Mateusz Franckowiak	Fizyka metali – laboratorium	03.06.2013
Rok 1 magisterski Odlewnictwo 1	Wyznaczenie temperatury Curie metali i stopów	Ocena:
L 5

1. Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z metodą wyznaczenia temperatury Cuirie dla metali i stopów.

1. Wstęp teoretyczny

Wektory momentów orbitalnych elektronu L_e i p_m ulegają precesji wokół kierunku wektora indukcji B pola magnetycznego. Skutek działania pola magnetycznego na orbitę elektronu w atomie stanowi precesja orbity i wektora orbitalnego momentu magnetycznego p_m elektronu z częstością kątową ω_L wokół osi przechodzącej przez jądro atomu i równoległej do wektora H natężenia pola magnetycznego. Prędkość kątowa ω_L precesji Larmora zależy od indukcji magnetycznej pola B = - μ₀H i ma ten sam kierunek, co ona.

$\omega\ _{L} = - \frac{e}{2m}\mu$₀H

e – ładunek elementarny, m – masa elektronu;

Diamagnetykami nazywa się substancje, w których momenty magnetyczne atomów (cząsteczek) są – w przypadku braku zewnętrznego pola magnetycznego – równe zeru, ponieważ momenty magnetyczne wszystkich elektronów w atomie są wzajemnie skompensowane. Takie własności mają np. substancje złożone z atomów, cząsteczek lub jonów mających wyłącznie całkowicie zapełnione powłoki elektronowe np. gazy szlachetne, wodór, azot, srebro i in. Po umieszczeniu substancji diamagnetycznej w zewnętrznym polu magnetycznym, jej atomy uzyskują indukowane momenty magnetyczne.

J = K_mH

Paramagnetykami nazywa się substancje, których atomy (cząsteczki) w przypadku braku zewnętrznego pola magnetycznego mają różny od zera moment magnetyczny P_m. Występowanie tego momentu magnetycznego może być związane zarówno z orbitalnym ruchem elektronów w atomach paramagnetyka jak i ze spinowymi momentami magnetycznymi tych elektronów. Do paramagnetyków zaliczamy między innymi tlen, glin, platynę, litowce oraz berylowce. Gdy brak zewnętrznego pola magnetycznego, wektory P_mi różnych atomów paramagnetyka są – na skutek ruchu cieplnego – zorientowane w przestrzenie w sposób całkowicie nieuporządkowany tak, więc namagnesowanie paramagnetyka J = 0.

Ferromagnetykami nazywamy ciała stałe (z reguły są to substancje w stanie krystalicznym), wykazujące przy niezbyt wysokich temperaturach własne (spontaniczne) namagnesowanie, które silnie zmienia się pod wpływem oddziaływań zewnętrznych pola magnetycznego, deformacji lub zmiany temperatury. Ferromagnetyki – w odróżnieniu od słabo namagnesowanych diamagnetyków i paramagnetyków – stanowią ośrodki silnie magnetyczne; pole magnetyczne w nich może setki lub tysiące razy przewyższać pole zewnętrzne. Ferromagnetyzm obserwujemy w kryształach metali przejściowych – żelaza, kobaltu, niklu a także w niektórych metalach ziem rzadkich i w szeregu stopach.

Podstawowymi wyróżnikami własności magnetycznych ferromagnetyków są:

• Nieliniowa zależność namagnesowania J od natężenia pola magnetycznego H. Dla H > H_s obserwuje się nasycenie magnetyczne, tj. mamy J = J_s = const niezależne od wartości H.

Rys.1. Zależność namagnesowania J od natężenia pola magnetycznego H.

• Dla H < H_s zależność indukcji magnetycznej B od natężenia pola H jest nieliniowa, staje się natomiast liniowa dla H > H_s.

Rys.2. Zależność indukcji magnetycznej B od natężenia pola H.

• Zależność względnej przenikalności magnetycznej μ od natężenia pola H ma skomplikowany charakter, przy czym maksymalne wartości μ są bardzo duże: μ_max ~ (103 - 106).

Rys.3. Zależność względnej przenikalności magnetycznej μ od natężenia pola magnetycznego H.

• Występowanie histerezy magnetycznej – różnicy w wartościach namagnesowania J ferromagnetyka przy jednej i tej samej wartości natężenia H pola magnetycznego w zależności od poprzedniego stanu namagnesowania ferromagnetyka.

Rys.4. Histereza magnetyczna ferromagnetyka

• Dla każdej substancji ferromagnetycznej istnieje taka temperatura ϑ_c, nazywana punktem Curie, powyżej której substancja ta traci swoje szczególne właściwości magnetyczne i zachowuje się jak zwykły paramagnetyk.

1. Przebieg ćwiczenia

Podczas zajęć laboratoryjnych, badania indukcyjności przeprowadzono za pomocą uniwersalnego mostka RLC typu E316 (rys.1.)

Rys.1. Uniwersalny mostek RLC

Badaniu poddano próbkę stopu Heurlera o składzie: 4,8% Ni, 40% Mn, 12% Sn. Badanie przeprowadzono zgodnie z wytycznymi zawartymi w instrukcji do przeprowadzenia laboratorium. Uzyskane wartości umieszczono w tabeli.

Tabela 1. Uzyskane wyniki, gdzie indukcyjność L dla: 0 – cewki, 1 – żelaza armco, 2 – stopu Heurlera

Wartość mierzona	Lo, H	L1, H	L2, H
Wynik	5*10^-3	6000	48

Dodatkowo przeprowadzono pomiar indukcyjności stopu Heuslera po ochłodzeniu go do temperatury -20^oC. L3 wyniosła wówczas 600H

$$\mu_{1} = \frac{L_{1}}{L_{0}} = \frac{6000}{0,005} = 1200000H$$

$$\mu_{2} = \frac{L_{2}}{L_{0}} = \frac{48}{0,005} = 9600H$$

$$\mu_{3} = \frac{L_{3}}{L_{0}} = \frac{600}{0,005} = 120000H$$

gdzie:

L0 - indukcyjność cewki

L1 - indukcyjność cewki + rdzeń ferromagnetyczny (Żelazo armco Feα 99,8%)

L2 - indukcyjność cewki + rdzeń paramagnetyczny (stop Heurlera)

μ - przenikalność magnetyczna

1. Wnioski

Na podstawie przeprowadzonych badań można sformułować następujące wnioski:

1. Właściwości ferromagnetyków zależą w dużej mierze od temperatury.

2. Poniżej temperatury Curie ferromagnetyki przechodzą w stan paramagnetyczny i tracą właściwości magnetyczne.

3. Stop Heuslera wykazuje zmienne właściwości magnetyczne. W temperaturze obniżonej wykazuje właściwości magnetyczne, a w pokojowej właściwości te zanikają