Piotr 23.05.2000-

Niegłos TM I Aa

Wyznaczanie temperatury Curie ferrytu

Pod względem własności magnetycznych dzielimy ciała na trzy zasadnicze grupy: diamagnetyki, paramagnetyki i ferromagnetyki. Różnicę w ich własnościach można zilustrować następującym doświadczeniem. Przez długi pręt przepuszczamy prąd o natężeniu I. Wewnątrz solenoidu powstaje wtedy pole magnetyczne o natężeniu:

,gdzie

n - liczba zwojów solenoidu,

Jak widać ze wzoru, natężenie pola magnetycznego zależy tylko od liczby zwojów na jednostkę długości solenoidu i od płynącego przezeń prądu, natomiast nie zależy od materiału wypełniającego solenoid. Przypuśćmy, że do wnętrza solenoidu wprowadziliśmy w sposób pokazany na rysunku, przewodnik w kształcie ramki i przepuścimy przezeń prąd o natężeniu i.

Na pionowa odcinki ramki równoległe do linii pola magnetycznego, nie działa żadna siła. Na poziomy odcinek „a” ustawiony prostopadle do pola magnetycznego, pole magnetyczne działa siłą proporcjonalną do długości przewodnika, płynącego przezeń prądu i natężenia pola magnetycznego:

H i a

Okazuje się, że przy danych wartościach H, i, a siła ta zależy od materiału wypełniającego wnętrze solenoidu. Jeśli więc wyżej zapisaną zależność przekształcimy w równanie:

F=μ H i a

to współczynnik proporcjonalności μ będzie miał różną wartość dla różnych materiałów wypełniających solenoid i nosi nazwę przenikalności magnetycznej. Dla próżni współczynnik ten wynosi:

dla diamagnetyków jest on nieco mniejszy od μ₀

dla paramagnetyków - nieco większy od μ₀

dla ferromagnetyków - wielokrotnie większy od μ₀

Stosunek przenikalności magnetycznej μ danego materiału do przenikalności magnetycznej próżni μ₀ nazywamy względną przenikalnością magnetyczną:

Własności magnetyczne ciał można wyjaśnić na podstawie ich wewnętrznej struktury. Ruch orbitalny elektronów, obiegających jądra atomowe, jest równoważny prądom kołowym wytwarzającym określone momenty magnetyczne. Poza tym każdy elektron posiada własny moment magnetyczny związany ze spinem elektronu.

Dla ciał diamagnetycznych nie znajdujących się w polu magnetycznym wypadkowy moment magnetyczny każdego atomu równy jest zeru. Zewnętrzne pole magnetyczne oddziałuje na elektrony w taki sposób, że zakłóca równowagę pomiędzy polami wytwarzanymi przez poszczególne elektrony. W rezultacie w każdym atomie pojawia się indukcyjny moment magnetyczny zwrócony zgodnie z regułą Lenza przeciwnie do pola zewnętrznego B₀. W związku z tym indukcja magnetyczna wewnątrz takiego ciała ma wartość nieco mniejszą niż indukcja w próżni.

W atomach paramagnetyków i ferromagnetyków orbity i spiny elektronowe są tak zorientowane, że każdy atom z osobna, nawet w braku pola zewnętrznego, posiada wypadkowy moment magnetyczny. Ponieważ jednak poszczególne atomy są bezładnie zorientowane względem siebie, suma wektorowa momentów całej próbki w nieobecności pola zewnętrznego równa się zeru. Pod wpływem pola zewnętrznego rośnie liczba atomów o momentach magnetycznych, skierowanych zgodnie z kierunkiem pola B₀. Całkowitemu uporządkowaniu przeciwdziała chaotyczny ruch cieplny atomów. W rezultacie wypadkowa indukcja wewnątrz paramagnetyka jest nieco większa, niż w próżni.

Atomy ferromagnetyków również posiadają własne momenty magnetyczne. Istotna różnica między para i ferromagnetykami polega na tym, że przy braku pola zewnętrznego wewnątrz ferromagnetyków istnieją obszary(domeny) złożone z kilkudziesięciu tysięcy atomów, wewnątrz, których momenty magnetyczne wszystkich atomów są zgodnie uporządkowane. I w tym przypadku pole całej próbki w nieobecności pola zewnętrznego równa się zeru, gdy domeny są chaotycznie usytuowane. Magnesowania polega na ustawieniu się domen w kierunku pola zewnętrznego.

W pięciu pierwiastkach (Fe, Co, Ni, Gd i Dy ) oraz w wielu stopach tych i innych pierwiastków występuje szczególny efekt pozwalający uzyskać duży stopień magnetycznego uporządkowania pomimo przeciwdziałających temu termicznych ruchów atomów. W metalach tych, zwanych ferromagnetykami występuje specjalna postać oddziaływania, zwana sprzężeniem wymiennym. Oddziaływanie to sprzęga magnetyczne momenty atomów ze sobą w sposób, sztywno- równoległy. Nowoczesna fizyka kwantowa przewiduje że zjawisko to występuje jedynie dla pięciu wymienionych pierwiastków. Jeśli temperatura wzrośnie powyżej pewnej krytycznej wartości, zwanej temperaturą Curie, sprzężenie wymienne nagle znika i próbka staje się po prostu paramagnetykiem. Temperatura Curie dla żelaza wynosi 1043 K. Ferromagnetyzm jest więc własnością nie tylko atomu lub jonu , lecz także własnością oddziaływania między sąsiednimi atomami lub jonami w siatce krystalicznej ciała stałego.

Tabela pomiarów:

U_t - napięcie termopary

T - temperatura badanego materiału - wyznaczam ją znając charakterystykę termopary

ze wzoru

T₀ - temperatura otoczenia(T₀=23°C=296K)

U_w - napięcie w uzwojeniu

Temperaturę Curie i stałą C wyznaczam za pomocą regresji liniowej:

y = ax + b

z regresji otrzymuję wyniki:

r=0,977

Obliczam układ równań:

Wykres zależności odwrotności napięcia w uzwojeniu od temperatury

Wykres zależności napięcia w uzwojeniu od temperatury

Wnioski:

-temperatura Curie dla badanego materiału wyniosła 458 K

+ -