Thí nghiệm môn Vật lý - Bài 3: Xác định nhiệt độ curie của sắt từ

Thí nghiệm vật lý Bài 3: Xác định nhiệt độ Curie của sắt từ Dụng cụ: 1. Bộ thí nghiệm vật lý Mc – 957. 2. Các dây dẫn dùng để nối mạch điện (9 dây). 3. Nguồn điện ~220V. I. Cơ sở lý thuyết. Các vật liệu sắt từ ( thí dụ như: Fe, Ni, Co, ferit, ......), nếu được đặt vào từ trường , sẽ bị từ hoá ( nhiễm từ tính) rất mạnh. Nguyên nhân là dobên trong khối sắt từ khi đó xuất hiện một từ trường phụ cùng hướng và rất lớn so với . Vì vậy từ trường tổng hợp trong sắt từ có giá trị bằng: (1) Hệ số tỷ lệ m gọi là dộ từ thẩm tỷ dối của sắt từ. Trị số của m phụ thuộc phức tạp vào độ lớn của và có thể đạt tới 104-105, nghĩa là từ trường tổng hợp trong khối sắt từ có thể lớn gấp hàng vạn lần so với từ trường ngoài. Do đặc tính này , các vật liệu sắt từ được dùng rộng rãi trong kỹ thuật điện để làm lõi từ của biến thế điện, động cơ điện, nam châm điện, rơ le điện từ... Có thể giải thích đặc tính của sắt từ bằng thuyết miền từ hoá tự nhiên. Theo thuyết này, cấu trúc của khối sắt từ gồm các miền rất nhỏ cỡ 10-5-10-6 (m) gọi là miền từ hoá tự nhiên. Trong mỗi miền, do có " lực tương tác trao đổi ", mô men từ spin của các Electron định hướng song song với nhau, tạo thành miền từ hoá đến mức bão hoà. Nừu chưa có từ trường ngoài, mô men từ của các miền khác nhau sắp xếp hõn loạn nên mô men từ tổng hợp của khối sắt từ bằng 0 và sắt từ không có từ tình. Nếu đặt vào từ trường khá mạnh, trong khối sắt từ sẽ xảy ra quá trình " vách" của các miền từ hoá tự nhiên và quá trình quay mô men từ của các miền thưeo hưopừng song song với từ trường ngoài . Kết quả là cả khối sắt từ trở thành một miền từ hoá có mô men từ rất lớn, do đó gây ra từ trường phụ cùng hướng và rất lớn so với từ trường ngoài . Tuy nhiên, nếu khối sắt từ được nung nóng đến nhiệt độ T ³ Tc, thì chuyển động nhiệt của các nguyên tử sẽ tăng mạnh, phá vỡ cấu trúc của các miền từ hoá tự nhiên, làm mất đặc tính của sắt từ . Khi đó độ từ thẩm của sắt từ giảm rất nhanh tới giá trị m ằ 1 và B ằ Bo . Nhiệt độ Tc được gọi là nhiệt độ Curie, giá trị của nó phụ thuộc vào bản chất của sắt từ. Thí dụ: nhiệt độ Curie của sắt là 780oC, của Ni là 350oC, của hợp kim 30% Ni + 70% Fe là 80o-85oC...Nhiệt độ Curie Tc của vật liệu sắt từ có ý nghĩa thực tế. Nếu biết Tc, ta có thể chọn khoảng nhiệt độ làm việc thích hợp đối với các linh kiện điện và điện tử có sử dụng lõi sắt từ. Mặt khác, sự biến đổi đột biến của độ từ thẩm m của sắt từ ở nhiệt độ Curie cũng được ứng dụng để chế tạo các bộ cảm biến, các rơ le nhiệt-điện từ dùng điều khiển tự động nhiệt độ trong lò hơi, nồi cơm điện... Trong thí nghiệm này, ta sẽ xác định nhiệt độ Curie của Ferit (sắt từ bản dẫn) bằng phương pháp cảm ứng điện từ. Thiết bị thí nghiệm bố trí như trên hình 1.a. Thanh Ferit F được đặt ở bên trong lò điện D. Lò điện D nối vời nguồn điện xoay chiều ~50V, nó gồm hai cuộn dây điện trở giống nhau mắc nối tiếp và cuốn ngược chiều nhau sao cho khi dòng điện chạy qua lò điện thì thanh Ferit F bị nung nóng, nhưng dòng điện này không sinh ra từ trường. Nhiệt độ T của thanh Ferit F đo bằng cặp nhiệt điện C mắc nối tiếp với milivônkế (mV ). Hai cuộn dây cảm ứng-cuộn sơ cấp S và cuộn thứ cấp T, cuốn chồng lên nhau bao quanh lò điện D. Cuộn sơ cấp S nối với nguồn điện ~3V và cuộn thứ cấp T nối với microampekế mA. sơ đồ nguyên lý của mạch điện của thí nghiệm biểu diễn trên hình 1.b, trong đó R1 và R=2 là điện trở thuần của cuộn sơ cấp S và cuộn thứ cấp T còn L là hệ số tự cảm của cuộn S.trị số của Lphụ thuộc vào kích thước, số vòng dây của cuộn sơ cấp S và tỷ lệ với độ từ thẩm tỷ đối m của thanh Ferit F đặt bên trong cuộn dây đó. Hình 1. T C Đ S F MA mV -3V -50V R1 R2 L i1 iC MA -U1 Nếu đặt hiệu điện thế xoay chiều u1 vào hai đầu của cuộn dây sơ cấp S, trong cuộn dây sẽ có dòng điện xoay chiều i1 chạy qua và làm xuất hiện suất điện động tự cảm e1c có giá trị bằng: (2) Với N1 là số vòng dây, còn là tốc độ biến thiên từ thông qua mõi vòng dây của cuộn sơ cấp S. áp dụng định luât ôm cho đoạn mạch của cuôn sơ cấp S ta có: u1= i1.R1- e1c. Suy ra: e1c= i1.R1- u1 (3) Vì cuộn thứ cấp T cuốn chông lên cuộn sơ cấp S trên cùng thanh Ferit F, nên tốc độ biến thiên từ thông qua mỗi vòng dây của cuộn thứ cấp T cũng bằng , do đó xuất điện động cảm ứng e2c xuất hiện trong cuộn thứ cấp T có giá trị bằng: (4) Với N2 là số vòng dây của cuộn thứ cấp T. So sánh (2) với (4), đồng thời chú ý đến (3), ta tìm được: (5) khi nung nóng thanh Ferit F đến nhiệt độ Curie Tc, độ từ thẩm tỷ đối của Ferit giảm nhanh xuống đến giá trị m ằ 1 và hệ số tự cảm của cuộn sơ cấp S cũng giảm xuống đến giá trị rất nhỏ, thực tế có thể coi L ằ 0. Khi đó xuất điện động rtự cảm trong cuộn sơ cấp e1c ằ 0 và u1ằ i1.R1. Từ công thức (5), ta suy ra: e2c ằ 0 và dòng điện cảm ứng chạy trong cuộn thứ cấp T cũng giảm xuống đến giá trị ic ằ 0. Như vậy, muốn xác định nhiệt độ Curie Tc của thanh Ferit F, ta chỉ cần theo dõi giá trị của dòng cảm ứng ic chạy qua cuộn thứ cấp T thay đối phụ thuộc nhiệt độ của thanh Ferit F II. Trình tự thí nghiệm. 1. Chuẩn bị bộ thí nghiệm MC-95.7 để thực hiện thí nghiệm này: 1.1 Chưa cắm phích lấy điện của bộ MC-95.7 vào nguồn điện ~220V. 1.2 Dùng các dây dẫn nối mạch điện trên mặt máy MC-95.7 ( hình 2): - Lò điện D nối với nguồn ~50V-1A. - Cuộn sơ cấp S nối với nguồn ~3V-1A. - Cuộn thứ cấp T nối với microampekế mA. - Cặp nhiệt điện Cnối với milivônkế điện tử mV. - Các công tắc K, K1, K2 ở trạng thái ngắt điện . Lò điện D ~50V Cuộn sơ cấp S ~3V Cuộn thứ cấp T ~ Cặp nhiệt C Nguồn xoay chiều AC~50V-1A ~3V-1A ~50V ~3V . . K1 K2 mV mA mA mV "O" . K Hình 2: 2. Mời thầy giáo kiểm tra mạch điện trên mặt mý MC-95.7 và cắm phích lấy điện vào nguồn ~220V. Chú ý: khi đó các đèn tín hiệu LED đều chưa sáng. Dùng một dây dẫnnối đoản mạch hai cực của milivônkê điện tử mV. Bấm công tắc K: đèn LED của nó phát sáng báo hiệu đã có điện vào máy nếu thấy kim của milivônkế điện tử mV lệch khỏi vi trí số 0, thì vặn từ từ núm xoay quay về "0" để đưa kim quay trở về đúng số 0. Sau đó, tháo bỏ dây dẫ nối đoản mạch hai cực của milivônkế điện tử mV. 3. Bâm scông tắc K2: đèn LED của nó phát sáng báo hiệu cuộn sơ cấp S đã được nối với nguồn điện ~3V và microampekế mA chỉ giá trị Ic của dòng điện cảm ứng chạy qua cuộn thứ cấp T . 4. Bấm công tắc K1 đèn LED của nó phát sáng báo hiệu lò điện D đã được nối với nguồn điện ~50V và nhiệt độ t của thanh Ferit F tăng dần. Khi đó giao thoa của suất nhiệt điện động end của cặp nhiệt điện C trên milivônkế cũng tăng dần. Theo dõi sự biến thiên của dòng điện cảm ứng ic theo nhiệt độ t của thanh Ferit F chỉ thị qua suất điện động end của cặp nhiệt điện C trên milivônkế mV. Ghi các giao thoa tương ứng của Ic và end vào bảng 1. Chú ý: Tiến hành thí nghiệm trên với cả hai trường hợp: tăng dần nhiệt độ của thanh Ferit F đến gía trị t > tc, tiếp đó lại giảm dần nhiệt độ của thanh Ferit F này đến gía trị t < tc, với tc là nhiệt độ Curie của thanh Ferit F . 5. Ghi các số liệu sau đây vào bảng 1. - Nhiệt độ ban đầu to của phòng thí nghiệm và gía trị của mỗi độ chia của nhiệt kế. - Hệ số suất nhiệt điện động a của cặp nhiệt điện C. - Gía trị cực đại Um của thang đo và cấp chính xác dv của milivônkế . - Giá trị cức đại Im của thang đo và cấp chính xác dA của microampekế mA. III. câu hỏi kiểm tra. 1. Đặc tính của sắt từ ? Nhiệt độ Curie của sắt từ ? Nêu ý nghĩa và ứng dụng. 2. Trình bày nội dung của phương pháp xác định nhiệt độ Curie sắt từ. 3. Tại sao đồ thị Ic=f(end) có dạng như hình 3 ( xem phần báo cáo thí nghiệm )? . 4. Giải thích rõ cách tính gía trị trung bình của nhiệt độ Curie và sai số của nó. Báo cáo thí nghiệm Xác định nhiệt độ Curie của sắt từ Trường đại học Sư Phạm Hà Nội 2 Xác nhận của thầy giáo Lớp : .......................Tổ...................... Họ tên :.............................................. I. Mục đích thí nghiệm. ................................................................................................................ ...................................................................................................................................................................................................................................................... II. Kết quả thí nghiệm. 1. Bảng 1. to= ......................±............oC ; a =...................... mV. Um =...................................mV; dv =........................%. Im =....................................mA; dA =.....................%. Khi nhiệt độ tăng Khi nhiệt độ giảm end Ic end Ic end Ic end Ic Ic a b 0 A end tc- to t - to B Hình 3: 2. Vẽ đồ thị Ic=f(end) và end=a(t - to) :ở trang sau 2.1 Chọn trục tung: chiều + biểu diễn dòng cảm ứng Ic theo đơn vị mA, chiều âm biểu diễn hiệu nhiệt độ ( t- to) theo đơn vị oC và trục hoành biểu diễn suất nhiệt điện động end theo đơn vị mV. 2.2 Vẽ đường cong Ic=f( end) và đường cong lấy mẫu cặp nhiệt điện end=a.(t - to) theo các số liệu trong bảng 1 trên cùng một đồ thị có dạng như hình 3 đối với cả hai trường hợp tăng và giảm nhiệt độ. 3. Xác định nhiệt độ Curie. 3.1 Chọn gía trị tc: khi nhiệt độ tăng vẽ tiếp tuyến ab của đường cong Ic=f( end) tại phần dốc nhất của nó. Kðo dài tiếp tuyến ab cắt trục hoành tại điểm A kẻ dường thẳng song song trục tung đi qua điểm A cắt dường thẳng end=a.(t - to) tại điểm B. Tung độ của B biểu thị hiệu nhiệt độ t1c- to=dt1. Lập lại động tác trên khi nhiệt độ giảm, ta tìm được hiệu nhiệt độ: t2c- to=dt2. 3.2 Tính gía trị trung bình và sai số tuyệt đối trung bình của nhiệt độ Curie: - Gía trị trung bình : . - Sai số tuyệt đối trung bình : III. Viết kết quả. 50 mA 40 30 20 10 0 end mV 50 100 150 200 0C (t- to) Ic(mA) Đồ thị Ic=f(end) và end=a(t – to)