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

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 li

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA VẬT LÝ

  

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

Tên đề tài:

Giảng viên hướng dẫn: Th.S TRƯƠNG ĐÌNH TÒA Sinh viên thực hiện : TRẦN VĂN QUỐC

Niên khóa: 2009-2013

Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 5 năm 2013

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

Niên khóa: 2009-2013

Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2012

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

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

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

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!

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

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”

Phương 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

CHƯƠNG 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 đương với những dòng điện kín, mà dòng điện thì sinh ra từ trường, như vậy sự

Hình 1.1: Nguyên tử cô lập có

một electron quay quanh hạt nhân

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 v



Moment từ p m của một dòng điện tròn có vecto diện tích S được cho bởi:

.

m

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:

2

e ev i

T r

Diện tích S bao quanh bởi quĩ đạo electron là:

2

Như vậy moment từ của e có chiều như hình vẽ và có độ lớn cho bởi :

2

m

evr

Thực nghiệm và lí thuyết đã chứng tỏ, moment từ của electron chưa phải là

nguồn gốc từ của nguyên tử, để thấy rõ điều này ta xét tỉ số p m

l được gọi là tỉ số từ cơ,

trong đó l là moment động lượng quĩ đạo của electron, đặc trưng cho chuyển động

quay xung quanh hạt nhân của electron, còn gọi là moment động lượng obitan của electron:

(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

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

m

p và moment động lượng obital l còn có moment từ riêng hay còn gọi là moment từ spin p msvà moment cơ riêng hay còn gọi là spin l s, tỉ số từ cơ spin bằng :

ms s

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

Tóm lại, mỗi electron trong nguyên tử có một moment từ obital P m, moment

động lượng obital l , moment từ spin p msvà moment cơ spin l Nếu nguyên tử có Z s

electron thì moment từ của cả nguyên tử sẽ bằng:

1

Z

i



Và tổng các moment động lượng trong nguyên tử sẽ bằng:

1

Z

i si i



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

của các hạt cấu tạo nên hạt nhân chỉ xấp xỉ bằng 2

1000 moment từ của electron [1]

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 trường ngoài – hiệu ứng nghịch từ

Ở phần trên ta đã biết mỗi nguyên tử đều có một moment từ P m là tổng tất cả các moment từ do các electron trong nguyên tử tạo thành Như vậy, khi đặt nguyên tử trong từ trường B thì nó sẽ bị tác dụng một moment lực  được xác định bằng:

m

Dưới tác dụng của moment lực  thì P mcó 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

0

B 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 P m và lsẽ 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 chuyển động tuế sai này của electron cũng gây

ra một moment từ được gọi là moment từ phụ

có biểu thức vecto là:

2 2 0 6

m

e Z r

P B

m

hiệu ứng tạo thành moment từ phụ ngược chiều với từ trường ngoài như trên được gọi

là hiện ứng nghịch từ

Hình 1.2: Nguyên tử

trong từ trường ngoài

Như vậy, ngoài moment từ P m thì nguyên từ còn có thêm moment từ phụ P m

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

mi V

P J

V







