Wykonali : Sebastian Przybyła Daniel Piłkowski Piotr Przyborowski	Zespół nr : 16
Wydział : Geodezji i Kartografii	Ocena z przygotowania :
Czwartek 17^15 - 20^00	Ocena ze sprawozdania :
Data : 02.02.2006 r.	Zaliczenie :
Prowadzący : Dr inż. Radomir  Kupczak	Podpis :

ĆWICZENIE NR 20

BADANIE WŁAŚCIWOŚCI MAGNETYCZNYCH CIAŁ STAŁYCH (FERROMAGNETYKA)

1. Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia było zaznajomienie się z teorią ferromagnetyków i ich właściwościami. Badaliśmy właściwości magnetyczne ferromagnetyka w zależności od jego temperatury oraz wyznaczaliśmy temperaturę Curie.

2. Podstawowe wiadomości teoretyczne dotyczące badanego zagadnienia

Ferromagnetyzm jest zjawiskiem, w którym materia przy niezbyt wysokich temperaturach wykazuje własne, spontaniczne namagnesowanie. Jest jedną z najsilniejszych postaci magnetyzmu i jest odpowiedzialny za większość magnetycznych zachowań spotykanych w życiu codziennym

Ferromagnetyki to ciała, które wykazuje własności ferromagnetyczne. Należą do m.in. żelazo, kobalt, nikiel i niektóre stopy. Ferromagnetyki dzieli się na twarde i miękkie. Ferromagnetyki twarde zachowują stan namagnesowania pomimo zmian zewnętrznego pola magnetycznego. Ferromagnetyki miękkie tracą zewnętrzne namagnesowanie po usunięciu pola magnetycznego zachowując jedynie namagnesowanie resztkowe znacznie mniejsze od maksymalnego. Ferromagnetyki stosuje się do wyrobu magnesów trwałych, rdzeni magnetycznych silników elektrycznych, transformatorów. Stosowane są do kształtowania pola magnetycznego.

Każdy atom ferromagnetyka wytwarza własne pole magnetyczne. Atomy te ustawiają się w ten sposób, że ich pole magnetyczne posiada ten sam ten sam kierunek, co pole atomów położonych w ich bezpośrednim sąsiedztwie.

W rezultacie tworzą się niewielkie obszary ( o wielkości od 10^-5 do 10^-4 m), w których elementarne magnesy mają identyczne ustawienie. Te obszary nazywamy domenami magnetycznymi. Struktura domenowa danego materiału nie oznacza jednak że jest on namagnesowany. Pola magnetyczne każdej z domen są ustawione chaotycznie w zupełnie różnych kierunkach, a w związku z tym ich momenty magnetyczne niwelują się. Dlatego ferromagnetyk może nie wytwarzać zewnętrznego pola magnetycznego lub też jego wypadkowe pole magnetyczne jest bardzo słabe.

Sytuacja zmienia się jednak, gdy umieścimy ferromagnetyk w zewnętrznym polu magnetycznym. Wówczas domeny zaczynają ustawiać się zgodnie z kierunkiem linii sił tego pola. Uporządkowanie to powoduje powstanie różnego od zera wypadkowego momentu magnetycznego i ferromagnetyk staje się magnesem.

W takim właśnie polu znajdowała się próbka ferromagnetyka, której użyliśmy w doświadczeniu. Podstawowym zadaniem, jakie mieliśmy do wykonania było sprawdzenie w praktyce jak na ferromagnetyk działa zmieniająca się temperatura. Wiadomo bowiem, iż jedynie w temperaturze 0°K możliwe jest idealne uporządkowanie ferromagnetyczne substancji.

Każda wyższa temperatura powoduje niestabilność atomowych momentów magnetycznych i ich odchylenia zwane również fluktuacjami termicznymi. Wraz ze wzrostem temperatury wzrasta miara nieuporządkowania zwana entropią. Namagnesowanie ferromagnetyka zwane pozostałością magnetyczną możemy więc zniszczyć nie tylko poprzez umieszczenie go w przeciwnie skierowanym zewnętrznym polu magnetycznym, ale również przez podniesienie jego temperatury do pewnego punktu granicznego zwanego temperaturą lub punktem Curie w którym traci on swoje właściwości. To właśnie było tematem przewodnim wykonywanego przez nas doświadczenia.

3. Przebieg ćwiczenia

Podstawowymi elementami układu pozwalającego na przeprowadzenie doświadczenia były:

• próbka ferromagnetyka

• cewka pierwotna(magnesująca ferromagnetyk) podłączona do autotransformatora

• cewka wtórna (badana) podłączona z woltomierzem

• grzałka podłączona do zasilacza umożliwiająca szybkie podgrzanie próbki ferromagnetyka

• termopara pozwalająca na pomiar temperatury ferromagnetyka

• komputer z oprogramowaniem pozwalającym na rejestr i wizualizację otrzymywanych wyników

Podczas wykonywania doświadczenia, ogrzewaliśmy stopniowo próbkę ferromagnetyka za pomocą spirali grzejnej ustawionej na 90% swojej mocy. Zakres podgrzewania mieścił się w granicach od 23°C do 189°C. Mierzyliśmy zarówno aktualną temperaturę ferromagnetyka jak i odpowiadającą mu wartość napięcia pomierzonego za pomocą woltomierza na cewce wtórnej. Rejestracja wyników pomiarów następowała przy każdorazowej zmianie temperatury ferromagnetyka o 2 °C. W momencie gdy wartości napięcia pozostawały niezmienne rejestrowaliśmy wyniki rzadziej, natomiast częściej w miejscach gwałtownego spadku napięcia.

Następnie wyłączyliśmy grzałkę podnosząca temperaturę ferromagnetyka i podczas jego ochładzania dokonywaliśmy rejestracji wyników pomiarów w sposób analogiczny jak podczas jego ogrzewania. Ferromagnetyk został ochłodzony z temperatury 189 °C do temperatury 50 °C.

Wyniki pomiarów otrzymane w wyniku ochładzania i podgrzewania próbki zostały zaprezentowane w punkcie 4.

4. Zestawienie tabelaryczne wyników uzyskanych podczas pomiarów laboratoryjnych

Podgrzewanie Próbki
Nr	T [°C]	U[V]
1	22	0.383
2	24	0.382
3	27	0.382
4	29	0.383
5	31	0.381
6	33	0.381
7	35	0.381
8	37	0.381
9	39	0.382
10	41	0.382
11	43	0.382
12	45	0.383
13	47	0.382
14	49	0.382
15	51	0.382
16	53	0.383
17	55	0.382
18	57	0.382
19	59	0.382
20	61	0.381
21	63	0.382
22	65	0.382
23	67	0.382
24	69	0.381
25	71	0.380
26	73	0.381
27	74	0.381
28	77	0.383
29	78	0.382
30	81	0.382
31	82	0.382
32	84	0.382
33	87	0.382
34	88	0.382
35	132	0.381
36	134	0.380
37	140	0.381
38	142	0.378
39	150	0.379
40	152	0.377
41	154	0.376
42	156	0.373
43	158	0.372
44	160	0.369
45	162	0.366
46	164	0.356
Podgrzewanie Próbki
Nr	T [°C]	U[V]
47	166	0.351
48	168	0.344
49	170	0.329
50	172	0.304
51	173	0.289
52	174	0.265
53	175	0.226
54	176	0.217
55	177	0.201
56	178	0.170
57	179	0.131
58	181	0.109
59	182	0.084
60	184	0.067
61	185	0.052
62	186	0.047
63	187	0.039
64	188	0.033
65	189	0.030
Ochładzanie Próbki
Nr	T[°C]	U[V]
1	189	0.029
2	183	0.032
3	180	0.032
4	177	0.034
5	175	0.039
6	173	0.038
7	171	0.040
8	169	0.043
9	167	0.046
10	165	0.051
11	163	0.053
12	161	0.059
13	160	0.063
14	157	0.071
15	155	0.077
16	153	0.086
17	151	0.095
18	149	0.106
19	148	0.117
20	146	0.132
21	144	0.149
22	142	0.168
23	140	0.193
24	136	0.238
25	134	0.264
26	131	0.291
27	130	0.309
28	128	0.323
29	126	0.338
30	124	0.349
31	122	0.356
32	120	0.361
33	118	0.365
34	116	0.369
35	114	0.370
36	112	0.373
37	110	0.375
38	106	0.378
39	104	0.378
40	102	0.379
41	100	0.380
42	98	0.380
43	92	0.381
45	88	0.382
46	74	0.382
46	50	0.381

5. Wnioski z doświadczenia oraz odpowiedzi na pytania dodatkowe

Doświadczenie pozwoliło nam na obserwacje zarówno zmian zachodzących w ferromagnetyku podczas jego ogrzewania i ochładzania, jak również wyznaczenie temperatury granicznej zwanej Temperaturą Curie, powyżej której ferromagnetyk traci swoje właściwości magnetyczne i staje się paramagnetykiem. W naszym przypadku oszacowaliśmy tę temperaturę na około 175 °C. Na uwagę zasługuje niezwykle gwałtowny zanik napiecia w otoczeniu tej wartości - od wartości maksymalnej (0.382V) do minimalnej (0.030V) przy zmianie temperatury o zaledwie 40°C. Trzeba się jednak liczyć z tym, iż wartość Tc może być obarczona dużym błędem, gdyż została wyznaczona przez nas graficznie na podstawie wykresu przedstawiającego napięcie pomierzone na cewce wtórnej jako funkcję temperatury próbki ferromagnetyka.

Pytanie 1

Dlaczego w pewnym momencie ogrzewania ferromagnetyka obserwowaliśmy gwałtowny spadek napięcia na cewce wtórnej?

Pierwsza faza naszego doświadczenia polegała napodgrzewaniu ferromagnetyka. W miarę wzrostu temperatury atomy ferromagnetyka zaczynają coraz silniej drgać. Gdy temperatura osiąga pewną wartość zwaną temperaturą Curie - wówczas siły utrzymujące uporządkowanie atomów w domenach są zbyt małe, aby domeny mogły dalej istnieć. Następuje całkowity rozpad domen magnetycznych a pola magnetyczne poszczególnych poszczególnych atomów są skierowane odtąd chaotycznie w różnych kierunkach. Znika namagnesowanie materiału i badana substancja przestaje być ferromagnetykiem. Staje się paramagnetykiem.

Stąd właśnie wynika gwałtowny spadek napięcia na cewce wtórnej, gdyż w punkcie Curie rdzeń wykonany z ferromagnetyka traci swoje dotychczasowe właściwości, a więc nie wzmacnia już pola magnetycznego które powoduje indukowanie prądu w cewce wtórnej.

Skutkiem tego, w momencie osiągnięcia temperatury Curie, na woltomierzu podłączonym do tej cewki wskazywany jest gwałtowny spadek napięcia.

Pytanie 2

Czy gdyby na transformatorach wysokonapięciowych nie było układów chłodzących miałoby to wpływ na napięcie w gniazdku przeciętnego użytkownika?

Transformatory wysokonapięciowe stosowane w energetyce mają za zadanie zamienianie prądu płynącego w liniach przesyłowych(o bardzo dużym napięciu i małym natężeniu) na prąd o napięciu ok. 230V i dużym natężeniu. W związku z tym w transformatorze wydziela się ciepło, które powoduje wzrost temperatury całego urządzenia. Zwoje takich transformatorów nawinięte są na rdzenie z ferromagnetyka, które maja za zadanie wzmocnienie pola magnetycznego(dzięki któremu możliwa jest transformacja), jak też wyeliminowanie prądów wirowych.

Stąd właśnie wynika konieczność stosowania różnego rodzaju systemów chłodzących odprowadzających ciepło(użebrowania, rur chłodniczych itp.). Gdyby ich nie było transformator rozgrzewałby się stopniowo do bardzo dużych temperatur, co identycznie jak w przypadku naszego doświadczenia, miałoby negatywny wpływ na właściwości magnetyczne ferromagnetycznych rdzeni. Pogarszanie się tych właściwości spowodowałoby z kolei indukowanie się mniejszego napięcia na zwoju wtórnym a co za tym idzie napięcie w gniazdku końcowego odbiorcy byłoby niższe niż 230V. Oczywiście wraz z dalszym wzrostem temperatury transformatora, problem ten stawałby się coraz bardziej widoczny, gdyż coraz gwałtowniej malałoby napięcie na zwojach wtórnych.

Oprócz tego po pewnym czasie nastąpiłby oczywiście zwyczajny defekt transformatora spowodowany wysoka temperaturą.

---