ЛАБОРАТОРНА РОБОТА
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:
парамагнетики m> 1 у яких намагніченість збільшує сумарне поле
Діамагнетик m <1 у яких намагніченість речовини зменшує сумарне поле
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
наявність у атомів речовини значних власних магнітних моментів (це можливо тільки в атомах з недобудованими d - або f - оболонками);
обмінний інтеграл для даного кристала повинен бути позитивним;
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
Зберіть установку відповідно до схеми, наведеної на рис. 2.
Встановіть ручки регуляторів ЛАТР (їх дві) у крайнє ліве положення.
Включіть в мережу ЛАТР та харчування мілівольтметра.
Встановіть напруга на виході першого ЛАТР - 220 V, на виході другого - не більше 30 V.
Зніміть показання з мілівольтметра через кожні 1-2 поділу одночасно знімаючи показання міліамперметра.
Після того, як буде досягнута точка Нееля, вимкніть ЛАТР, і дайте охолонути сердечникові. Потім повторіть вимірювання мінімум 3 рази.
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 .
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 | |||||||||
... |
Контрольні питання
Що таке магнітна сприйнятливість та магнітна проникність?
Як класифікуються речовини за магнітними властивостями.
Які речовини є феромагнетиками?
Яка фізична природа феромагнетизму?
Перерахуйте і поясніть умови виникнення феромагнетизму?
Сформулюйте закон Кюрі-Вейсса.
Що таке феромагнітні домени?
Які речовини є антиферомагнетиках. Які їх властивості?
Феримагнетики та їх властивості