Л.Р. 28 (Описание лабораторных работ по электричеству № 26-31)

Лабораторная работа № 28ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТОЧКИ КЮРИ ФЕРРОМАГНЕТИКАЦель работы: исследование температурной зависимостииндукции магнитного поля в ферромагнетике, определение точкиКюри и вычисление магнитного момента молекулы ферромагнетика.ВВЕДЕНИЕВсякое вещество является магнетиком, то есть способнопод действием магнитного поля намагничиваться. Дляобъяснения намагничивания тел полагают, что в молекулахвещества циркулируют круговые токи (микро токи), которыесоздают в окружающем пространстве собственное магнитноеполе.В отсутствии внешнего поля ( ⃗) молекулярные токиориентированы хаотично. Под действием поля магнитныемоменты молекул приобретают преимущественнуюориентацию в одном направлении – вещество намагничивается.Намагниченность магнетика принято характеризоватьмагнитным моментом единицы объема.

Эту величинуназывают вектором намагничивания (или намагниченностью):pJ   miV(1)где pm  IS – магнитный момент микро тока, а суммированиепроизводится по объему ΔV.Величина вектора намагничивания зависит от напряженности намагничивающего поля:J  H(2)где  – магнитная восприимчивость, определяется природойвещества.Таким образом, для описания магнитного поля магнетикапользуются тремя векторами: вектором намагничивания ( J ),вектором напряженности поля ( ⃗ ) и вектором магнитнойиндукции ( ⃗ ). Они взаимосвязаны следующим образом:⃗⃗(3)где μ0=4π∙10-7 Гн/м – магнитная постоянная.Или с учетом (2):B  0 H  H  0 1    H  0 H(4)Величина 1    называется относительной магнитнойпроницаемостью вещества.Вещества могут намагничиваться по полю    0  и противполя    0  .

В зависимости от знака и величины магнитнойвосприимчивости все магнетики подразделяются на три группы:1) диамагнетики, у которых магнитная восприимчивость  0 и мала по абсолютной величине ();2) парамагнетики, у которых   0 и тоже мала ();3) ферромагнетики, у которых   1 и достигает оченьбольших значений ().Свойства ферромагнетиков не объясняются орбитальнымдвижением электронов в атоме (молекулярными токами).Возникло предположение, что внутри атома, кроме орбитального движения существует другой тип движения, приводящий квозникновению механического и магнитного моментов.

Вначалеэто было представление о вращающемся электроне. Собственный механический момент электрона получил название спин.Развитие квантовой механики показало, что перенесениемеханических образов в область атомного мира невозможно. Внастоящее время мы рассматривает электрон, как одну изэлементарных частиц, которая обладает зарядом, массой,собственным механическим и магнитным моментом.Ферромагнитные свойства объясняются СТРОГОЙ ориентацией по полю собственных магнитных моментов электронов.Даже при отключении внешнего поля эта ориентациясохраняется.

Строгая взаимная ориентация спинов обусловленаОБМЕННЫМИ силами. Эти силы вызывают самопроизвольнуюнамагниченность ДО НАСЫЩЕНИЯ небольших областей –доменов. Эта ориентация не разрушается тепловым движениемвплоть до температуры Кюри.Не намагниченный в целом образец ферромагнитноговещества состоит из доменов, намагниченных до насыщения.Размеры доменов зависят от химического состава вещества,размеров и формы образца, дефектов кристаллическойструктуры. Vдомена ~ 103 мм3 , это макроскопические образования,содержащие огромное число атомов.Причина образования доменов – стремление системы ксостоянию с наименьшей потенциальной энергией.Для того, чтобы вещество обладало ферромагнитнымисвойствами, в его строении должна быть не заполнена d- (или f-)орбиталь.

Например, распределение электронов по орбиталям ужелеза имеет вид:1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d6 4s2Максимальное число d-электронов равно десяти. Поэтомуспины электронов скомпенсированы (направлены противоположно) везде, кроме 3d уровня. Именно эти электроны иопределяют ферромагнитные свойства железа. Кроме железа кчистым ферромагнетикам относятся кобальт и никель, а также fэлементы и многие сплавы переходных d- и f- элементов междусобой.Строение ферромагнетиков обуславливает сложную нелинейную зависимости характеристик от напряженностимагнитного поля и температуры.Для каждого ферромагнетика имеется определенная температура, при которой области спонтанного намагничивания(домены) распадаются и вещество утрачивает ферромагнитныесвойства (становится парамагнетиком).

Эта температураназывается точкой Кюри.Точка Кюри – это температура, выше которой намагничен-ность каждого домена ферромагнетика равна нулю. Причинаэтого – дезориентирующее тепловое движение молекул, врезультате которого ферромагнетик переходит в парамагнитноесостояние.Значения температуры Кюри для чистых ферромагнетиковприведены в таблице 1.МеталлыТК, КFe1044Co1360-1388Ni627Gd293Tb219По мере уменьшения температуры ферромагнетика отточки Кюриего намагниченность ферромагнетикавозрастает, так как магнитные моменты его молекул впределах каждого домена стремятся выстроиться параллель-но друг другу.

При достаточно низких температурахмагнитные моменты всех доменов устанавливаются вдольвнешнего магнитного поля: наступает магнитное насыщение,при котором намагниченность вещества максимальна. Еёвеличина равна сумме магнитных моментов молекул в этомобъёме:(6)где n – концентрация молекул ферромагнетика;–магнитный момент одной молекулы.Строго говоря, полное насыщение, для которого справедливаформула (6) возможно только при термодинамическойтемпературе Т  0 К.Согласно выражению (3) намагниченность насыщения:JS 1BS  H S0где– магнитная постоянная.Так какB  0 H ;(7)B H ,0а при насыщении   1   ~ 102  105 , тоB H и НS можно0пренебречьJS 1BS0(8)Индекс «S» означает, что величины относятся к состояниюнасыщения ферромагнетика. Магнитную индукцию насыщенияВS можно найти экстраполяцией графика её температурнойзависимостив область низких температур.Описание установки и метода измеренийРис.

1. Ход линий магнитной индукции в сердечникеВ данной работе изучается материал сердечника трансформатора, который при протекании тока в первичной(намагничивающей) обмотке намагничивается. Линиимагнитной индукции проходят целиком в сердечнике (рис. 1).В таком случае напряженность магнитного поля вферромагнетике равна напряженности поля намагничивающихтоков. Для определения напряженности поля используетсяформула для поля соленоида:(9)где I – сила тока, N1 – число витков в первичной обмотке,– число витков, приходящееся на единицу длиныобмотки.При протекании в намагничивающей обмотке переменного токаI  I max sin t ,   2 ,   50 Гцмагнитный поток Ф, пронизывающий поперечное сечениесердечника, должен меняться по тому же закону:  max sin t(10)где  max – максимальный поток, который можно выразитьчерез максимальное значение магнитной индукции Вmax иплощадь S поперечного сечения сердечника:max  Bmax S .(11)При этом в разомкнутой измерительной обмотке трансформатора с числом витковвозникает э.

д. с. индукции:(12)(13)Отсюда(14)гдеВольтметр, подключенный к измерительной обмоткепоказывает не амплитудное, а эффективное значениенапряженияТогда:,√;(15)Таким образом, зная ток в намагничивающей обмоткеи э.д.с. индукции в измерительной обмоткетрансформато-ра, можно найти напряженность поля ( Н max ) и соответствующую ей магнитную индукцию Вmax в сердечнике.Если измерение тока в первичной цепи заменить измерениемнапряжения, то можно экспериментально определить числовитков в первичной обмотке.

Так как обе обмотки пронизываетодин и тот же магнитный поток, э.д.с., возникающие в каждомвитке равны и для напряжений справедливо соотношение:U U2N1 N 2(16)Для определения точки Кюри в данной работе применяетсяустановка, упрощённая принципиальная блок-схема которойприведена на рис. 2.Рис. 2. Принципиальная электрическая схема установки дляопределения точки Кюри ферромагнетикаИсследуемый образец – сердечник трансформатора, изготовленный из марганец-цинкового феррита. Материал сердечника,в отличие от железа, имеет низкую температуру Кюри, чтопозволяет использовать его для определения точки Кюри влабораторных условиях.Конструктивно установка состоит из электропечи с резистивным нагревательным элементом, мощность которогорегулируется.

В печь помещается исследуемый трансформатор сферромагнитным сердечником и двумя обмотками – намагничивающей N1 и измерительной N2. Значение напряжения впервичной обмотке измеряется вольтметром V (оно остаётсяпостоянным в течение опыта). Напряжение, возникающее вовторичной обмотке, регистрируется вольтметром V2.Температура t в электропечи измеряется высокоточнымцифровым термодатчиком, также введенным внутрь электропе-чи. Сигнал с термодатчика подается на аналого-цифровойпреобразователь измерительного прибора ИП и регистрируетсяв градусах Цельсия.