Badanie właściwości magnetycznych ciał stałych.

Ciała możemy podzielić na trzy rodzaje ze względu na właściwości ma­gnetyczne. Wyróżniamy:

• diamagnetyki

• paramagnetyki

• ferromagnetyki

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.

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

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 T_c, zwanej temperaturą Curie, nieuporządkowanie atomowych momentów magnetycznych jest tak duże, że magnetyzacja spontaniczna znika i układ staje się paramagnetykiem.

Do wykonania ćwiczenia potrzebny jest układ pomiarowy złożony z nastę­pujących elementów:

• element grzejny z zasilaczem

• układ chłodzący

• cewka pierwotna

• cewka wtórna

• badany ferromagnetyk

• woltomierz

• termometr elektroniczny

Temperaturę Curie wyznaczyliśmy na podstawie zależności napięcia od temperatury ferromagnetyka. Wyniki przedstawia tabela nr 1 w której zamiesz­czamy wystarczającą część danych uzyskanych podczas doświadczenia.

T [ºC]	27	44	53	65	76	87	98	111	119	128	138	148	158	169	178	189	193	198	204	209	212
U [mV]	556	550	546	542	536	529	521	511	504	495	485	471	457	439	425	406	398	387	369	349	335
T [şC]	214	216	218	220	222	224	225	227	229	232	234	237	241	244	250	257	265	275	282	290	300
U [mV]	323	313	301	288	275	261	255	240	226	210	200	190	173	164	151	146	140	136	135	134	134

Tabela nr 1

Wykres zależności U[T] (rys. 1).

Ekstrapolując krzywą zależności U[T], określamy T_c = 220 ºC.

Błąd pomiaru szacujemy graficznie względem wykresu f-cji U(T) zawartego w instrukcji (rys. 2).

Wnioski:

Z porównania dwóch rysunków wnioskujemy, że występują spore rozbieżności między wykresem teoretycznym, a doświadczalnym. W pobliżu temperatury Curie, napięcie nie spada raptownie w doświadczeniu przez nas przeprowadzonym, co jest wyraźnie zauważalne w teorii. Z powodu ww. rezultatów nie jesteśmy dać ścisłej odpowiedzi dotyczącej wartości temperatury Curie. Jesteśmy jednak w stanie oszacować błąd pomiarowy na około 20 ºC.

3

rysunek 2

---