Визначення температури фазового переходу
феримагнетики-парамагнетик
Мета роботи: визначити температуру Нееля для феримагнетика (феритового стрижня)
Короткі теоретичні відомості
Будь-яке речовина є
магнетиків, тобто здатне під впливом на нього магнітного поля набувати магнітний момент. Таким чином речовина створює
магнітне поле
, Яке накладається на зовнішнє поле
. Обидва поля в сумі дають результуюче поле:
Намагнічування магнетика характеризують магнітним моментом одиниці об'єму. Цю величину називають
вектором намагнічування
де
- Магнітний момент окремої молекули.
Вектор намагнічування пов'язаний з напруженістю магнітного поля наступним співвідношенням:
де
c -
характерна для даної речовини величина, яка називається магнітною сприйнятливістю.
Вектор магнітної індукції пов'язаний з напруженістю магнітного поля:
, Або
Безрозмірна величина
називається відносною магнітною проникністю.
Усі речовини за магнітними властивостями можуть бути розділені на три класи:
1) парамагнетики
m> 1 у яких намагніченість збільшує сумарне поле
2) Діамагнетик
m <1 у яких намагніченість речовини зменшує сумарне поле
3)
феромагнетики m>> 1 намагніченість збільшує сумарне магнітне поле.
Речовина є
феромагнетиком, якщо воно володіє мимовільним магнітним моментом навіть за відсутності зовнішнього магнітного поля. Намагніченість насичення феромагнетика
I S визначається як мимовільний магнітний момент одиниці об'єму речовини.
Феромагнетизм спостерігається у 3
d-металів (Fe, Ni, Co) і 4
f металів
(Gd, Tb, Er, Dy, Ho, Tm), крім
того є величезна кількість феромагнітних сплавів. Цікаво відзначити, що
феромагнетизму мають тільки 9 перерахованих вище чистих металів. Всі вони мають недобудовані
d - або
f - оболонки.
Феромагнітні властивості речовини пояснюються тим, що між атомами цієї речовини існує особливе взаємодія, що не має місця в діа-і парамагнетиках, що приводить до того, що іонні або атомні
магнітні моменти сусідніх атомів орієнтуються в одному напрямку. Фізична
природа цього особливого взаємодії, що отримав назву обмінного, була встановлена Я.І. Френкелем і В. Гейзенбергом в 30-х роках XX століття на основі квантової механіки. Дослідження взаємодії двох атомів з точки зору квантової механіки показує, що
енергія взаємодії атомів
i і
j, що мають спінові моменти
S i і
S j, містить член, обумовлений обмінним взаємодією:
,
де
J - обмінний інтеграл, наявність якого пов'язане з перекриттям електронних оболонок атомів
i і
j. Цей курс інтеграла сильно залежить від міжатомної відстані в кристалі (періоду кристалічної решітки). У
феромагнетиків J> 0, у випадку, якщо J <0 речовина є антиферомагнетиків, а при
J = 0 - парамагнетиків. Обмінна енергія не має класичного аналога, хоча і має
електростатичне походження. Вона
характеризує розходження в енергії кулонівської взаємодії системи у випадках, коли спини паралельні і коли вони антіпараллельни. Це є наслідком принципу Паулі. У квантово-механічної системі зміна відносної орієнтації двох спінів повинно супроводжуватися зміною просторового розподілу заряду в області перекриття. При температурі
Т = 0 До спини всіх атомів повинні бути орієнтовані однаково, при підвищенні температури впорядкованість в орієнтації спінів зменшується. Існує критична температура, звані температурою (точкою) Кюрі
Т С, при якій зникає кореляція в орієнтаціях окремих спінів, - речовина з феромагнетика стає парамагнетиків. Можна виділити три умови сприятливі виникнення феромагнетизму
1) наявність у атомів речовини значних власних магнітних моментів (це можливо тільки в атомах з недобудованими
d - або
f - оболонками);
2) обмінний інтеграл для даного кристала повинен бути позитивним;
3) густина станів у
d - і
f - зонах повинна бути велика.
Магнітна сприйнятливість феромагнетика підкоряється
закону Кюрі-Вейсса: ,
С - постійна Кюрі.
Феромагнетизм тіл, що складаються з великого числа атомів, обумовлений наявністю макроскопічних обсягів речовини (доменів), в яких магнітні моменти атомів або іонів паралельні і однаково спрямовані. Ці домени мають мимовільної спонтанної намагніченістю навіть при відсутності зовнішнього що намагнічує поле.
Модель атомної магнітної структури феромагнетика з гранецентрованої кубічної гратами. Стрілками показані магнітні моменти атомів.
Під час відсутності зовнішнього магнітного поля в цілому ненамагніченим феромагнетик складається з більшого числа доменів, в кожному з яких все спини орієнтовані однаково, але напрямок їх орієнтації відрізняється від напрямків спінів у сусідніх доменах. У середньому в зразку ненамагніченого феромагнетика однаково представлені всі напрямки, тому макроскопічного магнітного поля не виходить. Навіть в одиночному кристалі є домени. Поділ речовини на домени відбувається тому що воно вимагає менше енергії, ніж розташування з однаково орієнтованими спинами.
При приміщенні феромагнетика в зовнішнє поле, магнітні моменти паралельні полю будуть
мати енергію меншу, ніж моменти, антипаралельні полю або направлені як не будь інакше. Це дає
перевагу деяким доменів, які прагнуть збільшиться в об'ємі за рахунок інших, якщо це можливо. Також може відбуватися поворот магнітних моментів у межах одного домена. Таким чином слабке зовнішнє поле може викликати велику зміну намагніченості.
При нагріванні феромагнетиків до точки Кюрі тепловий рух руйнує області спонтанної намагніченості, речовина втрачає особливі магнітні властивості і веде себе як звичайний парамагнетик. Температури Кюрі для деяких феромагнітних металів наведено в
таблиці.
Речовина
|
|
Fe | 769
|
Ni
| 364
|
Co
| 1121
|
Gd
| 18
|
Крім феромагнетиків існує велика група магнітовпорядкованих речовин, в яких спінові магнітні моменти атомів з недобудованими оболонками орієнтовані антипараллельно. Як показано вище, така
ситуація виникає у разі, коли обмінний інтеграл від'ємний. Так само, як і
феромагнетиках, магнітне упорядкування має місце тут в інтервалі температур від 0 К до деякої критичної Q
N, званої температурою Нееля. Якщо при антипараллельной орієнтації локалізованих магнітних моментів результуюча намагніченість кристала дорівнює нулю, то має місце
Антиферомагнетизм. Якщо ж при цьому повної компенсації магнітного моменту немає, то говорять про
феррімагнетізме. Найбільш типовими феримагнетики є
ферити - подвійні
оксиди металів.
Характерним представником феритів є магнетит (Fe
3 O
4). Більшість феримагнетики відносяться до іонних
кристалів і тому мають низьку електропровідність. У поєднанні з хорошими магнітними властивостями (висока
магнітна проникність, велика намагніченість насичення та ін) - це важлива
перевага в порівнянні зі звичайними феромагнетиками.
Саме ця якість дозволила використовувати ферити в техніці надвисоких частот. Звичайні феромагнітні
матеріали, що володіють високою провідністю, тут застосовуватися не можуть через дуже високих втрат на освіту вихрових струмів. Разом з тим у багатьох феритів точка Нееля дуже низька (100 - 300 ° С) в порівнянні з температурою Кюрі для феромагнітних металів. У даній роботі для визначення температури переходу феримагнетики-парамагентік використовується стрижень, виготовлений
саме з фериту.
Виконання роботи
Схема експериментальної установки.
Рис. 2.
Ідея експерименту
Основний даної установки є трансформатор з незамкнутим сердечником, виготовленим з фериту. Первинна обмотка, виконана з ніхрому, служить також і для нагрівання осердя. Напруга на первинну обмотку подається з ЛАТР щоб уникнути перегріву. Індукційний струм реєструється за допомогою вольтметра, включеного у вторинну обмотку. Для
вимірювання температури сердечника використовується одинарна
термопара, термо-е.р.с. якої пропорційна різниці температур між навколишнім повітрям і спаєм термопари. Обчислити температуру сердечника можна за наступною формулою:
T =
T 0 +23.5 × e, де e - термо-е.р.с. (В мілівольтах),
Т 0 - температура повітря в лабораторії.
Ідея експерименту полягає в наступному: ЕРС індукції у вторинній обмотці
, Де
I i - Струм у первинній обмотці,
L - індуктивність первинної обмотки; відомо, що
де
- Індуктивність вторинної обмотки без сердечника, а
m -
магнітна проникність осердя.
Магнітна проникність з ростом температури зменшується, і при досягненні точки Нееля різко падає. Отже і ЕРС індукції, і індукційний струм різко падають при досягненні
.
Проведення експерименту
1. Зберіть установку
відповідно до схеми, наведеної на рис. 2.
2.
Встановіть ручки регуляторів ЛАТР (їх дві) у крайнє ліве положення.
3. Включіть в мережу ЛАТР та
харчування мілівольтметра.
4.
Встановіть напруга на виході першого ЛАТР - 220V, на виході другого -
не більше 30 V. 5. Зніміть показання з мілівольтметра через кожні 1-2 поділу одночасно знімаючи показання міліамперметра.
6. Після того, як буде досягнута точка Нееля, вимкніть ЛАТР, і дайте охолонути сердечникові. Потім повторіть вимірювання мінімум 3 рази.
7. За даними таблиці побудуйте графіки. Визначте за графіками температуру, при якій значення ЕРС індукції у вторинній обмотці починає різко зменшуватися (див. рис.), Це значення температури будемо приймати рівним температурі Нееля
в даному досвіді. Визначте таким чином
для кожної серії вимірювань. Обчисліть середнє значення
.
8. Визначте випадкову похибку вимірювань температури фазового переходу.
Зразок таблиці для звіту.
№
| 1 серія
| 2 серія
|
|
ТЕДС, мВ
|
| Е, В
|
| ТЕДС, мВ
|
| Е, В
|
|
1
| | | | | | | | | |
2
| | | | | | |
...
| | | | | | | | |
1. Що таке магнітна сприйнятливість та магнітна проникність?
2. Як класифікуються речовини за магнітними властивостями.
3. Які речовини є феромагнетиками?
4. Яка фізична природа феромагнетизму?
5. Перерахуйте і поясніть умови виникнення феромагнетизму?
6. Сформулюйте закон Кюрі-Вейсса.
7. Що таке феромагнітні домени?
8. Які речовини є антиферомагнетиках. Які їх властивості?
9. Феримагнетики та їх властивості