POLITECHNIKA CZĘSTOCHOWSKA

KATEDRA FIZYKI

Ćwiczenie nr 14

Temat: Pomiar temperatury Curie ferrytów.

Wykonali:

1.Wstęp teoretyczny.

Każdemu ośrodkowi materialnemu przypisuje się istnienie prądów molekularnych. Warunek ten spełnia ruch elektronu po orbicie, a także obrót elektronu wokół własnej osi. Z tych prądów wynikają momenty magnetyczne (charakteryzują oddziaływanie ciał fizycznych z polem magnetycznym): magnetyczny moment orbitalny i moment spinowy. Momenty te dodają się wektorowo, co tworzy wypadkowy moment magnetyczny atomu. Na każdy dipol znajdujący się w polu magnetycznym działa para sił o pewnym momencie T. Jednostką momentu magnetycznego jest [ ].

Indukcję B wywoływaną przez pole magnetyczne rozbija się na dwa składniki:

gdzie niezmienny składnik B₀ jest indukcją w próżni, zaś składnik B' wyraża wpływ środowiska materialnego. B' wywoływana jest przez prądy molekularne w atomach. Namagnesowanie ma więc wymiar wektorowy i jest to moment magnetyczny na jednostkę objętości. Jednostką będzie więc tu [A/m].

Stosunek indukcji magnetycznej do natężenia pola nazywany jest przenikalnością magnetyczną. Charakteryzuje ona zachowanie się ciał w polu magnetycznym. Jednostką jest tu [H/m]. Przenikalność magnetyczną można wyrazić wzorami:

lub

- przenikalność magnetyczna względna

- przenikalność magnetyczna bezwzględna próżni.

Różnica -1 nazywany jest podatnością magnetyczną. Wielkość ta charakteryzuje zdolność substancji do zmiany momentu magnetycznego w zewnętrznym polu magnetycznym. Każdy atom wytwarza wypadkowy moment magnetyczny. W atomach posiadających parzystą ilość elektronów momenty te znoszą się - skierowane są przeciwnie. Ciała te stanowią paramagnetyki. Gdy w obszarze, w którym znajduje się paramagnetyk, zostanie wzbudzone pole magnetyczne, zadziała ono na prądy krążące w atomach. Według prawa Lenza kierunek prądów wzbudzanych przez zmianę pola magnetycznego jest zawsze taki, że przeciwdziała tym zmianom. Prądy w atomie współdziałające z zewnętrznym polem zostaną osłabione, prądy wytwarzające moment przeciwny - wzmocnione. Podatność magnetyczna takich ciał jest mniejsza od zera.

Ciałami paramagnetycznymi są takie, w których atomach momenty magnetyczne elektronów nie kompensują się całkowicie. Każdy atom ma więc określony moment magnetyczny - jest dipolem magnetycznym. Przy wprowadzeniu takiego ciała w zewnętrzne pole magnetyczne dipole zaczną obracać się i ustawiać zgodnie z liniami zewnętrznego pola. Ciało będzie miało niewielką dodatnią podatność magnetyczną.

Niektóre pierwiastki, takie jak żelazo, nikiel, kobalt charakteryzują się zdolnością do zmiany pola magnetycznego. Indukcja zwiększa się nawet dziesiątki tysięcy razy. Ferromagnetyzm występuje tylko w ciałach o budowie krystalicznej. Świadczy to o tym, że ferromagnetyzm musi być związany z całymi zespołami sąsiadujących ze sobą w sieci krystalicznej atomów. Gdy w pewnym obszarze atomy ustawią się zgodnie swymi momentami, na końcach tego obszaru pojawią się bieguny magnetyczne wywierające siły odpychające na zbliżone bieguny tego samego znaku - energia układu wzrasta. W rezultacie ferromagnetyk, nawet pojedynczy kryształ, dzieli się na mikroskopijne obszary, zwane domenami. Każda domena jest całkowicie namagnesowana, wszystkie jej atomy momentami zwrócone są w tę samą stronę. Lecz sąsiednie domeny ustawione są w różne kierunki - tak, aby energia ich wzajemnych oddziaływań była najmniejsza. Po przyłożeniu zewnętrznego pola magnetycznego domeny zaczynają ustawiać się równolegle do pola zewnętrznego. Proces ustawiania się domen przedstawia poniższy rysunek:

Między sąsiednimi atomami działają tzw. siły wymiany, które porządkują wzajemne ustawienia się dipoli magnetycznych, bez udziału zewnętrznego pola magnetycznego. Zjawisko to nosi nazwę polaryzacji spontanicznej. W ferromagnetykach polaryzacja spontaniczna polega na równoległym ustawieniu się dipoli. Istnieją ciała , w których momenty magnetyczne ustawiają się na przemian antyrównolegle. Są to antyferromagnetyki. Ich podatność magnetyczna jest tego samego rzędu co paramagnetyków (CoO, NiO, MnO₂ ). Istnieją wreszcie takie związki krystaliczne, w których sąsiednie atomy mają momenty ustawione przeciwrównolegle, lecz ponieważ momenty te nie są równe, ciała te mają właściwości ferromagnetyków (ferrimagnetyki).

c) b) c)

Ustawienie momentów magnetycznych dla: a) ferromagnetyków, b) antyferromagnetyków,

c) ferrimagnetyków.

Wraz ze wzrostem temperatury, podatność magnetyczna ferromagnetyków i ferrimagnetyków maleje, w pewnej zaś określonej temperaturze, zwanej temperaturą Curie, tracą właściwości ferromagnetyczne i przy wyższych od niej temperaturach stają się paramagnetykami.

Jeżeli zlutujemy końcami dwa przewody z różnych materiałów i jedno ze spojeń podgrzejemy utrzymując drugie w niskiej temperaturze, to w powstałym obwodzie popłynie prąd elektryczny. Zjawisko to wykorzystano do budowy termopar czyli ogniw termoelektrycznych. Jeśli znamy siły elektromotoryczne wytwarzane w określonej temperaturze, to takie ogniwo może służyć do pomiaru temperatury.

Transformator w swej podstawowej wersji składa się z dwóch uzwojeń nawiniętych na rdzeń z miękkiej blachy. Zmienny prąd I1 płynący przez uzwojenie pierwotne spowoduje powstanie w rdzeniu zmiennego strumienia magnetycznego Φ. Zgodnie z regułą Lenza w uzwojeniu wtórnym powstanie identyczny strumień skierowany przeciwnie, który będzie usiłował przeciwdziałać zmianom w obwodzie. Wskutek tych oddziaływań w uzwojeniu wtórnym zostanie wyindukowany prąd I2. Transformator można powiązać zależnością:

2. Schemat pomiarowy.

F - badany ferryt

T - termopara

Z - obwód zasilania żarówki miliamperomierza

Tabela 1

Charakterystyka termometryczna termoelementu NiCr-Ni

Temp[°C]	0	10	20	30	40	50	60	70	80	90
	Siła elektromotoryczna E[mV]
0	0	0.40	0.80	1.20	1.61	2.02	2.43	2.85	3.26	3.68
100	4.10	4.51	4.92	5.33	5.73	6.13	6.53	6.93	7.33	7.73
200	8.13	8.53	8.93	9.34	9.74	10.15	10.56	10.97	11.38	11.80

Tabela pomiarowa

E[mV]	...	5.0	6.0	7.0	8.0	9.0	9.1	9.2	9.3	9.4	9.5	9.6	9.7	9.8
I[dz]	...	121,2	120,8	120,3	119,2	116,8	116,5	116,1	115,8	115,4	115,0	114,4	113,8	113,1
I[mA]	...	2,424	2,416	2,406	2,384	2,336	2,33	2,322	2,316	2,308	2,3	2,288	2,276	2,262
T[K]	...	393,03	420,6	445,18	469,76	494,33	496,79	499,25	501,7	504,16	506,62	509,08	511,53	513,99

E[mV]	9.9	10.0	10.1	10.2	10.3	10.4
I[dz]	112,7	111	109,2	104,6	85,8	55,0
I[mA]	2,254	2,22	2,184	2,092	1,716	1,1
T[K]	516,45	518,91	521,37	523,82	526,28	528,74

III. Wykresy.

IV. Wnioski.

Celem ćwiczenia było zapoznanie się z właściwościami ferromagnetyków w temperaturze Curie oraz wyznaczenie zależności pomiędzy natężeniem prądu a temperatura rdzenia ferromagnetycznego. Temperaturę Curie wyznaczyliśmy z wykresu I = f (T) jako temperaturę dla której prąd zmalał do połowy wartości początkowej.

Temperatura odpowiadająca na wykresie wartości prądu 1,21mA wynosi 528,3 K czyli 255 ^oC. Badany materiał powyżej temperatury 255 ^oC zmienił więc swe właściwości magnetyczne. Ciała ferromagnetyczne po przekroczeniu temperatury Curie staja się paramagnetykami z charakterystyczną dla nich liniową zależnością natężenia prądu od temperatury. Widoczna na końcowym fragmencie wykresu powyższa zależność jest typowa własnością dielektryków.

10

---