Sprawozdanie

Politechnika Śląska

Wydział MT

Kierunek MiBM

ćwiczenie laboratoryjne z fizyki:

Wyznaczanie temperatury Curie dla ferrytów.

Grupa II Sekcja VII

Piotr Płonka

Jacek Pańtak

1.Część Teoretyczna

Przyjmując, iż każdy atom ma niezależny od temperatury, przypadkowo zorientowany w izotropowej przestrzeni moment magnetyczny µo stwierdzimy, zgodnie z teorią Langevina, że wypadkowy moment magnetyczny atomów ciała stałego jest równy zeru. Gdy jednak, wskutek przyłożonego zewnętrznego pola magnetycznego zniknie izotropowość przestrzeni, nastąpi pewne uporządkowanie momentów magnetycznych poszczególnych atomów wzdłuż linii sił pola magnetycznego. Fluktuacje termiczne będą przeciwdziałać takiemu uporządkowaniu, a cały układ znajdzie się w warunkach równowagi dynamicznej. Dla słabych pól magnetycznych oraz wysokich temperatur, temperaturową zależność podatności magnetycznej k substancji opisuje tzw. prawo Curie: , gdzie: N-liczba atomów w jednostce objętości, kB-stała Boltzmana, T-temperatura, C-tzw. stała Curie.

Prawo Curie jest słuszne dla niektórych paramagnetyków. W ogólnym przypadku zależność podatności magnetycznej od temperatury opisuje tzw. prawo Curie - Weissa: , gdzie stała C' jest rówwnoważna stałej Curie C jedynie w szczególnych przypadkach (ferromagnetyzm lub antyferromagnetyzm), parametr D oznacza pewną stałą materiałową. Gdy dla niektórych paramagnetyków D=0, wówczas prawo Curie - Weissa przyjmuje postać prawa Curie.

W przypadku ferromagnetyków znajdujących się w temperaturach znacznie wyższych od temperatury Curie To (w temperaturze Curie intensywność ruchu cieplnego cząsteczek staje się dostatecznie duża, by zniszczyć spontaniczne namagnesowanie ferromagnetyków) dodatnia stała D jest oznaczana jako tzw. paramagnetyczna temperatura Curie . W przypadku antyferromagnetyków znajdujących się w temperaturach wyższych od temperatury Neela TN stała D jest ujemna. W temperaturze Neela intensywność ruchu cieplnego cząsteczek staje się dostatecznie duża, by zniszczyć spontaniczne namagnesowanie antyferromagnetyków i materiały te stają się paramagnetykami.

Wielu przejściom fazowym, którym ulegają układy fizyczne, takim jak topnienie kryształu, parowanie cieczy towarzyszą gwałtowne zmiany szeregu ich makroskopowych własności fizycznych. Możliwe są jednak również takie przemiany fazowe, w których zmiany parametrów fizycznych układu nie są tak gwałtowne i radykalne. Na ogół stosuje się następującą termodynamiczną klasyfikację przemian fazowych wprowadzającą pojęcie rzędu przemiany fazowej. Rzędem przemiany fazowej nazywamy rząd najniżsszej pochodnej potencjału termodynamicznego Gibbsa, która jest nieciągła w punkcie przejścia fazowego. Tak więc przejścia fazowe, którym towarzyszy nieciągłość pierwszej pochodnej potencjału termodynamicznego Gibbsa G, tj. , gdzie S oznacza entropię i , gdzie V oznacza objętość, nazywamy przejściami fazowymi pierwszego rodzaju (rzędu).

Klasyfikacja i podział przejść fazowych drugiego i wyższych rzędów jest dość skomplikowana i wymaga subtelnych rozróżnień. W konsekwencji wprowadza się obecnie rozróżnienie przejść fazowych po prostu na przejścia fazowe pierwszego rodzaju i na ciągłe przejścia fazowe. Przy przejściu fazowym pierwszego rodzaju, w punkcie przemiany fazowej nieciągłość wykazują pierwsze pochodne potencjału G, a więc towarzyszy im zmiana entropii, czyli wydzielanie tzw. ciepła utajonego i zmiana objętości. Przy przejściu fazowym ciągłym pierwsze pochodne potencjału G są ciągłe, nie ma więc wydzielania ciepła utajonego ani zmiany objętości, a nieciągłe stają się tylko wyższe pochodne potencjału termodynamicznego takie, jak ciepło właściwe lub ściśliwość. Przejście fazowe ferromagnetyka w paramagnetyk jest także przykładem ciągłego przejścia fazowego. Natomiast każde magnetyczne przejście fazowe, w czasie którego następuje zmiana struktury krystalicznej, jest przykładem przejścia fazowego pierwszego rodzaju. Przejście fazowe ze stanu ferromagnetyka do stanu paramagnetyka, spowodowane wzrostem temperatury, ma wpływ nie tylko na własności magnetyczne materiałów ale wywiera także silny wpływ na ich własności elektryczne, termoelektryczne, galwanomagnetyczne oraz inne związane ze zjawiskami transportu. Wszystkie wymienione zjawiska wykazują pewne anomalia w temperaturze Curie (punkty odpowiadające tej temperaturze na wykresach temperaturowych zależności różnych wielkości fizycznych naszą nazwę punktów Curie). W wielu przypadkach w punkcie Curie obserwowane są silne maksima lub minima temperaturowego współczynnika odpowiadającego danemu zjawisku (przewodnictwo elektryczne, cieplne itp). Wielkość tych efektów zależy od orientacji przestrzennej wektora namagnesowania w badanym materiale oraz od ilości i koncentracji faz magnetycznych w objętości ferromagnetyka. Teoria ferromagnetyzmu zakłada, że ferromagnetyk składa się z magnetycznych atomów (Fe, Co, Ni) ułożonych obok siebie w węzłach sieci krystalicznej. Bezpośrednie sąsiedztwo tych atomów umożliwia im wzajemne oddziaływanie typu elektrycznego. Ferryty są bardziej złożonymi związkami, opisanymi wzorem chemicznym MeOFe2O3 , w którym symbol Me oznacza atom takich metali, jak: Ni, Mn, Mg, Cu, Zn, Fe, Al lub ich mieszninę. Bezpośrednie oddziaływanie wzajemne między jonami magnetycznymi jest mało prawdopodobne zarówno na rodzaj wymienionych pierwiastków jak i ich rozkład w sieci krystalicznej ferrytu. Ilościowy opis właściwości magnetycznych ferrytów jest ściśle związany z symetrią ich struktury krystalicznej. Jeśli chodzi o własności elektryczne, to ferryty są materiałami o dużej rezystywności, rzędu 108-109[W], niekiedy zaliczanymi do półprzewodników. Temperaturową zależność ich rezystywności od temperatury opisuje równanie: , gdzie DE oznacza wartość energii aktywacji, o stałą materiałową, której wartość jest niezależna od temperatury.

2.1.Schemat Układu

2.2.Przebieg ćwiczenia.

Łączymy obwód według schematu. Kontrolujemy prawidłowość ustawienia mierników, tz. ustawiamy ich położenia na zerowe. Następnie ustalamy napięcie zasilające na ok. 50[V], po czym notujemy wskazania mierników w odstępach jedno minutowych. Rysujemy wykres cechowania termoogniwa na podstawie poniższej tabelki (i analogicznych wartości przy <3.46), a następnie rysujemy wykres zależności atężenia rądu od temperatury rdzenia ferytowego i określamy temperaturę Curie.

[mV]	T [K]

3.Opracowanie wyników pomiarów.

Po narysowaniu wykresu zależności natężenia prądu od temperaturuy rdzenia ferytowego prowadzimy dwie proste przecinające się w punkcie określającym temperatuę Curie dla danego materiału. Przy rysowaniu tej zależności uwzględniamy błędy wskazówkowych mierników elektrycznych obliczane ze wzoru: . Wyniki jakie otrzymano to DA=.......[µA] (błąd odczytu natężenia prądu elektrycznego) i DV=........[mV] (błąd odczytu napięcia).

Podczas rysowania wykresu zależności napięcia e od natężenia prądu i jeden (pierwszy) z pomiarów okazał się być pomiarem z błędem grubym.

Odczytana wartość napięcia e, wyniosła e=.............[mV], co daje według wykresu cechowania termoogniwa warotść temperatury Curie równą: Tc=..........[K]. Błąd pomiaru odczytany z wykrersu wyniósł ..........[K].

4.Podsumowanie.

Podczas przeprowadzonego ćwiczenia laboratoryjnego wyznaczyliśmy temperaturę Curie dla badanego ferrytu: Tc=............[K]. Błąd pomiaru jest wynikiem niedokładności pomiaru napięcia i natężenia prądu w badanym układzie. Źródłem błędów mogą być również niedokładności rysowania wykresów oraz odczytywania z nich odpowiednich wartości. Porównując otrzymaną wartość z wartościami tablicowymi mieliśmy najprawdopodobniej do czynienia z ferrytem o symbolu chemicznym............ dla którego temperatura Curie wynosi: Tc:=...........[K]. Rozbieżność między otrzymaną wartością, a temperaturą Curie ferrytu .......... mogą wynikać z niedokładności pomiarów (ich odczytu) bądź też rdzeń nie jest powyższym ferytem.