РАБОТА № 10 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ КЮРИ ФЕРРОМАГНЕТИКА

Цель работы:	Определение точки Кюри ферромагнетика.
Приборы и принадлежности:	Ферритовое кольцо, термопара, мультиметрметр для термопары, милливольтметр, звуковой генератор, трубчатый электронагреватель.

ВВЕДЕНИЕ

Рис. 2

Рисунок 0.1

Атомы ферромагнетиков имеют отличный от нуля магнитный момент в отсутствие внешнего магнитного поля. Между магнитными моментами в ферромагнетике действуют силы (их называют обменными силами), которые стремятся выстроить все магнитные моменты в одном направлении, что приводит к спонтанной (самопроизвольной) намагниченности. Обменные силы имеют квантовую природу, и объяснить их появление на языке классической физики нельзя. Именно наличие спонтанной намагниченности является характерным признаком ферромагнетизма. Спонтанная намагниченность зависит от температуры Т ферромагнетика (см. рис. 1). С ростом Т её величина J_s уменьшается и при некоторой температуре Т_с обращается в нуль, т. е. вещество переходит из ферромагнитного в парамагнитное состояние. Температура Т_с носит название температуры Кюри. Спонтанная намагниченность является неоднородной. Ферромагнетик состоит из множества малых областей – доменов, каждая из которых спонтанно намагничена, но направления намагниченности разных доменов различны. Разбиение ферромагнетика на домены объясняется следующими причинами. Если бы весь ферромагнетик был намагничен до насыщения в одном направлении, то на его поверхности возникли бы магнитные полюсы, и в окружающем пространстве было бы создано магнитное поле. На это потребуется больше энергии, чем на разбиение ферромагнетика на домены, при котором магнитное поле вне образца отсутствует (магнитные силовые линии замыкаются внутри образца). При неизменном объёме и постоянной температуре в ферромагнетике реализуются лишь такие доменные структуры, для которых энергия минимальна. Одна из возможных доменных структур (монокристалла железа) показана на рис. 2. Стрелками указаны направления намагниченности в различных доменах.

Намагничивание ферромагнетиков представляет сложный процесс, который можно свести к двум основным процессам: процессу смещения границ доменов и процессу вращения вектора намагниченности J_s.

Перемещение междоменных границ и вращение вектора намагниченности в общем случае являются необратимыми процессами, что приводит к появлению гистерезиса (см. рис. 3).

Рис. 3 Рис. 4

На рис. 3 приведена зависимость величины намагниченности ферромагнетика J от напряженности магнитного поля Н в нем. Стрелками указано направление изменения J при изменении Н. Максимальная намагниченность, которая достигается при больших значениях Н, называется намагниченностью насыщения. Намагниченность, которой обладает ферромагнетик после снятия внешнего магнитного поля, называют остаточной намагниченностью (J_s), поле, необходимое для размагничивания образца – коэрцитивной силой (H_c). Ферромагнетики с широкой петлей гистерезиса (с большим Н_с) называются «жесткими», с узкой – «мягкими».

Вблизи температуры Кюри (Т–Т_с áá Тс) восприимчивость c ферромагнетиков зависит от температуры (закон Кюри – Вейсса):

(1)

Магнитная восприимчивость ферромагнетика зависит также от напряженности поля Н (рис. 4).

МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ КЮРИ

Рис. 5

Для определения температуры Кюри в данной работе применяется трансформатор, сердечником которого является исследуемый образец ферромагнетика (феррит). Сердечник трансформатора нагревается электронагревателем. Нагревание сердечника до температуры Кюри приводит к резкому понижению его намагниченности, в результате чего ЭДС во вторичной обмотке уменьшается. Это служит указанием того, что температура Кюри достигнута. Убедиться в этом можно следующим образом. Нагревание сердечника до температуры Кюри приводит к понижению его намагниченности, в результате чего ЭДС во вторичной обмотке уменьшается. Это служит указанием на то, что температура Кюри достигнута. Убедиться в этом можно следующим образом. Рассмотрим работу трансформатора, магнитная проницаемость сердечника которого может изменяться. Величина тока, протекающего в первичной обмотке, согласно закону Ома равна:

. (2)

Здесь R – активное сопротивление первичной обмотки, L₁ - её индуктивность, w ‑ частота ЭДС E₁.

Величина ЭДС во вторичной обмотке E₂ зависит от частоты w и величины магнитного поля в сердечнике трансформатора. Это поле, в свою очередь, порождается током I₁, текущим в первичной обмотке. Поэтому ЭДС E₂ пропорциональна частоте и току I₁:

E₂ = wL₁₂I₁, (3)

где L₁₂ – коэффициент взаимной индукции обмоток трансформатора. Это выражение справедливо, если сердечник не намагничен до насыщения. В нашем опыте это условие выполняется. Мы пренебрегаем также явлением гистерезиса. Из (2) и (3) получаем:

. (4)

Величины L₁ и L₁₂ пропорциональны магнитной проницаемости µ сердечника трансформатора, поэтому:

L₁ = mA₁, L₁₂ = mA₂,

где A₁ и A₂ – константы, зависящие от числа витков в обмотках трансформатора и геометрии сердечника.

Из (3) и (4) находим:

. (5)

Из (5) видно, что при уменьшении m величина E₂ также уменьшается. А так как выше температуры Кюри магнитная проницаемость в сотни раз меньше, чем в ферромагнитном состоянии, то по уменьшению ЭДС во вторичной обмотке действительно можно судить о достижении температуры Кюри.

ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ

В качестве образца ферромагнетика выбран никель-марганцевый феррит с номинальной температурой Кюри 200⁰С, используемый в качестве материала сердечников катушек индуктивности. В лабораторном стенде применено ферритовое кольцо, внешний диаметр которого равен 13 мм, внутренний – 8 мм, высота – 3 мм. Функциональная схема стенда приведена на рисунке 6.

Рис. 6

На схеме:

1. ЗГ – источник питания схемы стенда – звуковой генератор Г3-112/1 с выходным сопротивлением 50 Ом. На генераторе устанавливаются:

· частота синусоидальных колебаний - 25 кГц,

· максимальное выходное напряжение - 10 В;

2. Мв – милливольтметр переменного тока В3-13 (или другой прибор для измерения переменного напряжения с диапазонами в пределах 0,03 – 10 В);

3. ТП – термопара для измерения температуры;

4. М – мультиметр DT-838 в режиме измерения температуры;

5. На кольцевом ферритовом сердечнике намотаны две разнесённые обмотки: первичная -12 витков, вторичная – 7 витков.

6. Ферритовое кольцо и термопара помещены в канал электрического нагревателя мощностью 80 Вт (на схеме не показан).

7. В состав стенда также входят две колодки с парами гнёзд для подключения приборов, обмоток, намотанных на ферритовое кольцо, ограничительный резистор R₁ = 200 Ом и измерительный резистор R₂ = 50 Ом.

Ферритовый сердечник с намотанными на нём двумя катушками представляет собой трансформатор. Его первичная обмотка, запитанная переменным током от звукового генератора, создает в ферритовом кольце переменное магнитное поле. Это поле, в свою очередь, создает во вторичной обмотке переменную ЭДСE₂. В нашем случае E ₂ практически равна напряжению на измерительном резисторе R₂.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Все приборы лабораторного стенда подключаются к сети через сетевой фильтр. До подключения к сети проверьте все соединения и установки переключателей на приборах.

2. Подключите генератор к схеме, для этого красный провод присоедините к клемме «3», синий (корпус) - к клемме «2».

3. Для измерения напряжения на генераторе вольтметр подключить к клеммам «3» - «2»,

4. для измерения напряжения на измерительном резисторе вольтметр подключить к клеммам «1» - «2».

5. Включите приборы, но не включайте нагреватель.

6. До включения нагревателя:

· замерьте выходное напряжение генератора милливольтметром, подключив его к клеммам «3» - «2»,

· измерьте начальную температуру исследуемого образца никель-марганцевого феррита,

· переключив милливольтметр на клеммы «1» - «2» , измерьте напряжение на измерительном резисторе. Результаты измерений запишите в таблицу 1.

Примечание.Диапазон измерений милливольтметра подбирается таким образом, чтобы показания находились в правых двух третях шкалы. Записывая результаты измерений напряжения, будьте внимательны при выборе шкалы для отсчёта. В качестве отсчёта берётся ближайшее к положению стрелки деление (большей точности прибор не обеспечивает, выбор на глаз «промежуточного» отсчёта между делениями будет некорректен).

7. Включив нагреватель, следите за показаниями приборов, своевременно переключая диапазон милливольтметра. Результаты измерений записывайте в таблицу 2. Напряжение на измерительном резисторе при возрастании температуры падает и, при приближении к точке Кюри, начинает резко убывать. Cначала снимайте показания через каждые 10 – 15 градусов. Вблизи точки Кюри, где напряжение быстро падает, отмечайте показания через 1—3 градуса.

8. При достижении точки Кюри, когда напряжение упадёт практически до нуля, отключите нагреватель (отключите нагреватель и в том случае, если температура достигнет 240 – 250 ⁰С). Далее снимайте показания до тех пор, пока температура не снизится до 90 – 100⁰С. (Расхождение хода кривых при прямом и обратном процессах нагревания связано с явлением гистерезиса).

9. По данным таблиц 1 и 2 постройте графики зависимости Е₂ от температуры для прямого и обратного процессов.

10. Определите температуру Кюри на основании построенных вами графиков.

Таблица 1

Uген, В	E2, В	f, Гц	t0, 0С

Таблица 2

t, 0С	E2, В
…
…
…

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. В чем различие между пара – и ферромагнетиками?

2. Почему возникают домены в ферромагнетиках?

3. Как объяснить начальный рост E₂ при нагревании сердечника?

4. Как получить зависимость c от Н, изображенную на рис. 4, рассмотрев начальный участок петли гистерезиса?