ВИЗНАЧЕННЯ ТОЧКИ КЮРІ ФЕРОМАГНЕТИКІВ

Питання магнітних властивостей речовин мають велике практичне значення. Так, в останній час широкого застосування набули штучні напівпровідники магнітні матеріали – ферити. Феритні матеріали застосовують в магнітних стрічках та дисках для магнітного запису інформації. Феритні осердя використовують у високочастотній техніці. Разом з тим, феромагнітні матеріали можуть втратити свої особливі магнітні властивості при температурі, яка називається точкою Кюрі (в честь французького фізика П. Кюрі, який вивчав це явище). Тому визначення точки Кюрі набуває значного практичного значення. Щоб зрозуміти питання, пов'язані з точкою Кюрі та з методикою її визначення доцільно розглянути короткий виклад теорії феромагнетизму.

1.НАМАГНІЧЕНІСТЬ РЕЧОВИНИ (ВЕКТОР НАМАГНІЧЕННЯ). МАГНІТНА СПРИЙНЯТЛИВІСТЬ І МАГНІТНА ПРОНИКНІСТЬ РЕЧОВИНИ.

Вперше гіпотезу про природу магнетизму в речовинах висунув Ампер. Він допустив, що всередині речовини циркулюють молекулярні струми, які створюють магнітні поля. Кожен такий струм володіє магнітним моментом (49.1), який дорівнює добутку сили струму І на площу S контуру, вздовж якого тече даний струм. Напрям вектора визначається за правилом свердлика (рис.49.1).

. (49.1)

Якщо речовина не намагнічена, то сумарний магнітний момент молекулярних струмів дорівнює нулю. Під дією зовнішнього магнітного поля магнітні моменти молекул набувають переважної орієнтації і тим самим речовина намагнічується. Характеристикою намагніченості речовини є відношення сумарного магнітного моменту окремих молекул ; до об'єму V речовини (49.2). Таке відношення називається намагніченістю або вектором намагніченості .

. (49.2)

Гіпотеза Ампера про молекулярні струми виявилась близькою до дійсності. Тепер ми знаємо, що електрон який обертається навколо ядра атома еквівалентний коловому струму і створює магнітне поле.. Магнітний момент електрона, що обертається навколо ядра атома, називається орбітальним магнітним моментом. Крім орбітального магнітного моменту електрон володіє ще власним магнітним моментом, який отримав назву спінового магнітного моменту[1]. Магнітними моментами володіють і ядра атомів, але їх вклад в магнітні властивості речовини надзвичайно малий. Тому магнітні властивості речовини визначаються орбітальними і спіновими магнітними моментами електронів.

(49.3)

(49.4)

(49.5)

В слабких магнітних полях намагніченість речовини пропорційна напруженості магнітного поля[2](49.3), де c (грецька буква “хі”) безрозмірна величина, яка називається магнітною сприйнятливістю. Якщо ж порівняти індукцію магнітного поля в речовині[3] з індукцією В₀ намагнічуючого поля у вакуумі, то відношення (49.4) дає магнітну проникність речовини. Зв'язок між магнітною проникністю і магнітною сприйнятливістю речовини визначається співвідношенням (49.5).

2. ДІАМАГНЕТИКИ, ПАРАМАГНЕТИКИ І ФЕРОМАГНЕТИКИ

В залежності від значень магнітної сприятливості або магнітної проникності речовини за своїми магнітними властивостями діляться на три основні групи.

а) Діамагнетики, для яких магнітна сприятливість від'ємна і дуже мала за абсолютним значенням (порядку 10^-4 - 10^-6). Це значить, що в діамагнетиках виникає дуже слабе намагнічення, яке має напрям протилежний зовнішньому полю. Згідно (49.5) для діамагнетиків m<1.

Діамагнітними властивостями володіють азот, вода, срібло та ряд органічних сполук, наприклад вуглеводні нафти.

б) Парамагнетики, в яких магнітна сприятливість додатна, але теж мала за абсолютним значенням (10^-3 – 10^-6). В парамагнетиків виникає слабе намагнічення в напрямі зовнішнього намагнічуючого поля. Для парамагнетиків m>1.

До парамагнетиків відноситься кисень, алюміній, платина та ряд рідкоземельних елементів.

в) Феромагнетики, для яких магнітна сприятливість додатна і приймає великі значення (10³ – 10⁵). Відповідно такого ж порядку буде і магнітна проникність, тобто m>>1. В першу чергу феромагнітними властивостями володіє залізо (звідси і назва “феромагнетик” - Fe). До феромагнетиків відноситься ряд інших елементів: нікель, кобальт, гадоліній та окремі сплави. Для феромагнетиків магнітна сприйнятливість залежить від напруженості магнітного поля та температури.

3. ПРИРОДА ФЕРОМАГНЕТИЗМУ

Ряд магнітних властивостей феромагнетиків було встановлено ще в минулому столітті, але розуміння цих властивостей дає лише сучасна квантова фізика.

Особливі властивості феромагнетиків зумовлені наявністю в них областей спонтанного (самовільного) намагнічення, які отримали назву доменів (від французького - володіння). Домени мають розміри порядку 10^-2 – 10^-3 мм, в яких величезна кількість спінових магнітних моментів електронів строго орієнтованими в одному напрямі і причиною цього є квантові ефекти. В спонтанній орієнтації спінових моментів електронів основну роль відіграють особливі взаємодії, які в квантовій механіці називається обмінними. Обмінна взаємодія приводить до того, що в феромагнетиках енергетично вигідним є стан, при якому спіни електронів в незаповнених оболонках сусідніх атомів є паралельними в зв'язку з чим і виникає спонтанне намагнічення. Напрям спонтанного намагнічення визначається внутрішньою будовою феромагнетика. Наприклад, чисте залізо має внутрішню будову з об’ємноцентрових кубічних кристалічних решіток (рис. 49.2). Встановлено, що в такому залізі вісями найбільш легкого намагнічення є вісі куба. Це значить, що спінові магнітні моменти електронів можуть орієнтуватись в одному з шести напрямів: ±X; ±Y; ±Z, ці напрямки мають “перевагу” над іншими можливими напрямами в кристалі заліза.

Спрощено механізм виникнення самих доменів можна пояснити таким чином. Нехай весь феромагнетик являє собою один великий домен, в якому внаслідок обмінної взаємодії всі спінові магнітні моменти орієнтувались в одному напрямі вздовж “найлегшого” намагнічення, наприклад вздовж вісі Y (рис. 49.3а). Такий великий домен по суті, являє собою постійний магніт і в зовнішньому просторі існує магнітне поле, яке володіє певною енергією.

Відомо, що будь-яка система намагається зайняти стан з мінімальною енергією. Тому, якщо даний феромагнетик буде являти собою сукупність двох доменів з протилежними напрямами намагнічення (рис. 49.3б), то зовнішнє магнітне поле буде меншим, відповідно такий стан феромагнетика буде більш енергетично вигідним, ніж попередній. На (рис. 49.3в) вказаний такий випадок, коли взагалі зовнішнє магнітне поле відсутнє. Тут феромагнетик “розбився” на такі окремі домени, де їх магнітні поля замикаються і даний стан феромагнетика стає найбільш енергетично вигідним.

Існування доменів в феромагнетиках експериментально доведено різними дослідами. Наприклад, один з методів полягає в утворенні порошкових структур. Так, якщо на відполіровану поверхню феромагнетика нанести шар рідини, в якій знаходиться надзвичайно дрібні крупинки феромагнітного порошку Fe₂O₃, то ці крупинки, притягуючись доменами, “вирисовують” їх границі. Так порошкові фігури можна спостерігати в мікроскоп навіть при невеликому збільшенні (в сто разів).

4. ТОЧКА КЮРІ ДЛЯ ФЕРОМАГНЕТИКІВ.
ФАЗОВИЙ ПЕРЕХІД ІІ РОДУ

Для кожного феромагнетика існує певна температура при якій відбувається руйнування його доменів, феромагнетик перетворюється в парамагнетик. Ця температура, як вже вище вказувалось, називається точкою Кюрі. При охолодженні феромагнетика нижче точки Кюрі в феромагнетику виникають магнітні домени.

Перехід від феромагнітних властивостей до парамагнітних є прикладом фазового переходу другого роду[4].

Прикладом фазового переходу другого роду може бути перехід металу в надпровідний стан. До фазового переходу другого роду відноситься надтекучість гелію, коли повністю зникає внутрішнє тертя.

Нагадаємо, що фазові переходи першого роду (плавлення, випаровування) супроводжуються стрибкоподібною зміною внутрішньої енергії тіла і пов’язані з поглинанням теплоти (теплота плавлення, теплота випаровування). Для того, щоб зруйнувати домен, не потрібно додаткової енергії, достатньо нагрівання феромагнетика, його внутрішня енергія буде збільшуватись і при температурі Кюрі без додаткових затрат енергії відбувається руйнування доменів.

5. ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНЕ ВИЗНАЧЕННЯ ТОЧКИ КЮРІ ФЕРОМАГНЕТИКІВ

Точку Кюрі можна визначити різними експериментальними методами, які базуються на різкій зміні магнітних властивостей феромагнетика саме при температурі Кюрі. Наприклад, феромагнетик у вигляді постійного магніту втримує масивний залізний предмет. При нагріванні такого феромагнетика в точці Кюрі він втратить свої магнітні властивості і залізний предмет відпаде.

В даній лабораторній роботі досліджуваний феромагнетик є осердям трансформатора (рис. 49.4), первинна обмотка якого приєднується до джерел змінного струму. Тут принцип визначення точки Кюрі полягає в тому, що при нагріванні феромагнетика в точці Кюрі різко змінюються його магнітні властивості, отже різко змінюються електричні параметри трансформатора, осердям якого є даний феромагнетик. Зміна електричних параметрів трансформатора приведе до зміни сили струму у вторинній обмотці, що буде зафіксовано показами міліамперметра. Отже, вимірюючи температуру феромагнетика, як осердя трансформатора, ми повинні слідкувати за показами міліамперметра в колі вторинної обмотки даного трансформатора. Як тільки покази амперметра різко зміняться, ця зміна і буде визначати температуру Кюрі. Такий принцип визначення точки Кюрі описується на основі закону електромагнітної індукції. Так, електрорушійна сила ЕРС індукції залежить від швидкості зміни магнітного потоку (49.6), де знак “-” є математичним виразом правила Ленца.

Магнітний потік через витки вторинної обмотки дорівнює (49.7), де В – індукція магнітного поля; N – кількість витків обмотки; S - їх площа поперечного перерізу.

; (49.6)

; (49.7)

; (49.8)

; (49.9)

; (49.10)

; (49.11)

; (49.12)

; (49.13)

Первинна обмотка виготовлена з ніхромового провідника і тим самим виконує роль нагрівача. Температура досліджуваного феромагнетика вимірюється за допомогою термопари 3, спаю двох різнорідних металів. Один спай торкається поверхні феромагнетика, а другий спай знаходиться при сталій температурі 20°С. При нагріванні термопари виникає різниця потенціалів, яка вимірюється мікровольтметром. До лабораторної роботи додається градуйовочний графік термопари, який дозволяє перейти від показів мікровольтметра до температури в °С.

6. ПОСЛІДОВНІСТЬ ВИКОНАННЯ РОБОТИ.

На лабораторному стенді розташована готова установка (рис. 49.5) для визначення точки Кюрі феромагнетика. Перед початком виконання роботи ознайомитись з конструкцією установки та отримаєте від викладача досліджуваний взірець феромагнетика. Якщо кімнатна температура буде рівна 20°С, то термостатування другого спаю не потрібне.

1. При вимкненому джерелі змінного струму (живлення первинної обмотки) ввести отвір нагрівача досліджуваний феромагнетик, привівши його в контакт з термопарою.

2. Ввімкнути джерело змінного струму і через кожні п'ять поділок шкали мікровольтметра термопари в табл. 49.1 записувати покази міліамперметра.

Таблиця 49.1

Коли струм у вторинній обмотці почне зменшуватись, покази знімають через кожну поділку шкали мікровольтметра.

3. За отриманими даними побудувати залежність сили струму у вторинній обмотці трансформатора від показів мікровольтмера термопари (верхня частина графіка, рис. 49.6). В нижню частину графіка перенести градуйовочну пряму термопари, яка вказана на лабораторному стенді.

4. Для визначення точки Кюрі з точки перегину експериментальної кривої проводять вертикальну лінію до перетину з градуйовочною прямою термопари. Ордината точки перетину дає значення точки Кюрі – температуру t_к.

5. Точка Кюрі визначається похибкою графічного методу. Положення точки перегину не є точним, а знаходиться в межах ±DX по вісі абсцис. Тоді продовживши координати можливого відхилення до перетину з градуйовочною прямою, визначають похибку температури t, як це вказано на (рис. 49.6). Значення можливого відхилення ±DX від точки перегину визначає та обґрунтовує сам експериментатор.

КОНТРОЛЬНІ ПИТАННЯ

1. В чому полягала гіпотеза Ампера про природу магнетизму ?

2. Дайте означення магнітного моменту контуру зі струмом. За яким правилом визначається напрям вектора магнітного моменту ?

3. Дайте означення намагніченності (вектора намагнічення) речовини.

4. Дайте означення магнітної сприйнятливості та магнітної проникності речовини. Який між ними існує зв’язок ?

5. Приведіть класифікацію речовин на діамагнетики, парамагнетики і феромагнетики (в залежності від їх магнітної сприйнятливості та магнітної проникності).

6. Яка природа феромагнетизму ? Чому феромагнетик “розбивається” на окремі домени ? Як експериментально довести існування доменів ?

7. Дайте означення точки Кюрі для феромагнетиків. Яка різниця між фазовими переходами першого і другого роду ?

8. В чому полягає методика експериментального визначення точки Кюрі для феромагнетиків ?

9. Навести схему лабораторної установки для визначення точки Кюрі для феромагнетиків.

10. Яка послідовність виконання роботи ?