt từ đặt bên trong cuộn dây.
Khi áp dụng hiệu điện thế xoay chiều U1 vào hai đầu cuộn sơ cấp S, dòng điện xoay chiều I1 sẽ chạy qua cuộn dây và tạo ra suất điện động tự cảm ε1C.
Với N1 là số vòng dây, còn dt
Ldi dt dΦ 0 = 1 là tốc ủộ biến thiờn từ thụng gửi qua mỗi vòng dây của cuộn sơ cấp S
23 Áp dụng ủịnh luật ễm tổng quỏt cho ủoạn mạch của cuộn sơ cấp S, ta cú:
Cuộn dây thứ cấp T được quấn chồng lên cuộn dây sơ cấp S trên lõi ferit F, do đó tốc độ biến thiên từ thông qua mỗi vòng dây của cuộn thứ cấp T sẽ bằng dt dΦ 0.
, do ủú suất ủiện ủộng cảm ứng e 2c xuất hiện trong cuộn dõy thứ cấp T có giá trị bằng : dt
Với N 2 là số vòng dây của cuộn dây thứ cấp T
So sỏnh (4.2) với (4.4) và chỳ ý ủến (4.3), ta tỡm ủược :
Khi nung nóng thanh lừi sắt từ ủến nhiệt Curie T C, độ từ thẩm của ferit giảm nhanh xuống gần giá trị ≈ 1, dẫn đến hệ số tự cảm L của cuộn sơ cấp S cũng giảm xuống rất nhỏ, cụ thể là L ≈ 0 Khi suất điện động tự cảm trong cuộn sơ cấp S có giá trị ε 1 c ≈ 0 và u 1 ≈ i 1 R 1, từ công thức (4.5), ta suy ra rằng ε 2 c ≈ 0, và dòng điện cảm ứng trong cuộn thứ cấp T cũng giảm xuống gần giá trị i c ≈ 0.
Để xác định nhiệt độ Curie T_C của thanh ferit F, ta chỉ cần theo dõi giá trị của dòng cảm ứng i_C chạy qua cuộn dây thứ cấp T, điều này phụ thuộc vào nhiệt độ của thanh ferit F.
- Bảng lắp rỏp mạch ủiện và hộp chõn ủế kớch thước 30 x 50 x 10 cm
- 2 Cuộn dây cảm ứng quấn quanh thanh sắt từ
- Lũ ủiện cụng suất nhỏ (50V – 25W): ủặt bờn trong hộp chõn ủế
- Cặp nhiệt ủiện Cromen - Alumen (cú hệ số nhiệt ủiện α = 6,2 mV/100 0 C): ủặt bờn trong hộp chõn ủế
- Milivụn kế DC (0 – 100 mV); Micrụampe kế AC ( 0 – 100 àA)
Thực hành Vật lý Chất rắn
- Nguồn ủiện xoay chiều 50V – 1A và nguồn ủiện xoay chiều 3V – 1A (cú khóa K 3 )
Cỏc dụng cụ thớ nghiệm này ủược mắc như Hỡnh 4.2
Hỡnh 4.2 Sơ ủồ thớ nghiệm khảo sỏt chuyển pha sắt từ - thuận từ của vật liệu sắt từ
Thanh sắt từ F được đặt ở bên trong lũ điện Lũ điện này kết nối với nguồn điện xoay chiều AC 50V, bao gồm hai cuộn dây điện trở giống nhau mắc nối tiếp và quấn ngược chiều nhau Khi có dòng điện chạy qua, thanh ferit F sẽ bị nung nóng, nhưng từ trường của hai cuộn dây trong lũ điện sẽ triệt tiêu lẫn nhau.
HIỆU ỨNG HALL TRONG VẬT LIỆU BÁN DẪN
- Nắm ủược lý thuyết về hiệu ứng Hall
- Nắm ủược phương phỏp ủo hệ số Hall
- Khảo sỏt sự phụ thuộc của hiệu ủiện thế Hall vào cường ủộ dũng ủiện chạy qua mẫu bỏn dẫn ủược ủặt trong từ trường khụng ủổi
- Xỏc ủịnh hệ số Hall, nồng ủộ và ủộ linh ủộng của cỏc hạt tải ủiện chủ yếu trong mẫu bán dẫn loại n
Phương pháp khảo sát hiệu ứng Hall là một kỹ thuật thực nghiệm quan trọng để xác định các thông số điện vi mô trong kim loại và bán dẫn pha tạp.
Trong bài thí nghiệm này, hiệu ứng Hall được nghiên cứu trên một mẫu bán dẫn Ge pha tạp loại n có hình dạng khối hộp chữ nhật với kích thước chiều rộng b = 10 mm, chiều dài w = 20 mm và bề dày d = 10^-3 mm, được đặt trong từ trường B.
Hình 5.1 Hiệu ứng Hall xảy ra trong mẫu bán dẫn
Khi dòng điện I chạy qua mẫu bản dẫn, các mặt trên và dưới của mẫu bản dẫn có cùng chiều dòng điện Tuy nhiên, khi có từ trường ngoài B, hướng của từ trường này nằm ngang và vuông góc với dòng điện I, tạo ra những ảnh hưởng đáng kể đến mẫu bản dẫn.
2 mặt trờn và dưới của mẫu xuất hiện một hiệu ủiện thế U H Hiện tượng này do E
H Hall, nhà Vật lý người Mỹ phát hiện năm 1879 gọi là hiệu ứng Hall U H gọi là hiệu ủiện thế Hall
Thực hành Vật lý Chất rắn
Thực nghiệm ủó chứng tỏ U H tỉ lệ với cường ủộ dũng ủiện I, với cảm ứng từ B và khoảng cách d giữa 2 mặt trên và dưới:
Hệ số Hall (R_H) là một chỉ số tỷ lệ quan trọng, phụ thuộc vào loại chất dẫn điện và nhiệt độ Giá trị của hệ số này được xác định bởi nồng độ và độ linh hoạt của các hạt mang điện trong vật liệu.
Trong ủú: n là nồng ủộ electron; p là nồng ủộ lỗ trống; à n là ủộ linh ủộng của electron; à p là ủộ linh ủộng của lỗ trống.
Cường độ dòng điện và từ trường có vai trò quan trọng trong việc xác định nồng độ và độ linh hoạt của hạt mang điện Đặc biệt, các yếu tố này ảnh hưởng chủ yếu trong bốn dẫn (n và à n), giúp hiểu rõ hơn về tính chất của hệ thống.
Khi xuất hiện các điện tích trái dấu ở hai mặt trên và dưới, sẽ hình thành điện trường E hướng từ mặt dương (+) sang mặt âm (–) Điện trường này tạo ra lực điện cản trở chuyển động phụ của các hạt mang điện, chủ yếu là electron Khi trạng thái cân bằng được thiết lập, các yếu tố như n, H, H, e, v, B, e, E, eU sẽ được xem xét.
I I B n= e v bd = e d U (5.5) ðộ linh ủộng của electron ủược xỏc ủịnh: n w w n n v
Trong ủú: U w là ủiện thế rơi trờn mẫu theo chiều dài w của mẫu
Từ (5.3) và (5.6) có thể viết lại:
- 01 bộ thí nghiệm cơ sở hiệu ứng Hall
- 01 tấm bỏn dẫn loại n ủược gắn vào Board mạch
- 01 bộ Sensor CASSY và cáp kết nối
- 01 lõi thép hình chữ “U” và 2 thanh thép
- 01 mỏy vi tớnh cú cài ủặt phần mềm kết nối
5.4 Các bước tiến hành thí nghiệm:
Bước 1: Mắc mạch ủiện như sơ ủồ hỡnh vẽ:
Hỡnh 5.2 Mạch ủiện khảo sỏt Hiệu ứng Hall trong mẫu bỏn dẫn
Bỏo cỏo giỏo viờn hướng dẫn ủể kiểm tra mạch ủiện
Bước 2: Khởi ủộng mỏy tớnh và mở phần mềm Cassy Lab 2.Trong giao diện của phần mềm Cassy Lab 2, chọn Show Measuring parameters → Sensor cassy 2
Bước 3: Chọn giỏ trị cực ủại I max của dũng ủiện chạy qua mẫu bỏn dẫn:
- Bật nguồn ủiện 0 – 15 V ủể cung cấp dũng ủiện cho mẫu bỏn dẫn
- Bật nút ON trên bộ thí nghiệm cơ sở hiệu ứng Hall
Thực hành Vật lý Chất rắn
- ðiều chỉnh nỳm xoay dũng ủiện I trờn bộ thớ nghiệm cơ sở hiệu ứng Hall về giỏ trị cực ủại
- Kết nối Sensor cassy 2 với máy tính: Sensor cassy 2 → Input A 1 → Current A 1
Điều chỉnh nỳm xoay nguồn điện U để thiết lập giá trị I max khoảng 20 mA – 30 mA theo hướng dẫn của giáo viên Đọc và ghi giá trị của dòng điện cực đại I max.
Bước 4: ðo hiệu ủiện thế rơi trờn mẫu U w : kết nối Sensor cassy 2 với mỏy tính: Sensor cassy 2 → Input A 1 → Voltage U A1
Bước 5: ðo từ trường khụng ủổi B ủặt vuụng gúc với bề dày của mẫu:
- Bật nguồn ủiện 0 – 16V ủể cung cấp dũng ủiện cho 2 cuụn dõy
- Kết nối Sensor cassy 2 với máy tính: Sensor Cassy 2→Input B 1
(Combination BS, 5240381)→Magn.flux density B B1 (tang)
Điều chỉnh giá trị cảm ứng từ trong khoảng 50 mT đến 130 mT theo hướng dẫn của giáo viên bằng cách điều chỉnh núm xoay A ở nguồn điện cung cấp cho cuộn dây Sau đó, đọc và ghi lại giá trị cảm ứng từ B.
* L ư u ý: nếu B cú giỏ trị õm thỡ ủổi dõy nối hai cực của cuộn dõy lại
Bước 6: Hiệu chỉnh giỏ trị hiệu ủiện thế Hall U H :
- Tắt nguồn ủiện cung cấp dũng ủiện cho 2 cuộn dõy
- Kết nối Sensor cassy 2 với máy tính: Sensor cassy 2 → Input B 1 (left) →
- ðiều chỉnh nỳm xoay U trờn bộ thớ nghiệm cơ sở hiệu ứng Hall ủể U H = 0 (Chọn thang ủo: – 0,3 V ữ 0,3 V)
Bước 7: Khảo sỏt sự phụ thuộc của hiệu ủiện thế Hall vào cường ủộ dũng ủiện chạy qua tấm bỏn dẫn U H = f (I):
- Bật nguồn ủiện cung cấp dũng ủiện cho 2 cuộn dõy
- ðiều chỉnh nỳm xoay dũng ủiện I trờn bộ thớ nghiệm cơ sở hiệu ứng Hall về giá trị nhỏ nhất
- Kết nối Sensor cassy 2 với mỏy tớnh ủể ủo dũng ủiện I (Chọn thang ủo: –0,03 A ÷ 0,03 A): Sensor cassy 2 → Input A 1 → Current A 1
- Kết nối Sensor cassy 2 với mỏy tớnh ủể ủo hiệu ủiện thế Hall UH (Chọn thang ủo: –0,3 V ữ 0,3 V): Sensor cassy 2 → Input B 1 (left) → Voltage U B1
- Chọn thời gian ủo: 10 s (vào Meas.time) Chọn bước ủo: 1 s (vào Interval)
Để bắt đầu quá trình đo lường, chọn "Measuring time not specified" (hoặc nhấn F9), sau đó điều chỉnh núm xoay trên bộ thí nghiệm cơ sở hiệu ứng Hall từ giá trị nhỏ nhất đến giá trị lớn nhất trong khoảng thời gian 10 giây.
- Copy bảng số liệu trong phần mềm Cassy Lab 2: Table → copy Table
- Dỏn bảng số liệu này vào phần mềm Origin và vẽ ủồ thị U H = f(I)
- Dựng thao tỏc Fit hàm theo dạng tuyến tớnh ủối với ủồ thị ủó vẽ
- Xỏc ủịnh hệ số gúc của ủồ thị UH = f(I): a = ± ∆a a(V/A)
- Từ (5.7) xỏc ủịnh à ∆à n ; n với giỏ trị U H ứng với trường hợp I = I max
* Lưu ý: ∆B, ∆U, ∆U H là nửa ủộ chia nhỏ nhất trờn thang ủo ủó chọn
1 Trỡnh bày và vẽ sơ ủồ cấu trỳc vựng năng lượng của chất bỏn dẫn loại n
2 Giải thích hiệu ứng Hall trong chất bán dẫn? Ứng dụng của hiệu ứng Hall
3 Chứng minh các công thức (5.1) và (5.2)
Thực hành Vật lý Chất rắn
HIỆU THẾ TIẾP XÚC TẠI LỚP CHUYỂN TIẾP P-N
Nắm ủược lý thuyết về hiệu thế tiếp xỳc tại lớp chuyển tiếp p-n và quy luật sự phụ thuộc của ủiện trở lớp chuyển tiếp vào nhiệt ủộ
Thực hành xỏc ủịnh hiệu ủiện thế tiếp xỳc tại lớp chuyển tiếp p – n
Cấu trúc chuyển tiếp p-n là yếu tố cơ bản trong nhiều linh kiện bán dẫn Đặc biệt, chúng ta cần xem xét một hình dạng chuyển tiếp p-n trong chất bán dẫn tinh thể, với một nửa pha tạp loại n và nửa kia là loại p.
Do sự chênh lệch về mật độ hạt dẫn, có sự khuếch tán của điện tử từ bán dẫn n sang bán dẫn p và sự khuếch tán của lỗ trống từ bán dẫn p sang bán dẫn n Tại lớp tiếp giáp, các điện tử từ bán dẫn n kết hợp với lỗ trống, trong khi lỗ trống ở bán dẫn p cũng bị tái hợp bởi điện tử Kết quả là khu vực gần lớp tiếp giáp chỉ còn lại các ion âm acceptor ở phía p và các ion dương donor ở phía n Khu vực này có rất ít hạt dẫn tự do, do đó được gọi là vùng nghèo.
Lớp ủiện tớch dương phớa n có bề dày Wn và mật ủộ ủiện tớch là ρn = e.Nd Trong khi đó, lớp ủiện tớch õm phớa p có bề dày Wp và mật ủộ ủiện tớch là ρp = -e.Na.
Do ủiện tớch của toàn bộ vựng khụng gian lớp tiếp giỏp ủược trung hũa nên:
Khi phớa bỏn dẫn có mật độ tạp chất cao, bề dày của phần ủiện tớch không gian gần lớp tiếp giáp sẽ giảm xuống, và ngược lại, nếu mật độ tạp chất thấp, bề dày này sẽ tăng lên.
6.2.2 Hi ệ u ủ i ệ n th ế ở vựng ủ i ệ n tớch khụng gian, s ự phõn c ự c l ớ p ti ế p xúc p-n
Hai bờn lớp tiếp giáp tạo thành một điện trường tiếp xúc E tx, hướng từ phía n sang phía p Điện trường này được hình thành do sự khác biệt về điện tích giữa hai bờn lớp.
33 hiệu ủiện thế tiếp xỳc Utx trong vựng ủiện tớch khụng gian, ủộ lớn của hiệu ủiện thế tiếp xỳc ủược xỏc ủịnh bởi biểu thức:
Trong ủú: ε là hằng số ủiện mụi
Sự phân cực lớp tiếp xúc p-n tạo ra điện trường cản trở sự khuếch tán của các hạt dẫn cơ bản giữa hai bên bán dẫn, trong khi lại cho phép các hạt dẫn thiểu số dịch chuyển, tạo nên dòng điện cuốn Dòng điện tích qua lớp tiếp giáp sẽ dừng lại khi trạng thái cân bằng được thiết lập, dẫn đến dòng điện toàn phần qua lớp tiếp giáp bị triệt tiêu khi điện trường tiếp xúc đạt giá trị xác định.
Khi ủặt ủiện ỏp ngoài một ủiện ỏp thuận U t ≠ 0, với cực âm nối với phía n và cực dương nối với phía p, điện trường ngoài sẽ ngược chiều với điện trường tiếp xúc Điều này dẫn đến việc hàng rào thế năng của lớp chuyển tiếp bị hạ thấp từ eU K xuống còn e(U K – U t).
Do ủú, mật ủộ dũng khuếch tỏn của ủiện tử và lỗ trống tăng lờn, nhưng mật ủộ dũng cuốn của chúng vẫn rất nhỏ và không thay đổi nhiều Hiện tượng này được gọi là phân cực thuận cho lớp tiếp xúc p-n.
Khi áp dụng một điện áp ngược U n ≠ 0 cho tiếp xúc p-n, điện trường ngoài cùng chiều với điện trường tiếp xúc làm tăng hàng rào thế năng từ eU K lên e(U K + U n ) Do đó, mật độ dòng khuếch tán của hạt dẫn cơ bản tiến tới 0, chỉ còn lại mật độ dòng cuốn của hạt dẫn không cơ bản rất nhỏ và có thể thay đổi Đây được gọi là dòng điện bão hòa ngược với chiều từ n sang p, và được xem là phân cực ngược cho lớp tiếp xúc p-n.
6.2.2.3 Tớnh chỉnh lưu của dũng ủiện qua lớp chuyển tiếp p-n
Khi phõn cực thuận với hiệu ủiện thế U t , mật ủộ dũng toàn phần qua lớp chuyển tiếp có dạng:
Khi thế phõn cực nhỏ (cỡ vài chục mV), xột ở nhiệt ủộ phũng trong khoảng từ 300K – 350K, ta có thể xem e.U t T1, vận tốc chuyển động nhiệt của electron ở đầu nóng lớn hơn ở đầu lạnh, dẫn đến sự thay đổi phân bố Fermi-Dirac của electron Số electron tự do trên mức Fermi sẽ tăng khi nhiệt độ tăng, do mật độ electron tự do ở đầu nóng cao hơn đầu lạnh Kết quả là electron di chuyển từ đầu nóng đến đầu lạnh, tạo ra đầu nóng tích điện dương và đầu lạnh tích điện âm Giữa hai đầu này xuất hiện một hiệu điện thế, có giá trị khác nhau ở các kim loại khác nhau Tổng hợp tất cả các hiệu điện thế này có thể tạo thành một hiệu điện thế tổng.
Chú ý: Nếu dùng hai dây cùng m ủộ T 1 và T 2 thỡ trong m nhưng ngược chiều nhau nên t b Thế nhiệt ủiện ủ thuộc vào nhiệt ủộ mố
Nguyên nhân của hiện tượng này là do sự dẫn điện không đồng đều giữa hai vật dẫn khác nhau, gây ra sự khuếch tán của các hạt tải điện Khi hai mối hàn có giá trị tổng điện trở khác nhau, hiệu ứng điện trở sẽ ảnh hưởng đến dòng điện Thêm vào đó, nhiệt độ và các phonon trong mạng cũng đóng vai trò quan trọng trong quá trình dẫn điện này.
Khi có gradient nhi từ ủầu núng về ủầu lạ
Kết quả xuất hiện một su vựng nhiệt ủộ thấp
Tóm l ạ i : tất cả phụ thuộc vào sự chênh l ủịnh suất nhiệt ủiện ủ biết nhiệt ủộ của mối hàn kia Thụng t ủịnh, chẳng hạn bằng cỏch nhỳng vào n
10.2 Hai dõy kim loại ủư là ủầu ủo 1 Hai ủầu cũn l ủú nối ủến bộ phận ủo nhi
Trong một mạch kín với hai dây dẫn cùng loại kim loại nối với nhau, sẽ xuất hiện hai suất điện động có chiều trái ngược, dẫn đến tổng suất điện động bằng 0 Điều này cho thấy hiệu điện thế tiếp xúc tại mối hàn không thay đổi.
Nguyên nhân xuất hiện thế năng tiếp xúc tại khu vực chất là do sự khác biệt trong vùng chuyển động, bao gồm thế hóa học và công thoát Khi hai mối hàn có nhiệt độ khác nhau, hiệu suất hàn sẽ có giá trị khác nhau, dẫn đến sự hình thành điện thế tiếp xúc trong mạch Điều này tạo ra thành phần phonon do sự kích thích của điện trường.
Khi có gradient nhiệt độ trong vật dẫn, sự trụi cạnh xảy ra, dẫn đến sự di chuyển của các điện tử tự do theo hướng của dòng điện Thành phần này liên quan đến suất nhiệt điện trong mạch lệch nhiệt độ giữa hai mối hàn Do đó, chúng ta có thể xác định được nhiệt độ của mối hàn kia Thông thường, một mối hàn được ngâm vào nước nóng (0 °C) Nhiệt độ của mối hàn được đo bằng cặp nhiệt điện, với hai đầu được hàn hoặc ghép nguội ở một mức cố định, nối với hai dây dẫn nhiệt độ M, thực chất là bộ kế.
Hình 10.2 minh họa quá trình sơ nhiệt của một cặp nhiệt điện, trong đó hai đầu có nhiệt độ bằng nhau Hai kim loại phụ tại mối hàn tạo ra điện thế tiếp xúc do sự khác biệt trong vùng chuyển tiếp và công thoát Sự chuyển động của các phonon theo hướng nhất định tạo ra điện thế trong mạch Để xác định mối quan hệ này, cần giữ một đầu ở nhiệt độ cố định, như thể hiện trong hình, để phân tích sự dẫn điện tại điểm b từ hai dây dẫn.
Thực hành Vật lý Chất rắn
Nhiệt độ trên bộ chỉ thị M không phải là nhiệt độ tại điểm 0 mà là hiệu nhiệt độ giữa điểm 0 và đầu tự do b Điểm b luôn được giữ ở nhiệt độ không đổi và được gọi là điểm so sánh Để giảm sự biến đổi nhiệt độ ở điểm so sánh (do bức xạ nhiệt, ), người ta dựng dây nối để kéo dài điểm so sánh đến một vị trí đảm bảo có nhiệt độ không đổi Đoạn dây nối này được gọi là dây bự.
Chú ý: Vật liệu dùng để chế tạo cặp nhiệt cần có độ tinh khiết cao, tính chống ăn mòn tốt, điểm nóng chảy cao hơn nhiệt độ cần đo, khả năng dẫn nhiệt và dẫn điện tốt, cùng với tính lặp lại ổn định Độ chính xác của cặp nhiệt phụ thuộc vào kỹ thuật chế tạo, dải nhiệt độ đo, và các tính chất vật lý cũng như hóa học của môi trường đo.
Dải ủo của cặp nhiệt tựy thuộc vào vật liệu, cấu trỳc của cặp nhiệt Ưu ủiểm của cặp nhiệt ủiện
+ ðo ủược nhiệt ủộ tại những vựng cú thể tớch rất nhỏ (phần nghỡn milimet khối)
+ Khoảng nhiệt ủộ ủo ủược rất rộng
10.2.2 Tỡm hiểu cấu tạo lũ nung ủơn giản
Lũ nung được thiết kế đặc biệt để đáp ứng nhu cầu của phòng thí nghiệm, nhằm nung mẫu trong một vùng nhiệt độ ổn định Cấu tạo của lũ nung được mô tả chi tiết trong hình 3.
Hình 10.3: Cấu tạo cơ bản lò nung
1 Lõi của lò – bằng sứ chịu nhiệt
Dây dẫn điện được cuốn dọc theo lưới lũ và cấu trúc vũng dãy, tạo nên một vùng nhiệt ở giữa lũ Khi áp dụng một hiệu điện thế vào hai đầu dây dẫn, nhờ hiệu ứng Joule-Lenz, dây dẫn sẽ bị nung nóng Nhiệt độ tăng lên đáng kể, dẫn đến các ứng dụng quan trọng trong công nghệ nhiệt điện.
Nhiệt độ bảo hòa là nhiệt độ mà tại đó năng lượng cung cấp cho lũ cơn bằng với năng lượng nhiệt tỏa ra môi trường Khi lũ ủược tăng dần đến giá trị nhất định, nếu năng lượng cung cấp đạt đến mức tương đương với năng lượng nhiệt mất đi, quá trình sẽ dừng lại Trong điều kiện môi trường xác định, mỗi giá trị hiệu điện thế cấp cho lũ sẽ tương ứng với một nhiệt độ bảo hòa cụ thể.
Trước khi sử dụng lũ nung cho mục đích cụ thể, cần tiến hành khảo sát lũ nung để xác định một vùng ổn nhiệt với nhiệt độ đồng nhất trong sai số cho phép Việc khảo sát này nhằm xác định giá trị áp suất tác động vào lũ tương ứng với nhiệt độ bảo hòa cần nung trong vùng ổn nhiệt đó.
+ Lũ nung cú ủiều khiển nhiệt ủộ
Bước 1 : Tỡm hiểu cấu tạo và cỏc thụng số kĩ thuật của lũ nung ủơn giản và lũ nung cú ủiều khiển nhiệt ủộ