PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM
2.5. Do hệ số thế từ-điện
2.5.1. Hệ do thực nghiệm
Hệ số thế từ-điện œ là đại lượng quan trọng trong các khảo sát tính chất từ- điện của vật liệu từ-điện. Hệ số thế từ-điện œ được xác định thông qua điện áp lối ra (Vue), biên độ của cường độ từ trường xoay chiều kích thích (ho) và độ dầy của vật liệu áp điện PZT (7). Hình 2.12 là sơ đồ minh họa hệ đo hệ số thế từ-điện.
Cuộn Hemlholtz (h..)
i Khuyéch dai
Nam cham ị Lock-in
điện (H) . =¡Mẫu =
1x œ-L |
ie me E:==|
Nguồn DC
Hình 2.12: Hệ do tu-dién với dai do từ trường lớn +10 kOe
Điện áp lối ra Vue là một điện áp xoay chiều được sinh ra do cảm ứng bởi từ trường xoay chiều hac = ho si(2,#?) được đặt trong từ trường một chiều Hoc.
Điện áp này được xác định thông qua thiết bị khuếch đại lock-in (7265 DSP Lock-in Amplifier). Từ trường xoay chiều được cung cấp bởi một cuộn Hemlholtz (nuôi bang máy phát chức năng lock-in) có thé tạo ra từ trường có biên độ lên đến 1 Oe và tần số lên đến 250 kHz. Từ trường một chiều DC được cung cấp bởi một nam châm điện với cường độ từ trường cực đại lên tới 1 T (10 kOe). Giá tri cường độ từ trường một chiều được xác định thông qua cảm biến từ trường Hall thương phẩm. Góc lệch giữa mặt phang vật liệu với các vec tơ từ trường (một chiều và xoay chiều) có thé điều chỉnh thông qua hệ thống trục quay gắn với vật liệu. Toàn bộ các thiết bị trong hệ đo được ghép nối với máy tính cho phép đo đạc, ghi nhận số liệu một cách tự động.
47
Đối với các phép do trong từ trường nhỏ đòi hỏi độ chính xác và độ ồn định cao, hệ đo từ-điện đơn giản dùng cuộn Helmholtz tạo từ trường một chiều
đã được sử dụng (hình 2.13). Trong hệ đo này, cuộn Helmholtz được nuôi bởi
nguồn dòng nanoampe có thé cung cấp từ trường tới 30 Oe và độ chính xác là 10 nOe. Từ trường xoay chiều kích thích được cung cấp bởi một cuộn solenoid (xem 2.2) va được nuôi bởi máy khuếch đại lock — in.
Hình 2.13: Hệ do từ-điện trong dai từ trường thấp (-30 đến 30 Oe)
2.5.2. Phương pháp tính hệ số thé từ-điện thuận
Theo nguyên lý hoạt động của hiệu ứng từ-điện thuận, khi có từ trường
ngoài tác dụng vào vật liệu tô hợp từ-điện dạng lớp thì lớp vật liệu từ giảo sẽ bị biến dạng (biến dạng uốn). Ứng suất do lớp từ giảo sinh ra từ quá trình biến dạng sẽ được truyền một phần sang lớp vật liệu áp điện thông qua các liên kết ứng suất (lớp keo kết dính). Kết quả của quá trình này được biểu hiện thông qua điện tích cảm ứng trên bề mặt của tắm áp điện. Tuy nhiên lượng điện tích này suy giảm rất
nhanh theo thời gian do quá trình phóng điện (tương tự như trên tụ điện). Nguyên
nhân này dẫn đến việc xác định hệ số thế từ-điện thông qua điện tích cảm ứng là rất phức tạp và đòi hỏi các thiết bị đo đạc chuyên dụng. Dé khắc phục khó khăn trên, một phương án đo đạc hệ số thế từ-điện bằng thực nghiệm khác đã được đề
48
xuất và dần trở nên thông dụng bởi ưu điểm là đơn giản và không đòi hỏi các thiết bị đo đạc phức tạp. Theo đó thì một từ trường xoay chiều kích thích sẽ được bổ sung bên cạnh từ trường một chiều. Do có sự xuất hiện của từ trường xoay chiều kích thích nên vật liệu sẽ bị biến dạng liên tục (theo tần số của từ trường xoay chiéu) và tương ứng với đó là sự xuất hiện liên tục của điện tích cảm ứng.
Khi đó việc xác định hệ số thế từ-điện sẽ thông qua việc xác định điện áp lối ra giữa hai bề mặt của tắm áp điện và được đo bằng các vôn kế.
Theo phương pháp này thì từ trường tác dụng lên vật liệu có dạng:
H = Hạ. + hac = Hac + hạ. sin(wt) (2.2)
Khi đó, hệ số thé thé từ-điện ag được xác định qua điện áp lối ra Vwr được đo trực tiếp từ tam áp điện theo công thức:
a 10Vue (2.3)
?` t 0H
với t là chiêu dày của tâm áp điện.
Hàm sô Vme theo từ trường có thê được biêu dién như sau:
Vur = ƒ(hạ.) (2.4) Ta có thé khai triển biểu thức dưới dang chuỗi Taylor theo biéu thức:
o 1 anf (2.5)
Vụp = ằ =. chu." ME n=o TH ORac In no
Vụ; = const + “h„¿ + Blac? + yhạcŠ + -- (2.6)
ở day:
af(h 2.7
const = fMac)Ingexo ằ ô= ue (27)ễhạc |n,.-0
_10°f (hac) y = 189/ (hac)
2 Ahac* In so. 6 hac | _ọ
49
Do hạ ô Hạe(hạ/Hạ„ — 0) nờn cú thể bỏ qua cỏc số hạng bậc cao của hac trong công thức (2.6). Khi đó biểu thức (2.6) có thê được viết lại đưới dạng:
af (2.8)
Vụp = Vu lnac=0 + Ôh„„ neo
hay
AVwp = Vựụp — Vue lnac=0 Ha. hac = Œ. hạ. sin(wt) (2.9)
Theo (2.9) thì tín hiệu thu được AW„z là một tín hiệu xoay chiều có cùng tần số với tần số của từ trường xoay chiều kích thích. Trong các phép đo thực nghiệm thì giá trị điện thế lối ra thu được là giá trị biên độ của tín hiệu:
llAVuzl|| = ứ. họ
Bên cạnh đó lại có:
Of of OH _ of (2.10)
Ohae OH'Ohge OH
Từ các tinh toan trên rút ra được biêu thức:
_ 9ƒ _ 9ƒ am _— 0Hhac=0
WAV ive ll (2.11)
hac=0 họ
a
Khi đó, biểu thức mối liên hệ giữa hệ số thế từ-điện với từ trường và độ dày của tắm áp điện được viết tổng quát dưới dạng:
— ỉE _ 16Vmp _ 10Vmg _ ||AVwpl|| (2.12)
OH t90H tôh„ t.họ
aE
Công thức này sẽ được sử dung dé tính toán hệ số thé từ-điện trong các
phép đo thực nghiệm của luận án.