WYZNACZANIE TEMPERATURY

CURIE DLA FERRYTÓW

Wprowadzenie

Ferrytami nazywamy związki chemiczne typu:

(Me^k+O^2-)_m(Fe³⁺O₃^2-)_n

w których Me jest metalem dwuwartościowym (np. Mangan, cynk, magnez, nikiel), a m. I n - liczby całkowite.

Większość tych substancji krystalizuje w układzie kubicznym o strukturze minerału zwanego spinelem, dlatego ferryty typu:

MeO(Fe₂O₃)

nazywamy ferrospinelami.

Ferryty związków itru i lantanowców

(Me₂^k+O₃^2-)₃(Fe₂³⁺O₃^2-)₅

krystalizują w strukturze granatu. Zwykle są one ferromagnetykami. Lantanowce tworzą także grupę ortoferrytów o wzorze:

Me₂^k+O₃^2-(Fe₂³⁺O₃^2-)

Na magnesy trwałe wykorzystuje się ferryty zwane heksaferrytami, a opisane wzorem:

MeO(Fe³⁺O₃^2-)₆

gdzie metalem jest bar lub ołów.

Istnieją jeszcze ferryty będące związkami tlenków baru i żelaza posiadające strukturę heksagonalną.

Pierwsze ferryty wykonane metodą spiekania ceramicznego powstały podczas II wojny światowej. Obecnie proces technologiczny wytwarzania ferrytów składa się z wielu etapów, z których każdy ma wpływ na końcowe właściwości ferrytu, a o jakości decydują szczegóły będące tajemnicą producenta.

Własności elektryczne większości ferrytów kwalifikują je jako półprzewodniki, natomiast właściwości magnetyczne zależą od momentów magnetycznych jonów i ich wzajemnego oddziaływania co wprowadza podział ferrytów na trzy grupy:

• ferromagnetyki - w których poniżej temperatury Curie momenty magnetyczne ustawiają się równolegle, a ich zwroty są zgodne. Powyżej tej temperatury intensywne ruchy cieplne prowadzą do przejścia ferromagnetyku w stan paramagnetyczny. Cechą charakterystyczną ferromagnetyków jest istnienie polaryzacji spontanicznej i krzywej histerezy magnetycznej.

• antyferromagnetyki - materiały te nie znalazły zastosowania ponieważ momenty magnetyczne ustawiają się antyrównolegle. Antyferromagnetyki wykazują właściwości magnetyczne tylko w obecności zewnętrznego pola magnetycznego. Powyżej punkty antyferromagnetycznego Curie materiał taki staje się paramagnetykiem,

• ferrimagnetyki - tzw. antyferromagnetyki nieskompensowane. Momenty magnetyczne sąsiednich atomów ustawione są antyrównolegle. W strukturze występują podsieci o nieskompensowanym wypadkowym memencie magnetycznym. W zewnętrznym polu magnetycznym ferrimagnetyki zachowuję się jak ferromagnetyki. Powyżej temperatury Néela ferrimagnetyk staje się paramagnetykiem, następuje zmiana struktury i zmieniają się skokowo inne jego właściwości (np. ciepło molowe, współczynnik rozszerzalności cieplnej.

Stanowisko pomiarowe

Na rurze ze szkła kwarcowego został nawinięty transformator. Wewnątrz umieszcza się badany, cylindryczny rdzeń ferrytowy. W kontakcie z rdzeniem znajduje się złącze termopary, której drugi koniec posiada temperaturę otoczenia. Prąd płynący przez uzwojenie pierwotne transformatora powoduje wydzielenie się ciepła i ogrzewanie rdzenia ferrytowego. Rdzeń otoczony jest płaszczem izolacyjnym. Temperaturę rdzenia można określić z krzywej cechowania termopary.

Po osiągnięciu temperatury Curie następuje gwałtowny spadek przenikalności magnetycznej rdzenia i natężenia prądu w uzwojeniu wtórnym. Temperatura Curie odpowiada spadkowi natężenia prądu do połowy wartości maksymalne

Przebieg ćwiczenia

1. Po podłączeniu obwodu według schematu przedstawionego na rysunku, kontrolujemy prawidłowość ustawienia mierników oraz ustalamy napięcie zasilające na ok. 51 V.

2. Notujemy wskazania mierników do momentu kiedy natężenie prądu w uzwojeniu wtórnym transformatora spadnie do 1/5 wartości początkowej.

3. Rysujemy wykres cechowania termoogniwa oraz wykres zależności natężenia prądu od temperatury rdzenia ferrytowego.

4. Określamy temperaturę Curie i oceniamy błędy pomiarowe.

Cechowanie termoogniwa

 [mV]	T [K]
0,56	303	4,7	403
0,97	313	5,12	413
1,39	323	5,53	423
1,8	333	5,94	433
2,2	343	6,36	443
2,63	353	6,77	453
3,04	363	7,19	463
3,46	373	7,6	473
3,87	383	8,01	483
4,29	393	8,43	493

5.Obliczamy błąd wskazania amperomierza i woltomierza

Wyniki pomiarów

W tabelce podano wyniki pomiarów wykonanych w ćwiczeniu. Temperaturę rdzenia ferrytowego obliczono na podstawie tabeli cechowania termoogniwa.

Lp.	t [min]	i [A]	 [mV]	T [K]
1	1,0	3,68	0,30	298
2	2,0	3,8	0,70	308
3	3,0	3,85	1,10	317
4	4,0	3,90	1,30	322
5	5,0	3,95	1,70	331
6	6,0	3,98	2,00	338
7	7,0	4,00	2,20	343
8	8,0	4,03	2,50	350
9	9,0	4,03	2,70	355
10	10,0	4,03	2,95	361
11	11,0	4,00	3,20	367
12	12,0	4,00	3,40	372
13	13,0	3,92	3,50	374
14	13,5	3,85	3,60	376
15	14,0	3,70	3,70	379
16	14,5	3,63	3,80	381
17	15,0	3,50	3,90	383
18	15,5	3,35	4,00	386
19	16,0	3,15	4,10	388
20	16,5	2,85	4,20	391
21	17,0	2,65	4,20	391
22	17,5	2,45	4,30	393
23	18,0	2,20	4,40	395
24	18,5	2,13	4,50	398
25	19,0	2,05	4,50	398
26	19,5	1,95	4,60	400
27	20,0	1,85	4,60	400
28	20,5	1,75	4,60	400
29	21,0	1,65	4,70	402
30	21,5	1,55	4,80	405
31	22,0	1,45	4,80	405
32	23,0	1,35	4,90	407
33	24,0	1,20	5,00	410
34	25,0	1,18	5,00	410
35	26,0	1,10	5,10	412
36	27,0	1,00	5,20	414
37	29,0	0,90	5,30	417

Po narysowaniu wykresu natężenia prądu od temperatury i przyjęciu punktu temperatury Curie na ½ maksymalnego prądu płynącego przez uzwojenie wtórne obliczono:

temperatura Curie = 400± 0,12 [K]

wnioski

Odczyt temperatury Curie dla ferrytów obarczony jest błędem wynikającym z odczytu wartości prądu płynącego w uzwojeniu wtórnym oraz temperatury termopary. Błąd ten zostaje dodatkowo zwiększony przez przybliżanie wartości temperatury z tabeli cechowania termoogniwa.

Wyniki otrzymane w doświadczeniu pokazują nam zakres pracy rdzenia ferrytowego - tzn. znamy temperaturę powyżej której układ skonstruowany z użyciem badanego rdzenia zmieni swoje właściwości. Pozwoli nam to założyć konkretne warunki pracy lub zaprojektować np. układ chłodzenia włączany dla oszczędności tuż przed osiągnięciem temperatury Curie.

Rdzeń ferromagnetyczny znacząco zwiększa indukcyjność cewki. Podczas podgrzewania indukcyjność w niewielkim stopniu rośnie by w pewnym punkcie (Curie) osiągnąć poziom tylko trochę większy od wartości bez rdzenia.

Na błąd wyznaczenia temperatury mogło mieć wpływ to, że temperatura termopary mogła być niższa niż temperatury wnętrza rdzenia oraz pole magnetyczne wytwarzane przez prąd płynący przez drut oporowy.

---