Экспериментальная часть

1. Собрать электрическую цепь установки (рис. 2).

2. Подать на печь напряжение не бо­лее 127 В и через каждые десять градусов записывать значение тока в цепи вторичной катушки по микроамперметру. Возле температуры Кюри, когда значение тока начинает расти медленнее, данные следует записывать через каждые 5 градусов. Когда ток во вто­ричной цепи начи­нает уменьшаться, показания необходимо снима­ть через каждое деление шкалы микроамперметра.

3. По полученным данным и по данным градуировки термопары (если таковой требуется) построить графики так, как показано на рис. 3. По оси x откладывают температуру образца, соответствующую показаниям милливольтметра. Отсчет температуры проводят по нижней шкале прибора, соответствующей термопаре алюмель-хромель.

4.^. Для определения температуры Кюри из точки перегиба ∆ проводят пунктирную прямую до пересечения с осью Х, это и будет зна­чение температуры Кюри.

I

T

Рис.3. График зависимости тока во вторичной катушке при изменении свойств сердечника

Контрольные вопросы

1. Что такое точка Кюри?

2. Начертите и объясните схему установки.

3. Почему э.д.с. индукции во вторичной обмотке резко уменьшается при достижении образцом температуры Кюри?

4. Как классифицируются магнетики?

5. Почему значение µ для ферромагнетиков велико?

6. Почему при определенной температуре ферромагнетики изменяют свои магнитные свойства?

Лабораторная работа № 3

ИССЛЕДОВАНИЕ МАГНИТНЫХ ФАЗОВЫХ ПЕРЕХОДОВ В РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫХ МЕТАЛЛАХ

И СПЛАВАХ НА ИХ ОСНОВЕ

Цель работы: определение по температурной зависи­мости намагниченности тяжелых редкоземельных материалов температуры фазовых переходов.

Используемое оборудование и материалы: вибраци­онный магнитометр, образцы редкоземельных материалов, таблицы и справочники для расчетов.

Теоретическая часть

В последние годы в технике вес больше начинают ис­пользоваться редкоземельные магнитные материалы, свойства которых превосходят свойства материалов на основе железа или никеля. Как показали многочисленные исследования, большинство редкоземельных металлов магнитно упорядочи­вается при низких температурах. При этом в них обнаружены наряду с коллинеарными ферромагнитными и антнферромагнитными сложные неколлинеар-ные структуры типа геликои­дальной, ферромагнитной спирали, циклоидального упорядо­чения. При изменении температуры в редкоземельных метал­лах обычно происходит переход от одной структуры к другой. Возникновение столь сложных магнитных структур обуслов­лено «конкуренцией» обменных взаимодействий ближних и дальних атомных соседей и связано с дальнодействующим ха­рактером обменного взаимодействия через электроны прово­димости.

В таблице приведены данные о магнитных структурах некоторых тяжелых редкоземельных металлов и температур­ные области существования этих структур (тяжелыми принято называть элементы второй половины группы лантанидов). Ред­коземельные металлы имеют в магнитоупорядоченном состоянии намагниченность насыщения, значительно большую, чем намагниченность ферромагнетиков группы железа. Такая большая величина намагниченности обусловлена тем, что в редкоземельных

Магнитные структуры и области их существования

Гадолиний (Gd)	Коллинеарный ферромагнетик при Т< 298 К
Тербий (Тb)	Коллинеарный фер­ромагнетик при Т<219К		Антиферромагнитный геликоид при 219К<Т<230К
Диспрозий (Dy)	Коллинеарный фер­ромагнетик при Т < 85 К		Антиферромагнитный геликоид при 85К<Т< 174 К
Гольмий (Но)	Ферромагнитный ге­ликоид при Т < 20 К		Антиферромагнитный геликоид при 20К<Т<133К
Эрбий (Ег)	Ферромаг­нитный гели­коид при Т < 20 К	Циклоидальная структура при 20 К< Т < 53 К			Синусоидаль­ная структура при 53К<Т85К
Тулий (Тm)	Коллинеарный ферромаг­нетик при Т < 25 К			Синусоидальная структура при 25 К< Т < 60 К

металлах, в отличие от металлов группы же­леза, орбитальный момент не «заморожен» и принимает уча­стие в создании полного магнитного момента, а также тем, что суммарные спиновые моменты атомов редкоземельных метал­лов больше, чем у металлов железа.

Большая величина намагниченности насыщения редко­земельных металлов позволяет в принципе использовать их в качестве сердечников для электромагнитов, работающих при низких температурах, например, сердечников сверхпроводя­щих магнитов. Однако, техническому применению чистых редкоземельных металлов мешает их огромная анизотропия. Для большинства редкоземельных металлов (диспрозий, тер­бий, гольмий, эрбий) магнитное насыщение в направлении трудного намагничивания достигается только в полях порядка миллиона эрстед, поэтому в поликристаллических материалах, состоящих из хаотически ориентированных кристаллитов, не удается практически добиться полного магнитного насыщения, а монокристаллы редких земель пока весьма дороги.

Другая интересная особенность редкоземельных метал­лов - необычайно большая магнитострикция, на два-три поряд­ка превышающая магнитострикцию металлов группы железа. В тербии и диспрозии при температуре жидкого азота магни­тострикция имеет порядок 10^-3, тогда как в никеле при этой температуре ~4·10^-5 (при комнатной температуре у никеля магнитострикция почти та же). Однако использование столь большой магнитострикции чистых редкоземельных металлов затруднено из-за низких температур магнитного упорядочения.

Магнитные фазовые переходы в редкоземельных метал­лах и их сплавах можно разделить на следующие основные ти­пы:

1. фазовый переход из парамагнитного состояния в магни-тоупорядоченное (в ферромагнитное при температуре Кюри либо в антиферромагнитное при температуре Нееля);

спин-переориентационные переходы, к которым следу­ет отнести: а) переходы из антиферромагнитного состояния с геликоидальной, спиральной или другой периодической струк­турой ферромагнитное состояние; б) спин-переориента­ционные переходы вследствие изменения величины и знака констант магнитной анизотропии; в) спин-переориентацион­ные переходы вблизи температуры Кюри анизотропных ферромагнитных металлов и сплавов в магнитном поле, направ­ленное вдоль оси трудного намагничивания.

Температурная зависимость намагниченности диспрозия при Н||а и Н||b имеет обычный «вейссовский» характер в силь­ных магнитных полях, превышающих максимальное критиче­ское магнитное поле Н_кр = 11 кЭ. В магнитном поле Н < (Н_Кр)_макс, приложенном в базисной плоскости, при нагревании диспрозия происходит резкое уменьшение намагниченности при темпера­туре ₁(H) (рис. 1). Температура ₁(H) соответствует переходу из ферромагнитной фазы в антиферромагнитную. Чем больше магнитное поле, тем выше температура ₁(H). При Н  0, ₁(H)  ₁(0) = 85 К. Дальнейшее нагревание образца диспрозия приводит к появлению максимума на кривой температурной зависимости намагниченности в точке ₂ = 179 К, где происхо­дит фазовый переход из антиферромагнитного состояния в па­рамагнитное.

Кривая намагничивания монокристалла Dy, измеренная в поле, приложенном в базисной плоскости вдоль направления легчайшего намагничивания, приведена для Т=130 К на рис. 2. Анализ процессов намагничивания в этом случае можно про­вести, основываясь на нейтронографических данных и теорети­ческих вычислениях, выполненных на основе модели молеку­лярного поля (результаты расчета представлены на рис. 2 пунктирной линией, ориентации магнитных моментов в базис­ных плоскостях изображены стрелками).

Рис.2. Кривая намагничивания монокристалла диспрозия, измеренная при Т =130 К в поле, приложенном вдоль оси а: экспериментальная кривая - сплошная линия; теоретическая -пунктирная линия

Если Н<Нкр, то магнитное поле приводит к небольшой деформации геликоидальной магнитной структуры, вызывая поворот магнитных моментов слоев на небольшой угол по на­правлению к полю. Здесь намагниченность невелика, а вос­приимчивость не зависит от поля.

При значении магнитного поля, равном критическому Н_кр, происходит скачкообразный переход от деформированной геликоидальной структуры к веерообразной магнитной струк­туре, близкой к ферромагнитной, но с небольшими колеба­ниями магнитных моментов около направления поля.

Если приложить еще более сильное магнитное поле Н_о~2Н_кр, то все магнитные моменты устанавливаются парал­лельно полю. На рис. 2 схематически представлено располо­жение магнитных моментов в базисных плоскостях для раз­личных участков кривой намагничивания.

Гольмий обнаруживает похожие на диспрозий магнитные переходы в магнитных полях в области существования гели­коидальной антиферромагнитной структуры в интервале тем­ператур ₁ - ₂. Температура перехода парамагнетизм - анти­ферромагнетизм ₂ = 130 К. Однако вблизи ₁ = 19 К переход в ферромагнитное состояние происходит через сложную после­довательность промежуточных неколлинеарных структур. Раз­рушение ферромагнитной спирали, существующей в гольмии при T < ₁ в магнитном поле Н||а и Н||b также имеет довольно сложный характер.

Особенности магнитного поведения эрбия и тулия по сравнению с ТЬ, Dy и Но состоят в том, что в этих металлах магнитная анизотропия стремится ориентировать магнитные моменты вдоль гексагональной оси с. На рис. 3 представлены кривые намагничивания эрбия при 4,2 К. Если поле приложено вдоль гексагональной оси с, то происходит постепенное «захлопывание» раствора конуса ферромагнитной спирали, которое продолжается даже в полях выше, чем 150 кЭ. В поле, приложенном в базисной плоскости Н||а, имеет место резкий переход при Н=17 кЭ, затем при Н>17 кЭ реализуется сложная магнитная структура и только в силь­ных полях Н > 150 кЭ магнитные моменты ориентируются па­раллельно друг другу. Согласно нейтронографическим иссле­дованиям при Н > 17 кЭ и Т = 4 К в эрбии реализуется веерная магнитная структура.

Экспериментальная часть

Измерение температурной зависимости намагниченно­сти проводят на вибрационном магнитометре, устройство и принцип действия которого описаны в лабораторной работе № 1. Для низкотемпературных измерений используется вставка для сосуда Дьюара с азотом, температура в которой регулиру­ется изменением потока обдувающего газа (рис. 4). Для изме­рения температуры применяется термопара медь-константал. Калибровка в абсолютных единицах намагниченности прово­дится по стандартному образцу никеля.

Порядок выполнения работы

1. Закрепить образец № 1 в держатель и откачать воздух из камеры.

2. Измерить температурную зависимость намагниченно­сти. Измерения проводить в ходе нагрева после охлаждения образца.

3. Изменить величину магнитного поля и повторить измерения.

4. Определить температуры фазовых переходов. Оценить влияние величины магнитного поля на температуру перехода и вид зависимости 1(Т).

5. Используя эталонный образец Ni и формулу (7) преды­дущей работы, определить величину намагниченности насы­щения as.

6. Повторить все измерения для образца № 2.

7. Сравнить полученные результаты с табличными данны­ми, составить отчет о работе.

Контрольные вопросы

1. По какому принципу редкоземельные элементы подраз­деляют на тяжелые и легкие?

2. Чем обусловлены низкие температуры фазовых перехо­дов в редкоземельных металлах?

3. Назовите типы фазовых переходов в РЗМ.

4. Перечислите магнитные структуры редкоземельных металлов.

5. Какие виды обменных взаимодействий присущи РЗМ?

6. Охарактеризуйте магнитную анизотропию и магнитострикцию РЗМ.

7. Приведите области применения РЗМ и их сплавов. /Л. 2; 4; 5; 6/