Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
05032013_3225 / РАБ.№6-2.doc
Скачиваний:
19
Добавлен:
29.05.2015
Размер:
164.35 Кб
Скачать

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ИЖЕВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ

АКАДЕМИЯ»

Кафедра физики

Лаборатория электричества и магнетизма №2(114)

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №6

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТОЧКИ КЮРИ ФЕРРОМАГНЕТИКА

Составил: профессор Ульянов А.И.

доцент Русских И.Т.

Ижевск 2013

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №6

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТОЧКИ КЮРИ ФЕРРОМАГНЕТИКА

Цель работы: измерение температуры Кюри железо-никелевого образца методом электромагнитной индукции.

1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Согласно классическим представлениям, атом состоит из положительно заряженного ядра, вокруг которого вращаются электроны. Движение отрицательно заряженных электронов есть ни что иное, как микроток i, вокруг которого в окружающем пространстве возникает магнитное поле. Орбитальный магнитный момент , движущегося по орбите атома равен: , где r – радиус орбиты электрона. Кроме того, электрон, вращаясь вокруг своей оси, обладает спиновым магнитным моментом . Магнитный момент электронного атома определяется векторной суммой орбитальных и спиновых магнитных моментов всех электронов:

Для большинства химических элементов, за исключением 3d— переходных металлов (Fe, Ni, Со, Сг, Мn), а также Сd, магнитные моменты электронов компенсируют друг друга, в результате чего магнитный момент атомов равен или близок к нулю. Если атомы имеют собственный магнитный момент ,то при помещении во внешнее магнитное поле Н они, по отношению к направлению поля Н, определённым образом ориентируются, т.е. происходит намагничивание вещества. Магнитное состояние при этом характеризуется вектором намагниченности М, который равен суммарному магнитному моменту атомов в единице объема вещества:

Намагниченность вещества пропорциональна величине напряженности магнитного поля, в котором находится вещество:

где коэффициент пропорциональности называют магнитной восприимчивостью вещества.

Поскольку внутри вещества действует суммарное магнитное поле, т.е. внешнее поле Н и поле от намагниченности вещества М, то магнитное состояние вещества удобно характеризовать вектором магнитной индукции В:

где Гн/м – магнитная постоянная, а – относительная магнитная проницаемость вещества.

В зависимости от величины все вещества делятся на три класса: слабомагнитные: пара- и диамагнетики, и на сильномагнитные: ферромагнетики.

Выше говорилось, что электроны атомов, вращаясь по орбитам, представляют собой микротоки, текущие по замкнутому контуру – электронным орбитам. Если внести такие атомы в магнитное поле, то согласно закону электромагнитной индукции в контуре возникает ЭДС, которая вызывает дополнительный индукционный ток. Направление этого индукционного тока определяется правилом Ленца таким образом, чтобы магнитный момент от индукционного тока был против направления его внешнего магнитного поля. Это явление называется диамагнетизмом. Диамагнетизм присущ всем веществам. Однако проявляется диамагнетизм в явном виде только на технических веществах, у которых собственный магнитный момент отсутствует. Поскольку наведённый магнитный момент намагниченных диамагнетиков направлен против направления внешнего магнитного поля, то магнитная восприимчивость диамагнетиков имеет отрицательный знак и равна по величине . Следовательно, относительная магнитная проницаемость диамагнетиков немного меньше единицы: (< 1). Ярко выраженными диамагнетиками являются инертные газы, NaCl, водород, азот.

К сильномагнитным веществам относятся ферромагнетики, атомы которых имеют большой магнитный момент, а величина достигает для некоторых материалов = 106.

Ферромагнетики, как правило, легко намагничиваются во внешнем магнитном поле. К ферромагнетикам относятся — железо, никель, кобальт, гадолиний, а также их сплавы и соединения. Ферромагнетиками являются также некоторые соединения марганца и хрома с неферромагнитными элементами.

Магнитный момент переходных металлов (Fe, Ni, Co) определяется в основном спиновым движением электронов. Если атомы ферромагнетика располагаются близко друг к другу, как, например, железа в кристаллической решётке, то в результате так называемого обменного взаимодействия, имеющего квантовую природу, спиновые магнитные моменты параллельны друг другу:

В результате в ферромагнетике возникают области спонтанного (самопроизвольного) намагничивания, которые называют доменами. Внутри домена спиновые магнитные моменты ориентированы параллельно друг к другу, т.е. намагничены до насыщения . Однако, минимальная энергия ферромагнетика получается при ориентации намагниченных соседних доменов таким образом, как это показано на рис. 2а:

а) Н = 0 б) Н > 0

Рис. 2

В приложенном магнитном поле объём доменов, намагниченность которых ориентирована вдоль приложенного магнитного поля, растёт — ферромагнетик намагничивается.

Если самопроизвольная намагниченность нарушается и возникает некоторая неоднородность намагниченности, то увеличение обменной энергии при этом может быть оценено по формуле:

,

где угол разориентации спиновых магнитных моментов, А— обменный параметр.

Энергию обменного взаимодействия можно определить по величине температуры Кюри ферромагнетиков. При нагревании магнитных материалов из-за увеличения хаотического теплового движения атомов параллельная ориентация спиновых магнитных моментов нарушается, самопроизвольная намагниченность уменьшается (рис. 3).

T/Tс

Рис. 3

Зависимость относительной намагниченности железа, никеля и кобальта от относительной температуры Т/Tс ( – намагниченность при 0 0С, Тс – температура Кюри)

При достижении температуры Кюри самопроизвольная намагниченность исчезает, т.к. энергия хаотического теплового движения становится равной величине обменной энергии:

,

где k – постоянная Больцмана, Тс – температура Кюри.

Температура Кюри ряда ферромагнитных материалов приведена в таблице:

Материал

Тс, 0С

1. Железо

770

2. Никель

358

3. Кобальт

1120

4. Сплав 50% Fe – 50% Cо

980

5. Феррат

150

При температуре Т > Тс ферромагнетик становится парамагнетиком, восприимчивость которого с изменением температуры подчиняется закону Кюри- Вейса:

,

где с — постоянная. При охлаждении ниже точки Кюри в ферромагнетике вновь возникает самопроизвольная намагниченность.

Описание установки

Принадлежности:

1. Установка для измерения температуры Кюри в сборе,

2. Милливольтметр для измерения температуры образца mV.

Переменный ток понижающего трансформатора Тр (220/12 вольт), подаётся на нихромовую спираль печи (1), которая одновременно является и намагничивающей обмоткой, внутри которой находится образец в виде цилиндра. На нижнем конце цилиндрического образца намотана измерительная катушка (медный провод во второпластовой изоляции) (2).

При прохождении переменного тока через спираль (1) образец нагревается и одновременно перемагничивается переменным магнитным полем.

220 В

Рис. 4 Схема установки

Магнитный поток образца пронизывает витки измерительной катушки (2) и наводит в ней ЭДС, пропорциональную относительной магнитной проницаемости образца .

Величина индукционного тока после выпрямления диодом (3) измеряется с помощью миллиамперметра (4) в произвольных единицах.

Температура образца измеряется с помощью термопары (5), которая подключена к милливольтметру. Милливольтметр МПП-154 проградуирован как в милливольтах (верхняя шкала), так и в градусах 0С (нижняя шкала). Наименьшая цена деления по шкале температур — 20 0С. Измерение температуры с помощью термопары проводится относительно холодного спая термопары, который находится при комнатной температуре. Это означает, что для определения истинной температуры образца необходимо взять поправку со знаком "+" на величину комнатной температуры (= 20 0С).

Порядок выполнения работы

  1. Подключить к установке милливольтметр МПП-154 для измерения температуры.

  2. Включить установку в сеть напряжением 220 В.

  3. Записывать по мере нагревания образца показания миллиамперметра, соответствующие заданной температуре, в таблицу 1. Измерения в диапазоне 20 -200 0С проверить через 20 0С, а в диапазоне 260 - 320 0С – через 10 0С.

  4. Для получения истинной температуры образца сделать поправку измеренной температуры на величину комнатной температуры.

  5. Построить график зависимости (Т).

6. Провести касательную к наиболее ниспадающей части зависимости (Т). Точки пересечения этой касательной с осью температур даст значение температуры Кюри этого образца.

7. Определить погрешность измерения.

Таблица 1

Т, 0С

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

320

(Т+Ткомн),

0С

Вопросы:

  1. Причины возникновения магнетизма в веществах.

  2. Объяснить явление диамагнетизма, парамагнетизма.

  3. Объяснить явление ферромагнетизма.

  4. Дать понятие температуры Кюри ферромагнетика.

  5. Объяснить работу установки.

Соседние файлы в папке 05032013_3225