POLITECHNIKA CZĘSTOCHOWSKA

LABORATORIUM Z FIZYKII

TEMAT: Pomiar temperatury Curie

ferrytów

Gizela Słowik

Wioletta Wojciechowska

Sylwia Zych

Rok IV

Informatyka

1. Własności magnetyczne materii

Moment magnetyczny - wielkość wektorowa charakteryzująca oddziaływanie ciał fizycznych z polem magnetycznym. Moment magnetyczny jest związany z ruchem przestrzennym cząstki naładowanej. Moment magnetyczny atomu jest związany z orbitalnym ruchem elektronów, ich spinami i momentem magnetycznym jądra; moment magnetyczny cząsteczki jest wypadkowym momentem magnetycznym związanym z ruchem elektronów, obrotem cząsteczki jako całości i spinami jąder. Moment magnetyczny ciał makroskopowych stanowi sumę mikroskopowych momentów magnetycznych.

Namagnesowanie M zdefiniowane jest jako moment magnetyczny przypadający na jednostkę objętości. Pozwala opisać pole magnetyczne wewnątrz ciał namagnesowanych. Jeżeli w jednostce objętości znajduje się N dipoli magnetycznych o momencie magnetycznym p każdy, i jeżeli wszystkie dipole są skierowane równolegle, to namagnesowanie wynosi:

M=Np.

Podatność magnetyczna jest wielkością określającą zdolność substancji do zmian jej momentu magnetycznego M pod wpływem zewnętrznego pola magnetycznego o natężeniu H:

gdzie M jest liczone w jednostkach objętości lub masy.

Przenikalność magnetyczna to wielkość charakteryzująca zachowanie się ciał w polu magnetycznym. Wyraża się stosunkiem indukcji magnetycznej B do natężenia pola magnetycznego H.

2. Podział ciał ze względu na własności magnetyczne

Diamagnetyki są to atomy i cząsteczki, których wypadkowy moment jest równy zeru. Substancje z nich zbudowane ( gdy pole magnetyczne jest nieobecne ), nie wykazują właściwości magnetycznych. Jeżeli diamagnetyk umieścimy w polu magnetycznym, to będzie on z tym polem oddziaływał siłami magnetycznymi. Spowodowane jest to tym, że pole magnetyczne, działając na poruszające się elektrony, zakłóca ich ruch. Na skutek tego zakłócenia w atomach indukuje się dodatkowy moment magnetyczny zwrócony przeciwnie do linii pola magnetycznego, w którym jest umieszczony diamagnetyk. Efekt diamagnetyczny jest podstawową właściwością materii. Dzięki niemu diamagnetyki, które w czasie nieobecności pola nie wykazują właściwości magnetycznych, umieszczone w polu są magnetycznie aktywne i nieznacznie osłabiają pole, w którym się znajdują.

Paramagnetyki są to atomy i cząsteczki charakteryzujące się tym, że ich wypadkowe momenty magnetyczne są różne od zera. Takie atomy i cząsteczki stanowią elementarne dipole magnetyczne i nawet bez obecności pola magnetycznego mogą wskazywać właściwości magnetyczne. Gdy próbkę paramagnetyka umieścimy w polu magnetycznym atomy lub cząsteczki dzięki posiadanemu momentowi magnetycznemu doznają działania sił magnetycznych, które starają się ustawić je w kierunku pola magnetycznego. Temu procesowi porządkowania elementarnych magnesów przeciwstawiają się ruchy cieplne ( zderzenia cząsteczek w gazach, drgania atomów i cząsteczek w cieczach i ciałach stałych), burząc ustalony przez pole porządek. Przy danej wartości indukcji B pola, w którym jest umieszczona próbka, wytwarza się w końcu stan równowagi. Próbka jako całość uzyskuje wypadkowy moment magnetyczny zwrócony zgodnie z liniami pola magnetycznego. Zatem próbka paramagnetyka umieszczona w polu magnetycznym zwiększa wartość indukcji magnetycznej tego pola.

Ferromagnetyki to substancje wykazujące wyjątkowo silne właściwości magnetyczne. Właściwości ferromagnetyzmu wynikają stąd, że na skutek efektów kwantowych następuje zgodne ustawienie spinowych momentów magnetycznych atomów. Ten proces samouporządkowania nie zachodzi jednak w całej próbce ferromagnetyka, lecz w niewielkich mikroskopijnych obszarach zwanych domenami. Domeny te mają nieregularne kształty, a ich momenty magnetyczne są zazwyczaj dowolnie zorientowane.

Umieszczenie ferromagnetyka w polu magnetycznym powoduje częściowe uporządkowanie domen. Podczas tego procesu uporządkowane domeny ulegają obrotowi, mogąc przy tym zmieniać swe kształty i wymiary, a także łączyć się ze sobą w większe obszary. Stopień namagnesowania ferromagnetyka zależy zarówno od jego właściwości jak też od czynników zewnętrznych: indukcji magnetycznej B pola zewnętrznego i temperatury T_C. Dla każdego ferromagnetyka istnieje taka temperatura T , zwana temperaturą Curie, powyżej której traci on swe właściwości ferromagnetyczne i staje się zwykłym paramagnetykiem.

Antyferromagnetyzm - stan ten cechuje się równoległym uporządkowanym ustawieniem spinów elektronowych. Gdy całka wymiany jest dodatnia, to występuje ferromagnetyzm, a gdy jest ujemna mamy antyferromagnetyzm. Przy przejściu poniżej punktu Curie w przypadku ciała antyferromagnetycznego spiny są zatrzymane w swych położeniach z kierunkami antyrównoległymi i w punkcie Curie podatność magnetyczna osiąga swą wartość maksymalną. Możemy rozpoznać antyferromagnetyzm przez wyraźne zagięcie się krzywej wyrażającej zależność podatności magnetycznej od temperatury. Przejście to zaznacza się również anomalią ciepła właściwego i współczynnika rozszerzalności cieplnej.

Ferrimagnetyki są to głównie pierwiastki grup przejściowych. Najważniejsza grupa to ferryty - związki chemiczne tlenków żelaza z tlenkami innych metali. Ferryty zdobyły wielkie znaczenie praktyczne dzięki swemu dużemu elektrycznemu oporowi właściwemu i są bardzo użyteczne przy zastosowaniu do wysokich częstości.

3. Zależność namagnesowania ferromagnetyków i ferrimagnetyków od temperatury

W miarę wzrostu temperatury podatność magnetyczna ferromagnetyka maleje. Dla każdego ferromagnetyka istnieje taka temperatura 0_k, zwana punktem ferromagnetycznym Curie, przy której ferromagnetyk zostaje zniszczony przez ruch cieplny atomów. Ciała ferromagnetyczne w temperaturze wyższej od 0, zwanej paramagnetyczną temperaturą Curie (0 jest nieco wyższe od 0_k), stają się paramagnetykami z charakterystyczną dla nich liniowa zależnością
od T.

W ferrimagnetykach wprowadzamy oddzielne stałe Curie C_A i C_B dla podsieci A i B. (dla dwóch podsieci wymagamy oddzielnych stałych C, ponieważ w tych dwóch podsieciach liczby i rodzaje jonów paramagnetycznych będą na ogół różne) Jeżeli wszystkie oddziaływania między podsieciami A i B będą równe zeru z wyjątkiem oddziaływania antyrównoległego: H_A=-μ*M_B H_B=-μ*M_A to możemy zapisać

M_AT=C_A(H-μ*M_B) M_BT=C_B(H-μ*M_A) (1.)

Bez zewnętrznego pola magnetycznego te równania mają niezerowe rozwiązanie na M_A i M_B gdy

a więc ferrimagnetyczną temperaturę Curie podaje wzór T_C=μ(C_A*C_B)^1/2. W celu otrzymania wyrażenia na podatność magnetyczną w temperaturze T>T_C należy rozwiązać równanie nr .1 na M_A i M_B

4. Zasada pomiaru temperatury za pomocą termopary.

Zakres pomiaru temperatury za pomocą termoelementów zwanych również termoparami wynosi -200÷1600⁰C. Termoelementy znalazły szerokie zastosowanie ze względu na ich małą bezwładność cieplną, stosunkowo szeroki zakres pomiarowy, jak również z uwagi na to, że ich układ nie wymaga dodatkowego źródła prądu zasilającego. Termoparę stanowią dwa kawałki drutu z dwóch różnych metali spojone ze sobą na końcach. Jeżeli końce te znajdą się w różnych temperaturach T₁, T₂ to w obwodzie takim zaczyna płynąć prąd elektryczny. Zatem pojawi się siła elektromotoryczna E_t równa różnicy napięć kontaktowych, a więc proporcjonalna do różnicy temperatur obu spojeń : E_t=α( T₂-T₁) gdzie: α - współczynnik proporcjonalności zależny od pary metali tworzących kontakt.

W temperaturach znacznie poniżej punktu Curie elektronowe momenty magnetyczne próbki ferromagnetycznej są zasadniczo wszystkie ustawione w jednym kierunku, gdy rozpatrywać je w skali mikroskopowej. Rozpatrując jednak próbkę jako całość zobaczymy, że całkowity moment może być dużo mniejszy niż moment odpowiadający nasyceniu i konieczne jest przyłożenie zewnętrznego pola magnetycznego, aby otrzymać stan nasycenia w próbce.

W przypadku ferrimagnetyków temperatura Curie zmienia krzywą namagnesowania odpowiadającą nasyceniu wraz z zawartością cynku.

Temperatura Curie - temperatura, powyżej której ciała ferromagnetyczne przechodzą w paramagnetyczne.

5.Zasada działania transformatora.

Jeśli dwie cewki są nawinięte wokół tego samego rdzenia, to zmienny prąd w jednej z nich będzie wywoływał siłę elektromotoryczną w drugiej. Jeśli do cewki pierwotnej przyłożymy zmienne napięcie, to we wtórnej cewce większe lub mniejsze napięcie indukowane możemy otrzymać przez odpowiedni dobór stosunku liczby zwojów. Transformator może zmieniać niskie napięcie na wysokie, a straty mocy są przy tym niewielkie.

6. Schemat pomiarowy

Opis: F - badany ferryt

T - termopara

I - rurka kwarcowa z nawiniętym uzwojeniem grzejnym jako uzwojenie pierwotne transformatora.

7. Tabela pomiarów

E[mV]

I[dz]

I[mA]

T[K]

E[mV]

I[dz]

I[mA]

T[K]

8. Charakterystyka termometryczna termoelementu NiCr-Ni

Tempera tura [^oC]	0		10		20		30		40		50		60		70		80		90
	Siła termoelektryczna E [mV]
0	0	0,40		0,80		1,20		1,61		2,02		2,43		2,85		3,26		3,68
100	4,10	4,51		4,92		5,33		5,73		6,13		6,53		6,93		7,33		7,73
200	8,13	8,53		8,93		9,34		9,74		10,15		10,56		10,97		11,38		11,80

Wykres cechowania termoogniwa na podstawie powyższej tabeli

Na wykres cechowania termoogniwa została nałożona linia trendu dla lepszego zobrazowania zagadnienia.

9. Wykres I=f(T)

E [mV]	2,00	5,00	6,0	7,0	8,0	9,0	9,1	9,2	9,3	9,4	9,5
I [dz]	131,20	131	130,50	130,00	127,00	122,90	121,50	120,00	119,00	117,00	114,00
I [mA]	2,624	2,62	2,61	2,60	2,54	2,46	2,43	2,40	2,38	2,34	2,28
T [K]	395,96	420,59	445,22	469,85	494,48	496,95	499,41	501,87	504,33	506,80	509,26
E [mV]	9,6	9,7	9,8	9,9	10,3	10,4	10,5	10,6	10,7	10,8	10,9
I [dz]	112,00	84,00	77,00	68,00	49	43
I [mA]	2,24	1,68	1,54	1,36	0,98	0,86
T [K]	511,72	514,19	516,65	519,11	528,97	531,43

Z powyższego wykresu wyznaczyliśmy temperaturę Curie ferrytu jako temperaturę dla której prąd zmaleje do połowy wartości początkowej. Wynosi ona w naszym przypadku 521,58 [K].

10. Dyskusja błędów

Błędy pomiarów spowodowane zostały:

• niedokładnością odczytu;

• niedokładnością przyrządów;

• niepewnością oka.

11. Wnioski z ćwiczenia

• wykres cechowania termoogniwa jest funkcją liniową, gdzie można zauważyć, że wraz ze wzrostem temperatury wzrasta siła termoelektryczna;

• z wykresu zależności natężenia prądu w uzwojeniu wtórnym transformatora od temperatury rdzenia ferrytowego wynika, że wraz ze wzrostem temperatury natężenie prądu maleje;

• wraz ze wzrostem siły termoelektrycznej E [mV] maleje liczba działek miliamperomierza

• natężenie prądu obliczyliśmy mnożąc I [dz] prze 3/150 (3 - ustawione napięcie miliamperomierza, 150 - działek);

• temperatura Curie ferrytu wynosi 521,58 [K] czyli 248,58 [^oC] dla natężenia prądu równym 1,24 [mA] i siły termoelektrycznej 10 [mV]

8

---