Лабораторная работа № 2 определение температуры кюри

Цель работы:

Изучение свойств магнитных материалов при нагревании

Принадлежности: ферромагнитный образец. электрическая печь, термопара с милливольтметром, микроамперметр.

Теоретическая часть

Если магнетик поместить в однородное магнитное поле в ва­кууме с индукцией B₀, то магнитное поле внутри магнетика из­менится. Это объясняется тем, что в состоянии намагничивания магнетик дает добавочную индукцию B', которая векторно скла­дывается с первоначальной индукцией B₀. Векторная сумма B = B₀ + B' называется вектором магнитной индукции внутри магнетика. Вещества, для которых B' совпадает по направлению с B, называются парамагнитными. Внутри них магнитное поле усиливается. Вещества, для которых B' и B₀ противоположны по направлению, называются диамагнитными. Магнитное поле внутри них ослабляется. Для диа- и парамагнетиков величина B пропорциональна B₀: B =B₀..

Величина  называется магнитной проницаемостью среды. Для парамагнетиков (алюминий, платина и др.)  >1, для диамагнетиков (медь, поваренная соль и др.)  <1. Ферромагнетики (же­лезо, никель, кобальт и др.) характеризуются более сложной за­висимостью вектора магнитной индукции от напряженности маг­нитного поля. Для них вводится понятие дифференциальной магнитной проницаемости

Эта величина зависит от B₀. Кроме того, для ферромагнетиков наблюдается магнитный гистерезис. Это явление заключается в том, что магнитная индукция зависит не только от значения B₀ в данный момент, но и от того, каково было B₀ раньше, иначе говоря µ является неоднозначной функцией B₀.

Большое значение величины магнитной проницаемости  для ферромагнетиков объясняется наличием в них микроскопиче­ских, но достаточно малых (обычно порядка 0.01 мм) спонтанных областей намагничивания, называемых доменами. В таких облас­тях при отсутствии внешнего поля магнитные моменты всех ато­мов имеют одинаковое направление. При повышении температу­ры, начиная с некоторой, порядок в расположении магнитных моментов нарушается, домены распадаются, и ферромагнетик превращается в парамагнетик. Эта температура, выше которой ферромагнитное тело становится парамагнетиком, называется точкой Кюри.

Температура Кюри некоторых сплавов весьма низка, причем значительно ниже точки Кюри отдельных компонентов, входя­щих в этот сплав. Например, точка Кюри у сплава 30 % Ni + 70 % Fe всего лишь 80 - 85⁰ C.

Метод определения точки Кюри

Для определения точки Кюри в данной работе применяется ус­тановка, принципиальная схема которой приведена на рис. 1. В печь 1 помещается исследуемый образец 2, который нагрева­ется спиралью 3. При протекании тока через спираль 3 индукти­руется

Рис. 1. Принципиальная схема установки для определения точки Кюри: 1 – печь сопротивления; 2 – исследуемый образец; 3 – спираль нагревателя; 4 – вторичная измерительная обмотка; 5 - термопара хромель-алюмель; А – миллиамперметр; V - вольтметр В7-16А для измерения температуры; Л – латр для питания печи сопротивления

ток во вторичной обмотке 4. Этот ток регистрируется микроамперметром. Первичная обмотка отделена от вторичной слоем теплоизолирующего материала. Температура образца из­меряется термопарой, один спай которой помещен в печь, а дру­гой находится при постоянной температуре в сосуде Дьюара или при комнатной температуре в приборе для регистрации темпера­туры, где имеется механизм, учитывающий изменения температу­ры в комнате. При достижении температуры Кюри магнитные свойства образца изменяются, вследствие чего э.д.с. индукции во вторичной обмотке резко падает, что отмечается микроампермет­ром. Причина такого изменения э.д.с. заключается в следующем. Нагревательная спираль обладает как индуктивным, так и омическим R₁ сопротивле-­

ниями. Поэтому принципи­альную схему прибора можно представить, как это показано на рис. 2.

Коэффициент самоиндукции первичной обмотки зависит от ее параметров и материала сердечника. Напряжение на первичной обмотке равно U₁ = U_R +U_L , где U_R = I₁R₁ - падение напряжения на омическом сопротивлении обмотки, U_L = X _L I =  LI , где X _L – ин- дуктивное сопротивление, L - коэффициент самоиндукции или индуктивность, который пропорционален магнитной проницаемости µ : L = µ L₀ , L₀ зависит от геометрии катушки. С другой стороны

Рис.2. Электрическая схема установки для наблюдения фазового перехода

U_L = -’_инд - падение напряжения на чисто индуктивном сопротивлении, численно равное э.д.с. индукции, возникающей в первичной цепи.

Таким образом, э.д.с. индукции равна

-’_инд = I₁R₁-U₁ . (1)

В то же время, ’_инд = dФ/dt,

где Ф - магнитный поток, проходящий через все N₁ витков первичной обмотки, равный Ф = N₁Ф₁, где Ф₁ - магнитный поток, проходящий через один виток. Такой же магнитный поток Ф₁ пронизывает каждый виток вто­ричной обмотки. Общий поток, проходящий через виток N₂ вит­ков вторичной обмотки, равен Ф₂ = N₂Ф₁. Тогда э. д. с. индукции в первичной и вторичной обмотках равны соответственно: ’_инд =N₁·dФ₁/dt, ’’_инд = N₂·dФ₁/dt, откуда

’’_инд = N₂/N₁·’_инд . (2)

Подставив в последнее выражение значение из уравнения (1), получим

’’_инд = N₂/N₁·(I₁R₁-U₁). (3)

Из формулы (3) следует, что при U₁  I₁R₁ э.д.с. индукции во вторичной обмотке стремится к нулю.

Равенство U₁ = I₁R₁ выполняется лишь в том случае, когда ин­дуктивное сопротивление в цепи первичной катушки равно нулю. Когда температура образца достигает точки Кюри, коэффициент самоиндукции, а следовательно, и индуктивное сопротивление первичной обмотки резко уменьшается и практически становится равным нулю. Поэтому ’’_инд  0, а значит и ток во вторичной об­мотке отсутствует. На этом основано определение температуры Кюри ферромагнетиков.