Politechnika Śląska

Wydział Mechaniczny Technologiczny

Mechanika i Budowa Maszyn

Grupa 6

Temat ćw.: Wyznaczanie temperatury curie dla ferrytów.

Sekcja 10

Paweł Śliwiak

Roman Zawisz

Krzysztof Szymiczek

I. Wprowadzenie :

Ferrytami są związki chemiczne typu:

,

w których Me jest metalem dwuwartościowym, np. mangan Mn, cynk Zn, magnez Mg, nikiel Ni, miedź Cu; m i n - liczby całkowite. Większość tych substancji krystalizuje układzie kubicznym o strukturze minerału zwanego spinelem, dlatego ferryty typu:

nazywa się też ferrospinelami. Do tej grupy zaliczamy również związek litu . Komórka elementarna ferrospineli ma kształt sześcianu o krawędzi 0,84 nm.

Ferryty związków itru i lantanowców

krystalizują w strukturze granatu. Ferryty te są zwykle ferromagnetykarni. Lantanowce tworzą także grupę zwaną ortoferrytami o wzorze:

.

Na magnesy trwałe wykorzystuje się heksaferryty, jeszcze inną grupę ferrytów opisaną wzorem:

,

gdzie: Me - bar Ba lub ołów Pb. Powyższe grupy ferrytów uzupełniają związki tlenków baru i żelaza;

posiadające strukturę heksagonalną. Do ferrytów należy również magnetyt
.

Pierwsze ferryty wykonane metodą spiekania ceramicznego powstały podczas ostatniej wojny światowej. Obecnie produkuje się ferryty w postaci mas ceramicznych a ich własności magnetyczne i elektryczne stają się coraz doskonalsze. Cechą charak­terystyczną ferrytów jest ich duża oporność właściwa, co pozwala na budowę rdzeni magnetycznych o małych stratach związanych z prądami wirowymi.

Proces technologiczny wytwarzania ferrytów składa się z szeregu operacji, które decydują o końcowych własnościach. Każda z tych operacji ma wpływ na własności ferrytu i często o jakości decydują szczegóły otoczone tajemnicą producenta.

Własności elektryczne większości ferrytów pozwalają na zakwalifikowanie ich do grupy półprzewodników. Własności magnetyczne zależą od momentów magnetycz­nych jonów i ich wzajemnego oddziaływania. Rozróżnia się trzy grupy materiałów o własnościach magnetycznych: ferromagnetyki, antyferromagnetyki i ferrimagnetyki.

W ferromagnetykach poniżej temperatury Curie momenty magnetyczne ustawiają się równolegle do siebie, a zwroty są zgodne. Powyżej temperatury Curie intensywne ruchy cieplne zaburzają to uporządkowanie i ferromagnetyk przechodzi w stan paramagnetyczny. Zależność podatności magnetycznej ferromagnetyków od temperatury w zakresie słabych pól opisuje prawo Curie:

gdzie: N - koncentracja cząsteczek. Cechą charakterystyczną ferromagnetyków jest istnienie polaryzacji spontanicznej i krzywej histerezy magnetycznej.

Duża liczba ferrytów o strukturze spinelu, granatu i perowskitu należy do, grupy antyferromagnetytów. Materiały te nie znalazły zastosowania praktycznego, ponieważ moment magnetyczny ustawia się antyrównolegle. Antyferromagnetyki wykazują własności magnetyczne tylko w obecności zewnętrznego pola magnetycznego. Powyżej temperatury Neela uporządkowana struktura ulega zaburzeniu i materiał staje się paramagnetykiem (antyferromagnetycznym punkt Curie).

Najciekawszą grupę ferrytów stanowią ferrimagnetyki, czyli tzw. antyferromagnetyki nieskompensowane. Momenty magnetyczne sąsiednich atomów ustawione są równolegle. W strukturze występują tzw. podsieci o nieskompensowanym wypadkowym momencie magnetycznym. Wystąpienie nieskompensowanego namagnesowania może być związane z krystalochemiczną nierównoważnością węzłów podsieci, różną strukturą jonową oraz różnym sąsiedztwem jonów tego samego pierwiastka, lecz próżnej wartościowości. W zewnętrznym polu magnetycznym ferrimagnetyki zachowują się podobnie jak ferromagnetyki. Powyżej pewnej charakterystycznej temperatury, zwanej temperaturą Neela, ferrimagnetyk staje się paramagnetykiem. W tej charakterystycznej temperaturze zachodzi zmiana struktury (przejście fazowe drugiego rodzaju) i zmieniają się skokowo również inne własności, np. ciepło molowe, współczynnik rozszerzalności cieplnej.

II. Opis metody pomiarowej.

Na rurze ze szkła kwarcowego nawinięto transformator. Wewnątrz umieszcza si{ badany, cylindryczny, rdzeń ferrytowy. W kontakcie z rdzeniem znajduje się złącze termopary, której drugi koniec posiada temperaturę otoczenia. Prąd płynący w uzwo­jeniu pierwotnym transformatora powoduje wydzielanie się ciepła i ogrzewanie rdze­nia ferrytowego. Ferryt otoczony jest płaszczem izolacyjnym. Temperaturę rdzenia można określić z krzywej cechowania termopary mierząc siłę termoelektryczną mili-woltomierzem. Natężenie prądu w uzwojeniu wtórnym jest funkcją przekładni trans­formatora, która z kolei zależy od sprzężenia magnetycznego, a więc od przenikalności magnetycznej rdzenia. Po osiągnięciu temperatury Curie następuje gwałtowny spadek przenikalności magnetycznej rdzenia ferrytowego i natężenie prądu w uzwojenia wtórnym gwałtownie spada. Ze względu na bezwładność cieplną układu oraz gradient temperatury w rdzeniu spadek prądu odbiega od przewidywań teoretycznych. Temperatura Curie odpowiada spadkowi natężenia prądu do połowy wartości maksymalnej, Do pomiaru natężenia prądu płynącego w uzwojeniu wtórnym transformatora zasto­sowano mikroamperomierz magnetoelektryczny z szeregowo włączoną diodą pro­stowniczą.

III. Przebieg ćwiczenia.

1.Łączymy obwód wg schematu pokazanego na rys. 1.

2.Kontrolujemy prawidłowość ustawienia mierników. Plamki świetlne sprowadzamy do położenia zerowego.

Zastosowane zwierciadlane mierniki magnetoelektryczne wymagają zewnętrznego zasilania 6 V.

3.Ustalamy napięcie zasilające ok. 52 V.

Rys. 1. Schemat obwodu do wyznaczania temperatury Curie ferrytów

4. Notujemy wskazania mierników w odstępach czasowych l min.

Pomiary kończymy wtedy, gdy natężenie prądu w uzwojeniu wtórnym transfor­matora spadnie do 1/5 wartości początkowej.

5. Na podstawie wykresu cechowania termoogniwa określamy temperaturę ferrytu odpowiadającą zmierzonej sile termoelektryczneje.

6. Rysujemy wykres zależności natężenia prądu od temperatury rdzenia ferrytowego.

7. Określamy temperaturę Curie i oceniamy błędy pomiarowe.

Sprawozdanie z fizyki

- 1 -