- 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 xỏc ủịnh nhiệt ủộ Curie của vật liệu sắt từ.
4.2. Cơ sở lý thuyết
Cỏc vật liệu sắt từ (Fe, Ni, Co, ferit,...), nếu ủược ủặt trong từ trường ngoài B0
ur
thì chúng sẽ bị từ hoá (nhiễm từ tính) rất mạnh. Nguyên nhân là do bên trong khối sắt từ khi ủú xuất hiện một từ trường phụ B/
uur
cùng hướng và rất lớn so với B0
uur
. Vì vậy từ trường tổng hợp trong khối sắt từ có giá trị bằng :
0 B' B0
B
B= + =à (4.1)
Hệ số tỷ lệ à gọi là ủộ từ thẩm tỷ ủối của sắt từ. Trị số của à phụ thuộc phức tạp vào ủộ lớn của B0
uur
và cú thể ủạt tới 104 ữ 105, nghĩa là từ trường tổng hợp trong khối sắt từ cú thể lớn gấp hàng vạn lần so với từ trường ngoài. Do ủặc tớnh này, cỏc vật liệu sắt từ ủược dựng rộng rói trong kỹ thuật ủiện ủể làm lừi từ của biến thế ủiện, ủộng cơ ủiện, nam chõm ủiện, rơle ủiện từ,...
Cú thể giải thớch ủặc tớnh của sắt từ bằng thuyết miền từ hoỏ tự nhiờn. Theo thuyết này, cấu trúc của khối sắt từ gồm các miền rất nhỏ cỡ 10–5 ÷ 10–6 (m) gọi là miền từ hoỏ tự nhiờn. Trong mỗi miền, do cú "lực tương tỏc trao ủổi", mụmen từ spin của cỏc ờlectrụn ủịnh hướng song song với nhau, tạo thành miền từ hoỏ ủến mức bão hoà.
Nếu chưa có từ trường ngoài, mômen 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 tớnh. Nếu ủặt vào từ trường khỏ mạnh, trong khối sắt từ sẽ xảy ra quỏ trỡnh
"dịch chuyển vách" của các miền từ hoá tự nhiên và quá trình "quay mômen từ"
của các miền này theo hướng song song với từ trường ngoài B0 uur
. Kết quả là cả khối sắt từ trở thành một miền từ hoỏ cú mụmen từ rất lớn, do ủú gõy ra từ trường phụ B'
uur
cùng hướng và rất lớn so với từ trường ngoài B0 uur
.
Tuy nhiờn, nếu khối sắt từ bị nung núng ủến nhiệt ủộ T ≥ TC thỡ chuyển ủộng nhiệt của cỏc nguyờn tử sẽ tăng mạnh, phỏ vỡ cấu trỳc của cỏc miền từ hoỏ
Thực hành Vật lý Chất rắn
22
tự nhiờn, làm mất ủặc tớnh của sắt từ. Khi ủú ủộ từ thẩm của sắt từ giảm rất nhanh tới giỏ trị à ≈ 1 và B ≈ B0. TC gọi là nhiệt ủộ Curie, giỏ trị của nú phụ thuộc vào bản chất của sắt từ.
Vớ dụ: nhiệt ủộ Curie của Fe là 780 0C, của Ni là 350 0C, của hợp kim 30%
Ni – 70% Fe là 800C ÷ 850C, ...
Nhiệt ủộ Curie TC của vật liệu sắt từ cú ý nghĩa thực tế. Nếu biết TC, ta cú thể chọn khoảng nhiệt ủộ làm việc thớch hợp ủối với cỏc linh kiện ủiện và ủiện tử cú sử dụng lừi sắt từ. Mặt khỏc, sự biến ủổi ủột biến của ủộ từ thẩm à của sắt từ ở nhiệt ủộ Curie cũng ủược ứng dụng ủể chế tạo cỏc bộ cảm biến, cỏc rơle nhiệt- ủiện từ dựng ủiều khiển tự ủộng nhiệt ủộ trong cỏc lũ hơi, nồi cơm ủiện ,...
Trong bài thớ nghiệm này, ta sẽ xỏc ủịnh nhiệt ủộ Curie TC của vật liệu sắt từ bằng phương phỏp cảm ứng ủiện từ. Sơ ủồ nguyờn lớ của phương phỏp ủược thể hiện như 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: R1, R2 là ủiện 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 vũng dõy N1 của cuộn sơ cấp S và tỷ lệ với ủộ từ thẩm tỷ ủối à của thanh sắt từ ủặt bờn trong cuộn dõy ủú.
Nếu ủặt hiệu ủiện thế xoay chiều u1 vào hai ủầu cuộn sơ cấp S, trong cuộn dõy sẽ cú dũng ủiện xoay chiều i1 chạy qua và làm xuất hiện suất ủiện ủộng tự cảm ε1Ccó giá trị:
dt N d
c
0 1 1
− Φ
ε = (4.2)
Với N1 là số vòng dây, còn
dt Ldi dt
dΦ0 = 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:
R c
i
u1= 1 1−ε1 ⇒ε1c =i1R1−u1 (4.3) Vì cuộn dây thứ cấp T quấn chồng lên cuộn dây sơ cấp S trên cùng lõi ferit F, nờn tốc ủộ biến thiờn từ thụng gửi qua mỗi vũng dõy của cuộn thứ cấp T cũng bằng
dt dΦ0
, do ủú suất ủiện ủộng cảm ứng e2c xuất hiện trong cuộn dõy thứ cấp T có giá trị bằng :
dt N d
c
0 2 2
− Φ
ε = (4.4)
Với N2 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 : )
(1 1 1
1 2
2 i R u
N N
c = −
ε (4.5)
Khi nung núng thanh lừi sắt từ ủến nhiệt ủộ Curie TC, ủộ từ thẩm tỷ ủối của ferit giảm nhanh xuống ủến gớỏ trị à ≈1và hệ số tự cảm L của cuộn sơ cấp S cũng giảm xuống ủến giỏ trị rất nhỏ, thực thế cú thể coi L≈0. Khi ủú suất ủiện ủộng tự cảm trong cuộn sơ cấp S cú giỏ trị ε1c≈0và u1≈i1R1. Từ cụng thức (4.5), ta suy ra: ε2c≈0 và dũng ủiện cảm ứng chạy trong cuộn thứ cấp T cũng giảm xuống ủến giỏ trị ic ≈0 .
Như vậy, muốn xỏc ủịnh nhiệt ủộ Curie TC của thanh ferit F, ta chỉ cần theo dừi giỏ trị của dũng cảm ứng iC chạy qua cuộn dõy thứ cấp T thay ủổi phụ thuộc nhiệt ủộ của thanh ferit F .
4.3. Dụng cụ thí nghiệm
- Bảng lắp rỏp mạch ủiện và hộp chõn ủế kớch thước 30 x 50 x 10 cm.
- Thanh sắt từ.
- 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 0C):
ủặt bờn trong hộp chõn ủế.
- Milivụn kế DC (0 – 100 mV); Micrụampe kế AC ( 0 – 100 àA).
Thực hành Vật lý Chất rắn
24
- Nguồn ủiện xoay chiều 50V – 1A và nguồn ủiện xoay chiều 3V – 1A (cú khóa K3).
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 ủược ủặt ở bờn trong lũ ủiện ð. Lũ ủiện ð nối với nguồn ủiện xoay chiều AC 50V, nú gồm hai cuộn dõy ủiện trở giống nhau mắc nối tiếp và ủược quấn ngược chiều nhau sao cho khi cú dũng ủiện chạy qua chỳng thỡ thanh ferit F bị nung núng, nhưng từ trường của hai cuộn dõy trong lũ ủiện triệt tiêu lẫn nhau.
Nhiệt ủộ T của thanh ferit F ủo bằng cặp nhiệt C mắc nối tiếp với milivụnkế mV. Hai cuộn dõy cảm ứng cuộn sơ cấp S và cuộn thứ cấp T, ủược quấn chồng lờn nhau bao quanh lũ ủiện ð. Cuộn sơ cấp S nối với nguồn ủiện xoay chiều AC 3V và cuộn thứ cấp T nối với micrụampekế àA.
4.4. Các bước tiến hành thí nghiệm:
Bước 1: Nối hai ủầu cuộn sơ cấp với nguồn ủiện xoay chiều 3V (ứng với khúa K3); nối lũ ủiện với nguồn ủiện xoay chiều 50 V (ứng với khúa K2); Nối hai ủầu cặp nhiệt vào mV kế và hai ủầu cuộn thứ cấp với àA.
Bước 2: Hiệu chỉnh số “0” cho milivônkế
- Dựng một dõy dẫn cú hai ủầu phớch nối ủoản mạch hai cực của milivụnkế.
- Cung cấp nguồn ủiện xoay chiều 220V cho bộ thớ nghiệm và bật cụng tắc K: ủốn LED phỏt sỏng màu ủỏ bỏo hiệu ủó cú ủiện vào bộ thớ nghiệm.
- Quan sỏt trờn ủồng hồ milivụnkế: nếu thấy kim của nú lệch khỏi vị trớ số 0 thỡ vặn từ từ nỳm xoay ủể ủưa kim chỉ thị quay về ủỳng số 0. Giữ nguyờn vị trớ này trong suốt quỏ trỡnh ủo. Tắc cụng tắc K ủể thực hiện bước tiếp theo.
25
Bước 3: Bật cụng tắc K và K3; ủốn LED của nguồn ủiện xoay chiều 3V phỏt sỏng. Cuộn sơ cấp S ủó ủược nối với nguồn ủiện xoay chiều 3V, ủồng thời miliampe kế chỉ giỏ trị dũng ủiện cảm ứng IC chạy qua cuộn dõy thứ cấp. Ghi lại giỏ trị IC ứng với suất nhiệt ủiện ủộng Enủ = 0 vào bảng số liệu 4.1.
Bước 4: Bật cụng tắc K2; ủốn LED của nguồn ủiện xoay chiều 50V phỏt sỏng, lũ ủiện ð ủược nối với nguồn ủiện xoay chiều 50V, làm cho nhiệt ủộ của thanh sắt từ bắt ủầu tăng dần. Khi ủú suất nhiệt ủiện ủộng Enủ của cặp nhiệt chỉ thị trên milivôn kế cũng tăng dần.
Theo dừi sự biến thiờn của dũng ủiện cảm ứng IC trờn Microampe kế thay ủổi theo nhiệt ủộ của thanh sắt từ (biểu thị qua suất nhiệt ủiện ủộng Enủ của cặp nhiệt, chỉ thị trên Milivôn kế). Cứ mỗi biến thiên một vạch trên Milivôn kế lại ủọc và ghi cỏc giỏ trị tương ứng của IC vào bảng 4.1 cho ủến khi IC giảm ủến gần 0 thỡ tắt cụng tắc K2 (tắt lũ ủiện ð).
Bước 5: Theo dừi tiếp quỏ trỡnh giảm nhiệt ủộ của lũ, khi nhiệt ủộ giảm thỡ dũng ủiện IC tăng dần lờn, ủọc cỏc cặp giỏ trị IC và Enủ từ nhiệt ủộ TC về ủến nhiệt ủộ phũng tp ghi số liệu vào bảng 3.1 cỏc ủại lượng sau:
Bảng 4.1
Khi nhiệt ủộ tăng Khi nhiệt ủộ giảm Enủ
(mV) IC (àA) Enủ
(mV) IC (àA) Enủ
(mV) IC (àA) Enủ
(mV) IC (àA)
Bước 6:
- Dựng nhiệt kế xỏc ủịnh nhiệt ủộ phũng thớ nghiệm tp và ủộ chớnh xỏc của nhiệt kế.
- Xỏc ủịnh giỏ trị cực ủại Um của thang ủo và cấp chớnh xỏc δV của milivụn kế.
- Giỏ trị cực ủại Im của thang ủo và cấp chớnh xỏc δA của miliampe kế.
4.5. Xử lý số liệu thí nghiệm
4.5.1. Vẽ ủồ thị IC = f(Enủ) và Enủ = α(t – tp)
- Từ bảng số liệu 4.1, sử dụng phần mềm Origin ủể vẽ ủồ thị IC = f(Enủ) ứng với 2 trường hợp khi nhiệt ủộ tăng và giảm.
Thực hành Vật lý Chất rắn
26
- Vẽ ủồ thị Enủ = f(t – tp): khi (t – tp) = 0 thỡ Enủ = 0; khi (t – tp) = 1000C thỡ Enủ = 6,2 mV. Nối 2 ủiểm này lại ta ủược ủồ thị Enủ = f(t – tp) là ủường thẳng; Fit ủường thẳng này theo dạng hàm tuyến tớnh, ta thu ủược dạng hàm Fit của ủồ thị Enủ = f(t – tp)
4.5.2. Xỏc ủịnh nhiệt ủộ chuyển pha TC
- Trờn cỏc ủồ thị IC = f(Enủ) ta chọn phần dốc nhất của ủồ thị. Kẻ và kộo dài tiếp tuyến của ủoạn này cắt trục hoành (Enủ) tại một ủiểm. Xỏc ủịnh giỏ trị xuất ủiện ủộng EC tại ủiểm này ứng với 2 trường hợp khi nhiệt ủộ tăng và giảm.
- Thay cỏc giỏ trị EC này vào hàm Fit Enủ = f(t – tp) ở trờn ta thu ủược cỏc giá trị (tC – tp) tương ứng.
- Dựa vào giỏ trị nhiệt ủộ phũng tp xỏc ủịnh ủược nhiệt ủộ Curie: tC1 khi nhiệt ủộ tăng và tC2 khi nhiệt ủộ giảm.
- Giá trị trung bình:
2
2
1 c
c c
t t =t +
- Sai số tuyệt ủối trung bỡnh:
∆tc1= tc−tc1 ,∆tc2 =tc−tc2 ;
2
2
1 c
c c
t t = ∆t +∆
∆ - Viết kết quả: tc =tc±∆tc
c c
t
∆t ε = . 4.6. Trả lời câu hỏi
1. Nờu rừ ủặc tớnh của sắt từ. ðịnh nghĩa nhiệt ủộ Curie. Nờu ý nghĩa và ứng dụng của nhiệt ủộ Curie.
2. Trỡnh bày phương phỏp xỏc ủịnh nhiệt ủộ Curie của sắt từ trong bài thớ nghiệm này.
3. Tại sao ủồ thị IC = f(Enủ) cú dạng như hỡnh vẽ sau?
27