Назва роботи: Визначення точки Кюрі феромагнетиків
Предметна область: Фізика
Опис: Визначення точки Кюрі феромагнетиків Прилади й приналежності: електричні печі з феромагнітними зразками, автотрансформатор РНШ (регулятор напруги шкільний), амперметр, термопара, два мілівольтметра. Вступ. Основні особливості феррома.
Розмір файлу: 119.5 KB
Роботу скачали: 117 чол.
Визначення точки Кюрі феромагнетиків
Прилади й приналежності: електричні печі з феромагнітними зразками, автотрансформатор РНШ (регулятор напруги шкільний), амперметр, термопара, два мілівольтметра.
Вступ. Основні особливості феромагнітного стану речовини полягають в наступному.
1. Це речовини можуть бути сильно намагнічені навіть в слабкому магнітному полі.
2.Магнітная сприйнятливість, яка визначається як відношення намагніченості до напруженості діючого на речовина магнітного поля, змінюється зі зміною самого поля (вона є його функцією).
3.Намагніченность не є однозначною функцією поля, а залежить від магнітної передісторії феромагнетика, тобто від тих магнітних полів, дії яких дана речовина піддавалося раніше.
4. При циклічному зміні поля, що діє на речовину, намагніченість змінюється по так званій кривій гістерезису.
5.Ферромагнітние тіла зберігають намагніченість після того, як зовнішнє магнітне поле зменшено до нуля (стан залишкового намагнічення).
6.Каждому феромагнітної речовини відповідає деяка певна температура, вище якої перераховані особливості феромагнітного стану зникають і воно знаходить парамагнітні властивості. Така температура називається температурою або точкою Кюрі. Іноді температура Кюрі лежить у вузькій температурній області.
За сучасними уявленнями будь ферромагнетик складається з великого числа областей мимовільного (або спонтанного) намагничивания # 150; доменів. в кожній з яких магнітні моменти електронів встановлюються в одному напрямку (тому кожен домен намагнічений до насичення), зазвичай відрізняється від напрямку намагніченості в сусідніх областях. Причина освіти доменів пояснюється існуванням в ферромагнетике особливого роду зв'язки між спинами електронів. У кожному зразку феромагнетика встановлюється таке розбиття на домени, яке задовольняє умові мінімуму вільної енергії кристала, що складається в основному з трьох складових: енергії обмінної взаємодії, магнітної енергії і енергії магнітної анізотропії. Фізичні передумови, що зумовлюють розбиття феромагнетика на області мимовільного намагнічування, були виявлені Я.І.Френкеля, Я.Г.Дорфманом, Л.Д.Ландау, Е.М.Ліфшіцем і ін.
Так як в кристалічному зразку у відсутності магнітного поля існує хаотичний розподіл векторів намагнічування доменів, тому весь зразок виявляється ненамагніченим. Але при накладенні слабкого магнітного поля починається перерозподіл магнітних моментів доменів; відбувається зростання обсягу доменів з енергетично вигідним напрямком магнітного моменту по відношенню до поля за рахунок сусідніх доменів, в яких магнітний момент займає менше вигідний напрямок (процес зміщення кордонів). У більш сильних полях за зміщенням меж слід процес повороту магнітних моментів доменів в напрямку поля (процес обертання).
Величина спонтанного намагнічення залежить від температури. При підвищенні температури намагніченість насичення зменшується спочатку повільно, а в міру наближення до точки Кюрі зміна стає швидшим.
Якщо феромагнетик знаходиться в магнітному полі, постійному за величиною, то залежність його намагніченості від температури може бути різною для різних полів. При досить великому магнітному полі підвищення температури феромагнетика призводить до безперервно прискореному зниження намагніченості, вона різко знижується поблизу точки Кюрі майже до нуля. Ці зміни намагніченості оборотні: при зниженні температури зміна намагніченості йде по тій же кривій в зворотному напрямку. У слабкому полі намагніченість (а також і магнітна проникність) спочатку зростає з підвищенням температури, а після проходження через максимум падає до низьких значень поблизу точки Кюрі.
Таким чином, при температурі нижче точки Кюрі феромагнітні тіла характеризуються наявністю доменів. При температурі Кюрі середня енергія теплового руху атомів феромагнетика виявляється достатньою для руйнування його спонтанної намагніченості, внаслідок чого ферромагнетик перетворюється в парамагнетик. точка Кюрі # 150; температура фазового переходу другого роду, пов'язаного зі зникненням атомного впорядкування.
Метою даної роботи є визначення температури Кюрі зразків заліза і нікелю.
Метод вимірювання. Існує кілька методів визначення температури Кюрі феромагнетиків [1]. Більшість з них зводиться до того, щоб, нагріваючи феромагнітний зразок, зафіксувати температуру, при якій відбувається різке зменшення намагніченості при постійній величині магнітного поля. Різноманітність полягає в способах вимірювання намагніченості або, по крайней мере, способах спостереження за її поведінкою.
Один з методів, метод електромагнітної індукції. полягає в вимірюванні ЕРС індукції в котушці, яка обвиває досліджуваний зразок, що знаходиться в змінному магнітному полі постійної амплітуди. З підвищенням температури магнітний потік в зразку зменшується за рахунок зниження намагніченості, а поблизу точки Кюрі різко падає, що викликає різкий спад вимірюваної ЕРС індукції.
Таким чином, для визначення точки Кюрі потрібно зняти криву залежності ЕРС індукції (або величини їй пропорційної # 150; індукційного струму) від температури.
Термо-ЕРС викликається двома причинами.
2. Уздовж кожного провідника, навіть однорідного, виникає градієнт концентрації електронів, якщо він нагрітий неоднорідне, що призводить до дифузії
електронів в сторону більш холодного кінця Рис.1
Облік впливу обох ефектів призводить до наступного виразу для ЕРС термопари:
де C # 150; постійна, чисельно рівна ЕРС, що виникає в термопарі при різниці температур спаїв 1К. Таким чином, ЕРС термопари пропорційна різниці температур її спаев. Практика, проте, показує, що лінійна залежність добре виконується лише в невеликому інтервалі температур. При великій зоні їх різниці ця залежність відрізняється від лінійної, тобто коефіцієнт С не залишається постійним. Тому термопари потребують градуювання.
Термопари виготовляються з різних пар металів. У даній роботі для вимірювання температури залізного зразка застосовується хромель-алюмелеві термопара, а для вимірювання температури нікелевого зразка # 150; мідь-константанові.
Мілівольтметр з термопарою утворюють термоелектричний пірометр (пірометр # 150; термометр для вимірювання температур значно вище кімнатної, від грецьких слів # 150; вогонь і # 150; вимірюю). Градуювальні графіки для пирометра наводяться для випадку, коли температура одного з спаїв дорівнює 0 С. Якщо при вимірюванні температура цього спаяний вище нуля (кімнатна, наприклад), то прилад покаже дещо меншу, в порівнянні з дійсною, температуру. В цьому випадку потрібно ввести поправку, додавши до показань пірометра температуру вільного (холодного) спаю # 150; кімнатну.
Опис установки. В електричну піч, нагрівається спіраллю 1. поміщається досліджуваний зразок 3 (рис.2). Нагрівальна спіраль є
одночасно намагничивающей обмоткою. Вимірювальна (вторинна) котушка 2 замкнута на вольтметр mV 2. Таким чином, ці обмотки є трансформатор з феромагнітним сердечником, роль якого виконує досліджуваний зразок.
Змінний струм I 1. протікає по спіралі (первинної котушці), створює в ній магнітний потік
де L 1 # 150; індуктивність первинної котушки.
Індуктивність котушки залежить від її обсягу V. числа витків на одиницю довжини n 1 і магнітної проникності речовини . в даному випадку # 150; випробуваного зразка, і визначається формулою
Магнітний потік Ф 1 пронизує і вторинну котушку 2 з числом витків N 2.
При зміні струму I 1 змінюється магнітний потік, і у вторинній котушці 2 наводиться ЕРС індукції
Первинна обмотка (спіраль електричної печі) відокремлена від вторинної шаром теплоізоляційного матеріалу 4. Різниця температур зразка і кімнатної вимірюється термопарою, один спай якої знаходиться в зразку, вміщеному в піч, а інший # 150; зовні, в термостаті, при кімнатній температурі.
Коли температура випробуваного зразка досягає точки Кюрі, його магнітна проникність від великого значення падає до одиниці. Індуктивність L 1. а разом з нею і ЕРС індукції у вторинній котушці 2 різко зменшується (див. Формули (2) і (3)). При цьому струм I 2 у вторинній котушці також зменшується, що і реєструє експериментатор.
У даній роботі пропонується виміряти температуру Кюрі залізного і нікелевого зразків. Зразки знаходяться в двох різних печах, укріплених на лабораторної панелі.
За допомогою двох перемикачів, також розташованих на панелі і мають два положення «залізо» # 150; «Нікель», вимірювальні прилади з установки з залізним зразком переключаються на установку з нікелевим.
Вимірювання. 1.Електріческая ланцюг лабораторної установки повністю зібрана і слід лише перевірити наявність усіх приладів, зображених на схемі (див. Рис.2).
2.Поставьте тумблери-перемикачі в положення «залізо».
3.Включіте автотрансформатор РНШ в мережу 220 В і встановіть струм
1,6 А (для заліза).
4. За міру нагрівання грубки стежте за показаннями термопарного мілівольтметра mV 1 і через кожні два ділення його шкали записуйте показання обох мілівольтметрів mV 1 і mV 2 в таблицю.
Коли струм у вторинній обмотці і, отже, показання мілівольтметра mV 2 почнуть зменшуватися, показання слід знімати через одну поділку шкали термопарного мілівольтметра.
Нагрівання зразка слід припинити і піч відключити від мережі, коли після крутого спаду індукційний струм практично перестане зменшуватися і залишається майже на одному рівні.
5.Повторіте всі виміри з нікелевим зразком (струм печі 1,0 А).
Обробка результатів вимірювань. 1.За отриманим даним, що містяться в таблиці, побудуйте графіки залежності напруги U 2 від напруги термопари (тобто фактично від температури, в силу існуючої між ними прямопропорційної залежності) для обох феромагнітних зразків. Графіки виглядають приблизно так, як показано на рис.3.
2.Чтоби визначити температуру Кюрі в умовах даного досвіду, на графіку проводять дотичну до кривої в точці перегину (точка А) і продовжують її до перетину c асимптотой, проведеної до кінцевій частині графіка (на рис.3 вона проведена штриховий лінією). Точку їх перетину (т. В на графіку) спроектуйте на вісь абсцис. За отриманим таким чином значенням напруги U 1 і градуювальним графіком відповідної термопари знайдіть температуру зразка відно Рис.3 сительно кімнатної.
3.Істіна значення температури Кюрі отримаєте, додавши значення температури в приміщенні лабораторії під час проведення експерименту, так як холодний спай термопари знаходиться в пасивному термостаті саме в таких умовах.
4.Проізведіте оцінку похибок графічного визначення температури Кюрі.
1.Сравніте між собою діа-, пара- і феромагнетики. Назвіть основні властивості феромагнетиків.
2. Що таке точка Кюрі в ферромагнетике?
3. Як залежить намагніченість феромагнетика від намагнічує поле далеко від точки Кюрі?
4. Як залежить намагніченість феромагнетика від температури в сильних і слабких полях?
5.Опишите метод визначення точки Кюрі в даній роботі. Що показує перший і що другий мілівольтметри? Що є ознакою того, що точка Кюрі пройдена?
6.Чем вимірюється температура феромагнітного зразка в ході досвіду? Поясніть пристрій і принцип дії даного пірометра.
7.Об'ясніте на якісному рівні хід побудованого Вами графіка.
1.Буравіхін В.А. Шелковников В.Н. Карабанова В.П. Практикум з магнетизму. М. Вища школа, 1979. С. 103.
2.Калашніков С.Г. Електрика. М. Наука, 1977. §110, 119.
3.Кіттель Ч. Введення в фізику твердого тіла. М. Наука, 1978. С. 543-592.
4.Кортнев А.В. Рубльов Ю.В. Куценко О.М. Практикум з фізики. М. Вища школа, 1963. с.313.
6.Сівухін Д.В. Загальний курс фізики. М. Наука, 1983. Т.3. §74, 79.