Тепловое расширение твердых тел и жидкостей.

Тепловым расширением называется увеличение линейных размеров и объемов тел, происходящее при повышении их температуры.

Линейное тепловое расширение характерно для твердых тел.

Объемное тепловое расширение происходит как в твердых телах, так и в жидкостях при их нагревании.

a - коэффициент линейного расширения - характеристика линейного расширения.

l0 - начальная длина при температуре t0;

- увеличение длины тела при нагревании от t0 до t ;

- относительное удлинение - удлинение, происходящее при нагревании на один градус.

l - конечная длина.

градусов.
a практически не зависит от температуры.
Объемное расширение твердых тел или жидкостей характеризуется коэффициентом объемного расширения - .

- относительное увеличение объема, происходящее при нагревании тела на один градус.

4.

Вообще всю эту часть можно учить по методичке по нашим лабам. Ниже приведу более точные указания.

1) разделение твердых тел по магнитным свойствам

В зависимости от магнитных свойств материалы разделяют на диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики, антиферромагнетики и ферримагнетики. Количественно магнитные свойства материалов принято оценивать по их магнитной восприимчивости λ = М/Н, где М — намагниченность вещества; Н — напряженность магнитного поля.

Диамагнетики

Это вещества, атомы, ионы или молекулы которых не имеют результирующего магнитного момента при отсутствии внешнего поля. Диамагнитный эффект является результатом воздействия внешнего магнитного поля на молекулярные токи и проявляется в том, что возникает магнитный момент, направленный в сторону, обратную внешнему полю. Таким образом, во внешнем магнитном поле диамагнетики намагничиваются противоположно приложенному полю, т. е. имеют отрицательную магнитную восприимчивость (λ < 0). Диамагнитные вещества выталкиваются из неравномерного магнитного поля, а в равномерном магнитном поле вектор намагниченности диамагнетика стремится расположиться перпендикулярно к направлению поля. Диамагнетизм присущ всем без исключения веществам в твердом, жидком и газообразном состояниях, но проявляется слабо и часто подавляется другими эффектами.

Парамагнетики

Это вещества, атомы, ионы или молекулы которых имеют результирующий магнитный момент при отсутствии внешнего магнитного поля. Во внешнем магнитном поле парамагнетики намагничиваются согласно с внешним полем, т. е. имеют положительную магнитную восприимчивость (λ > 0). Парамагнитный эффект присущ веществам с нескомпенсированным магнитным моментом атомов при отсутствии у них порядка в ориентации этих моментов. Поэтому, когда нет внешнего магнитного поля, атомные магнитные моменты располагаются хаотически и намагниченность парамагнитного вещества равна нулю. При воздействии внешнего магнитного поля атомные магнитные моменты получают преимущественную ориентацию в направлении этого поля, и у парамагнитного вещества проявляется намагниченность.

Ферромагнетики

Это вещества, в которых магнитные моменты атомов или ионов находятся в состоянии самопроизвольного магнитного упорядочения, причем результирующие магнитные моменты каждого из доменов отличны от нуля. При воздействии внешнего магнитного поля магнитные моменты доменов приобретают преимущественное ориентирование в направлении этого поля и ферромагнитное вещество намагничивается. Ферромагнитные вещества характеризуются большим значением магнитной восприимчивости (>> 1), а также ее нелинейной зависимостью от напряженности магнитного поля и температуры, способностью намагничиваться до насыщения при обычных температурах даже в слабых магнитных полях, гистерезисом — зависимостью магнитных свойств от предшествующего магнитного состояния, точкой Кюри, т. е. температурой, выше которой материал теряет ферромагнитные свойства. К ферромагнитным веществам относятся железо, никель, кобальт, их соединения и сплавы, а также некоторые сплавы марганца, серебра, алюминия. Ферромагнитные свойства у вещества могут возникать лишь при достаточно большом значении обменного взаимодействия, что характерно для кристаллов железа, кобальта, никеля и др. Необходимое значение обменного взаимодействия ферромагнетики имеют лишь в твердом состоянии. Этим объясняется отсутствие в природе жидких и газообразных ферромагнетиков. Ферромагнетизм сплавов, целиком состоящих из «парамагнитных» компонентов, объясняется тем, что в этих сплавах, основой которых обычно является марганец или хром, введение в решетку основы атомов висмута, сурьмы, серы и теллура изменяет электронную структуру кристаллов, в результате чего создаются условия для возникновения ферромагнетизма.

Антиферромагнетики

Это вещества, в которых магнитные моменты атомов или ионов находятся в состоянии самопроизвольного магнитного упорядочения, причем результирующие магнитные моменты каждого из доменов равны нулю. При воздействии внешнего магнитного поля магнитные моменты атомов приобретают преимущественную ориентацию вдоль внешнего поля и антиферромагнитное вещество намагничивается. Антиферромагнитные вещества характеризуются кристаллическим строением, небольшим коэффициентом магнитной восприимчивости (λ = от 10^-3 до 10^-5), постоянством восприимчивости в слабых полях и сложной зависимостью от магнитного поля в сильных полях, специфической зависимостью от температуры, а также температурой точки Нееля, выше которой вещество переходит в парамагнитное состояние. К антиферромагнетикам относятся чистые металлы хром и марганец, редкоземельные металлы цериевой подгруппы: церий, неодим, празеодим самарий и европий. Редкоземельные металлы диспрозий, гольмий и эрбий в зависимости от температуры могут быть антиферромагнетиками или ферромагнетиками. При воздействии на эти металлы, находящиеся в антиферромагнитном состоянии внешнего магнитного поля, превышающего критическое значение, происходит переход антиферромагнитного порядка в ферромагнитный, сопровождающийся скачкообразным появлением намагниченности (М~ 1600 кА/м). Аналогичные превращения можно наблюдать у тулия и тербия.

Ферримагнетики

Это кристаллические вещества, магнитную структуру которых можно представить в виде двух или более подрешеток; магнитные моменты атомов или ионов находятся в состоянии самопроизвольного магнитного упорядочения, причем результирующие магнитные моменты каждого из доменов отличны от нуля.
Магнитные материалы первой группы применяются в электронных элементах, для которых нет особых требований к температурной и временной нестабильности. Определяющими параметрами данной группы материалов являются начальная магнитная проницаемость и тангенс угла магнитных потерь.
Материалы второй группы имеют малые значения относительного температурного коэффициента магнитной проницаемости в рабочем интервале температур и достаточно высокую временную стабильность начальной магнитной проницаемости. Значение магнитной индукции при поле Н = 800 А/м при нормальной (комнатной) температуре составляет 0,25-0,38 Тл.
К третьей группе относятся материалы с высоким значением начальной магнитной проницаемости на низких частотах. При этом повышенные требования к температурному коэффициенту проницаемости не предъявляются.
Для ферритовых материалов четвертой группы характерны малые значения магнитных потерь в сильных электромагнитных полях и высокое значение магнитной индукции при повышенной температуре (до 100-120°С) и подмагничивании.
Пятая группа ферритов характеризуется повышенными значениями импульсной магнитной проницаемости и температурной стабильностью магнитной проницаемости.
К шестой группе относятся ферритовые материалы, которые характеризуются начальной магнитной проницаемостью, коэффициентом амплитудной нестабильности магнитной проницаемости, коэффициентом перестройки по частоте, тангенсом угла магнитных потерь при различных индукциях, низкой начальной проницаемостью.
Особое место занимают ферритовые материалы седьмой группы. Они характеризуются повышенной добротностью как в слабых, так и в сильных электромагнитных полях, малыми линейными искажениями, низкой начальной проницаемостью.

2) Основные свойства Диамагнетиков и Парамагнетиков.

3) Диамагнетизм и Парамагнетизм.

Оба этих вопроса мы учил из того, что я написал 1 пунктов в части 4 и из Лабы №3. Привожу её ниже.

К слабомагнитным веществам относят диамагнетики и парамагнетики.

Диамагнетизм наблюдается у таких веществ, атомы которых в отсутствие внешнего магнитного поля не обладают магнитными моментами. В этом случае орбитальные и спиновые магнитные моменты электронов в атомах взаимно скомпенсированы. Под воздействием внешнего магнитного поля изменяется орбитальное движение электронов, и каждый из них приобретает индуцированный магнитный момент, направленный против внешнего магнитного поля. При этом магнитная восприимчивость χ = J/B = J/μ₀H (где J – намагниченность вещества, B – магнитная индукция; H – напряженность внешнего магнитного поля, μ₀ – магнитная постоянная) будет отрицательной. Диамагнетизмом обладают все вещества, однако во многих случаях проявление диамагнетизма маскируется более сильными магнитными эффектами (парамагнетизмом, ферромагнетизмом и т. д.)

Парамагнетизм - свойство веществ (парамагнетиков) намагничиваться в направлении внешнего магнитного поля. Он, как правило, проявляется у тех веществ, атомы которых имеют магнитный момент в отсутствие внешнего магнитного поля. Этот магнитный момент обусловлен нескомпенсированными спиновыми магнитными моментами неспаренных электронов атомов. В отсутствие внешнего магнитного поля магнитные моменты атомов ориентированы беспорядочным образом вследствие теплового разбрасывания, а при воздействии внешнего магнитного поля магнитные моменты ориентируются преимущественно вдоль его направления, в результате чего вещество намагничивается. В этом и заключается проявление парамагнетизма. Поскольку увеличение внешнего магнитного поля и нагревание действуют на намагниченность парамагнетика противоположным образом, то при увеличении внешнего магнитного поля и постоянной температуре степень ориентации магнитных моментов и, соответственно, намагниченность возрастают, а при увеличении температуры и постоянном внешнем магнитном поле они, наоборот, уменьшаются.

Магнитная восприимчивость парамагнетиков больше нуля, поскольку вектор намагниченности направлен в том же направлении, что и вектор внешнего магнитного поля. При этом по абсолютной величине она больше магнитной восприимчивости, обусловленной диамагнетизмом, и, следовательно, парамагнитный эффект маскирует диамагнитный эффект. При сравнительно слабых внешних магнитных полях и постоянной температуре магнитная восприимчивость парамагнетиков является постоянной величиной и не зависит от величины внешнего магнитного поля. В сильных магнитных полях имеет место явление насыщения намагниченности, т.е. она приближается к постоянной величине, и магнитная восприимчивость уменьшается с ростом напряженности внешнего магнитного поля.

При сравнительно высоких температурах имеет место

линейная зависимость 1/χ от абсолютной температуры Т:

, (1)

где С – постоянная Кюри, определяемая природой парамагнетика (величиной магнитного момента атомов).

Это так называемый закон Кюри, который при низких температурах не выполняется даже для обычных парамагнетиков (насыщение намагниченности парамагнетика с уменьшением температуры).

Следует заметить, что сказанное выше относится к обычным парамагнетикам, атомы (ионы, молекулы) которых обладают собственным магнитным моментом. Имеются и другие причины проявления веществом парамагнетизма. Так, в некоторых металлах, например щелочных, парамагнетизм обусловлен не магнитными моментами атомов, а спиновыми магнитными моментами свободных электронов (электронного газа). В таких металлах отсутствует зависимость магнитной восприимчивости от температуры в широких пределах, и закон Кюри не выполняется.

Закон Кюри — физический закон, описывает магнитную восприимчивость парамагнетиков, которая при постоянной температуре для этого вида материалов приблизительно прямо пропорциональна приложенному магнитному полю. Закон Кюри постулирует, что при изменении температуры и постоянном внешнем поле, степень намагниченности парамагнетиков обратно пропорциональна температуре:

4) Ферромагнетики, их свойства. Кривая технического намагничивания и петля гистерезиса.

СМ Лабу №4, так же то, что писал в пункте 1, 4-ой части.

про Кривую технического намагничивания - Кривая намагничивания, выхо­дящая из начала координат, называется основной кривой. С увеличением поля намагниченность растет сначала медленно, а потом начинается резкий рост: в сравни­тельно узком интервале полей намагниченность увели­чивается в десятки раз. Затем рост намагниченности снова замедляется и наступает так называемое техниче­ское насыщение. Намагничивание до технического насы­щения называется техническим намагничиванием, а соот­ветствующий участок кривой — технической кривой намагничивания ; в нашем случае, как я понял, из Лабы - кривая ОА).

Далее цитирую Лабу №4

В ферромагнетиках вследствие сил обменного взаимодействия, обусловленных специфическим строением электронной оболочки атомов, образуются области спонтанного намагничивания, называемые доменами, в которых магнитные моменты атомов расположены параллельно. При этом магнитные моменты атомов разных доменов направлены разным образом и компенсируют друг друга, так что образец ферромагнетика в целом обладает нулевой намагниченностью. Однако в зависимости от предыстории образца магнитные моменты атомов в разных доменах могут не компенсировать полностью друг друга, и в этом случае образец будет обладать остаточной намагниченностью, т. е. будет являться постоянным магнитом.

Помимо возможности обладания остаточной намагниченностью, характерной особенностью ферромагнетиков является нелинейная зависимость магнитной проницаемости от напряженности магнитного поля. Таким образом, ферромагнетики не обладают постоянной величиной магнитной проницаемости, и можно говорить лишь об их эффективной магнитной проницаемости. При этом ферромагнетики являются сильномагнитными веществами, и их магнитная восприимчивость на несколько порядков больше, чем у слабомагнитных веществ (парамагнетиков и диамагнетиков).

Кроме того, ферромагнетики обладают магнитным гистерезисом, который обусловлен отставанием изменений в структуре ферромагнетика (смещения границ доменов и поворачивания магнитных моментов атомов) от изменения напряженности магнитного поля и представляет собой зависимость намагниченности (или магнитной индукции) ферромагнетика от его предшествующего состояния. Такая зависимость намагниченности (или магнитной индукции) при циклическом изменении напряженности магнитного поля имеет вид петли, называемой петлей гистерезиса (рис. 1).

Рис. 1. Петля гистерезиса при перемагничивании ферромагнетика.

Кривую ОА на рис. 1 называют кривой начального намагничивания (От себя - или кривой Технического намагничивания, если я правильно разобрался). Она характеризует намагничивание ферромагнетика, первоначально не обладавшего намагниченностью, и определяется изменениями в доменной структуре, происходящими при увеличении напряженности магнитного поля.

Если после намагничивания ферромагнетика уменьшить напряженность магнитного поля до нуля, в образце ферромагнетика сохраняется остаточная намагниченность В_ост. При дальнейшем увеличении напряженности магнитного поля противоположной направленности намагниченность становится равной нулю. Это происходит при величине напряженности магнитного поля противоположного знака, равной Н_К. Эта величина называется коэрцитивной или задерживающей силой. По величине коэрцитивной силы условно различают мягкие (Н_К<100 А/м) и жесткие (Н_К>100 А/м) ферромагнетики.

При напряженности переменного магнитного поля, обеспечивающей состояние насыщения ферромагнетика, получают максимальную петлю гистерезиса, а при меньших величинах напряженности – частные петли гистерезиса, которых имеется бесконечное множество и все они находятся внутри максимальной петли гистерезиса. При этом концы частных петель находятся на кривой начального намагничивания, что позволяет построить такую кривую и вычислить, например, зависимость магнитной проницаемости μ или магнитной восприимчивости χ от напряженности магнитного поля Н.

Вследствие гистерезиса перемагничивание ферромагнетиков сопровождается выделением тепла. Такое тепло называют теплом гистерезиса. Оно представляет собой работу , затраченную на перемагничивание единичного объема ферромагнетика за один полный цикл, которая равна площади петли гистерезиса S_loop в координатах B-H:

При нагревании ферромагнетиков изменяются их магнитные характеристики (предельная намагниченность, магнитная проницаемость μ, магнитная восприимчивость χ и т.д.). При некоторой температуре (для каждого ферромагнетика своей) ферромагнетик утрачивает свои специфические свойства и становится парамагнетиком. Эта температура называется ферромагнитной температурой Кюри Θ_К . При этой температуре в ферромагнетике происходит фазовый переход (второго рода). При более высоких температурах Т магнитная восприимчивость χ магнетика (ставшего парамагнетиком) характеризуется линейной зависимостью 1/χ от Т:

, (1)

где Θ – парамагнитная температура Кюри, С – постоянная Кюри.

Эта зависимость получила название закона Кюри-Вейсса. Парамагнитная температура Кюри, определяемая из линейной зависимости 1/χ от Т, находится несколько выше ферромагнитной температуры Кюри Θ_К , однако довольно близко к ней.

Вот и ВСЁ. Что мог, то сделал.