Визначення температури фазового переходу феромагнетик парамагнетик

[ виправити ] текст може містити помилки, будь ласка перевіряйте перш ніж використовувати.

скачати

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:
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.
рис.1.
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.
V
mV
~ 220V
~ 30V

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.
J N
E
T

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
...

Контрольні питання

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
Додати в блог або на сайт

Цей текст може містити помилки.

Фізика та енергетика | Лабораторна робота
43.3кб. | скачати


Схожі роботи:
Визначення температури фазового переходу феромагнетик-парамагнетик
Визначення температури факела досліджуваної газового пальника
Проектування цифрового фазового ланки
Проектування цифрового фазового ланки Розробка загального
Побудова амперметру та вольтметру Методи вимірювання фазового зсуву
Імітаційне моделювання системи фазового автопідстроювання частоти в пакеті моделювання динамічних
Низькі температури
Мікроконтроллерний регулятор температури
Дія низької температури на рослини
© Усі права захищені
написати до нас