Лабораторная работа №46 определение точки кюри ферромагнитного вещества - pismo.netnado.ru o_O
Главная
Поиск по ключевым словам:
страница 1
Похожие работы
Название работы Кол-во страниц Размер
Лабораторная работа №1 Физиология труда Актуальность темы 1 237.63kb.
О жизни Марии Склодовской-Кюри написано много замечательных книг 1 44.94kb.
Лабораторная работа №6 «работа с библиотекой iqmath» Цель: Сравнение... 1 42.59kb.
Лабораторная работа №2 Применение стилей, автотекста, автозамены... 1 34.47kb.
Лабораторная работа №1 Работа с инструментальными средствами фио... 1 54.23kb.
Лабораторная работа №2. Хеширование Задание 1 23.8kb.
Лабораторная работа №1 Словосочетание Литература 1 71.76kb.
Лабораторная работа №30 Тема 1 «Рулевое управление» 1 30.93kb.
Биографический метод определение и истоки биографического метода... 1 252.45kb.
Лабораторная работа. «Пластизоли» 1 130.41kb.
Лабораторная работа №2 Пакеты прикладных программ 1 267.69kb.
1. Линии напряженности электрического поля и эквипотенциальные поверхности. 1 108.33kb.
Урок литературы «Война глазами детей» 1 78.68kb.
Лабораторная работа №46 определение точки кюри ферромагнитного вещества - страница №1/1

Лабораторная работа №46

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТОЧКИ КЮРИ ФЕРРОМАГНИТНОГО ВЕЩЕСТВА

Цель работы: изучение зависимости магнитных свойств ферромагнетиков от температуры.

Приборы и принадлежности: лабораторная установка для определения точки Кюри, образцы ферромагнитных веществ.


  1. ТЕОРИЯ МЕТОДА

Носителями магнитных свойств вещества являются электроны, так как магнетизм ядер мал и во многих случаях его можно не учитывать.

Находящийся на орбите и вращающийся вокруг атомного ядра электрон, подобно контуру с током, создаёт в окружающем пространстве магнитное поле, величина и направление которого определяются магнитным моментом контура pm=ISn, где I – сила тока, S – площадь, которую охватывает контур, n – единичный вектор нормали к плоскости контура. Момент pm называется орбитальным магнитным моментом.

Кроме орбитального, у электрона есть собственный, или спиновый магнитный момент, не зависящий от местоположения или характера движения этой частицы.

Магнитный момент атома (молекулы) представляет собой векторную сумму орбитальных и спиновых магнитных моментов всех электронов. От того, как ведут себя магнитные моменты отдельных атомов (молекул), зависят магнитные свойства всего вещества, его намагниченность. Намагниченность J – это магнитный момент единицы объема вещества. По этому признаку вещества разделяют на диа-, пара- и ферромагнетики.

У диамагнетиков и парамагнетиков магнитные свойства определяются отсутствием или наличием у атомов магнитного момента. В диамагнетиках магнитный момент атомов равен нулю при отсутствии внешнего магнитного поля и появляется только при его включении. В соответствии с законом Ленца, он направлен против этого поля. В парамагнетиках магнитные моменты атомов, существовавшие и в отсутствии поля, в магнитном поле ориентируются преимущественно в направлении вектора магнитной индукции B этого поля. Диа- и парамагнетики – это слабомагнитные вещества, их магнитная проницаемость μ ≈ 1.

Сильными магнитными свойствами обладают ферромагнетики (μ>>1). Они могут быть намагничены даже в отсутствие внешнего магнитного поля. Из химически чистых металлов ферромагнитными свойствами обладают железо, никель, кобальт, гадолиний. Ферромагнитны также различные сплавы на основе этих металлов и некоторые соединения, например, MnBi, FeNi и другие.

Ферромагнетизм возникает благодаря так называемому обменному взаимодействию, в котором участвуют электроны недостроенных внутренних электронных оболочек атомов некоторых кристаллических тел. Причины возникновения этого взаимодействия объясняются квантовой механикой. При определенных условиях обменное взаимодействие делает энергетически выгодной параллельную ориентацию спиновых магнитных моментов электронов соседних атомов, благодаря чему образуются области самопроизвольной намагниченности – домены. Обычно размеры доменов 10-3 – 10-2 см.

В отсутствие внешнего магнитного поля домены в размагниченном образце располагаются таким образом, что результирующая намагниченность образца равна нулю (рис. 1). Стрелки на рисунке указывают направление вектора намагниченности J в пределах домена. Такое состояние отвечает минимальной магнитной энергии ферромагнетика.




Рис. 1. Намагниченность доменов во внешнем поле.

Домены 1 и 3 увеличиваются за счёт доменов 2 и 4 при намагничивании
При намагничивании во внешнем магнитном поле намагниченность J ферромагнетика растет с увеличением намагниченного поля по нелинейному закону, достигая значения насыщения Jнас при достаточно больших напряженностях H. Пусть стрелка на штриховой линии на рис. 1 показывает направление вектора напряженности H внешнего магнитного поля. На начальном этапе намагничивания ферромагнетика междоменные границы смещаются, обеспечивая увеличение размеров тех доменов, направление вектора намагниченности J у которых наиболее близки к направлению вектора H (домены 1 и 3 на рис. 1). И только в области, близкой к насыщению, намагничивание осуществляется благодаря «довороту» магнитных моментов доменов до совпадения с направлением напряженности внешнего поля H.

Тепловое движение атомов вещества мешает согласованной ориентации спиновых моментов электронов в доменах, и тем больше, чем выше температура. Поэтому с ростом температуры самопроизвольная намагниченность уменьшается. При достижении некоторой температуры, называемой точкой Кюри, доменная структура разрушается, и ферромагнетик полностью утрачивает самопроизвольную намагниченность, превращаясь в парамагнетик. Зависимость спонтанной намагниченности ферромагнетика от температуры показана на рис. 2, где J/Jнас – относительная намагниченность, Jнас – максимально возможная намагниченность, то есть намагниченность насыщения, Tс – температура, или точка Кюри.




Рис. 2. Типичная зависимость относительной намагниченности J/Jнас

ферромагнетика от абсолютной температуры Т
Ниже приведены значения точки Кюри для некоторых ферромагнитных веществ – чистых металлов:

Металл

Гадолиний

Никель

Железо

Кобальт

Точка Кюри, К

289

631

1043

1400

Схема установки для определения точки Кюри изображена на рис. 3. Установка представляет собой трансформатор Тр2 с ферромагнитным сердечником. Его первичная обмотка W1 через другой, понижающий трансформатор Тр1 подключена к сети переменного тока 220 В через тумблер П1 («Питание»). С помощью обмотки W1 – «Обмотка возбуждения» - в сердечнике создается переменный магнитный поток Ф, изменяющийся по гармоническому закону. В цепь вторичной обмотки W2 включен прибор Пр2, по показаниям которого можно судить о магнитном состоянии материала сердечника.

В используемом трансформаторе часть сердечника вырезана и в место разрыва вмонтирована электропечь 3, в которой размещают исследуемый образец 1 из ферромагнитного материала. Печь питается постоянным током, чтобы не оказывать влияния на величину э.д.с. во вторичной обмотке. Для этого используется выпрямительный блок 2. Мощность печи регулируется реостатом 4 (ручка «Температура»), что позволяет добиваться стабильного теплового режима образца. Температура образца измеряется термопарой 5, подсоединенной к прибору Пр1. Пока образец находиться в ферромагнитном состоянии, он замыкает магнитную цепь сердечника. При нагревании образца до температур, превышающих точку Кюри, его магнитная проницаемость уменьшается на несколько порядков. Так же сильно уменьшается и магнитный поток через сердечник. Магнитная цепь разрывается.



Рис. 3. Схема лабораторной установки:

Тр1 – понижающий трансформатор, Тр2 – основной трансформатор,

W1 и W2 – обмотки основного трансформатора
Действительно, если замкнутый магнитный контур состоит из двух частей с разными магнитными свойствами, то величина магнитного потока Ф определяется выражением:
(1)

где Li, si и μi – значения длины, площади поперечного сечения и магнитной проницаемости ненагреваемой (i = 1) и нагреваемой (i = 2) частей сердечника трансформатора; I и N – сила тока и число витков в обмотке возбуждения; μ0 – магнитная постоянная.

Из формулы (1) следует:


  1. если L2 = 0, то магнитный поток имеет значение Ф = Ф1 = INμ0μ1s1/L1

  2. если L2 – величина того же порядка, что и L1, s1 ≈ s2, но μ2 <<μ1,

то Ф = Ф2 ≈ INμ0μ2s2/L2.

Сравнивая потоки Ф1 и Ф2, получим, что Ф21 ≈ (μ2L1) / (μ1L2) ~ μ21, то есть Ф2<<Ф1.

Метод определения точки Кюри основан на зависимости э.д.с. индукции во вторичной обмотке трансформатора от магнитного состояния сердечника, а именно, той его части, которой является образец из ферромагнитного вещества.

Согласно закону Фарадея, э.д.с. электромагнитной индукции εi пропорциональна скорости изменения магнитного потока:

εi = -dФ/dt (2)

В случае переменного тока I = I0cosωt изменение магнитного потока во времени также удовлетворяет гармоническому закону, поскольку согласно формуле (1) Ф ~ I. Тогда магнитный поток можно представить как Ф = Ф0cosωt и dФ/dt = -Ф0ωsinωt. Теперь из формулы (2) следует:


εi = Ф0ωsinωt (3)

Таким образом, амплитуда Ф0ω э.д.с. индукции εi во вторичной обмотке W2 трансформатора Тр2 пропорциональна амплитуде магнитного потока Ф0 в сердечнике. Это свойство трансформатора и используется в установке для определения точки Кюри. Если из-за изменения магнитных свойств сердечника уменьшается амплитуда магнитного потока, то уменьшается также и значение э.д.с. во вторичной обмотке трансформатора.

В лабораторной работе находят зависимость напряжения U2 на вторичной обмотке W2 трансформатора от температуры исследуемого образца. Ток, пропорциональный этому напряжению, измеряется прибором Пр2.

Температуру образца t определяют с помощью термопары, э.д.с. которой U1 измеряется цифровым милливольтметром (Пр1). Связь между значениями U1 и температурой t дается соотношением


t (˚C) = tк + κU1 (4)

где коэффициент пропорциональности κ = 24,4 град/мВ; tк – комнатная температура, ˚С; U1 – показания прибора Пр1 в мВ.




  1. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

  1. Поместите образец (сплав №1) в отверстие печи. Включите тумблер П1 («Питание»).

  2. Включите тумблер П2 («Обмотка возбуждения»). При этом напряжение подается на первичную обмотку трансформатора W1, и прибор Пр2 покажет наличие напряжения U2 на вторичной обмотке W2.

  3. Включите тумблер П3 («Нагрев») и поверните ручку регулятора мощности печи («Температура») по часовой стрелке до упора. Это соответствует максимальной мощности. При этом милливольтметр Пр1 через некоторое время покажет наличие термо - э.д.с. U1, развиваемой термопарой.

  4. Когда показания милливольтметра (прибор Пр1) составят несколько (3-4) мВ, поверните ручку «Температура» на пол-оборота против часовой стрелки и добейтесь теплового равновесия. Если температура продолжает расти (показания милливольтметра увеличиваются), слегка уменьшайте мощность печи, поворачивая ручку «Температура» против часовой стрелки. Если температура начинает падать, увеличьте мощность путем вращения ручки «Температура» по часовой стрелке. При этом следует учитывать большую тепловую инерционность печи и образца, для чего после каждой манипуляции с ручкой «Температура» следует выждать 5-10 секунд, прежде чем решить, как менять мощность дальше. Если в течение этого времени температура практически не изменяется, можно считать, что достигнуто тепловое равновесие.

  5. Запишите показания приборов Пр1 (U1) и Пр2 (U2) в таблицу 1.

  6. Прибавьте немного мощность нагрева и установите тепловое равновесие при другой, более высокой температуре. Новые значения U1 и U2 также запишите в таблицу 1.

  7. Когда по мере приближения к точке Кюри tc показания прибора Пр2 начнут уменьшаться, добивайтесь теплового равновесия наиболее тщательно, манипулируя регулятором мощности с особой осторожностью. При достижении tc показания прибора Пр2 должны снизиться практически до нуля.

  8. После достижения точки Кюри повторите измерения в обратном порядке, понижая температуру вплоть до значений, при которых показания прибора Пр2 перестанут изменяться. Получаемые значения U1 и U2 также записывайте в таблицу 1.

  9. Замените образец на другой, №2, и повторите с ним операции согласно пп. 3-8. Результаты измерений для этого образца заносятся в таблицу 2.


Таблица 1


Образец №1

U1, мВ































U2, число делений шкалы
































Таблица 2


Образец №2

U1, мВ































U2, число делений шкалы

































  1. ОБРАБОТКА ОПЫТНЫХ ДАННЫХ

  1. Для обоих образцов постройте кривую зависимости U2 от U1, графически усредняя данные измерений, полученные в режимах повышения и понижения температуры.

  2. Определите для обоих образцов точку пересечения кривой U2 = f (U1) с осью абсцисс, U1c (соответствует точке Кюри), и с помощью формулы (4) найдите для них температуру Кюри tс; переведите её в кельвины, Tc. Значения U1c, tc и Tc занесите в таблицу 3.


Таблица 3


Образец


U1c, мВ



tc, °C


Tc, К

1










2












  1. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

  1. Какими величинами характеризуются магнитные свойства вещества?

  2. Что называется магнитным моментом контура с током?

  3. Что такое орбитальный и спиновый магнитные моменты электрона?

  4. Чем объясняется ферромагнетизм? Каковы различия между диа-, пара- и ферромагнетиками в отношении их магнитных свойств?

  5. Что такое точка Кюри для ферромагнитных веществ?

  6. Что такое электромагнитная индукция?

  7. Почему э.д.с. индукции во вторичной обмотке трансформатора зависит от температуры сердечника?


Литература

  1. Савельев И.В. Курс общей физики, т. 2. М.: Наука. 1978. § 46, 51-53, 55-61.

  2. Трофимова Т.И. Курс физики. М.: Высшая школа. 2004. § 122, 123, 131-133, 135, 136.

РАСЧЁТЫ:

ОТВЕТЫ НА КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ:

1.

Pm = ISn – магнитный момент контура, Pm – орбитальный магнитный момент, I – сила тока, S – площадь, которую охватывает контур, n – единичный вектор нормали к плоскости контура, J – намагниченность (это магнитный момент единицы объема вещества), В – вектор магнитной индукции поля, μ – магнитная проницаемость, H – вектор напряженности внешнего магнитного поля, Ф – магнитный поток, εi – э.д.с. электромагнитной индукции.



2.

Находящийся на орбите и вращающийся вокруг атомного ядра электрон, подобно контуру с током, создаёт в окружающем пространстве магнитное поле, величина и направление которого определяются магнитным моментом контура pm=ISn, где I – сила тока, S – площадь, которую охватывает контур, n – единичный вектор нормали к плоскости контура.



3.

Момент pm называется орбитальным магнитным моментом. Кроме орбитального, у электрона есть собственный, или спиновый магнитный момент, не зависящий от местоположения или характера движения этой частицы.



4.

Ферромагнетизм возникает благодаря так называемому обменному взаимодействию, в котором участвуют электроны недостроенных внутренних электронных оболочек атомов некоторых кристаллических тел. Причины возникновения этого взаимодействия объясняются квантовой механикой. Магнитный момент атома (молекулы) представляет собой векторную сумму орбитальных и спиновых магнитных моментов всех электронов. От того, как ведут себя магнитные моменты отдельных атомов (молекул), зависят магнитные свойства всего вещества, его намагниченность. Намагниченность J – это магнитный момент единицы объема вещества. По этому признаку вещества разделяют на диа-, пара- и ферромагнетики.

У диамагнетиков и парамагнетиков магнитные свойства определяются отсутствием или наличием у атомов магнитного момента. В диамагнетиках магнитный момент атомов равен нулю при отсутствии внешнего магнитного поля и появляется только при его включении. В соответствии с законом Ленца, он направлен против этого поля. В парамагнетиках магнитные моменты атомов, существовавшие и в отсутствии поля, в магнитном поле ориентируются преимущественно в направлении вектора магнитной индукции B этого поля. Диа- и парамагнетики – это слабомагнитные вещества, их магнитная проницаемость μ ≈ 1.

Сильными магнитными свойствами обладают ферромагнетики (μ>>1). Они могут быть намагничены даже в отсутствие внешнего магнитного поля. Из химически чистых металлов ферромагнитными свойствами обладают железо, Ферромагнитны также различные сплавы на основе этих металлов и некоторые соединения, например, MnBi, FeNi и другие.



5.

Тепловое движение атомов вещества мешает согласованной ориентации спиновых моментов электронов в доменах, и тем больше, чем выше температура. Поэтому с ростом температуры самопроизвольная намагниченность уменьшается. При достижении некоторой температуры, называемой точкой Кюри, доменная структура разрушается, и ферромагнетик полностью утрачивает самопроизвольную намагниченность, превращаясь в парамагнетик. Зависимость спонтанной намагниченности ферромагнетика от температуры показана на рис. 2, где J/Jнас – относительная намагниченность, Jнас – максимально возможная намагниченность, то есть намагниченность насыщения, Tс – температура, или точка Кюри.





Рис. 2. Типичная зависимость относительной намагниченности J/Jнас

ферромагнетика от абсолютной температуры Т

6.

Согласно закону Фарадея, э.д.с. электромагнитной индукции εi пропорциональна скорости изменения магнитного потока:

εi = -dФ/dt

7.

Метод определения точки Кюри основан на зависимости э.д.с. индукции во вторичной обмотке трансформатора от магнитного состояния сердечника, а именно, той его части, которой является образец из ферромагнитного вещества.

Согласно закону Фарадея, э.д.с. электромагнитной индукции εi пропорциональна скорости изменения магнитного потока:

εi = -dФ/dt (2)

В случае переменного тока I = I0cosωt изменение магнитного потока во времени также удовлетворяет гармоническому закону, поскольку согласно формуле Ф ~ I. Тогда магнитный поток можно представить как Ф = Ф0cosωt и dФ/dt = -Ф0ωsinωt. Теперь из формулы (2) следует:
εi = Ф0ωsinωt (3)

Таким образом, амплитуда Ф0ω э.д.с. индукции εi во вторичной обмотке W2 трансформатора Тр2 пропорциональна амплитуде магнитного потока Ф0 в сердечнике. Это свойство трансформатора и используется в установке для определения точки Кюри. Если из-за изменения магнитных свойств сердечника уменьшается амплитуда магнитного потока, то уменьшается также и значение э.д.с. во вторичной обмотке трансформатора.