23

5 Лабораторная работа № 10. Определение температуры Кюри ферромагнетика

Цель работы

Определить точку Кюри образца из ферромагнетика (никеля).

Общие сведения

Особое состояние некоторых магнетиков называют ферромагнетизмом. Такие материалы как железо, никель, кобальт, гадолиний, соединения этих элементов, а также сплавы марганца и хрома обладают ферромагнитными свойствами.

μ
μ0
1
0	H

Рисунок 2.1 – Зависимость магнитной проницаемости μ от напряженности Н магнитного поля

Отличительные свойства ферромагнетиков:

1 Ферромагнитные вещества характеризуются большим положительным значением магнитной восприимчивости χ ~ 103 …105. Кроме того, χ, а, следовательно, и магнитная проницаемость μ сложным образом зависят от напряженности Н магнитного поля (рисунок 2.1).

2 Намагниченность диамагнетиков и парамагнетиков изменяется линейно с изменением напряженности поля. У ферромагнетиков намагниченность возрастает нелинейно с увеличением Н и достигает насыщения в полях с напряженностью порядка Н~102 А/м.

3 Для ферромагнетиков характерно наличие гистерезиса.

Ответственными за ферромагнитные свойства являются собственные (спиновые) магнитные моменты электронов. При определенных условиях в кристаллах могут возникать силы, которые заставляют спиновые магнитные моменты выстраиваться параллельно друг другу. В результате возникают области спонтанного (самопроизвольного) намагничивания, которые называют доменами (размеры доменов порядка 1…10 мкм). В пределах каждого домена ферромагнетик намагничен до насыщения и

24

обладает определенным магнитным моментом. Направления этих моментов для разных доменов различны, так что в отсутствие внешнего магнитного поля результирующий магнитный момент всего ферромагнетика равен нулю.

При внесении ферромагнетика во внешнее магнитное поле и увеличении напряженности поля происходит смещение границ между доменами, вследствие чего объем доменов с энергетически выгодной ориентацией магнитных моментов увеличивается за счет доменов с энергетически невыгодной ориентацией. Это будет происходить до тех пор, пока энергетически невыгодные домены вовсе не исчезнут. Затем векторы намагниченности доменов скачком поворачиваются в направлении поля (эффект Баркгаузена). Поэтому с ростом Н магнитная индукция В собственного поля ферромагнетика возрастает очень быстро, и относительная магнитная проницаемость μ=В/(μ0Н) становится очень большой уже в слабых полях. В достаточно сильных магнитных полях магнитные моменты всех доменов устанавливаются вдоль Н, и наступает магнитное насыщение. При выключении внешнего поля единственным фактором, влияющим на ориентацию магнитных моментов доменов, останется тепловое движение. Однако вследствие значительной энергии, необходимой для поворота магнитных моментов доменов, процесс их разориентации (размагничивания) будет затруднен. Этим и вызваны остаточная намагниченность и гистерезис.

Перечисленные выше свойства ферромагнетиков обнаруживаются при температурах, меньших определенной. Для каждого ферромагнетика имеется определенная температура, при которой области спонтанного намагничивания (домены) распадаются и вещество утрачивает ферромагнитные свойства. Эта температура называется точкой Кюри.

При температурах выше точки Кюри ферромагнетик становится парамагнетиком. При охлаждении ферромагнетика ниже точки Кюри в нем снова возникают домены.

В ферромагнитных веществах магнитная восприимчивость (или магнитная проницаемость) с ростом температуры увеличивается и имеет сложный характер, достигая резкого максимума вблизи точки Кюри. Увеличение магнитной восприимчивости обусловлено тем, что с ростом температуры облегчается смещение границ между доменами и рост объема доменов с магнитными моментами ориентированными параллельно внешнему полю. Увеличение магнитной восприимчивости происходит до температуры Кюри, а затем значение магнитной восприимчивости падает. Отсюда следует, что, сняв зависимость магнитной восприимчивости (или магнитной проницаемости) от температуры, можно определить температуру Кюри по резкому спаду кривой.

25

Описание лабораторной установки

Для определения точки Кюри в данной работе применяется установка, принципиальная схема которой приведена на рисунке 2.2.

5

mV

≈220B			μA
1	3	2	4

Рисунок 2.2 – Принципиальная схема установки

1– ЛАТР (лабораторный автотрансформатор).

2– Образец, помещенный в каркас, на который намотаны обмотки 3 и 4.

3– Нагревательная обмотка.

4– Измерительная обмотка.

5– Пирометрический милливольтметр.

Из рисунка 2.2 видно, что исследуемый образец выполняет роль сердечника трансформатора. Как известно, при протекании переменного тока по первичной обмотке трансформатора (в данном случае обмотка 3) в его вторичной обмотке (обмотка 4) возбуждается ЭДС взаимной индукции Е2, определяемая как производная по времени от магнитного потока

Е2 = − ddtФ = (Ф)' .

Магнитный поток Ф, пронизывающий все витки катушки 4, прямо пропорционален магнитной проницаемости μ сердечника (образца) и силе тока I1 в первичной обмотке

Ф = с μ I1 ,

где с – величина, постоянная для данной установки. Поэтому для Е2 можно записать

E2 = −c μ (I )' .

Отсюда следует, что при равных прочих условиях значение этой ЭДС (и силы тока I2 в цепи вторичной обмотки) определяется магнитной

26

проницаемостью материала сердечника. Следовательно, если изменять температуру сердечника и при этом регистрировать силу тока I2 во вторичной обмотке, то можно получить зависимость I2=f(t), качественно повторяющую μ=f(t).

В экспериментальной установке сопротивление обмотки 3 выбрано таким образом, что при силе тока I1=3-5 A в ней выделяется джоулево тепло, достаточное для нагревания сердечника. То есть обмотка 3 одновременно играет роль первичной обмотки и нагревателя. Температура образца (сердечника) измеряется пирометрическим милливольтметром 5.

Порядок выполнения работы

Электрическая цепь дается собранной.

1 По пирометрическому милливольтметру, начиная с 50º, фиксировать температуру через каждые 20º, а по микроамперметру – соответствующее значение силы тока I2 до тех пор, пока значение силы тока, пройдя через максимум, не будет близко к нулю. Данные опыта занести в таблицу 2.1.

Таблица 2.1- Результаты измерения силы тока I 2

t, 0С

I2, мкА

2 По экспериментальным данным Таблицы 2.1 построить график зависимости силы тока от температуры, откладывая по оси Х температуру, а по оси Y – соответствующее значение силы тока, измеренное по микроамперметру.

3 Из графика определить точку Кюри, т.е. температуру при которой сила тока имеет максимальное значение.

Контрольные вопросы

1Какие типы магнетиков вы знаете?

2Перечислите основные свойства ферромагнетиков.

3Что такое домены?

4Почему значение μ для ферромагнетиков велико?

5Почему при определенной температуре ферромагнетики теряют свои магнитные свойства?

6Что такое точка Кюри?

7Объясните принцип работы установки.

8Почему ЭДС индукции во вторичной обмотке резко уменьшается при достижении образцом точки Кюри?