›
›

Hướng dẫn thực hành vật lí chất rắn

pdf 60 trang Gia Huy 25/05/2022 2530
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Hướng dẫn thực hành vật lí chất rắn", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdfhuong_dan_thuc_hanh_vat_li_chat_ran.pdf

Nội dung text: Hướng dẫn thực hành vật lí chất rắn

  1. BỘ MỘ N VẬ T LÍ CHẬ T RẬ N – ĐÍỆ N TỬ KHỘẬ VẬ T LÍ HƯỚNG DẪN THỰC HÀNH VẬT LÍ CHẤT RẮN (Tài liệu lưu hành nội bộ) Hà Nội, 2020
  2. MỤC LỤC Bài 1. KHẢO SÁT TÍNH CHẤT CỦA ĐẦU ĐO HALL BÁN DẪN 5 1.1. MỤC ĐÍCH 5 1.2. CƠ SỞ LÍ THUYẾT 5 1.2.1. Hiệu ứng Hall trong kim loại 5 1.2.2. Hiệu ứng Hall trong bán dẫn 6 1.2.3. Phương pháp đo Van der Pauw 7 1.3. THỰC HÀNH 9 1.3.1. Thiết bị và sơ đồ thực nghiệm 9 1.3.2. Nhiệm vụ thực hành 10 Bài 2. KHẢO SÁT ĐƯỜNG ĐẶC TRƯNG VÔN-AMPE CỦA ĐIỐT BÁN DẪN 12 2.1. MỤC ĐÍCH 12 2.2. CƠ SỞ LÍ THUYẾT 12 2.2.1. Lớp chuyển tiếp p-n 12 2.2.2. Đặc trưng Von - Ampe của điốt 15 2.2.3. Các loại điốt chính và ứng dụng. 16 2.3. THỰC HÀNH 17 2.3.1. Thiết bị và sơ đồ thực nghiệm 17 2.3.2. Nhiệm vụ thực hành 18 2.4. CÂU HỎI MỞ RỘNG 20 Bài 3. ĐƯỜNG CONG TỪ TRỄ CỦA SẮT TỪ 21 3.1. MỤC ĐÍCH 21 3.2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 21 3.2.1. Vật liệu sắt từ 21 3.2.2. Các thông số từ được xác định từ đường cong từ trễ 23 3.3. THỰC HÀNH 25 3.3.1. Thiết bị thí nghiệm 25 3.3.2. Nhiệm vụ thực hành 25 3.4. CÂU HỎI MỞ RỘNG 29 Bài 4. XÁC ĐỊNH NHIỆT ĐỘ CURIE CỦA FERIT TỪ 30 4.1. MỤC ĐÍCH 30 4.2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 30 4.2.1. Vật liệu sắt từ và nhiệt độ Curie 30 2
  3. 4.2.2. Mạch từ và từ trở 31 4.3. THỰC HÀNH 32 4.3.1. Thiết bị thí nghiệm 32 4.3.2. Nhiệm vụ thực hành 34 4.4. CÂU HỎI MỞ RỘNG 35 Bài 5. KHẢO SÁT VÀ LẬP ĐƯỜNG CONG CHUẨN CỦA MÁY ĐƠN SẮC 36 5.1. MỤC ĐÍCH 36 5.2. CƠ SỞ LÍ THUYẾT 36 5.3. THỰC HÀNH 38 5.4. CÂU HỎI MỞ RỘNG 39 Bài 6. KHẢO SÁT TRANSISTOR VÀ TẠO THIÊN ÁP CHO TRANSISTOR 40 6.1. MỤC ĐÍCH 40 6.2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 40 6.3. THỰC HÀNH 40 6.3.1. Thiết bị và sơ đồ thực nghiệm 40 6.3.2. Nhiệm vụ thực hành 41 6.4. CÂU HỎI MỞ RỘNG 42 Bài 7. MẠCH KHUẾCH ĐẠI DÙNG TRANSISTOR MẮC EC 43 7.1. MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM 43 7.2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 43 7.3. THỰC HÀNH 47 7.3.1. Dụng cụ và sơ đồ thí nghiệm 47 7.3.2. Nhiệm vụ thực hành 47 7.4. CÂU HỎI MỞ RỘNG 48 Bài 8. THIẾT KẾ MẠCH TẠO DAO ĐỘNG ĐA HÀI DÙNG TRANSISTOR 49 8.1. MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM 49 8.2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 49 8.3. THỰC HÀNH 51 8.3.1. Thiết bị thí nghiệm 51 8.3.2. Nhiệm vụ thực hành 52 8.4. CÂU HỎI MỞ RỘNG 53 PHỤ LỤC I: QUI CÁCH LƯU DỮ LIỆU 54 PHỤ LỤC II: HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG CHƯƠNG TRÌNH VẼ ĐỒ THỊ ORIGIN 55 PHỤ LỤC III: NỘI QUY PHÒNG THÍ NGHIỆM THỰC HÀNH 60 3
  4. Bài 1. KHẢO SÁT TÍNH CHẤT CỦẬ ĐẦU ĐỘ HALL BÁN DẪN 1.1. MỤC ĐÍCH • Nắm được lý thuyết hiệu ứng Hall. • Nắm được phương pháp đo Van Der Pauw. • Thực hành đo hệ số Hall. 1.2. CƠ SỞ LÍ THUYẾT 1.2.1. Hiệu ứng Hall trong kim loại Hiệu ứng Hall là một hiệu ứng vật lí làm xuất hiện hiệu điện thế trên hai cạnh đối diện của một vật dẫn có dạng mặt phẳng khi áp dụng một từ trường vuông góc với bề mặt vật dẫn đang có dòng điện chạy qua (Hình 1). Hiệu ứng Hall được giải thích dựa vào bản chất của dòng điện chạy trong vật dẫn. Giả sử có một hạt mang điện tích q chuyển động với vận tốc 푣⃗ trong từ trường ⃗⃗ sẽ chịu tác dụng của lực Lorentz 퐹⃗ = 푞[푣⃗ × ⃗⃗]. Nếu hướng của 푣⃗ vuông góc với ⃗⃗ thì dưới tác dụng của lực Lorentz sẽ xảy ra sự lệch của các hạt mang theo phương vuông góc với 푣⃗ và ⃗⃗, do đó sẽ xuất hiện sự phân bố điện tích không gian và xuất hiện điện trường ⃗⃗ vuông góc với 푣⃗ và ⃗⃗. Trong trạng thái dừng, lực điện trường 푞 ⃗⃗ tác dụng lên hạt mang điện cân bằng với lực Lorentz: 퐹⃗ = 푞 ⃗⃗ = 푞[푣⃗ × ⃗⃗]. (1) Hình 1: Sơ đồ giải thích hiệu ứng Hall 5
  5. Xét trường hợp trên Hình 1: nếu hạt tải là electron mang điện âm có nồng độ là n thì điện trường do chúng tạo ra sẽ được biểu diễn qua mật độ dòng j: 푗 = − = 푅푗 (2) 푛푒 1 Trong công thức (2): hệ số 푅 được gọi là hệ số Hall (lưu ý: e trong công = − 푛푒 thức này là đại lượng dương có giá trị 1,6.10-19 C). 1.2.2. Hiệu ứng Hall trong bán dẫn Xét một dòng điện có mật độ dòng điện j chạy qua một mẫu bán dẫn hình hộp chữ nhật có chiều dày d. Một từ trường cảm ứng từ B đặt vuông góc với và vuông góc với bản vật dẫn (Hình 1). Trong bán dẫn luôn tồn tại hai loại hạt mang điện electron và lỗ trống. Mật độ dòng electron và lỗ trống được xác định: je = - neve, jh = pevh (3) Trong đó n, p là nồng độ của electron và lỗ trống trong bán dẫn; ve, vp là vận tốc chuyển động có hướng của electron và lỗ trống trong bán dẫn, trong công thức này e độ lớn của điện tích nguyên tố mang giá trị dương. Như trên đã trình bày, sự chuyển động của các hạt mang điện trong từ trường sẽ dẫn đến sự xuất hiện một điện trường E bên trong mẫu. Trong trường hợp của electron ta có: ve = -e(E + veB) (4) Khi B = By như Hình 1, mật độ dòng electron theo các hướng x và z được xác định: jex = nee ( Ex –  e EzB) (5) jez = ne e ( Ez + eExB) (6) Xét trường hợp khi cả electron và lỗ trống tham gia đồng thời vào sự dẫn điện trong bán dẫn ta có: 6
  6. j = je + jh (7) jx = (nee + peh)Ex + (-nee2 + peh2) EzB (8) jz = (nee + peh) Ez + (nee2 - peh2) ExB (9) Do dòng điện chỉ chạy theo phương x vậy jz = 0 Ta có: Ez = (-nee2 + peh2) ExB/(nee + peh) (10) Thay (10) vào (8) ta được: 푗 = (11) 푛푒휇푒+ 푒휇ℎ 2 2 (−푛푒휇푒+ 푒휇ℎ)푗 = 2 (12) (푛푒휇푒+ 푒휇ℎ) Mặt khác: E = RjB 휇2−푛휇2 Nên 푅 = ℎ 푒 (13) 푒(푛휇 + 휇 )2 푒 ℎ Trong trường hợp chỉ có một loại hạt tải 1 푅 = − (đối với điện tử) (14a) 푛푒 1 và 푅 = (đối với lỗ trống) (14b) 푒 Như vậy, dấu của hệ số Hall phụ thuộc vào biểu thức: 2 2 휇ℎ − 푛휇푒 (15) 1.2.3. Phương pháp đo Van der Pauw Giả sử một mẫu phẳng có chiều dày d có 4 tiếp điểm (A, B, C, D) như Hình 2. Cho dòng IAB chạy qua AB, lúc đó sẽ có sụt thế VDC giữa D và C. Điện trở của mẫu được định nghĩa theo công thức: RAB,CD = VDC/IAB (16) 7
  7. Tương tự, nếu cấp dòng IBC thì ta có sụt thế VAD, lúc này điện trở của mẫu sẽ được xác định: RBC,DA = VAD/IBC (17) Hình 2: Sơ đồ phép đo theo phương pháp Van der Pauw Van der Pauw đã chứng minh rằng điện trở suất của mẫu tuân theo phương trình: (푅 , +푅 , ) 휌 = (18) 푙푛2 2 f là một hàm cho trước của RAB,CD/ RBC,DA 2 3 RAB,CD − RBC,DA 2 ln 2 RAB,CD − RBC,DA 4 (ln 2) (ln 2) f 1− ( ) − ( ) { − } RAB,CD + RBC,DA 2 RAB,CD + RBC,DA 4 12 Một số giá trị của f tương ứng với RAB,CD/ RBC,DA được ghi trong Bảng 1. Bảng 1: Một số giá trị của hàm f f 1 0.95 0.81 0.69 0.59 0.46 RAB,CD/RBC,DA 1 2 5 10 20 50 Để xác định hệ số Hall, ta sử dụng công thức: d RR= HB AC, BD (cấp dòng qua AC, đo thế BD để tính điện trở). Tuy nhiên do có sự chênh lệch điện áp giữa B và D ngay cả khi từ trường B = 0. Nên RAC,BD được xác định như sau: 8
  8. UBUBBDBD( −=00) ( ) RAC, BD = (19) I AC Cuối cùng ta có dd RRUBUBHAC== −= BDBDBD , ( 00) ( ) (20) BBI AC 1 Từ (20) có thể tính được nồng độ hạt mang điện n = , độ linh động của hạt ReH . 1  = 푒 tải và thời gian hồi phục của hạt tải 휏 = 휌.푒 푅 . RH . 1.3. THỰC HÀNH 1.3.1. Thiết bị và sơ đồ thực nghiệm 1. Nam châm điện 2. Vôn kế và ampe kế 1 3. Nguồn một chiều 3 2 Hình 3: Hệ đo Hall được sử dụng trong bài thí nghiệm Đầu đo Hall được khảo sát trong bài thí nghiệm này là một linh kiện bán dẫn có 4 đầu ra được mắc theo phương pháp Van der Pawn. Hình 3 trình bày hệ đo Hall thực nghiệm. Hệ đo gồm một nam châm điện (1) được nuôi bằng nguồn một chiều có dòng cực đại là 8A, khi đó từ trường của nam châm đạt được là 0,6 T. Mẫu bán dẫn được đặt giữa hai cực của nam châm có thể di chuyển theo phương nằm ngang (Chú ý: Không dịch chuyển mẫu). Các tiếp điểm trên mẫu được 9
  9. nối ra ngoài qua các dây dẫn. Nguồn điện một chiều (3) dùng để cấp dòng điện qua đầu Hall. Các ampe kế và vôn kế (2) để xác định chính xác cường độ dòng điện và hiệu điện thế Hall. 1.3.2. Nhiệm vụ thực hành Nhiệm vụ 1: Xác định sự đối xứng của đầu đo Hall Mắc sơ đồ đo theo phương pháp Van der Pauw (Hình 4). Chú ý: Màu sắc của dây nối tương ứng với các tiếp điểm như sau: A: Dây đen B: Dây trắng C: Dây vàng D: Dây xanh a. Mắc mạch điện theo sơ đồ bên trái của Hình 4. Thay đổi giá trị của điện áp, đo các giá trị tương ứng của và và ghi vào bảng dữ liệu trong phiếu trả lời. b. Tính giá trị của điện trở 푅 , . c. Mắc mạch điện theo sơ đồ bên phải của Hình 4. Thay đổi giá trị của điện áp, đo các giá trị tương ứng của và và ghi vào bảng dữ liệu trong phiếu trả lời. d. Tính giá trị của điện trở 푅 , . e. Tính hệ số f của mẫu. Hình 4: Sơ đồ mạch đo điện trở suất mắc theo phương pháp Van Der Pauw. Mạch bên trái đo RAB,CD; bên phải đo RBC,DA Nhiệm vụ 2: Khảo sát hiệu điện thế Hall theo từ trường và dòng điện Trong phần này sinh viên có thể sử dụng sơ đồ bên trái hoặc bên phải Hình 5: 10
  10. Hình 5: Sơ đồ mạch đo hệ số Hall Cường độ từ trường của nam châm phụ thuộc vào cường độ dòng điện qua nam châm theo các giá trị được cho trong bảng dưới đây: (chú ý không đặt dòng qua nam châm điện quá 6 A) I (A) 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 B (T) 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0.55 0.60 a. Vẽ đồ thị B theo I sau đó tuyến tính hoá và đưa ra phương trình biểu diễn mối quan hệ giữa B(T) và I(A). b. Chứng minh rằng khi I và B cố định thì hiệu điện thế Hall tỉ lệ nghịch với chiều dầy của mẫu. c. Chỉ rõ các đại lượng sẽ khảo sát và ghi tên các đại lượng này lên bảng dữ liệu. d. Giữ cố định giá trị từ trường, bắt đầu với từ trường B=0T hãy lập bảng dữ liệu hiệu điện thế Hall theo dòng điện qua mẫu. e. Vẽ trên giấy đồ thị sự phụ thuộc của UHall theo I và xác định hệ số góc với các giá trị từ trường khác nhau. f. Giữ cố định giá trị cường độ dòng qua mẫu, lập bảng dữ liệu hiệu điện thế Hall theo từ trường của nam châm. g. Vẽ trên giấy đồ thị sự phụ thuộc của UHall theo từ trường ngoài và xác định hệ số góc với các giá trị cường độ dòng điện khác nhau. 11
  11. Bài 2. KHẢỘ SÁT ĐỬỜNG ĐẶC TRỬNG VÔN-AMPE CỦA ĐÍỐT BÁN DẪN 2.1. MỤC ĐÍCH • Cung cấp kiến thức về cơ chế hoạt động lớp tiếp xúc p-n của điốt bán dẫn và một số loại điốt bán dẫn cơ bản. • Tìm hiểu đường đặc trưng Vôn-Ampe của điốt bán dẫn ở các nhiệt độ khác nhau. 2.2. CƠ SỞ LÍ THUYẾT 2.2.1. Lớp chuyển tiếp p-n a. Điện trường ngoài bằng không Sự hình thành lớp chuyển tiếp p-n trong trường hợp không có điện trường ngoài được trình bày trên Hình 1. Hình 1: Lớp tiếp xúc p-n trong trường hợp không có điện trường ngoài. 푛푛: nồng độ điện tử của mẫu n 푛: nồng độ điện tử của mẫu p 푛 : nồng độ lỗ trống của mẫu n : nồng độ lỗ trống của mẫu p 12
  12. Khi cho hai chất bán dẫn loại p và n tiếp xúc với nhau, do có sự chênh lệch nồng độ hạt tải mà có sự khuếch tán qua lại sang nhau của các điện tử và lỗ trống giữa hai chất bán dẫn. Cụ thể, do 푛푛 > 푛 nên các electron từ n khuếch tán sang p và > 푛 và các lỗ trống khuếch tán từ p sang n. Do đó, có sự xuất hiện của một vùng ở hai bên lớp chuyển tiếp trong đó chỉ có những ion âm của những nguyên tử nhận trong vùng p và những ion dương của nguyên tử cho trong vùng n. Các ion dương và âm này tạo ra một điện trường 푖 chống lại sự khuếch tán của các hạt điện, nghĩa là điện trường 푖 sẽ tạo ra một dòng điện ngược chiều với dòng điện khuếch tán sao cho dòng điện trung bình tổng hợp triệt tiêu. Lúc đó, ta có trạng thái cân bằng động: vùng điện tích không gian không mở rộng thêm nữa. Tương ứng với điện trường 푖 , ta có một điện thế 표 ở hai bên mặt lớp chuyển tiếp, 표 được gọi là rào điện thế. Thông thường giá trị của rào thế: 표 ≈ 0.7 đối với lớp tiếp xúc p-n của Si và 표 ≈ 0.3 đối với lớp tiếp xúc p-n của bán dẫn nền Ge. Với các bán dẫn hai thành phần từ Gallium như GaAs, GaP, GaAsP, rào thế 표 thay đổi từ 1,2 V đến 1,8 V. b. Điện trường ngoài khác không Trường hợp 1: Phân cực ngược Hình 2: Sơ đồ đặt điện trường ngoài để phân cực ngược cho lớp tiếp xúc p-n 13
  13. Điện áp ngoài được đưa vào sao cho cực âm của nguồn nối với phía bán dẫn p, cực dương nối với phía bán dẫn n (Hình 2). Khi đó điện trường ngoài cùng chiều điện trường trong của lớp chuyển tiếp, làm tăng hiệu điện thế của lớp chuyển tiếp, cản trở chuyển động của các hạt mang điện cơ bản và tăng cường chuyển động của hạt mang điện thiểu số. Tuy nhiên, dưới tác dụng của nhiệt, một số ít điện tử và lỗ trống được sinh ra trong vùng hiếm tạo ra một dòng điện có chiều từ vùng n sang vùng p. Vì điện tử và lỗ trống sinh ra ít nên dòng điện ngược rất nhỏ, khoảng vài chục 휇 ; dòng điện ngược này là một hàm của nhiệt độ. Lúc này, dòng điện dòng toàn phần qua lớp chuyển tiếp p-n được xác định: −푒 / 푛𝑔 = 표(푒 − 1) (1) 표: dòng bão hòa, : điện thế ngoài đặt vào. Ở nhiệt độ phòng khi hiệu điện thế ngoài khoảng vài phần mười vôn thì đã lớn hơn kT rất nhiều nên có thể coi 푛𝑔 ≈ 표. Trong trường hợp này được gọi là thế phân cực ngược và 푛𝑔 được gọi là dòng ngược. Trường hợp 2: Phân cực thuận Hình 3: Sơ đồ đặt điện trường ngoài để phân cực thuận cho lớp tiếp xúc p-n Điện thế ngoài được mắc sao cho cực âm nối với phía bán dẫn n, cực dương với bán dẫn p (Hình 3). Điện trường do nguồn điện ngoài gây ra ngược chiều với điện trường 14
  14. trong, làm giảm hiệu điện thế của lớp chuyển tiếp. Do đó, chuyển động của các hạt mang điện đa số được tăng cường và chuyển động của các hạt mạng điện thiểu số bị ngăn cản. Dòng toàn phần qua lớp chuyển tiếp được xác định: eV KT Ith = I0 (e −1) (2) Từ (1) và (2) ta có thể viết một cách tổng quát eV/kT I = Io(e -1) (3) Trong trường hợp phân cực thuận, > 0 và trong trường hợp phân cực ngược < 0. Do mật độ hạt tải không cơ bản rất nhỏ so với hạt tải cơ bản nên 푛𝑔 < 푡ℎ, và trong một số trường hợp có thể coi 푛𝑔 ≈ 0. Đó chính là đặc tính chỉnh lưu của lớp chuyển tiếp p-n. 2.2.2. Đặc trưng Von - Ampe của điốt Đường đặc trưng von-ampe của điốt bán dẫn là một đường cong biểu thị mối quan hệ giữa cường độ dòng điện và hiệu điện thế đặt vào điốt. Điốt hoạt động dựa vào lớp chuyển tiếp p-n nên khi đặt một điện áp ngoài U vào hai đầu của điốt thì dòng điện qua điốt là: 푞.푈 = 푆(푒푛 − 1) (4) Trong đó: • ID là dòng điện qua điốt. • IS là dòng nhiệt điện nó phụ thuộc rất lớn vào nhiệt độ. • n là hệ số phẩm chất của điốt • U là hiệu điện thế đặt vào điốt theo chiều thuận. • q là điện tích electron Dòng nhiệt điện là dòng điện gây ra bởi chuyển động nhiệt của electron ở lớp tiếp xúc p-n: 𝑔 2 푆 = 푒퐾 15
  15. A là một hằng số nó phụ thuộc vào mặt tiếp xúc và tính chất của vật liệu cấu tạo lớp tiếp xúc. Eg là độ rộng năng lượng vùng cấm của lớp tiếp xúc p-n. T là nhiệt độ lớp tiếp xúc p-n. Đường đặc trưng I - V của điốt bán dẫn tuân theo phương trình (4) được mô tả trên Hình 4. Hình 4: Đường đặc trưng I-V của điốt bán dẫn 2.2.3. Các loại điốt chính và ứng dụng. * Điốt mặt và điốt điểm - Trong điốt mặt lớp chuyển tiếp p-n có một diện tích tương đối lớn, do đó chúng hoạt động với dòng điện lớn thường được dùng để chỉnh lưu dòng điện. - Đối với điốt điểm lớp chuyển tiếp p-n có một diện tích rất bé mà ta có thể xem như một điểm. Hoạt động của điốt điểm là do hiện tượng tiếp xúc giữa kim loại và bán dẫn. Chúng chỉ hoạt động được với dòng điện bé, thường được dùng để tách sóng 16
  16. * Điốt ổn áp: là điốt dùng để ổn định điện áp dựa vào nguyên lý đánh thủng đối xứng của điốt. 2.3. THỰC HÀNH 2.3.1. Thiết bị và sơ đồ thực nghiệm Thiết bị của thí nghiệm được chỉ ra trên Hình 5. Hình 5: Các thiết bị chính của bộ thí nghiệm: Nguồn một chiều ổn định, bộ chiết áp, Ampe kế, Vôn kế, Điốt, dây nối, bể ổn nhiệt Để thay đổi nhiệt độ của bể ổn nhiệt, ta thực hiện theo các bước sau: 1. Bật nguồn, đèn nguồn sẽ sáng. 2. Bấm nút có biểu tượng để chọn chức năng đặt nhiệt độ. Khi đó đèn trên biểu tượng: sẽ phát sang mầu xanh 3. Bấm nút có biểu tượng hoặc để tăng hoặc giảm nhiệt độ cần đặt. 4. Bấm nút có biểu tượng để xác lập nhiệt độ cần đặt. 17
  17. 5. Bấm nút “start/stop” bắt đầu gia nhiệt. Lúc này, đèn cạnh biểu tượng: sẽ sáng mầu xanh. Chờ đến khi nào nhiệt độ đạt giá trị mong muốn rồi tiến hành đo. Hình 6: Mặt điều khiển bể nhiệt 2.3.2. Nhiệm vụ thực hành Mắc sơ đồ mạch điện để khảo sát dòng thuận của điốt như trên Hình 7. Tìm hiểu, xác định các thông số của nguồn, dụng cụ đo điện, kiểm tra lượng nước trong bể nhiệt. Đặc biệt chú ý cách nối cặp nhiệt tới đồng hồ đo, thang đo của ampe kế với mỗi mạch đo, chú ý các giới hạn an toàn Nhiệm vụ 1: Xác định hệ số phẩm chất của điốt (n) Để xác định được hệ số phẩm chất n, chúng ta cần ổn định nhiệt độ của bình điều nhiệt và điốt bằng cách đổ nước ở nhiệt độ phòng vào bình điều nhiệt và nhúng điốt ngập trong nước; khi đó coi nhiệt độ của lớp tiếp xúc bằng nhiệt độ bình điều nhiệt nên làm thí nghiệm với dòng điện nhỏ không quá 1,5mA. a. Từ phương trình (4), thành lập biểu thức tuyến tính hoá để tìm giá trị của n Xử dụng hai đồng hồ để khảo sát đặc tuyến I-V của điốt. 18
  18. A V Hình 7: Sơ đồ mạch điện khảo sát dòng thuận của điốt b. Lập bảng giá trị của đặc tuyến I-V trên phần mềm Origin. Ghi lại file dữ liệu (file Origin) và ghi đường dẫn của file vào phiếu trả lời. c. Vẽ lại đặc tuyến I-V của điốt trên phần mềm Origin. Xử lí và hoàn thiện hình ảnh (chú thích tên trục, đơn vị, ) và đổi tên hình ảnh theo qui định (ghi đường dẫn của file vào phiếu trả lời). d. Tuyến tính hoá kết quả đo theo biểu thức đã thành lập, vẽ đồ thị và đổi tên hình ảnh theo qui định (ghi đường dẫn của file vào phiếu trả lời). e. Tính giá trị của n và sai số mắc phải? Cho rằng sai số của bình điều nhiệt là 1oC và sai số của đồng hồ đo điện là 2 lần độ chia nhỏ nhất của thang đo đó. Nhiệm vụ 2: Xác định đặc tuyến I-V theo nhiệt độ Lặp lại thí nghiệm trên ở các nhiệt độ khác nhau, chú ý nên làm từ nhiệt độ thấp lên nhiệt độ cao. Với mỗi nhiệt độ được khảo sát: a. Lập bảng giá trị của đặc tuyến I-V trên phần mềm Origin. Ghi lại file dữ liệu khi kết thúc quá trình đo và ghi đường dẫn của file vào phiếu trả lời. b. Vẽ lại đặc tuyến I-V của điốt ở các nhiệt độ khác nhau trên cùng một đồ thị. Xử lí hình ảnh và đổi tên hình ảnh theo qui định (ghi đường dẫn của file vào phiếu trả lời). c. Sử dụng phần mềm Origin để xác định Is ở các nhiệt độ khác nhau từ đó vẽ đường cong sự phụ thuộc của Is vào nhiệt độ. Xử lí hình ảnh và đổi tên hình ảnh theo qui định (ghi đường dẫn của file vào phiếu trả lời). d. Thành lập biểu thức xác định giá trị vùng cấm Eg theo Is. e. Dựa vào dữ liệu thực nghiệm, hãy tính giá trị Eg mà không cần tính sai số. 19
  19. Nhiệm vụ 3: Sử dụng điốt như một “nhiệt kế” Trước khi thực hiện nhiệm vụ này, các em cần thay nước cho bình điều nhiệt để đưa nhiệt độ của điốt về nhiệt độ phòng. Điều chỉnh hiệu điện thế đặt vào điốt để có thể thu được khoảng dữ liệu rộng nhất cho mối quan hệ giữa Id và nhiệt độ của điốt. a. Đọc và ghi lại số chỉ của vôn kế. Thực hiện việc gia nhiệt cho bình điều nhiệt mỗi lần 50C và khi nhiệt độ ổn định thì ghi lại dòng điện qua qua điốt và giá trị nhiệt độ tương ứng. b. Lập bảng giá trị của nhiệt độ theo dòng điện qua điốt trên Origin. Ghi lại file dữ liệu khi kết thúc quá trình đo và ghi đường dẫn của file vào phiếu trả lời. c. Vẽ đường đặc tuyến đó. Xử lí hình ảnh và đổi tên hình ảnh theo qui định (ghi đường dẫn của file vào phiếu trả lời). d. Khớp hàm tuyến tính (thực hiện trên Origin) và đưa ra phương trình mô tả sự phụ thuộc của nhiệt độ theo cường độ dòng điện qua điốt ở hiệu điện thế đã chọn. Xử lí hình ảnh và đổi tên hình ảnh theo qui định (ghi đường dẫn của file vào phiếu trả lời). 2.4. CÂU HỎI MỞ RỘNG 1. Định nghĩa bán dẫn tinh khiết, bán dẫn loại p, loại n. 2. Giải thích sự hình thành điện trường tiếp xúc. 3. Xây dựng và giải thích công thức, đường đặc trưng I -V của lớp chuyển tiếp p-n. 4. Giải thích ảnh hưởng của nhiệt độ đến tính chất dẫn điện của bán dẫn. 5. Các cơ chế đánh thủng lớp chuyển tiếp p-n. 20
  20. Bài 3. ĐỬỜNG CONG TỪ TRỄ CỦA SẮT TỪ 3.1. MỤC ĐÍCH Nội dung bài thí nghiệm tìm hiểu về: • Cảm ứng từ • Từ dư • Lực kháng từ 3.2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 3.2.1. Vật liệu sắt từ Vật liệu sắt từ là các vật liệu trong đó có các mô men từ sắp xếp song song với nhau (Hình 1). Vì vậy trạng thái sắt từ cũng là trạng thái từ hoá tự phát. Theo lý thuyết Weiss thì ngay cả khi không có từ trường ngoài trong vật liệu sắt từ đã có sự từ hoá tự phát đến bão hoà. Nguyên nhân của sự từ hoá tự phát đó là do các mô men từ tương tác với nhau rất mạnh mẽ. Tương tác này tương đương với tác dụng của từ trường ngoài lớn cỡ 107 Oe làm cho các mô men từ có xu hướng sắp xếp song song với nhau ngay cả khi có tác dụng của khích thích nhiệt tại nhiệt độ phòng. Hình 1: Phân bố mô men từ trong vật liệu sắt từ (trái); Hình ảnh cấu trúc domain chụp bởi kính hiển vi lực từ (phải) Để giải thích sự khử từ của vật liệu sắt từ ở từ trường bằng không, Weiss cho rằng sự từ hoá tự phát đến bão hoà trong loại vật liệu này chỉ xảy ra trong từng domain (mỗi 21
  21. domain la một vùng từ hoá vĩ mô) còn giữa các domain với nhau thì các mô men từ lại sắp xếp một cách hỗn loạn làm cho từ độ tổng cộng của vật bằng không khi không có từ trường ngoài. Hình 1 là hình ảnh cấu trúc domain của vật liệu sắt từ chụp với kính hiển vi lực từ, các vùng có màu sắc khác nhau có định hướng momen từ khác nhau. Với các vật liệu sắt từ tồn tại nhiệt độ tại đó xảy ra sự chuyển pha sắt từ - thuận từ nhiệt độ này gọi là nhiệt độ Curie sắt từ (Tc). Dưới nhiệt độ Tc tương tác giữa các mô men từ thắng được kích thích nhiệt do đó vật liệu thể hiện tính sắt từ. Trên nhiệt độ Tc năng lượng kích thích nhiệt đủ lớn để phá vỡ trạng thái liên kết sắt từ giữa các mômen từ làm cho phân bố các mô men từ trở lên hỗn loạn và vật liệu thể hiện tính chất thuận từ. Sự chuyển pha này được trình bày trên Hình 2a. Đường cong từ hoá với hiệu ứng từ trễ là một đặc trưng của các vật liệu sắt từ. Trên Hình 2b đường ABC là quá trình từ hoá vật liệu bắt đầu từ trạng thái khử từ được gọi là đường cong từ hoá cơ bản. Trong quà trình này từ độ tăng khi từ trường tăng và tiến đến giá trị bão hoà Is. Xuất phát từ điểm C nếu giảm cường độ từ trường ngoài về không và tăng theo chiều ngược lại cho đến cho đến điểm F có giá trị bằng giá trị ở điểm C (về độ lớn) rồi lại giảm về không và tăng đến điểm xuất phát thì ta nhận được 1 đường cong khép kín CDEFGC gọi là đường cong từ trễ. Tại điểm D từ trường bằng không nhưng từ độ khác không và có giá trị bằng Ir gọi là từ độ dư (hay từ dư). Điểm E ứng với từ độ bằng không và từ trường tại đó có độ lớn là Hc, giá trị này được gọi là lực kháng từ. (a) (b) Hình 2: Từ độ bão hòa và nghịch đảo độ cảm từ của vật sắt từ phụ thuộc vào nhiệt độ (a); Đường cong từ hóa cơ bản và từ trễ (b). 22
  22. Ngày nay rất nhiều loại vật liệu có tính sắt từ đã được tìm ra và ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật và đời sống như: các kim loại (các kim loại chuyển tiếp và kim loại đất hiếm), các hợp kim (hợp kim Fe-Si, Fe-Ni hay còn gọi là hợp kim permalloy, v.v.), các oxít. Vật liệu sắt từ với từ tính mạnh và khả năng ứng dụng lớn là đối tượng nghiên cứu được quan tâm hàng đầu trong lĩnh vực từ học. 3.2.2. Các thông số từ được xác định từ đường cong từ trễ Đường cong từ trễ của vật liệu cho ta biết các thông số cơ bản về mẫu như: Từ độ bão hòa của mẫu, từ dư, lực kháng từ, tích năng lượng cực đại. Phép đo đường cong từ trễ được thực hiện bằng cách thay thay đổi từ trường ngoài đặt vào mẫu và thu tín hiệu từ độ của mẫu. Phép đo này có thể thực hiện ở nhiệt độ phòng hoặc thực hiện tại một nhiệt độ bất kì trong khoảng cho phép của mẫu. Một ví dụ về đường cong từ trễ được cho trong Hình 3. Hình 3: Đường cong từ trễ của mẫu Fe60Pd40 tại nhiệt độ phòng Từ độ bão hòa Là giá trị từ độ đạt được khi được từ hóa đến từ trường đủ lớn (vượt qua giá trị trường dị hướng) sao cho vật ở trạng thái bão hòa từ, có nghĩa là các mômen từ hoàn toàn song song với nhau. Khi đó đường cong từ trễ Từ độ-Từ trường, M(H) có dạng nằm ngang. Từ độ bão hòa là tham số đặc trưng của vật liệu sắt từ. Nếu ở không độ tuyệt đối 23
  23. (0 K) thì nó là giá trị từ độ tự phát của chất sắt từ. Từ độ bão hòa thường được ký hiệu là Ms hoặc Is (chữ "s" có nghĩa là saturation - bão hòa). Từ dư Là giá trị từ độ còn giữ được khi ngắt từ trường (H = 0), thường được ký hiệu là Mr hoặc Ir (chữ "r" có nghĩa là remanent - dư). Từ dư không phải là thông số mang tính chất nội tại của vật liệu mà chỉ là thông số dẫn xuất, phụ thuộc vào các cơ chế từ trễ, các phương từ hoá, hình dạng vật từ Tỉ số giữa từ dư và từ độ bão hòa Mr/Ms được gọi là từ độ rút gọn hoặc hệ số chữ nhật của đường cong từ trễ (giá trị Mr/Ms càng gần 1 thì đường cong từ trễ càng tiến tới dạng hình chữ nhật). Lực kháng từ Là giá trị từ trường ngược cần đặt vào để triệt tiêu độ từ hóa (M = 0). Lực kháng từ thường được ký hiệu là Hc (Coercivity), đôi khi được gọi là trường đảo từ (nhưng không hoàn toàn chính xác). Lực kháng từ cũng không phải là tham số nội tại của vật liệu mà là tham số ngoại giống như từ dư. Tổn hao năng lượng trễ Là diện tích đường cong từ trễ, là năng lượng tiêu tốn cần thiết cho một chu trình từ trễ, có đơn vị của mật độ năng lượng. Tích năng lượng từ cực đại Là năng lượng từ lớn nhất có thể tồn trữ trong một đơn vị thể tích vật từ, liên quan đến khả năng sản sinh từ trường của vật từ, thường là tham số kỹ thuật của các nam châm vĩnh cửu và vật liệu từ cứng. Tích năng lượng từ cực đại được xác định trên đường cong khử từ B(H) trong góc 1/4 thứ 2, là điểm có giá trị tích B.H lớn nhất. Tích năng lượng từ là tham số dẫn suất, phụ thuộc vào các tính chất từ nội tại của vật liệu và hình dạng của vật liệu, thường mang ý nghĩa ứng dụng trong các nam châm vĩnh cửu và vật liệu từ cứng. 24
  24. Tỉ số tích năng lượng từ cực đại chia cho tích lực kháng từ và từ dư được gọi là hệ số lồi của đường cong từ trễ, hay hệ số lồi của vật từ. 3.3. THỰC HÀNH 3.3.1. Thiết bị thí nghiệm Thiết bị của bài thí nghiệm bao gồm (Hình 5): 1. Cuộn dây, 600 vòng 2. Lõi sắt, hình chữ U, đặc 3. Lõi sắt, hình thanh, đặc 4. Chuyển mạch để đổi chiều dòng điện 5. Biến trở 10 Ω; 5,7 A 6. Đầu dò Hall, thanh kẹp, cáp bảo vệ 7. Cáp kết nối, đầu cắm 4 mm, 32 A, màu đỏ, l = 75 cm 8. Cáp kết nối, đầu cắm 4 mm, 32 A, màu xanh, l = 75 cm 9. Cobra3 cơ bản-Unit, USB 10. Nguồn cung cấp 12V/2A 11. Cobra3 đo mô-đun Tesla 12. Phần mềm Cobra3 Force / Tesla 13. PC, Windows ® XP hoặc cao hơn 3.3.2. Nhiệm vụ thực hành Ghi lại các đường cong từ trễ cho một lõi sắt đặc Nguyên tắc: Một từ trường được tạo ra trong một lõi sắt khép kín bởi một dòng điện liên tục đi qua hai cuộn dây. Giá trị của cường độ từ trường (B) bên trong lõi thép được đo bằng đầu đo Hall và ghi lại bằng phần mềm “Measure” (Hình 4). 25
  25. Hình 4: Đường cong từ trễ được ghi lại trên chương trình đo Các bước tiến hành: Hình 5: Sơ đồ lắp đặt bộ thí nghiệm đường cong từ trễ Bước 1: Lắp ráp bộ thí nghiệm theo Hình 5 (đã mắc sẵn). Bước 2: Kết nối hai cuộn dây tới một nguồn điện có thể thay đổi được hiệu điện thế ra. Lưu ý, các cuộn dây nên đặt xa vị trí máy tính để tránh những sai sót trong quá trình chuyển dữ liệu do sự can thiệp của các từ trường mạnh. 26
  26. Bước 3: Kết nối cáp của đầu dò Hall với mô-đun Force / Tesla và gắn đầu dò Hall dưới lõi sắt ngắn sao cho đầu dò Hall nằm tiếp giáp trực tiếp với lỗ khoan trong lõi thép. Mật độ thông lượng Bo được đo bởi đầu dò Hall và dòng điện I đi qua cuộn dây được ghi lại vào trong máy tính thông qua phần mềm “Measure”. Bước 4: Mở máy tính, vào biểu tượng Measure, Chọn File → New measurement → OK. Thiết lập các thông số đo trong phần mềm theo Hình 6a, “Option” vào Hình 6b. Hình 6: Thông số đo cần thiết lập trong phần mềm để đo đường cong từ trễ Lựa chọn biểu tượng "Continue" để vào hình theo dõi quá trình đo (Hình 7). Chú ý: Chỉ được phép đảo công tắc chuyển mạch để tạo ra một từ trường ngược lại khi trong mạch không có dòng (vặn núm quay cho điện thế về 0). Vị trí 1 là dòng dương (+) (đặt công tắc chuyển mạnh ở vị trí 1, bên trái) Vị trí 2 là dòng âm (-) (bên phải) 27
  27. Hình 7: Giá trị của cường độ từ trường và dòng điện được hiển thị trên chương trình đo Nhiệm vụ 1: Khử từ dư trong lõi thép Các bước tiến hành như sau: • Đặt công tắc ở vị trí 1. Xoay núm vặn điện thế, theo dõi màn hình nếu I và B cùng tăng làm tiếp bước sau. • Đảo công tắc sang vị trí 2 để tạo ra từ trường ngược khử từ trường dư B. Xoay núm vặn điện thế từ từ để từ trường ngược đạt tới giá trị - 0,05 T, sau đó xoay núm điện thế về 0. • Nếu B vẫn chưa đạt giá trị 0 thì phải lặp lại thao tác đặt từ trường ngược - 0,05 T một số lần cho đến khi giá trị đó xấp xỉ bằng 0. a. Tại sao phải khử từ dư trong lõi thép? b. Nếu không khử từ thì đường cong từ trễ của lõi thép và các thông số như từ dư, lực kháng từ, moment từ bão hoà có bị thay đổi không? Tại sao? c. Ngoài cách khử từ đã làm còn có cách nào khác không? Giải thích. Nhiệm vụ 2: Ghi dữ liệu đo để vẽ lại đường cong từ hoá và xác định lực kháng từ và từ dư Các bước tiến hành như sau: • Đặt công tắc về vị trị dương (1). Thay đổi điện thế từ giá trị 0 đến cực đại để đạt tới từ trường bão hòa (B khoảng 0,3 T và I khoảng 2 A). Ghi lại mọi giá trị bằng cách nhấn nút "space" sau mỗi thay đổi của điện thế. • Sau khi tăng đến giá trị cực đại, giảm điện thế từ từ cho đến khi I=0 A. Ghi lại mọi giá trị bằng cách nhấn nút "space" sau mỗi thay đổi của điện thế. 28
  28. • Khi I=0 A sử dụng công tắc chuyển mạch đảo ngược cực của điện thế. Lặp lại quá trình tăng, giảm hiệu điện thế như hai bước trên cho đến khi nhận được đường B phụ thuộc I khép kín. • Để dừng đo, nhấn nút "close". Khi đó, các giá trị đo được lưu lại trong bộ nhớ và trình bày theo dạng đồ thị cường độ từ trường theo cường độ dòng điện đi qua cuộn dây. Chú ý Để có đường cong từ trễ có độ phân giải tốt, nên tăng dòng điện khoảng 20 mA cho một điểm đo. a. Để xuất file dữ liệu, vào “Measurement” chọn “Export data ” chọn “Save to file” để xuất dữ liệu dưới dạng cột. Ghi lại đường dẫn của file dữ liệu. b. Sử dụng chương trình Origin để chuyển đổi từ đồ thị B(I) sang đường cong từ trễ: đồ thị B(H). Biết mối quan hệ của I và H như sau: H = I · n / L (n/L = 2586 m-1) Vẽ đường cong từ trễ của mẫu và xác định lực kháng từ và độ từ dư của lõi sắt từ dữ liệu đã đo được. Xử lí hình ảnh sau đó đổi tên hình ảnh theo qui định (ghi đường dẫn của file vào phiếu trả lời). Các lưu ý trong quá trình thí nghiệm: • Chỉ có một đầu dò Hall duy nhất cho nên phải bảo quản cẩn thận, tránh va đập làm gẫy. • Vị trí đầu dò Hall hết sức quan trọng nó làm các thông số thay đổi rất nhiều. 3.4. CÂU HỎI MỞ RỘNG 1. Tìm hiểu nguyên lí đo đường cong từ trễ 2. Sự phân loại các vật liệu từ, các đặc tính của vật liệu sắt từ. Thuyết miền từ hoá tự nhiên trong việc giải thích các đặc tính của vật liệu sắt từ. 3. Giải thích sự hình thành đường từ trễ, nguyên nhân gây ra hiện tượng trễ từ. 4. Phân loại vật liệu từ theo đường cong từ trễ. 29
  29. Bài 4. XÁC ĐỊNH NHIỆT ĐỘ CURIE CỦA FERIT TỪ 4.1. MỤC ĐÍCH • Tìm hiểu về sự chuyển pha sắt từ thuận từ, khái niệm nhiệt độ Curie. • Xác định nhiệt độ Curie của một mẫu Ferit từ. 4.2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 4.2.1. Vật liệu sắt từ và nhiệt độ Curie Các vật liệu sắt từ (Fe, Ni, Co, ) nếu được đặt vào từ trường H sẽ bị từ hoá (nhiễm từ tính) rất mạnh. Nguyên nhân là do bên trong khối sắt từ khi đó xuất hiện một từ trường phụ B’ cùng hướng và rất lớn so với H. Vì vậy, từ trường tổng hợp trong khối sắt từ có giá trị bằng: B = oH + B’ = oH Hệ số  gọi là độ từ thẩm của sắt từ. Trị số của  phụ thuộc phức tạp vào độ lớn của H và có thể đạt tới khoảng 104, 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 Các chất sắt từ, bên cạnh khả năng được từ hoá mạnh còn có hàng loạt tính chất cơ bản khác với các tính chất của thuận từ và nghịch từ, như sự phụ thuộc không tuyến tính vào H của cảm ứng từ B, hiện tượng từ trễ, hiện tượng từ giảo. Tuy nhiên, tính chất sắt từ chỉ xuất hiện trong một khoảng nhiệt độ xác định. Nếu khối sắt từ bị nung nóng đến nhiệt độ T TC thì tính chất sắt từ biến mất và nó trở thành chất thuận từ. Nhiệt độ TC được gọi là nhiệt độ Curie, giá trị của nó phụ thuộc vào bản chất của chất sắt từ. Bên cạnh đó, chất sắt từ ở nhiệt độ Curie còn có hàng loạt dị thường về nhiệt dung, điện trở suất, hệ số từ giảo. Ở gần nhiệt độ Curie, hệ số từ hoá ban đầu của chất sắt từ đạt đến cực đại. Các đặc tính của chất sắt từ có thể giải thích bằng thuyết miền từ hoá tự nhiên. 30
  30. 4.2.2. Mạch từ và từ trở Trong điện kỹ thuật ta thường phải sử dụng các mẫu sắt từ có dạng các khung kín (như lõi sắt từ của nam châm điện, của biến thế điện ). Các khung sắt từ kín có hình dạng khác nhau như vậy được gọi là các mạch từ kín. Đối với một mạch từ kín thì đường sức từ chỉ chạy trong mạch từ và không thoát ra ngoài. Một mạch từ không được tạo bởi một khung kín được gọi là mạch từ hở. Đối với mạch từ hở, một phần đường sức từ sẽ nằm ở ngoài mạch từ. Xét một mạch từ đơn giản (Hình 1) gồm hai đoạn: đoạn mạch trong khung sắt từ có tiết diện ngang S, có độ từ thẩm  và đoạn mạch là khe hở nhỏ có cùng tiết diện và có độ từ thẩm k. Hình 1: Mạch từ không phân nhánh đơn giản Đại lượng m = NI (N là số vòng dây điện cuốn trên khung; I là cường độ dòng điện qua cuộn dây) được gọi là suất từ động. Từ thông  là giá trị không thay đổi trong suốt chiều dài khung dây (tương tự cường độ dòng điện trong mạch điện) liên hệ với suất từ động m theo biểu thức:   = m R m Đại lượng Rm được gọi là từ trở toàn phần của mạch, với mạch đang xét thì: l l R = + k m  S   S 0 0 k trong đó: l là chiều dài trung bình của khung; lk là khoảng cách khe hở. 31
  31. Đặt: l l r = r = k m  S mk   S 0 0 k là từ trở của các đoạn mạch từ tương ứng. Ta nhận thấy từ trở tỉ lệ nghịch với độ từ thẩm của vật liệu. Như vậy Rm = rm + rmk, tức là từ trở toàn phần của mạch từ không phân nhánh bằng tổng các từ trở của các đoạn mạch từ hợp thành. Kết quả này cũng đúng với mạch từ không phân nhánh gồm nhiều đoạn mạch từ hợp thành: Rm = rm1 + rm2 + + rmn 4.3. THỰC HÀNH 4.3.1. Thiết bị thí nghiệm Thí nghiệm bao gồm một khung sắt hình chữ U trên đó có đặt cuộn dây sơ cấp (n1) và thứ cấp (n2). Một thanh ferit được gắn trên hai đầu của thanh chữ U. Trên thanh ferit có đặt một lò và một cặt nhiệt điện để xác định nhiệt độ của thanh ferit (Hình 2). Để thay đổi nhiệt độ của thanh ferit các em cần cung cấp một điện thế một chiều hoặc xoay chiều cho lò nung. Để cấp điện thế xoay chiều cho cuộn dây sơ cấp ta sử dụng một bộ nguồn E (Hình 3). Trên bộ nguồn E có 2 đầu ra; một là lối ra điên thế xoay chiều đầu còn lại là lối ra điện thế 1 chiều. Để đo nhiệt độ của thanh ferit và điện thế trên cuộn thứ cấp ta sử dụng hai đồng hồ đa năng, số liệu đo được sẽ được nhập trực tiếp vào máy tính (sử dụng phần mềm Origin) để dễ dàng theo dõi sự thay đổi của hiệu điện thế thứ cấp theo nhiệt độ. Nguyên tắc phép đo: Đặt vào cuộn sơ cấp một hiệu điện thế xoay chiều U1, do hiện tượng cảm ứng điện từ trên cuộn thứ cấp xuất hiện một hiệu điện thế xoay chiều U2. Nếu ta tăng nhiệt độ của thanh ferit tới nhiệt độ Tc thì độ từ thẩm  của thanh ferit giảm nhanh xuống giá trị  1. Khi đó từ trở của toàn mạch tăng nhanh, từ thông (độ biến thiên từ thông) qua cuộn thứ cấp giảm, suất điện động U2 giảm nhanh xuống giá trị U0. Nhiệt độ Tc chính là nhiệt độ Curie cần tìm. 32
  32. Lò, ferit và cặp nhiệt Cuộn thứ Cuộn sơ cấp cấp Hình 2: Sơ đồ thiết bị đo nhiệt độ Curie 1) 01 Bộ nguồn Ệ có 2 đầu ra. Một là lối ra điện thế xoay chiều đầu còn lại là lối ra điện thế 1 chiều. 2) 02 đồng hồ vạn năng cầm tay có thể đo được cường độ dòng điện, hiệu điện thế và nhiệt độ. 3) Máy tính đã cài sẵn chương trình Origin Đặt 2A Lối ra điện áp AC nối với Lối ra điện áp cuộn sơ cấp DC nối với lò Hình 3: Bộ nguồn E 33
  33. 4.3.2. Nhiệm vụ thực hành Nhiệm vụ 1: Khảo sát hệ đo a. Vẽ sơ đồ mạch điện của thí nghiệm vào phiếu trả lời và chú thích các đại lượng được ghi lại bằng máy tính trong thí nghiệm này. b. Xác định công suất nhiệt của nguồn mà các em dùng để cung cấp cho lò nung. Các em lưu ý rằng hai núm vặn ở bên trái dùng để điều chỉnh hiệu điện thế một chiều và dòng điện một chiều được cấp cho mạch ngoài. Trong quá trình thay đổi điện áp và dòng một chiều, khi thấy đèn đỏ sáng lên tức là cường độ dòng điện ở mạch ngoài quá lớn lúc này nguồn sẽ ngừng cung cấp dòng điện cho mạch ngoài để đảm bảo an toàn. c. Xác định hiệu điện thế xoay chiều ở cuộn sơ cấp và thứ cấp mà các em sử dụng trong phép đo. Các em lưu ý không nên chỉnh giá trị này trong suốt quá trình đo. (Giá trị của thế xoay chiều có thể xác định theo từng nấc nhưng hiệu điện thế xoay chiều ở đầu ra thường có sai khác tương đối với giá trị đặt trên chốt nên các em cần kiểm tra bằng đồng hồ vạn năng). Nhiệm vụ 2: Xác định nhiệt độ Curie của mẫu Các thao tác đo khi sử dụng máy tính: • Đặt điện áp lối ra xoay chiều của nguồn (Hình 3) bằng giá trị đã thiết lập ở nhiệm vụ 1. • Đặt điện áp một chiều của nguồn (Hình 3) về giá trị đã thiết lập ở nhiệm vụ 1. • Lấy dữ liệu từ đồng hồ đo để nhập vào máy tính và quan sát sự thay đổi tín hiệu thu được trên màn hình. • Khi quá trình chuyển pha được thực hiện hoàn toàn (hiệu điện thế thứ cấp không tiếp tục giảm) hãy giảm điện thế cung cấp cho lò nung để giảm dần nhiệt độ của mẫu về nhiệt độ phòng. a. Ghi dữ liệu đo trong file Origin vào máy tính và ghi lại đường dẫn của file dữ liệu vào phiếu trả lời. 34
  34. b. Vẽ lại đồ thị U2-T. Xử lí hình ảnh sau đó đổi tên hình ảnh theo qui định (ghi đường dẫn của file vào phiếu trả lời). c. Xác định nhiệt độ Curie của thanh ferit dựa vào số liệu đã đo được. Giải thích cách làm. d. Giả sử rằng độ từ thẩm của thanh ferit trong bài rất lớn (cỡ 104). Hãy ước lượng tỉ lệ giữa từ trở của thanh ferit (khi ở trạng thái thuận từ) và phần còn lại của mạch từ (rmk/rm). 4.4. CÂU HỎI MỞ RỘNG 1. Phân loại các vật liệu từ, các đặc tính của vật liệu sắt từ. Thuyết miền từ hoá tự nhiên trong việc giải thích các đặc tính của vật liệu sắt từ. 2. Nguyên tắc xác định nhiệt độ Curie bằng phương pháp cảm ứng điện từ. 3. Cách xác định nhiệt độ Curie từ đồ thị sự phụ thuộc của suất điện động cảm ứng theo nhiệt độ. 35
  35. Bài 5. KHẢO SÁT VÀ LẬP ĐỬỜNG CONG CHUẨN CỦẬ MÁY ĐƠN SẮC 5.1. MỤC ĐÍCH - Tìm hiểu cấu tạo, nguyên lý hoạt động của hệ quang học dùng máy đơn sắc. - Lập đường cong chuẩn của máy đơn sắc. 5.2. CƠ SỞ LÍ THUYẾT Sơ đồ hệ quang học của máy đơn sắc được sử dụng trong bài thực hành. (1) Nguồn sáng, (2) Hệ kính tụ quang, (3) Khe vào, (4) Bộ lăng kính, (5) Khe ra, (6) Mẫu, (7) Quang trở. Hệ quang học được sử dụng trong bài có cấu tạo theo sơ đồ hình vẽ trên. Bộ phận chủ yếu của hệ là máy đơn sắc YM-2 có bộ lăng kính tán sắc (4). Ánh sáng trắng từ nguồn sáng qua hệ thống kính tụ quang (2) và đi vào khe (4) của máy đơn sắc, đập vào hệ lăng kính. Khi truyền qua lăng kính, ánh sáng có bước sóng khác nhau bị lệch theo phương khác nhau. Khe ra (5) cho qua một chùm sáng có bước sóng nằm trong một khoảng hẹp. Khi thay đổi góc tới của tia sáng tới lăng kính, bằng cách quay lăng kính, ta có thể thay đổi độ dài bước sóng của chùm sáng đi ra khỏi khe (5). Bằng cách thu nhỏ bề rộng của các khe, ta có thể thu hẹp bề rộng khoảng bước sóng của chùm sáng qua khe ra, nghĩa là tăng độ đơn sắc của chùm sáng ra. 36
  36. Chùm sáng đi ra khỏi máy đơn sắc qua khe ra, đập vào mẫu. Một phần ánh sáng bị mẫu hấp thụ. Phần còn lại đi tới quang trở (7). Điện trở của quang trở sẽ giảm nếu cường độ chùm ánh sáng tới nó càng mạnh. Bằng cách quay lăng kính ở những góc khác nhau, ta có thể xác định được sự phụ thuộc của cường độ sáng đến quang trở theo bước sóng ánh sáng từ đó thu được phổ cường độ ánh sáng truyền qua mẫu. Quang trở (7) (hay thường được gọi là detector) được dùng trong bài thực hành là một quang điện trở CdS. Ánh sáng chiếu vào detector làm thay đổi điện trở R của nó. Khi không có ánh sáng chiếu vào, điện trở R của quang điện trở khá lớn. Khi có ánh sáng chiếu vào, điện trở R của nó sẽ giảm tuỳ theo cường độ và bước sóng ánh sáng chiếu vào. Vì vậy, bằng cách đo điện trở của detector, ta thu được thông tin về cường độ ánh sáng. Điện trở R của detector được đo bằng một đồng hồ đo điện trở. Hệ quang học như trên có thể được dùng để nghiên cứu phổ ánh sáng truyền qua của mẫu, cũng là để xác định phổ hấp thụ của mẫu. Có thể mở rộng tác dụng của hệ đo này để nghiên cứu nhiều tính chất quang học khác của các vật liệu như phổ huỳnh quang, phổ quang dẫn; hoặc dùng để xác định quang phổ của một nguồn sáng. Bộ lăng kính của máy đơn sắc được gắn với một cơ cấu cho phép quay nó những góc khác nhau. Góc quay của bộ lăng kính được chỉ thị trên thang chia độ của một cái trống. Tuy vậy đọc số chỉ trên thang, ta chưa biết được độ dài sóng ánh sáng đi ra khỏi máy đơn sắc. Vì vậy, trước khi sử dụng hệ đo, ta cần lập đường cong chuẩn cho máy đơn sắc, tức là tìm mối quan hệ giữa số chỉ trên thang và bước sóng ánh sáng. Để làm việc này, thay vào chỗ nguồn sáng 1, ta đặt một đèn quang phổ chuẩn. Đó là một đèn phát sáng nhờ sự phóng điện trong một ống chứa một chất khí tinh khiết. Mỗi chất khí, khi bị kích thích trong sự phóng điện, phát ra ánh sáng có quang phổ vạch. Số vạch và bước sóng của từng vạch trong quang phổ là đặc trưng cho mỗi chất khí. Trong bài thực hành này, ta dùng đèn hơi thuỷ ngân. Phổ phát xạ của thủy ngân đã được xác định chính xác và công bố trong các bảng tra cứu dưới dạng phổ mẫu (được cung cấp trên bàn thực hành). Nếu ghi được quang phổ của đèn thủy ngân theo số chỉ trên thang của máy đơn sắc, thì ta có thể so sánh với phổ mẫu, và xác lập được tương quan giữa 37
  37. bước sóng ánh sáng và số chỉ trên thang. Đồ thị của sự phụ thuộc đó gọi là đường cong chuẩn của máy đơn sắc. 5.3. THỰC HÀNH Các bước tiến hành thí nghiệm • Đặt đèn hơi thủy ngân vào vị trí nguồn sáng và bật cho đèn sáng. • Điều chỉnh đèn và các thấu kính sao cho thu được ảnh rõ nét nhất của đèn trên khe vào. • Điều chỉnh khe vào và ra của máy quang phổ và quay trống sao cho ở lối ra trông thấy vệt sáng trên detector. Điều chỉnh hệ quang và thay đổi kích thước của hai khe sao cho thu được vệt sáng rõ nét trên detector. • Đậy nắp cửa số quan sát trước khi tiến hành đo Nhiệm vụ 1: Xác định vị trí các đỉnh phổ Các bước tiến hành thí nghiệm Đưa trống quay (gắn với bộ lăng kính) về vị trí số 0. Dùng tay quay thật chậm trống quay theo chiều tăng số chỉ vị trí để dò tìm các đỉnh phổ (có thể xác định được 4-5 đỉnh phổ) tương ứng với các cực trị địa phương của điện trở của detector. Ghi các giá trị này vào bảng dữ liệu. Nhiệm vụ 2: Khảo sát phổ phát xạ của đèn hơi Thuỷ ngân a. Thay đổi giá trị trống quay từ 0 đến cực đại và ghi lại các giá trị điện trở R tương ứng với vị trí trống quay vào bảng dữ liệu trên Origin. Ghi dữ liệu đo vào máy tính và ghi lại đường dẫn của file dữ liệu vào phiếu trả lời. b. Từ dữ liệu thu được, sử dụng Origin vẽ đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của 1/R theo vị trị trống quay (đây chính là phổ phát xạ của đèn hơi Thuỷ ngân). Xử lí hình ảnh sau đó đổi tên hình ảnh theo qui định (ghi đường dẫn của file vào phiếu trả lời). Nhiệm vụ 3: Lập đường cong chuẩn a. Xác định các vị trí trống quay tương ứng với các bước sóng của phổ mẫu. Ghi vào bảng dữ liệu trên phiếu trả lời. 38
  38. b. Từ bảng dữ liệu, vẽ đồ thị biểu diễn sự phụ của thuộc bước sóng theo vị trí trống quay (sử dụng phần mềm Origin). Lưu file này vào máy tính và ghi lại đường dẫn của file dữ liệu vào phiếu trả lời. c. Sử dụng chức năng fit hàm của Origin để tìm hàm số biểu diễn sự phụ thuộc bước sóng - vị trí trống quay. Xử lí hình ảnh sau đó đổi tên hình ảnh theo qui định (ghi đường dẫn của file vào phiếu trả lời). d. Ghi phương trình hàm fit vào phiếu trả lời và nhận xét kết quả thu được. 5.4. CÂU HỎI MỞ RỘNG • Nguyên tắc hoạt động của hệ đo quang học. Các bộ phận chủ yếu của hệ và vai trò của chúng. • Trong máy đơn sắc, có thể thay hệ lăng kính tán sắc bằng thiết bị nào. • Có thể thực hiện những phép đo gì trên một hệ quang học để nghiên cứu tính chất của vật liệu? Nguyên tắc của các phép đo đó là gì? Các phép đo đó cung cấp những thông tin gì về vật liệu? • Ý nghĩa và cách lập đường cong chuẩn của hệ đo quang học. • Vai trò của đèn thủy ngân trong việc lập đường cong chuẩn? Nếu dùng một nguồn sáng khác cho mục đích lập đường cong chuẩn của hệ quang này thì nguồn sáng đó phải có đặc điểm gì? • Ý nghĩa của việc thay đổi độ rộng của khe vào và khe ra? Nên chọn độ rộng của khe vào và khe ra như thế nào cho hợp lý? 39
  39. Bài 6. KHẢO SÁT TRANSISTOR VÀ TẠO THIÊN ÁP CHO TRANSISTOR 6.1. MỤC ĐÍCH • Hiểu nguyên tắc làm việc của transistor lưỡng cực. • Hiểu được cách mắc định thiên cho transistor trong mạch khuếch đại. • Khảo sát được đường đặc trưng của transistor. 6.2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Transistor là linh kiện bán dẫn thường sử dụng nhằm mục đích khuếch đại tín hiệu hoặc đóng vai trò như một chuyển mạch điện tử. Transistor thường cấu tạo bởi vật liệu bán dẫn với ít nhất ba cực nối mạch ngoài. Lý thuyết chi tiết có thể được tìm hiểu thêm trong tài liệu lý thuyết điện tử. Quá trình định thiên cho transistor là quá trình thiết lập dòng hoặc áp cho transistor một cách hợp lý để nó có thể khuếch đại được tín hiệu vào. 6.3. THỰC HÀNH 6.3.1. Thiết bị và sơ đồ thực nghiệm Sơ đồ được mắc theo nguyên tắc sau: • Thiết bị cấp nguồn ATS 11 40
  40. • Transistor npn – models 2N2222; 2N3403 hoặc c828 và điện trở (100kΩ, 820Ω) • Ampe kế, Vôn kế. 6.3.2. Nhiệm vụ thực hành Nhiệm vụ 1: Khảo sát đặc tuyến ra Ic theo UCE tại các giá trị IB cố định • Điều chỉnh biến trở H để thay đổi giá trị IB (10µA, 20µA, 30µA) (đo bằng Ampe kế A1). • Chỉnh biến trở P để thay đổi giá trị UCE từ 0 đến 5V và đo IC bằng Ampe kế A2. a. Ghi số liệu vào bảng số liệu trong phiếu trả lời. b. Vẽ đồ thị đặc tuyến ra với các giá trị IB khác nhau trên cùng một đồ thị. Lưu ý: Trong quá trình lấy số liệu cần chú ý điều chỉnh để giữ IB không đổi. Nhiệm vụ 2: Khảo sát đặc tuyến vào IB theo UBE tại các giá trị UCE cố định • Thay đổi giá trị UCE bằng cách điều chỉnh biến trở P. • Thay đổi giá trị UBE bằng cách điều chỉnh biến trở H và đo IB bằng Ampe kế A1. a. Ghi số liệu vào bảng số liệu trong phiếu trả lời. b. Vẽ đồ thị đặc tuyến vào với các giá trị UCE khác nhau trên cùng một đồ thị. Lưu ý: Trong quá trình lấy số liệu cần chú ý điều chỉnh để giữ UCE không đổi. Nhiệm vụ 3: Khảo sát đặc tuyến truyền đạt IC theo IB tại các giá trị UCE cố định • Thay đổi giá trị UCE bằng cách điều chỉnh biến trở P. • Thay đổi giá trị IB bằng cách điều chỉnh biến trở tại H và đo IC bằng Ampe kế A1. a. Ghi số liệu vào bảng số liệu trong phiếu trả lời. b. Vẽ đồ thị đặc tuyến truyền đạt với các giá trị UCE khác nhau trên cùng một đồ thị. c. Xác định hệ số khuếch đại ứng với các giá trị UCE khác nhau và ghi kết quả vào phiếu trả lời. 41
  41. 6.4. CÂU HỎI MỞ RỘNG - Đưa ra các nhận xét và chế độ làm việc của transistor. - Giải thích các lưu ý trong bài. - Đưa ra một số nhận xét cải tiến thí nghiệm. 42
  42. Bài 7. MẠCH KHUỆ CH ĐẠI DÙNG TRANSISTOR MẮC EC 7.1. MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM • Làm quen tầng khuếch đại điện thế có tải là 1 điện trở tiêu thụ, phân tích được hoạt động của sơ đồ. Nắm được vai trò của các linh kiện điện tử trong mạch; • Vẽ đường đặc trưng tần số • Tính toán trở kháng vào /ra của mạch. 7.2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Xét một tầng khuếch đại Transistor mắc theo kiểu E chung (Hình 1), đây là kiểu hay được dùng hơn cả bởi vì cách mắc này có hệ số khuếch đại công suất lớn nhất. Hình 1: Sơ đồ mạch khuếch đại Trasistor mắc kiểu E chung Trong sơ đồ trên Hình 1: Rc là tải colecto. R1, R2 là điện trở định thiên RE là trở của emito dùng để ổn định nhiệt CE là tụ lọc thành phần biến thiên CP1, CP2 là tụ nối tầng và tụ Cv là tụ kí sinh Thông số quan trọng của một tầng khuếch đại là hệ số khuếch đại điện áp, được định nghĩa là tỷ số biên độ điện áp ở lối ra UR với biên độ điện áp ở lối vào Uv. 43
  43. U R K = UV Trong công thức này, chúng ta bỏ qua độ lệch pha phụ do các phần tử điện kháng gây ra. Hệ số khuếch đại thường được tính ra đơn vị dexiben (dB) theo công thức K(dB) = 20 lg K Để phân tích hoạt động của mạch khuếch đại chúng ta sử dụng sơ đồ tương đương trên Hình 2: Hình 2: Sơ đồ tương đương của mạch khuếch đại Trasistor mắc kiểu E chung Sơ đồ này được sử dụng để khảo sát thành phần biến thiên của dòng điện với giả thiết rằng tín hiệu vào nhỏ và sự phụ thuộc của dòng ra với điện thế là tuyến tính. Trong sơ đồ này, chúng ta bỏ qua điện dung ký sinh, điện dung ra của tầng và coi Cv đơn thuần là điện dung vào của tầng sau. Các thành phần trong sơ đồ bao gồm: • Uv là điện thế ở lối vào • RN là điện trở nội của lớp chuyển tiếp Colecto R1.R2 • R1,2 = là điện trở tương đương của bộ chia thế R1 + R2 Dung kháng của tụ điện tỷ lệ nghịch với tần số, nên khi tần số giảm thì dung kháng của CP2 tăng, trong khi đó CP2 mắc nối tiếp với lối ra của tầng nên hệ số khuếch đại giảm. 44
  44. Hình 3 biểu diễn đường đặc trưng tần số của tầng khuếch đại, đó là sự phụ thuộc của hệ số khuếch đại K vào tần số f khi Uv là một hằng số: K =φ(f) khi Uv = const Hình 3: Đường đặc trưng tần số của mạch khuếch đại Dải tần số được chia làm 3 miền. Miền I là tần số âm thấp, miền II là tần số âm trung bình và miền III là tần số âm cao. Trong miền I có thể bỏ qua ảnh hưởng của CV và chỉ xét ảnh hưởng của CP2 nên sơ đồ tương đương được vẽ lại như sau: Hệ số khuếch đại trong miền này: 2 h .R 2 .C 2 K = 21 12 . t P UT 2 h11 + R12 . h h 2 + t .CP (R12 . h + h11 ) 45
  45. Trong miền II cả Cp1 và Cp2 đều không gây ảnh hưởng tới hệ số khuếch đại K do đó sơ đồ tương đương được vẽ lại và bỏ qua Cp và Cp Hệ số khuếch đại trong miền này là: U 2 − h21.Rtd KUTB = = U1 h11 + h.Rtd Trong miền tần số âm trung bình thì hệ số khuếch đại không phụ thuộc vào tần số nên đường đặc trưng là một đoạn thẳng nằm ngang . Ở miền III chỉ có Cv gây ảnh hưởng đế hệ số khuếch đại và sơ đồ được vẽ lại như sau: Hệ số khuếch đại trong miền này là: KUTB KUTB KUC = 2 1+ ( .C .R )2 C .CV .R12 .h11 C V 12 1+ h11 + h.R12 46
  46. 7.3. THỰC HÀNH 7.3.1. Dụng cụ và sơ đồ thí nghiệm • Các linh kiện đã lắp ráp thành bảng mạch MODUL kèm theo • Thiết bị ATS 11 cung cấp tín hiệu cho nguồn. • Máy phát xung chuẩn. • Dao động kí 2 chùm tia dùng để hiển thị tín hiệu vào ra và các giắc cắm cho bài thí nghiệm. Sử dụng bo mạch thiết kế sẵn theo sơ đồ sau: 7.3.2. Nhiệm vụ thực hành • Nối GND và OUT của máy phát xung với GND và chốt A của bảng mạch. Cấp Vin1 tại chốt A là tín hiệu hình Sin có biên độ 0,3V tần số f =1KHz. • Nối 2 điểm B1 và B2. Dùng DĐK đo tín hiệu ra Vout ở kênh 1, tiếp tục chỉnh biến trở sao cho Vout đạt biên độ lớn nhất nhưng không bị méo dạng. Nhiệm vụ 1: Xác định hệ số khuếch đại K của mạch: Dùng DĐK đo Vin tại B2, Vout tại C bằng 2 kênh CH1 và CH2. 47
  47. a. Vẽ lại dạng tính hiệu và nhận xét về biên độ. b. Tính hệ số khuếch đại của mạch: K=Vout/Vin Nhiệm vụ 2: Xác định trở kháng vào Zin Mắc nối tiếp giữa B1 và B2 điện trở Rv=330Ω, 푅푣 a. Tính trở kháng vào theo công thức: 푍푖 = 1 −1 2 trong đó V1 là điện áp tại B1 V2 là điện áp tại B2 b. Nhận xét giá trị Zin Nhiệm vụ 3: Vẽ đặc trưng biên độ - tần số (mắc lại mạch có nối B1 - B2): a. Giữ nguyên biên độ tín hiệu vào, thay đổi tần số của tín hiệu vào tại A là Vin, đo Vout lấy tại C và thu số liệu theo bảng số liệu trong phiếu trả lời (Lưu ý chỉ khảo sát tần số nhỏ hơn 30 kHz). b. Vẽ đường đặc trưng tần số c. Nhận xét khi so sánh với đường lý thuyết. Nhiệm vụ 4: Xác định trở kháng ra Zout Mắc điện trở tải Rt=220Ω vào giữa chốt C và mass, 1 a. Tính trở kháng lối ra theo công thức : 푍 = ( − 1)푅 표 2 푡 trong đó V1 là điện áp trước khi có tải V2 là điện áp sau khi có tải b. Nhận xét so sánh trở kháng lối ra và lối vào mạch khuếch đại. 7.4. CÂU HỎI MỞ RỘNG 1. Hãy nêu sự ảnh hưởng tần số vào hệ sô mạch khuếch đại? 2. Các điện trở R1, R2 có tác dụng gì trong mạch khuếch đại và ảnh hưởng tới hệ số khuếch đại như thế nào? 3. Giải thích công thức trở kháng vào. 48
  48. Bài 8. THIẾT KẾ MẠCH TẠỘ DẬỘ ĐỘNG ĐẬ HÀÍ DÙNG TRANSISTOR 8.1. MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM - Hiểu được nguyên lý hoạt động của mạch tạo dao động đa hài - Biết tính toán lý thuyết tần số dao động của mạch, so sánh với thực tế, đo bằng dao động kí. 8.2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1. Nguyên lí chung về máy phát dao động Mạch dao động điện tử có thể tạo ra dao động có dạng khác nhau như dao động điều hòa, xung chữ nhật, xung tam giác, răng cưa Máy phát dao động điều hòa là thiết bị biến đổi năng lượng của nguồn điện một chiều thành tín hiệu xoay chiều. Mạch tạo xung vuông hay đa hài dùng nguyên lý tích phóng của tụ điện theo quá trình đóng mở của transistor. 2. Máy dao động phi điều hòa (máy phát đa hài) +5V Rc R2 R3 Rc OUT 1 C2 C1 OUT 2 T1 T2 49
  49. Việc hình thành xung vuông ở cửa ra sau một khoảng thời gian t1=t1-t0 (đối với cửa ra 1) hoặc t2=t2-t1 (đối với của ra 2) nhờ quá trình đột biến chuyển trạng thái của sơ đồ tại các thời điểm t0, t1, t2, Hình 1: Biểu đồ thời gian tích, phóng điện của tụ 50
  50. Trong khoảng thời gian t1, tranzitor T1 khóa, T2 mở, tụ C đã được nạp đầy điện tích +→→→CTRC trước t0 sẽ phóng điện qua T2 qua nguồn EC, qua R1 theo đường 1211 làm điện thế UB của T1 thay đổi. Đồng thời trong khoảng thời gian này tụ C2 được nguồn EC +→→→−ERTE nạp theo đường CCC 2 làm cho điện thế UB trên T2 cũng thay đổi (như hình vẽ). Lúc t = t1, UB1=+0.6V: T1 mở, xảy ra quá trình đột biến thứ nhất, nhờ mạch hồi tiếp dương làm sơ đồ lật tới tình trạng T1 mở, T2 khóa. Trong khoảng thời gian t2= t2 - t1 trạng thái trên được giữ nguyên, tụ C2 bắt đầu phóng điện, tụ C1 bắt đầu quá trình nạp tương tự như trên cho tới khi t = t2, UB2= +0.6V: T2 mở, xảy ra đột biến lần thứ 2 chuyển sơ đồ về trạng thái ban đầu. Biểu đồ thời gian của các quá trình này được trình bày trên Hình 1. Các tham số chủ yếu của xung vuông đầu ra được xác định bởi: T1 = R1111 CRln C 20.7 T2 = R2222 CRln C 20.7 Nếu R1 = R2, C1 = C2 thì T1 = T2 và nhận được sơ đồ đa hài đối xứng, ngược lại sẽ cho đa hài không đối xứng khi T1 T2 Chu kì xung vuông: Tra = T1 + T2 Biên độ xung ra gần đúng bằng trị số nguồn E cung cấp Sơ đồ có hạn chế ở khu vực tần số thấp ( 10kHz) 8.3. THỰC HÀNH 8.3.1. Thiết bị thí nghiệm Trong bài thí nghiệm này sinh viên sử dụng bo mạch trắng để tự lắp ráp mạch, do đó cần kiểm tra đầy đủ linh kiện trước khi tiến hành mắc mạch. Quá trình vận hành cần có kiểm tra của giáo viên hướng dẫn. Các dụng cụ chính của thí nghiệm: 1. Thiết bị thực hành điện tử tương tự ATS-11. 51
  51. 2. Bộ nguồn chuẩn DC POWER SUPPLY của thiết bị ATS-11 cung cấp các thế chuẩn 5VV , 1 2 cố định. Chú ý cắm đúng phân cực của nguồn. 3. Dao động kí 2 tia dùng quan sát tín hiệu 4. Bo mạch trắng và các linh kiện kèm theo các giắc cắm. 5. Linh kiện điện tử để mắc mạch: • 2 transistors C828 • 2 điện trở Rc=470 Ω • 2 điện trở R1=R2=4,7 kΩ • 2 tụ 0,22 µF (tụ 224) • 2 tụ 1 µF (tụ 105) 8.3.2. Nhiệm vụ thực hành • Dùng đồng hồ vạn năng xác định các cực tính của Transistor • Tiến hành sử dụng các linh kiện có sẵn mắc mạch theo sơ đồ sau: +5V Rc R2 R3 Rc OUT 1 C2 C1 OUT 2 T1 T2 • Thay đổi các giá trị của tụ để có tần số khác nhau theo các giá trị sau: ✓ C1=0,22 µF, C2=1 µF ✓ C1=0,44 µF, C2=1 µF ✓ C1=0,22 µF, C2=2 µF ✓ C1=1,22 µF, C2=1µF ✓ C1=1,22 µF, C2=0,22 µF ✓ C1=2 µF, C2=0,44 µF 52
  52. • Với mỗi cặp giá trị của tụ điện: a. Đo và vẽ lại dạng tín hiệu được hiển thị trên dao động ký b. Xác định tần số tín hiệu ra. c. Xác định tần số tín hiệu ra theo công thức d. So sánh với tần số tín hiệu đo được và rút ra nhận xét. 8.4. CÂU HỎI MỞ RỘNG 1. Nêu nguyên tắc chung của máy phát dao động đa hài. 2. Kết luận về vai trò của mạch RC trong việc hình thành xung ra. 53
  53. PHU LU C Í: QUÍ CẬ CH LỬU DỬ LÍỆ U Kết quả đo bao gồm file dữ liệu, file Origin, file hình ảnh đã xử lí được coi như một phần của báo cáo thí nghiệm. Với mỗi bài thí nghiệm có nội dung cần được xử lí và lưu trữ trên máy tính, sinh viên cần tuân thủ cách thức ghi dữ liệu như sau: 1. Dữ liệu được ghi trong một thư mục lớn: D:/THVL3-HK 1-2019 2. Mỗi nhóm làm việc cần mở riêng một thư mục con cho mình với tên thư mục theo đường dẫn dạng: D:/THVL3-HK 1-2019/Sang thu ?/ Nhom ? 3. Bên trong thư mục con tạo một file txt có tên “Nhom ?–Sang thu ?.txt” để lưu tên của cách thành viên trong nhóm 4. Các kết quả đo đạc, hay hình ảnh đã xử lí khi được yêu cầu ghi lại thì đều phải lưu trong thư mục con của nhóm mình với tên file có dạng: “Nhiem vu ??.*” (ví dụ: Nhiem vu 2b.jpg) 5. Trong quá trình xử lí dữ liệu có thể sinh ra nhiều file tạm, nhưng chỉ có file mang tên theo qui định mới được coi là kết quả cuối cùng dùng để chấm điểm. 54
  54. PHU LU C ÍÍ: HỬƠ NG DẬ N SỬ DU NG CHỬƠNG TRÍ NH VỆ ĐỘ THÍ ỘRÍGÍN Chương trình vẽ đồ thị origin có thể nhận dữ liệu từ các file có dạng: *.DAT, *.TXT, *.CSV, cũng như các file dữ liệu số từ Excel. Chương trình cho phép vẽ, xử lý đồ thị, xử lý dữ liệu rất tiện lợi và dễ sử dụng. Các bước sử dụng đơn giản chương trình: Bước 1: Kích hoạt biểu tượng Origin trên màn hình Window, Cửa sổ hoạt động chính của chương trình xuất hiện như Hình PL1. Hình PL1 Hình PL2 Bước 2: Có thể nhập dữ liệu vào hai cột trực tiếp từ bàn phím sau đó tiến hành vẽ đồ thị được thực hiện theo bước 4. Bước 3: Để nhập dữ liệu từ 1 file dữ liệu phù hợp đã có sẵn thì kích vào File ở thanh menue trên màn hình, chọn lệnh Import, chọn ASCII (Hình PL2). Lựa chọn file dữ liệu cần vẽ đồ thị từ ổ đĩa và thư mục chứa nó (chú ý nên để file of type ở dạng *.*) kích vào thanh Open. Lúc này dữ liệu đã được nhập vào bảng ở màn hình hoạt động của origin như Hình PL3. 55
  55. Hình PL3 Hình PL4 Bước 4: Bôi đen 1 cột bằng cách kích vào B[Y], kích vào Plot sau đó chọn line (Hình PL4), đồ thị phụ thuộc của B[Y] vào A[X] được trình bày như trên Hình PL5. Bước 5: Ta có thể đặt tên cho trục toạ độ của đồ thị bằng cách kích vào X axis title và Y axis title (Hình PL6). Đồ thị có thể được in ra bằng lệnh Print trong menue File. Hình PL5 Hình PL6 2. SỬ DỤNG HÀM FIT a. Khái niệm hàm fit Giả sử ta có sự phụ thuộc các giá trị của Y vào các giá trị tương ứng của X thể hiện bằng các điểm trên đồ thị (X,Y), Hàm y = f(x) được gọi là hàm fit của sự phụ thuộc trên nếu đường biểu diễn hàm y=f(x) đi qua các điểm biểu diễn sự phụ thuộc (X,Y) với sai số cho phép. Hàm fit càng phù hợp nếu sai số càng nhỏ. 56
  56. Lấy ví dụ như trên Hình PL7, sự phụ thuộc của các giá trị Y vào X được thể hiện bằng các chấm vuông trên đồ thị, đường cong liền nét là đường biểu diễn hàm số: Y =0,35904 + 1,00381.10-4 x – 5,03782.10-8 x2 + 1,45903.10-11 x3 (1) Nếu chấp nhận các sai số thì hàm (1) được gọi là hàm fit và sự phụ thuộc của các giá trị Y vào X có thể được biểu diễn bằng hàm 1. b. Sử dụng hàm fit trong chương trình origin Sau khi vẽ đồ thị bằng chương trình origin (sau bước 5), ta có thể tìm hàm fit cho đồ thị của mình bằng cách kích vào Analysis trên màn hình hiển thị của origin. Chúng ta có thể thấy rất nhiều loại hàm fit (Hình PL8). Chúng ta phải lựa chọn một hàm sao cho phù hợp với đồ thị của mình. Tuy nhiên để tiết kiệm thời gian ta có thể dự đoán loại hàm fit nào phù hợp. Sau khi hàm fit được chọn, máy tính sẽ tính toán các hệ số của hàm fit sao cho đường biểu diễn của hàm đi gần với các điểm của đồ thị cần fit nhất (Hình PL9, PL10). Hình PL7 Hình PL8 Những hàm fit trong mục Analysis có thể được chọn là các hàm sau: • Fit Linear là hàm fit tuyến tính. • Fit Polynomial là hàm fit có dạng hàm mũ (y = f(x)) có các số mũ của x có giá trị từ 1 đến 9. Với x có số mũ bằng 1 thì đó là hàm tuyến tính (hình 9). −ax • Fit Exponential Decay là dạng hàm y = yo + A e ax • Fit Exponential Growth là dạng hàm y = yo + A e 57
  57. • Fit Sigmoidal (x−x )2 −2 c A w2 • Fit Gaussian là hàm có dạng y = yo + e w 2 2A w • Fit Lorentzian là hàm có dạng y = yo + 2 2 4(x − xc ) + w Hình PL9 Hình PL10 Máy tính không cung cấp cho ta đủ các hàm Fit phù hợp với tất cả các đường đồ thị. Do vậy trong trường hợp không tìm thấy hàm fit có sẵn, ta có thể đưa hàm fit phù hợp với đường cong đồ thị của ta vào bằng cách lựa chọn lệnh Non-linear Curve Fit trong menu Analysis, sau đó đưa hàm fit vào theo hướng dẫn như trên Hình PL11. Máy tính sẽ tính toán tìm các hệ số của hàm số đưa vào sao cho đạt được hàm Fit phù hợp nhất. 58
  58. Hình PL11 59
  59. PHU LU C ÍÍÍ: NỘ Í QUY PHỘ NG THÍ NGHÍỆ M THỬ C HẬ NH 1. Sinh viên phải đến phòng thí nghiệm đúng giờ. Khi làm thí nghiệm phải giữ trật tự và tuân theo hướng dẫn của giáo viên. 2. Phải mặc áo khoác thí nghiệm (Blouse) khi làm thí nghiệm. 3. Đọc kỹ hướng dẫn trước khi làm thí nghiệm. Tuân thủ tuyệt đối quy trình vận hành máy móc và thiết bị được hướng dẫn trong bài thực hành. 4. Sinh viên thực hiện đầy đủ các nhiệm vụ trong bài thực hành như qui định trong giáo trình. 5. Cẩn thận khi làm thí nghiệm; trung thực, khách quan khi lấy kết quả và làm báo cáo thí nghiệm. 6. Tuyệt đối không lấy dụng cụ của các bài thực hành khác. 7. Phải giữ gìn vệ sinh trong phòng thí nghiệm: giữ bàn thí nghiệm sạch sẽ, sắp xếp dụng cụ hợp lí, gọn gàng. Sau buổi thực hành phải dọn dẹp ngăn nắp chỗ làm thí nghiệm. 8. Trước khi ra về tổ trực nhật có trách nhiệm phải tắt điện, khóa cửa phòng thí nghiệm, giao chìa khóa cho giáo viên phụ trách buổi thực hành thí nghiệm. 9. Hỏi giáo viên nếu bạn chưa rõ cách vận hành các thiết bị thí nghiệm. 60