SPRAWOZDANIE Z DOŚWIADCZENIA 20

BADANIE WŁAŚCIWOŚCI MAGNETYCZNYCH CIAŁ STAŁYCH.

Wstęp teoretyczny

W zależności od swojej struktury elektronowej atomy lub jony pewnych substancji mogą mięć trwale momenty magnetyczne. Wyróżniamy trzy rodzaje ciał ze względu na właściwości ma­gnetyczne: diamagnetyki, paramagnetyki oraz ferromagnetyki.

W ferromagnetykach momenty te porządkują się spontanicznie, bez działania zewnętrznego pola magnetycznego, wzdłuż jednego kierunku, skutkiem czego jest spontaniczne namagnesowanie materiału w dużych makroskopowych obszarach (domenach). Do ferromagnetyków należą np: Fe, Co, Ni.

W ciałach diamagnetycznych momenty magnetyczne elektronów równo­ważą się, ponieważ elektrony występują na orbitach parami i mają przeciwny kierunek ruchu. W diamagnetyku umieszczonym w zewnętrznym polu ma­gnetycznym, powstaje pole magnetyczne skierowane przeciwnie do zewnętrz­nego pola magnetycznego.

W paramagnetykach i ferromagnetykach momenty magnetyczne w atomach nie znoszą się, więc jeśli znajdą się w zewnętrznym polu magnetycznym ustawiają się równolegle do zewnętrznego pola magnetycznego, co jest przy­czyną powstania tzw. biegunów magnetycznych. Wypadkowy moment ma­gnetyczny w paramagnetyku jest bardzo słaby i znika po usunięciu pola ze­wnętrznego. Natomiast w ferromagnetykach istnieją tzw. domeny magne­tyczne, w których elementarne magnesy mają takie same ustawienie. Ferro­magnetyki ulegają spontanicznemu namagnesowaniu (powstałych w nieobec­ności zewnętrznego pola magnetycznego), które jest wynikiem wzajemnego oddziaływania momentów magnetycznych atomów. Oddziaływanie to powo­duje utworzenie regularnej struktury.

Z praw termodynamiki wynika, że układ pozostający w kontakcie cieplnym z otoczeniem o danej temperaturze T jest stabilny, jeśli minimum osiąga jego tzw. energia swobodna F, zdefiniowana jako:

F = U - T S

gdzie:

U - jest energią wewnętrzną

S - entropią układu będącą miarą jego nieuporządkowania

Im więcej atomowych momentów magnetycznych ma kierunek niezgodny z kierunkiem wypadkowej magnetyzacji spontanicznej, tym większe jest nieuporządkowanie i tym większa jest entropia. Istnienie nieuporządkowanych momentów magnetycznych zwiększa E_wym (energia oddziaływania odpowiedzialna za uporządkowanie ferromagnetyczne), a więc zwiększa się również U, które jest równe średniemu E_wym. Dla danej temperatury T ustala się taka średnia liczba nieuporządkowanych momentów magnetycznych, a więc i taka wypadkowa magnetyzacja spontaniczna, aby F osiągnęło minimum. Im wyższa jest temperatura, tym F_min osiągane jest przy większym S, a więc i przy większym nieuporządkowaniu atomowych momentów magnetycznych. Powyżej pewnej temperatury Tc, zwanej temperaturą Curie, nieuporządkowanie atomowych momentów magnetycznych jest tak duże, że magnetyzacja spontaniczna znika i układ staje się paramagnetykiem.

Część doświadczalna

Celem ćwiczenia było określenie wpływu temperatury na magnetyczne wła­ściwości próbki ferromagnetyka i wyznaczenie temperatury Curie.

Wykonałyśmy pomiary temperatury i napięcia (z dokładnością 1,5% wartości pomiaru dla napięcia zmiennego oraz 3,0% - dla temperatury) i sporządziłyśmy wykres zależności temperatury ferromagnetyka od jego napięcia.

Wyznaczyłyśmy wartość temperatury Curie, którą odczytałyśmy z wykresu. W tym celu obliczyłyśmy odpowiadającą jej wartość napięcia U_c, równą w przybliżeniu połowie różnicy napięcia maksymalnego i minimalnego zgodnie ze wzorem:

U_c = ( U_max-U_min ) ½

U_c = ( 0,624 - 0,029 ) ½ = 0,2975 ≈ 0,3

Wnioski:

Nasz wykres przy ogrzewaniu pokrywa się z wykresem teoretycznym (zawartym w instrukcji), natomiast wykres przy chłodzeniu odbiega nieco od wykresu teoretycznego. Zdecydowanie szybciej spada teraz temperatura niż rośnie napięcie, jednakże ogólny kształt wykresu pozostał zachowany.

---