Визначення точки Кюрі феромагнетика

 

Мета роботи: набути навиків вимірювання температурної залежності намагніченості феромагнетика.

Прилади та матеріали: електрична піч; феромагнітний зразок; мікроампер-метр; мілівольтметр; термопара.

У загальному випадку вектор магнітної індукції в середовищі зв’язаний з напруженістю магнітного поля співвідношенням:

де   – магнітна стала;

 – відносна магнітна проникність середовища (для вакууму =1)

Магнітна індукція в середовищі визначається магнітною індукцією в вакуумі В0=0Н і намагніченістю середовища 0j

де   – вектор намагнічування, рівний магнітному моменту одиниці об’єму речовини;

 – магнітна сприйнятливість середовища.

Перепишемо (2) :

При порівнянні (1) і (2) виходить, що

Якщо  , то речовини називаються діамагнетиками. Речовини, для яких  називаються парамагнетиками. Діа- і парамагнетики належать до класу слабомагнітних речовин, їх магнітна проникність близька до одиниці.

Речовини, які здатні сильно намагнічуватись називаються феромагнетиками.

Основні властивості діа-, пара- і феромагнетиків розглянуті в теоретичних відомостях до лабораторної роботи № 3-7. В даній лабораторній роботі вивчається залежність основних характеристик магнетиків від температури.

На основі класичних уявлень одержані такі формули для  і  в діамагнетиках:

де е =1, 610-19 Кл – заряд електрона;

m=9, 110-31 кг – маса електрона;

z – число електронів в атомі;

n – число атомів в одиниці об’єму;

<rк2> – квадрат середньої відстані к-го електрона від ядра.

Квантово-механічна теорія феромагнетизму приводить до точно таких же висновків. Із (5) витікає, що  і  діамагнетиків не залежить від температури. Відмітимо також, що значення  і  розраховані за формулами (5), добре співпадають з експериментальними результатами.

Кюрі експериментально установив закон, згідно з яким залежність магнітної сприйнятливості парамагнетиків від температури визначається за формулою:

де С – стала Кюрі;

T – абсолютна температура.

Класична теорія парамагнетизму була розвинена в 1905 році. Згідно цієї теорії:

де k – стала Больцмана;

рm – магнітний момент атома.

Із (7) і (6) слідує, що стала Кюрі

Слід відмітити, що формули (7) справедливі для не досить сильних полів (рmв<<кТ) і для дуже низьких температур. Значення  і  розраховані за формулами (7), в ряді випадків добре співпадають з експериментом. Квантова теорія парамагнетизму враховує, що можливі лише дискретні орієнтації рm, відносно поля, однак і вони приводять до виразів, аналогічних0 (7).

Експериментально установлено, що для кожного феромагнетика є відповідна температура Тс, при якій області спонтанного намагнічування (домени) руйнуються і речовина втрачає феромагнітні властивості. Ця температура називається точкою Кюрі. Для кожного феромагнетика вона має своє цілком визначене значення; наприклад, для заліза Тс=468°С, для нікелю-Тс=365°С, тощо. При температурі, вищій за точку Кюрі, феромагнетик стає звичайним парамагнетиком, магнітна сприйнятливість пояснюється законом Кюрі-Вейса:

При охолодженні феромагнетика нижче температури Кюрі в ньому знову виникають домени.

Кількісна теорія феро-магнетизму була розвинута Вейсом в 1907 році. Ця тео-рія пояснюєспонтанну намагнічуваність, існування температури Кюрі і закон Кюрі-Вейса. Якщо феромагнетик помістити в слабке магнітне поле, то близько точки Кюрі спостерігається різке зростання магнітної проникності (Рис. 1.). Цей ефект був відкритий Гопкінсоном ще в 1889 році і спостерігався на моно- і полікристалах заліза і нікелю, а також у багатьох феромагнітних сплавах. Ефект Гопкінсона пояснюється легкістю намагнічування по мірі наближення до температури Кюрі, дякуючи різкому зменшенню магнітної анізотропії феромагнетика біля цієї температури. В безпосередній близкості від точки Кюрі  різко падає. (Рис. 1).

Для визначення точки Кюрі використовується установка, ескіз якої і принципова схема зображена на рис. 2. На керамічну трубку, в середині якої розміщений феромагнітний зразок, намотаний ніхромовий провід, що являє собою електричну пічку і одночасно первинну обмотку трансформатора. Поки осердя зберігає свої магнітні властивості при проходженні по спіралі змінного струму, магнітне поле, що виникає в системі, велике і достатнє для виникнення ЕРС індукції у вторинній обмотці. Створюваний цією ЕРС струм фіксується мікроамперметром. Так як мікроамперметр тут магнітоелектричної системи, то послідовно до нього включений напівпровідниковий діод, або збирається випрямляч за містковою схемою.

При досягненні температури Кюрі магнітна проникність  зразка різко падає, внаслідок чого також різко зменшується ЕРС індукції у вторинній обмотці, що відмічається мікроамперметром.

Причина такого зменшення ЕРС- є поява напруженості магнітного поля, яке створюється в осерді первинною обмоткою,

де N1, l1, I1 – відповідно повне число витків, довжина і струм в первинній

обмотці.

Магнітний потік через поперечний переріз осердя

де S – площа поперечного перерізу осердя.

Підставивши в (11) значення Н із (10) і помноживши одержаний вираз на N2, одержимо повний потік Ф2, скріплений з вторинною обмоткою:

Величину   називають взаємною індуктивністю. ЕРС у вторинній обмотці дорівнює

Якщо температура нижче точки Кюрі, то  , тому ЕРС і струм у вторинній обмотці великі і практично сталі. При температурі вище температури Кюрі феромагнетик переходить в парамагнетик і    – ЕРС вторинного кола різко падає, аналогічно зменшується і струм, який фіксується мікроамперметром.

 1 – термопара; 2 – зразок; 3 – первинна обмотка; 4 – вторинна обмотка.

 

 

 

Ввімкнути установку в мережу. З підвищенням температури через кожні 5С знімати покази мікроамперметра.

Коли струм у вторинній обмотці почне зменшуватись, покази мікроамперметра знімати через кожні 2-3С.

Вимірювання проводити до тих пір, поки струм вторинної обмотки не стане сталим.

На основі одержаних результатів побудувати графік залежності струму від температури I2= (t).

Для визначення точки Кюрі із точки перегину графіка I2= (t) опустити перпендикуляр на вісь температур t. Абсциса точки перегину дає значення температури Кюрі.

 

 

1. Яка існує класифікація різних видів магнетиків?
2. Як пояснити досить велике значення  для феромагнетиків?
3. Що відбувається з феромагнетиком при досягненні температури Кюрі?
4. Як пояснити ефект Гопкінсона?