intTypePromotion=3

Luận văn tốt nghiệp Vật lí: Thiết kế bài giảng thí nghiệm đo chu trình từ trễ

Chia sẻ: Lavie Lavie | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:79

0
35
lượt xem
3
download

Luận văn tốt nghiệp Vật lí: Thiết kế bài giảng thí nghiệm đo chu trình từ trễ

Mô tả tài liệu
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn tốt nghiệp Vật lí: Thiết kế bài giảng thí nghiệm đo chu trình từ trễ nêu lên cơ sở lý thuyết (nguồn gốc từ của nguyên tử, chất sắt từ và chu trình từ trễ,...); thí nghiệm và thiết kế thí nghiệm đo chu trình từ trễ. Mời các bạn tham khảo tài liệu để nắm bắt rõ hơn những nội dung này.

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Luận văn tốt nghiệp Vật lí: Thiết kế bài giảng thí nghiệm đo chu trình từ trễ

  1. 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 TÒA Sinh viên thực hiện : TRẦN VĂN QUỐC Niên khóa: 2009-2013 Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 5 năm 2013
  2. 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 TÒA Sinh viên thực hiện : TRẦN VĂN QUỐC Ngành: : Sư Phạm Vật Lý Mã số : 102071 Niên khóa: 2009-2013 Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2012
  3. Trang 1 MỤC LỤC MỤC LỤC .................................................................................................................. 1 LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................. 3 MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 4 Chương 1. Cơ sở lí thuyết ............................................................................................. 8 1.1. Nguồn gốc từ của nguyên tử .............................................................................. 8 1.2. Nguyên tử trong từ trường ngoài – hiệu ứng nghịch từ ..................................... 11 1.3. Chất sắt từ và 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 2. 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 và nguyên lí hoạt động ................................... 32 2.4. Kết quả và giải thích kết quả thí nghiệm .......................................................... 37 a. Kết quả thí nghiệm......................................................................................... 37 b. Phân tích kết quả thí nghiệm .......................................................................... 43
  4. Trang 2 c. Xử lí số liệu và nhận xét ................................................................................ 45 d. Các kết quả chưa chính xác, nguyên nhân, giải thích và cách khắc phục ........ 48 Chương 3. Thiết kế bài thí nghiệm “Đo chu trình từ trễ” ............................................. 52 3.1. Mục đích bài 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 quả đo ........................................................................................ 64 3.6. Câu hỏi ............................................................................................................ 68 KẾT LUẬN .................................................................................................... 68 TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................ 69 PHỤ LỤC ........................................................................................................ 71
  5. Trang 3 LỜI CẢM ƠN Để thực hiện được đề tài này, bên cạnh sự nỗ lực của bản thân, em luôn nhận được sự quan tâm giúp đỡ và hướng dẫn tận tình từ các thầy cô, sự ủng hộ nhiệt tình từ gia đình và bạn bè. Em xin gửi lời cám ơn sâu sắc đến: Ban chủ nhiệm khoa Vật Lý – Trường Đại học Sư Phạm TP. HCM và các thầy cô trong khoa đã tận tình truyền đạt tri thức và những kinh nghiệm quí báu cho chúng em trong suốt khóa học. Thầy Trương Đình Tòa, người đã hết lòng hướng dẫn, giúp đỡ và động viên em trong suốt thời gian thực hiện và hoàn thành bài luận văn này. Thầy Nguyễn Hoàng Long, cô Nguyễn Thanh Loan và cô Ngô Thị Phương đã hết lòng giúp đỡ, tạo điều kiện cho chúng em thực hiện và hoàn thành luận văn này. Tiến sĩ Andreas Kastner, giám đốc bán hàng khu vực Đông Á của công ty LD DIDACTIC GmbH và Tiến Sĩ Nguyễn Minh Hoàng giám đốc công ty cổ phần thiết bị Thắng Lợi (Victory Instruments JSC) đã quan tâm và giúp đỡ em hoàn thành luận văn này. Sau cùng em xin cảm ơn và kính chúc sức khỏe Hội đồng xét duyệt luận văn Khoa Vật lý – Trường Đại học Sư phạm TP.HCM.
  6. Trang 4 Do thời gian tương đối ngắn, kiến thức của bản thân chưa sâu nên dù đã cố gắng nhưng luận văn cũng không thể tránh khỏi hạn chế và thiếu sót. Em rất mong được được sự đóng góp ý kiến, phê bình xây dựng từ phía thầy cô, bạn bè. Em xin chân thành cảm ơn!
  7. Trang 5 Mở đầu Vật lý hay các ngành khoa học khác đều phải dựa trên dữ kiện thực tiễn để xác nhận các lý thuyết của mình và lịch sử đã chứng minh rằng phương pháp thực nghiệm thực sự có vai trò vô cùng quan trọng, đã được Galilee tìm ra từ thế kỉ 17. Cho đến nay, phương pháp thực nghiệm vẫn giữ vững vai trò của nó, nó như một chiếc cân đong đếm sự đúng sai hay mức độ phù hợp của một lý thuyết nào đó. Các kết quả thực nghiệm còn vạch ra con đường cho các nhà khoa học tìm đến với chân lí khoa học thực sự. Hay nói tóm lại thực nghiệm trong khoa học nói chung hay trong vật lý nói riêng là hết sức quan trọng. Cùng với sự phát triển không ngừng của khoa học, các thiết bị thí nghiệm, các mô hình thí nghiệm, các phương pháp thí nghiệm mới ra đời ngày càng tinh vi hơn, chính xác hơn và dễ sử dụng hơn, để đáp ứng yêu cầu nghiên cứu, học hỏi, kiểm nghiệm thực tế ngày càng nhiều của các nhà khoa học, trong đó có cả học sinh, sinh viên. Tuy nhiên ở nước ta, do điều kiện còn nhiều hạn chế nên chỉ mới tiếp cận được với một phần nhỏ các thí nghiệm thực nghiệm của thế giới, chưa đáp ứng được nhu cầu của các nhà khoa học cũng như học sinh sinh viên trong nước. Mặt khác, một số thí nghiệm tiếp cận được nhưng vẫn chưa được đưa vào sử dụng do vẫn chưa được nghiên cứu kỹ. Từ thực tiễn đó, tác giả nhận thấy rằng việc nghiên cứu để vận dụng tốt bộ thí nghiệm mà chúng ta đã tiếp cận được là một vấn đề đáng phải quan tâm, chú trọng. Do đó mục đích của luận văn này là nghiên cứu tìm hiểu nguyên lí hoạt động, cách sử dụng của một thí nghiệm mà chúng ta đã có, tuy nhiên chưa được đưa vào sử dụng, từ đó tổng hợp tài liệu và thiết kế một bài thí nghiệm hoàn chỉnh để đưa vào phục vụ nghiên cứu cũng như học tập.
  8. Trang 6 Trong quá trình nghiên cứu, tác giả nhận thấy rằng bộ thí nghiệm đo chu trình từ trễ (đặc trưng của chất sắt từ mà khi nghiên cứu nó sẽ cho chúng ta biết các tính chất đặc biệt của chất sắt từ) là một bộ thí nghiệm hay và rất phù hợp với mục đích của luận văn đã đề cập ở trên. Bên cạnh sự phát triển không ngừng của khoa học, không thể không kể tới vai trò vô cùng quan trọng của vật liệu từ, đặt biệt là chất sắt từ. Ngay cả trong cuộc sống hằng ngày, ở phạm vi gia đình chúng ta cũng có thể tìm được nam châm hay vật liệu từ trong vô số các vật dụng quanh ta như điện thoại, động cơ điện, loa, ti vi, chuông điện, thẻ tính dụng, băng casette…hay đơn giản chỉ là dụng cụ để đính các tờ ghi chú lên bảng hay cửa tủ lạnh, ngoài phạm vi gia đình, ở mọi lĩnh vực nam châm hay vật liệu từ đều đóng một vai trò vô cùng quan trọng. Vật liệu từ đã trở thành quen thuộc đối với mọi người tuy nhiên ít có ai biết được nguồn gốc từ tính của vật liệu là do đâu ngay cả đối với nhiều sinh viên. Tại sao trong các vật liệu từ thì sắt từ lại có từ tính mạnh hơn nhiều so với các vật liệu từ khác? Nghiên cứu các tính chất của chất sắt từ như thế nào?... Đó là những câu hỏi mà chính tác giả đã đặt ra trong quá trình nghiên cứu của mình. Vì những lí do trên cũng như trong giới hạn thời gian làm luận văn tác giả xin trình bày các phần cụ thể như sau:  Lý thuyết về chất sắt từ và chu trình từ trễ.  Lý thuyết để giải thích các tính chất của chất sắt từ.  Phương pháp tính sai số trong thực nghiệm.  Tìm hiểu cơ sở lý thuyết, dụng cụ và nguyên lí hoạt động của bộ thí nghiệm đo chu trình từ trễ.  Xử lí và giải thích kết quả đo đạt được với bộ thí nghiệm.  Xây dựng bài thí nghiệm hoàn chỉnh “Đo chu trình từ trễ”.
  9. Trang 7 Phƣơng pháp: Tìm kiếm tài liệu, đọc, đánh giá nội dung, phân tích, tổng hợp, trình bày lại theo một bố cục hợp lý, thực nghiệm. Bố cục luận văn: dựa vào mục tiêu và các nội dung trên, trừ phần mở đầu và phần kết luận, luận văn này được chia thành ba chương, cụ thể như sau:  Chương 1: CƠ SỞ LÍ THUYẾT. Chương này sẽ trình bày lại nguồn gốc từ của nguyên tử, tương tác từ nguyên tử với từ trường ngoài và hiệu ứng nghịch từ. Kế tiếp sẽ trình bày về chất sắt từ và chu trình từ trễ, lí thuyết để giải thích các tính chất của chất sắt từ và phương pháp để tính sai số trong thực nghiệm.  Chương 2: THÍ NGHIỆM ĐO CHU TRÌNH TỪ TRỄ. Trình bày về cơ sở lí thuyết, phương pháp, dụng cụ và kết quả thí nghiệm, và giải thích kết quả thí nghiệm.  Chương 3: THIẾT KẾ BÀI THÍ NGHIỆM ĐO CHU TRÌNH TỪ TRỄ. Chương này trình bày lại kĩ lưỡng từ cơ sở lí thuyết của bài thí nghiệm đến các bước tiến hành thí nghiệm, phương pháp tính sai số và trình bày kết quả thí nghiệm.
  10. Trang 8 CHƢƠNG 1. CƠ SỞ LÍ THUYẾT Trong chương này tác giả sẽ trình bày lại nguồn gốc từ của nguyên tử cũng như là của vật liệu từ nhằm tạo tiền đề cho việc giải thích hiện tượng từ trễ - đối tượng nghiên cứu chính của luận văn này. Trong phần này sẽ mô tả cơ chế tạo thành từ nguyên tử và tương tác của từ nguyên tử với từ trường ngoài, tiếp theo sẽ giới thiệu về chất sắt từ, lí thuyết Wiess về hiện tượng sắt từ và giải thích hiện tượng từ trễ. Cuối cùng để thuận lợi cho việc tính toán, xử lí số liệu ở chương kế tiếp, luận văn sẽ trình bày về phương pháp tính sai số trong thực nghiệm. Nội dung của chương này được tham khảo chủ yếu trong các tài liệu [1][2][3][4][5]. 1.1. Nguồn gốc từ của nguyên tử Thực nghiệm đã chứng tỏ, mọi vật khi đặt trong từ trường đều sẽ bị từ hoá [1] tức là trở nên có từ tính. Nhưng từ tính của vật liệu mạnh hay yếu cũng như các tính chất của nó là khác nhau đối với các vật liệu khác nhau tuỳ thuộc vào bản chất của vật liệu và cả nhiệt độ của vật liệu [1][2]. Chúng ta đã biết nguyên tử được cấu tạo từ một hạt nhân mang điện tích dương và các electron mang điện tích âm. Theo lí thuyết cổ điển các electron quay xung quanh hạt nhân trên những quĩ đạo tròn có bán kính xác định, do đó tương Hình 1.1: Nguyên tử cô lập có đương với những dòng điện kín, mà dòng một electron quay quanh hạt nhân điện thì sinh ra từ trường, như vậy sự
  11. Trang 9 chuyển động của các electron đã sinh ra từ trường. Để đơn giản ta xét một nguyên tử cô lập có một electron chuyển động quanh hạt nhân với bán kính quĩ đạo là r xác định, gọi T và v là chu kì và vận tốc dài của electron. Ta có: 2 r T (1.1) v Moment từ pm của một dòng điện tròn có vecto diện tích S được cho bởi: pm  i.S (1.2) Với i là dòng điện tương ứng với chuyển động của electron bằng điện lượng đi qua một điểm bất kì trên quĩ đạo của electron trong một đơn vị thời gian, vậy: e ev i  (1.3) T 2 r Diện tích S bao quanh bởi quĩ đạo electron là: S   r2 (1.4) Như vậy moment từ của e có chiều như hình vẽ và có độ lớn cho bởi : evr pm  , (1.5) 2 Thực nghiệm và lí thuyết đã chứng tỏ, moment từ của electron chưa phải là pm nguồn gốc từ của nguyên tử, để thấy rõ điều này ta xét tỉ số được gọi là tỉ số từ cơ, l trong đó l là moment động lượng quĩ đạo của electron, đặc trưng cho chuyển động
  12. Trang 10 quay xung quanh hạt nhân của electron, còn gọi là moment động lượng obitan của electron: l  r  mv  l  mrv (1.6) Từ đó ta có: , (1.7) dấu trừ thể hiện l và pm hướng ngược chiều nhau. Thí nghiệm của Einstein và Đơhats (năm 1915) và thí nghiệm của Iofe-kapitxa (năm 1917) cho thấy tỉ số từ cơ của sắt lại bằng gấp đôi giá trị thu được từ (1.7)[1] tức pm e là:  . (1.8) l m Để giải thích kết quả này người ta cho rằng electron còn phải có thêm các moment riêng mà lúc đầu người ta nghĩ rằng ngoài sự quay quanh hạt nhân, electron còn tự quay quanh một trục đi qua nó [1]. Để đặc trưng cho các moment riêng này người ta đưa vào đại lượng moment spin, như vậy, electron ngoài moment từ obital pm và moment động lượng obital l còn có moment từ riêng hay còn gọi là moment từ spin pms và moment cơ riêng hay còn gọi là spin ls , tỉ số từ cơ spin bằng : pms e  (1.9) ls m Sau này người ta thấy rằng khái niệm spin hiểu theo nghĩa tự quay là hoàn toàn không đúng, vật lí ngày nay thừa nhận rằng spin là một khái niệm thuần tuý lượng tử, không có trong cơ học cổ điển, nó là một thuộc tính nội tại của các electron tương tự như khối lượng và điện tích của nó.
  13. Trang 11 Tóm lại, mỗi electron trong nguyên tử có một moment từ obital Pm , moment động lượng obital l , moment từ spin pms và moment cơ spin ls . Nếu nguyên tử có Z electron thì moment từ của cả nguyên tử sẽ bằng: Z Pm   ( pmi  pmsi ) (1.10) i 1 Và tổng các moment động lượng trong nguyên tử sẽ bằng: Z L   (li  lsi ) (1.11) i 1 Vậy, nguồn gốc từ của nguyên tử chính là moment từ của electron có được do sự quay quanh hạt nhân và spin. Ở đây ta bỏ qua moment từ của hạt nhân vì moment từ 2 của các hạt cấu tạo nên hạt nhân chỉ xấp xỉ bằng moment từ của electron [1]. 1000 Ta vừa tìm hiểu về nguồn gốc từ của nguyên tử, nhưng như chúng ta sẽ thấy trong phần kế tiếp đây, nguyên tử còn có thêm một mement từ phụ khi chúng ta đặt nó vào trong từ trường ngoài, moment từ phụ cũng góp phần khá quan trọng trong việc thể hiện các tính chất của vật liệu từ. 1.2. Nguyên tử trong từ trƣờng ngoài – hiệu ứng nghịch từ Ở phần trên ta đã biết mỗi nguyên tử đều có một moment từ Pm là tổng tất cả các moment từ do các electron trong nguyên tử tạo thành. Như vậy, khi đặt nguyên tử trong từ trường B0 thì nó sẽ bị tác dụng một moment lực  được xác định bằng:
  14. Trang 12   Pm  B0 (1.12) Dưới tác dụng của moment lực  thì Pm có xu hướng quay về trùng với B0 , tuy nhiên, do chuyển động của electron quanh trục giống như một con quay, do đó dưới tác dụng của moment lực  thì electron sẽ thực hiện thêm chuyển động tuế sai xung quanh phương của từ trường B0 chứ không quay về trùng với B0 , tức là lúc này mặt phẳng quĩ đạo của electron chao đi chao lại quanh B0 và trục của mặt phẳng quĩ đạo tức là các vecto Pm và l sẽ vẽ nên các mặt nón tròn xoay xung quanh B0 như hình vẽ. Như vậy, electron thực hiện thêm một chuyển động tuế sai và quĩ đạo của chuyển động tuế sai do electron vẽ ra là một đường tròn. Tất nhiên, là cũng tương đương với một dòng điện kín do đó Hình 1.2: Nguyên tử chuyển động tuế sai này của electron cũng gây trong từ trƣờng ngoài ra một moment từ được gọi là moment từ phụ có biểu thức vecto là: e2 Zr 2 Pm   B0 , (1.13) 6m hiệu ứng tạo thành moment từ phụ ngược chiều với từ trường ngoài như trên được gọi là hiện ứng nghịch từ.
  15. Trang 13 Như vậy, ngoài moment từ Pm thì nguyên từ còn có thêm moment từ phụ Pm khi được đặt trong từ trường ngoài, tuy nhiên moment từ phụ này rất nhỏ so với moment từ nguyên tử, nên hiệu ứng nghịch từ chỉ được thể hiện rõ trong những chất mà có tổng các moment từ nguyên tử bằng 0 trước khi được đặt vào trong từ trường ngoài, những chất như thế được gọi là chất nghịch từ. Còn khi tổng các moment từ nguyên tử khác không trước khi đặt trong từ trường thì moment từ của nguyên tử lấn áp hoàn toàn moment từ phụ. Do đó, hiệu ứng nghịch từ không thể hiện rõ, mà thay vào đó moment từ nguyên tử lại được thể hiện rõ và đương nhiên là các moment từ nguyên tử luôn có xu hướng sắp xếp theo từ trường ngoài, do đó những chất này được gọi là chất thuận từ. Những chất thuận từ và nghịch từ nói trên là các loại vật liệu từ, tuy nhiên từ tính của chúng rất yếu nên ít được ứng dụng vào trong khoa học kĩ thuật cũng như đời sống. Một loại vật liệu từ khác được gọi là sắt từ, tuy nguồn gốc từ của chúng cũng giống như chất thuận từ, nhưng từ tính của chúng lại rất lớn và còn có những tính chất rất đặc biệt, trong phần kế tiếp tác giả sẽ trình bày rõ hơn về điều này. 1.3. Chất sắt từ và chu trình từ trễ Trong phần này chúng ta sẽ cùng tìm hiểu về chất sắt từ, chu trình từ trễ và lí thuyết để giải thích các tính chất của sắt từ, để thuận tiện cho việc nghiên cứu trước tiên ta cùng nhắc lại một đại lượng cơ bản sẽ được sử dụng nhiều trong phần này. a. Vecto từ độ J Là vecto đặc trưng cho mức độ từ hoá của vật liệu từ, được xác định bằng moment từ trên một đơn vị thể tích vật liệu từ P mi J V . (1.14) V
  16. Trang 14 Khi đặt vật liệu từ vào trong từ trường ngoài thì vật liệu từ sẽ sinh ra một từ trường phụ B’, thực nghiệm và 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 của từ trường ngoài đối với các chất thuận từ và nghịch từ, còn đối với chất sắt từ thì hoàn toàn khác, khác nhau như thế nào và tại sao lại như vậy ta cùng tìm hiểu ở phần sau. b. Chất sắt từ Sắt từ là một loại vật liệu từ mạnh, độ từ hoá của sắt từ có thể lớn gấp hàng trăm triệu lần của các chất thuận từ và nghịch từ [1]. Ta dễ dàng tìm thấy một vật bằng chất sắt từ trong cuộc sống hằng ngày mà thường gặp nhất đó chính là những thanh nam châm vĩnh cữu. Các nguyên tố hoá học có tính sắt từ là sắt, kền, coban, gadolini và một số các nguyên tố đất hiếm ở nhiệt độ rất thấp, còn có rất nhiều hợp kim cũng có tính sắt từ [1]. Sắt từ không những có từ tính mạnh, mà còn có nhiều tính chất khác, ví dụ như vecto từ độ không tỉ lệ thuận với vecto cảm ứng từ của từ trường ngoài như những chất thuận từ và nghịch từ … Để nghiên cứu các tính chất của sắt từ người ta cho chất sắt từ vào từ trường ngoài rồi thay đổi vecto cảm ứng từ B0 của từ trường ngoài và khảo sát sự thay đổi từ tính của chất sắt từ. Bằng phương pháp trên người ta đã ghi nhận được các đặc tính của chất sắt từ như:  Từ độ J không tỉ lệ thuận với cường độ từ trường ngoài H (tức là không tỉ lệ thuận với từ trường ngoài B0 vì B0  0 H với 0 là hằng số và khi H
  17. Trang 15 tăng đến một giá trị nào đó đủ lớn thì J đạt cực đại lúc này dù H có tăng thêm thì J cũng không tăng thêm. Hình 1.3: đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của J vào H  Độ từ thẩm phụ thuộc vào từ trường ngoài một cách phức tạp.  Mọi chất sắt từ đều có tính từ dư thể hiện ở chổ từ tính của chất sắt từ không mất đi hoàn toàn dù ngắt từ trường ngoài.  Khi bị từ hoá các chất sắt từ có hiện tượng từ giảo.  Nhiệt độ có ảnh hưởng đến tính sắt từ của vật liệu sắt từ. Nếu nhiệt độ của khối sắt từ tăng thì tính từ dư của nó giảm và nếu cao hơn một giá trị nào đó (được gọi là nhiệt độ Curi Tc) thì tính từ dư của nó mất hẳn, lúc này chất sắt từ trở thành chất thuận từ. Sắt từ có rất nhiều tính chất, tuy nhiên do giới hạn về thời gian nên trong phần kế tiếp đây chúng ta chỉ xét tới tính từ dư thể hiện bởi chu trình từ trễ, đối tượng nghiên cứu chính của luận văn này. c. Chu trình từ trễ
  18. Trang 16 Khi từ hoá vật liệu sắt từ người ta thấy rằng quá trình này không thuận nghịch do tính từ dư. Bằng cách thay đổi từ trường đặt vào vật liệu sắt từ rồi khảo sát từ trường của vật liệu đó ta vẽ được chu trình có dạng: Hình 1.4: chu trình từ trễ Đường OA được gọi là đường cong từ hoá, ứng với lần từ hoá đầu tiên (vật liệu chưa nhiễm từ). Khi tăng dần cường độ từ trường ngoài H từ 0, thì cảm ứng từ tổng hợp B trong lòng vật liệu sắt từ cũng tăng lên, tuy nhiên như chúng ta thấy là B không tăng tuyến tính theo H mà tăng một cách rất phức tạp. Khi H còn nhỏ thì B tăng tuyến tính theo H với tốc độ rất nhanh (đoạn OO’), nhưng khi H lớn thì không tăng tuyến tính nữa (đoạn O’A), khi H đạt đến giá trị H1 ứng với giá trị để từ độ J bảo hoà thì quá trình từ hoá kết thúc. Lúc này, nếu ta tiếp tục tăng H thì cảm ứng từ B trong lòng vật liệu sắt từ vẫn tăng lên một cách tuyến tính theo H nhưng không tăng nhanh như lúc đầu, điều này cũng dễ hiểu vì ta có: B  B0  B '  0 ( H  J ) . (1.16) Do đó, từ trường tổng hợp B trong lòng vật liệu sẽ tăng tuyến tính theo H khi J đã bảo hoà.
  19. Trang 17 Khi ta giảm từ trường H thì B lại giảm theo đường cong ABd và khi H=0 thì B vẫn bằng một giá trị Bd khác 0. Điều này thể hiện tính từ dư của sắt từ, khi đã ngắt hoàn toàn từ trường ngoài thì sắt từ vẫn giữ lại từ tính, Bd được gọi là cảm ứng từ dư. Để khử hoàn toàn từ dư thì phải đặt vào một từ trường ngược lại từ trường ban đầu, như ta thấy khi H=-Hc thì B=0, Hc được gọi là cường độ từ trường khử từ. Tiếp tục tăng từ trường từ -Hc đến –H1 thì sắt từ bị từ hoá ngược lai, tiếp tục như vậy khi ta giảm từ trường về 0 rồi lại đảo chiều từ trường và tăng đến giá trị H1 thì ta được đường cong A’C’A. Đường cong khép kín ACA’C’A được gọi là chu trình từ trễ. Bd, Hc và diện tích của chu trình từ trễ là những đặc trưng quan trọng của vật liệu sắt từ. Bd cho ta biết độ từ dư mà vật liệu có thể giữ lại được, Hc cho ta biết từ trường đủ để khử hoàn toàn từ dư của vật liệu, hai thông số này quyết định hình dạng của chu trình từ trễ. Ngoài ra, diện tích đường cong từ trễ B-H chính là năng lượng hao tổn trên một đơn vị thể tích, cần thiết để thực hiện một chu trình, cũng là một đặc trưng quan trọng của vật liệu sắt từ. Để thấy được điều này, giả sử ta xét một khối sắt từ đặt trong từ trường thay đổi tạo bởi một cuộn dây, ta có suất điện động cảm ứng xuất hiện trong cuộn dây được cho bởi: d d ( NBS ) dB e    NS (1.17) dt dt dt Theo định luật Lenz thì suất điện động cảm ứng xuất hiện có tác dụng chống lại nguyên nhân sinh ra nó. Như vậy, để duy trì dòng điện trong cuộn dây thì nguồn cần cung cấp một suất điện động đúng bằng e nhưng ngược hướng tức là: dB e  e  NS (1.18) dt
  20. Trang 18 Năng lượng tiêu thụ trong thời gian dt được tính theo công thức: dB dE  eIdt  NS Idt (1.19) dt N Mà cường độ từ trường do cuộn dây tạo ra có biểu thức H  nI= I , do đó biểu L thức trên ta có: dE  HLSdB  VHdB (1.20) E V    HdB (1.21) Các tính chất của sắt từ rất đặt biệt. Do đó, người ta đã tìm cách đưa ra lí thuyết để giải thích từ rất sớm, và từ năm 1907 thì nhà bác học Wieen đã đưa ra được giả thuyết để giải thích các tính chất của sắt từ được gọi là thuyết miền từ hoá tự nhiên, phần kế tiếp của luận văn sẽ giới thiệu sơ lược về lí thuyết này cũng như áp dụng vào giải thích tính chất sắt từ cụ thể là chu trình từ trễ. 1.4. Lý thuyết Wieen – domain từ - giải thích tính chất của sắt từ Để giải thích các tính chất của sắt từ, Wieen đã đưa ra lý thuyết về cấu trúc miền của sắt từ được gọi là thuyết miền từ hoá tự nhiên (Domain từ)[1]. Theo thuyết này, vật sắt từ được cấu tạo từ vô số các miền có kích thước nhỏ, dài khoảng 10-6m. Trong mỗi miền các moment từ spin định hướng song song với nhau, tạo thành miền từ hoá đến mức bão hoà (miền từ hoá tự nhiên hay còn gọi là Domain từ). Mỗi miền có một moment từ xác định, tuy nhiên, những miền khác nhau lại sắp xếp hỗn độn sao cho khi chưa đặt trong từ trường ngoài, moment từ của toàn bộ vật sắt từ luôn luôn bằng không.

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

 

Đồng bộ tài khoản