Thực hành Vật lý Chất rắn Nguyễn Minh Vương (chủ biên) – Hoàng Nhật Hiếu Nguyễn Văn Nghĩa – Nguyễn Ngọc Khoa Trường –Nguyễn Tư THỰC HÀNH VẬT LÝ CHẤT RẮN (Lưu hành nội bộ) Quy Nhơn, 2016 Thực hành Vật lý Chất rắn Lời nói ñầu Thí nghiệm vật lý là một khâu khá quan trọng và không thể thiếu trong quá trình học tập và nghiên cứu ngành vật lý học. Thực hành vật lý rèn luyện cho học viên phương pháp và kĩ năng nghiên cứu, ñồng thời củng cố các kiến thức lý thuyết ñã ñược học. Bên cạnh ñó, thực hành vật lý còn rèn luyện cho học viên những ñức tính của người làm công tác nghiên cứu khoa học nói chung và làm công tác nghiên cứu, dạy và học vật lý nói riêng ðể ñáp ứng chương trình ñào tạo Cử nhân Vật lý, Cao học Vật lý Chất rắn và phù hợp với trang thiết bị thí nghiệm mới ñược bổ sung tại khoa Vật lý - trường ðại học Quy Nhơn, nhóm chúng tôi biên soạn cuốn giáo trình Thực hành Vật lý Chất rắn. Nội dung của giáo trình ñược viết dựa trên các bài thí nghiệm mới ñược trang bị tại khoa Vật lý.
Phần lý thuyết của mỗi bài thí nghiệm ñược trình bày ngắn gọn, ñầy ñủ, thuận lợi cho học viên trong việc tóm tắt lý thuyết. Vấn ñề sai số thực nghiệm ñược xếp ở phần phụ lục ñể nhắc nhở học viên tự ôn lại khi tiến hành thí nghiệm và xử lý kết quả. Phần thực hành ñược trình bày rõ ràng theo thứ tự các bước tiến hành thí nghiệm, các bảng biểu cần thiết và cách xử lý số liệu. Nhóm biên soạn xin chân thành cảm ơn những ý kiến ñóng góp quý báu của quý thầy cô giáo trong hội ñồng khoa Vật lý – trường ðại học Quy Nhơn và các cán bộ phản biện về nội dung của giáo trình.
Trong quá trình biên soạn, chắc chắn còn có nhiều thiếu sót. Nhóm biên soạn xin chân thành cảm ơn ý kiến ñóng góp của quý ñộc giả. Nhóm biên soạn Thực hành Vật lý Chất rắn MỤC LỤC Bài 1 : TÌM HIỂU DỤNG CỤ THÍ NGHIỆM VÀ CÁCH SỬ DỤNG PHẦN MỀM ORIGIN. 3 Bài 2: XÁC ðỊNH CẤU TRÚC, KÍCH THƯỚC TINH THỂ VÀ KÍCH THƯỚC HẠT CỦA VẬT LIỆU.
10 BÀI 3: KHẢO SÁT HIỆN TƯỢNG TỪ TRỄ CỦA VẬT LIỆU SẮT TỪ. 16 BÀI 4: KHẢO SÁT TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU FERIT TỪ. 21 BÀI 5: HIỆU ỨNG HALL TRONG VẬT LIỆU BÁN DẪN. 27 BÀI 6: HIỆU THẾ TIẾP XÚC TẠI LỚP CHUYỂN TIẾP P-N.
32 BÀI 7: XÁC ðỊNH HỆ SỐ NHIỆT ðIỆN TRỞ CỦA KIM LOẠI. 37 BÀI 8: XÁC ðỊNH ðỘ RỘNG VÙNG CẤM CỦA BÁN DẪN. 40 Bài 9: KHẢO SÁT PHỔ HẤP THỤ CỦA CHẤT LỎNG. 43 Bài 10: KHẢO SÁT NHIỆT ðỘ CỦA LÒ NUNG BẰNG CẶP NHIỆT ðIỆN.
51 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 59 Thực hành Vật lý Chất rắn Bài 1 : TÌM HIỂU DỤNG CỤ THÍ NGHIỆM VÀ CÁCH SỬ DỤNG PHẦN MỀM ORIGIN 1. Mục ñích - Nắm ñược cách sử dụng phần mềm Origin ñể xử lý số liệu thực nghiệm. - Nắm ñược cấu tạo, cách sử dụng các dụng cụ và thiết bị thí nghiệm.
Các bước tiến hành 1. Giới thiệu phần mềm Origin Origin là phần mềm do Origin Lab Corporation viết và phát triển từ năm 1991. Hiện nay phổ biến là các phiên bản 7. Chương trình vẽ ñồ thị Origin có thể nhận dữ liệu từ các file có dạng: *.CSV, cũng như các file dữ liệu số từ Excel.
Chương trình cho phép vẽ, xử lý ñồ thị và xử lý dữ liệu rất tiện lợi và dễ sử dụng. Các bước sử dụng cơ bản của chương trình Origin Bước 1: Kích hoạt biểu tượng Origin trên màn hình Window. Origin chia số liệu thành các cột, có thể chứa tới vài chục cột và vài chục dòng số liệu. Trước khi chọn cách vẽ thích hợp, ta phải chọn các cột tương ứng với các trục tọa ñộ (cột nào là cột X, cột nào là cột Y).
ðể chọn trục tọa ñộ cho các cột ta kích chuột phải vào cột → set as → chọn X (hoặc Y) (Hình 2). ðịnh dạng các trục tọa ñộ Bước 2: Nhập dữ liệu trong Origin: ta có thể nhập dữ liệu trong Origin bằng một số cách như sau: - Nhập trực tiếp từ bàn phím. 3 Thực hành Vật lý Chất rắn - Copy số liệu từ một file số liệu sẵn có và dán số liệu ñó vào bảng số liệu của phần mềm Origin. - Nhập từ một file dữ liệu ñã có sẵn.
ðể nhập file dữ liệu ñã có sẵn, ta vào File → Import → Single ASCII (nếu nhập 1 file) hoặc Multiple ASCII (nếu nhập nhiều file cùng một lúc) → Lựa chọn file dữ liệu cần vẽ từ thư mục (chú ý nên ñể file of type ở dạng *. Lúc này dữ liệu ñã ñược nhập vào bảng ở màn hình hoạt ñộng của Origin như Hình 1. Trường hợp nhập 1 file dữ liệu Hình 1. Trường hợp nhập nhiều file dữ liệu cùng lúc Bước 3: Bôi ñen một (hoặc nhiều) cột bằng cách kích vào B[Y] (và C[Y], D[Y]…) sau ñó kích vào Plot và chọn cách vẽ mà ta mong muốn (Hình 1.5), ñồ thị phụ thuộc của B[Y] (D[Y], F[Y], H[Y]) vào A[X] (C[X], E[X], 4 Thực hành Vật lý Chất rắn G[X]) ñược trình bày như Hình 1.
Origin cung cấp rất nhiều cách vẽ ñồ thị khác nhau. Origin còn có cả vẽ ñồ thị không gian 3 chiều. Chọn kiểu vẽ ñồ thị Hình 1. ðồ thị sau khi vẽ trong Origin Bước 4: Ta có thể chỉnh sửa các khung của ñồ thị, giới hạn thang ño, màu sắt khung tọa ñộ… bằng cách kích chuột vào một trục bất kỳ, sẽ hiện ra cửa sổ ñiều chỉnh tùy theo ý người dùng.
Ta có thể ñặt tên cho trục tọa ñộ của ñồ thị bằng cách kích vào X axis title và Y axis title (Hình 7). ðồ thị có thể ñược in ra bằng lệnh Print trong menu File. ðồ thị sau khi chỉnh sửa * Chú ý: 5 Thực hành Vật lý Chất rắn - Chúng ta có thể tạo nhiều thư mục (Folder) trong cùng một file origin bằng cách kích vào biểu tượng New Folder trên thanh công cụ. - Khi các cặp dữ liệu (X, Y) có các giá trị sai số ∆X và ∆Y tương ứng, khi ñó ta thêm hai cột dữ liệu và ñặt cho các cột lần lượt là X Error và Y Error (Hình 1.
Khi ñó ñồ thị của các cặp dữ liệu này bao gồm các thanh sai số có dạng như Hình 1. Chèn sai số cho các dữ liệu Hình 1. ðồ thị gồm cả sai số các giá trị X, Y Bước 5: Sau khi ñã vẽ xong ñồ thị ta lưu File số liệu ñã vẽ trong phân mềm Origin bằng cách vào Tab File/Save project/ tên File. Sử dụng thao tác FIT hàm trong Origin - 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 ñiểm trên ñồ thị (X, Y), hàm y = f(x) ñược gọi là hàm FIT của sự phụ thuộc trên nếu ñường biểu diễn hàm y = f(x) ñi qua các ñiểm biểu 6 Thực hành Vật lý Chất rắn diễn sự phụ thuộc của (X, Y) với sai số cho phép.
Hàm FIT càng phù hợp nếu sai số càng nhỏ. Ví dụ: trên Hình 1.10, sự phụ thuộc của các giá trị Y vào X ñược thể hiện bằng các chấm vuông trên ñồ thị, ñường cong liền nét là ñường biểu diễn hàm số: y = (-1.5) x – (26 ± 5) (1) Nếu chấp nhận các sai số thì hàm (1) ñược gọi là hàm FIT và sự phụ thuộc của các giá trị Y vào X có thể ñược biểu diễn bằng hàm 1. Ví dụ về hàm FIT - Sử dụng hàm FIT trong chương trình Origin: Sau khi vẽ ñồ thị bằng chương trình Origin, ta có thể tìm hàm FIT cho ñồ thị tương ứng bằng cách kích vào Analysis/Fitting trên màn hình hiển thị của Origin. Chúng ta có thể thấy rất nhiều loại hàm có thể lựa chọn (Hình 1.
Tuy nhiên, ñể tiết kiệm thời gian, ta có thể dự ñoán loại hàm FIT nào là phù hợp. Các dạng hàm FIT 7 Thực hành Vật lý Chất rắn Sau khi hàm FIT ñược chọn, máy tính sẽ tính toán các hệ số của hàm FIT sao cho ñường biểu diễn của hàm ñi gần với các ñiểm dữ liệu thực nghiệm của ñồ thị cần fit nhất. Những hàm FIT trong mục Analysis có thể ñược chọn là các hàm sau: 1. Fit linear là hàm tuyến tính 2.
Fit Polynomial là hàm fit có dạng hàm mũ của x, các số mũ của x có giá trị từ 1 ñến 9. Với x có giá trị bằng 1 thì ñó là hàm tuyến tính. Fit Exponential Decay là dạng hàm y = y0 + Ae-αx 4. Fit Exponential Growth là dạng hàm y = y0 + Aeαx ሺೣషೣ ሻమ ିଶ 5.
Fit Gaussian là hàm có dạng: ݕൌ ݕ ഏ ݁ ೢమ ௪ට మ ଶ ௪ 6. Fit Lorentzian là hàm có dạng: ݕൌ ݕ గ ସሺ௫ି௫ ሻమ ା௪ మ Máy tính không cung cấp cho ta ñủ các hàm FIT phù hợp với tất cả các ñường ñồ thị. Do vậy trong trường hợp không tìm thấy hàm FIT có sẵn ta có thể chọn hàm FIT phù hợp với ñường cong thực nghiệm của ta bằng cách lựa chọn lệnh Non-linear Curve Fit trong menu Analysis. Sau ñó ñưa hàm FIT vào theo hướng dẫn trên Hình 12.
Máy tính sẽ tính toán tìm các hệ số của hàm số ñưa vào sao cho ñạt ñược hàm FIT phù hợp nhất. Thao tác Fit Non-linear Curve 1. Tìm hiểu dụng cụ Giáo viên hướng dẫn trình bày cấu tạo và cách sử dụng các dụng cụ, thiết bị sau ñây cho sinh viên biết: 8 Thực hành Vật lý Chất rắn - Các bộ thí nghiệm sắt từ, hiệu ứng Hall, máy UV-Vis. - Cơ sở lý thuyết của từng bài thí nghiệm.
- Phần mềm kết nối máy tính. Yêu cầu: Phải chỉ tỉ mỉ trên dụng cụ và thiết bị thật ñể học sinh có trực quan hơn. Sau khi nghe xong hai phần trên, sinh viên chia thành nhiều nhóm nhỏ lần lượt tìm hiểu trực tiếp các dụng cụ về cấu tạo, cách sử dụng; ôn tập lại những nội dung ñã ñược giáo viên nhắc lại về xử lý số liệu thực nghiệm. Câu hỏi ôn tập 1.
Giáo viên ñặt các câu hỏi và yêu cầu sinh viên trả lời bằng miệng nội dung ñã ñược ñề cập tới trong phần tìm hiểu ở trên. Giáo viên trả lời một số thắc mắc của sinh viên (nếu có). 9 Thực hành Vật lý Chất rắn Bài 2: XÁC ðỊNH CẤU TRÚC, KÍCH THƯỚC TINH THỂ VÀ KÍCH THƯỚC HẠT CỦA VẬT LIỆU 2.