Лабораторна робота №7 дослідження температурної залежності намагніченості магнітних матеріалів. Визначення точки кюрі

Мета роботи: Дослідження характеристик матеріалів з магнітним впорядкуванням. Визначення температури (точки) Кюрі магнітних матеріалів методом електромагнітної індукції.

Прилади і матеріали: Електропіч з вимірювальною і нагрівною обмоткою та осердям з магнітного матеріалу; мікровольтметр В3 - 57; термопара і таблиці значень термоЕРС; прилад для вимірювання термоЕРС (вольтметр типу В7-21, Ф266, М64 або інші); джерело живлення електропечі (лабораторний автотрансформатор).

Теоретичні відомості

Температура Кюрі – температура фазового переходу другого роду, пов’язаного із стрибкоподібною зміною властивостей симетрії кристала. В точці Кюрі, де зникає спонтанна намагніченість (далекий "магнітний" порядок), феромагнетик змінює свою симетрію, магнітні i електричні властивості стрибком (питомий опір, питому теплоємність, температурний коефіцієнт лінійного розширення та інші).

Температура Кюрі складає: для заліза – 770 ⁰С, для нікелю – 358 ⁰С, для кобальту – 1130 ⁰С, для гадолінію – 16 ⁰С, для диспрозію – -168 °С. При більш високій температурі (i в самій точці Кюрі) внаслідок теплового руху атомів у феромагнетиках порушується магнітний порядок i вони переходять в парамагнітний стан.

При охолодженні нижче точки Кюрі у феромагнетику виникає спонтанна намагніченість, тобто така магнітна структура, при якій в межах макроскопічних областей, які називаються магнітними доменами, електронні спіни орієнтовані паралельно один одному і направлені в одну сторону.

Всі вектори спонтанного намагнічення розміщуються так, щоб енергетичний стан тіла відповідав мінімуму магнітної енергії, У звичайних феромагнітних зразках внаслідок їх кінцевих розмірів енергетично вигідним є розподіл кристалу на ряд антипаралельно намагнічених областей – доменів. Чим на більшу кількість таких доменів розбивається зразок, тим меншою буде його магнітна енергія. Однак, поділ на домени обмежується збільшенням енергії доменних границь. Для утворення доменної границі необхідно здійснити роботу проти сил обмінної взаємодії, що намагаються викликати паралельну орієнтацію спінових моментів i сил магнітної кристалографічної анізотропії. Найбільш стійким є такий стан феромагнетика, в якому зменшення магнітостатичної енергії, внаслідок розбиття на домени, компенсується збільшенням енергії доменних границь.

Кристали малих розмірів можуть складатись із одного домена (утворення границі енергетично невигідно). Зникнення феромагнітних властивостей відбувається в деякому відношенні поступово.

Н а рис.1 показана залежність намагніченості насичення феромагнетика від температури. Намагніченість насичення зменшується при наближенні до температури Кюрі. Прийнято визначати температуру Кюрі точкою перетину продовження найбільш крутої ділянки спаду кривої намагнічення з віссю абсцис. Реально одержується деякий “хвіст” кривої J=f(T). Хоча появу такого "хвоста" можна віднести за рахунок неоднорідності матеріалу і недосконалості методики вимірювання, але безумовно, що i при виключенні цих побічних ефектів явища поступового переходу мають місце.

Як згадувалось вище, більшість методів визначення точки Кюрі феромагнетиків грунтується на реєстрації різкого спаду намагніченості досліджуваного зразка при нагріванні його до температури Кюрі. Метод електромагнітної індукції ґрунтується на вимірюванні електрорушійної сили індукції в котушці, яка охоплює досліджуваний зразок, що знаходиться в змінному магнітному полі постійної амплітуди. Вимірювати точку Кюрі можна з допомогою установки, схема якої зображена рис.2.

Трубку з досліджуваним зразком 0 поміщається в пічку. Обмотка пічки 1 є одночасно нагрівною і намагнічуючою, яка створює змінне магнітне поле. Кінці вимірюваної обмотки 2 замкнуті на мікровольтметр. Первинна обмотка відділена від вторинної шаром теплоізолюючого матеріалу.

Обмотка пічки, вимірювальна обмотка і зразок представляють собою

Рис.2. Схема установки для вимірювання точки Кюрі методом електромагнітної індукції

трансформатор, роль осердя в якому відіграє зразок. Напруга на первинній обмотці, тобто на обмотці печі:

U₁=U_R+U_L, (1)

де U_R=i₁R₁ – спад напруги на омічному опорі первинної обмотки,

U_L= - Е₁ – спад напруги на індуктивному опорі, чисельно дорівнює ЕРС індукції, яка виникає в первинному колі.

Таким чином

Е₁=і₁R₁-U₁. (2)

З другої сторони

, (3)

де Ф₁ – магнітний потік, який пронизує один із витків первинної обмотки, N₁ – число витків первинної обмотки. Магнітний потік, який пронизує кожний виток вторинної обмотки, дорівнює Ф₂=кФ₁, де к – коефіцієнт, який враховує різницю перерізу первинної i вторинної обмоток.

Для ЕРС індукції у вторинній обмотці знаходимо

, (4)

де N₂ – число витків у вторинній обмотці.

Із виразу (3) i (4) слідує, що або враховуючи вираз (2), одержимо

. (5)

Отже слідує, що коли температура зразка досягає точки Кюрі, коефіцієнт самоіндукції, а відповідно, й індуктивний опір первинної обмотки різко зменшується i практично дорівнює нулю. Тому в точці Кюрі Е₂ = 0.

Температуру зразка вимірюють з допомогою термопари.

Порядок виконання роботи

1. Помістити досліджуваний зразок в центр пічки і перевірити, щоб був тепловий контакт з термопарою.

2. 3 допомогою трансформатора встановити відповідну напругу живлення печі: 1-ий зразок U=50 В; 2-ий зразок U=70 В.

3. Записати покази мілівольтметра (ЕРС індукції) i покази термопари (термоЕРС або температуру). Нагрівання зразка проводити до тих пір, поки після крутого спаду ЕРС індукції практично не перестає зменшуватись. Після цього піч вимкнути.

4. Повторити вимірювання для зразка з більш високою точкою Кюрі (зразок №2).

5. Побудувати графіки залежності . Із графіків, з допомогою екстраполяції ділянки крутого спаду кривої на вісь температур, оцінити точку Кюрі досліджуваних зразків.

6. Провести оцінку похибки при графічному визначенні температури Кюрі.

7. Зробити відповідні висновки.