Экспериментальная установка для определения точки Кюри магнитных материалов в широком диапазоне температур

Таврический национальный университет имени В. И. Вернадского Факультет физики и компьютерных технологий Кафедра экспериментальной физики Халтурин Артём Олегович Курсовая работа экспериментальная установка для определения точки кюри магнитных материалов в широком диапазоне температур по дисциплине «Основы магнетизма»

студента 3 курса Научный руководитель старший преподаватель кафедры экспериментальной физики, Лагунов И.М.

К защите допускаю:

заведующий кафедры экспериментальной физики, д.ф.-м.н., профессор В. Н. Бержанский

Реферат Халтурин А. О. Экспериментальная установка для определения точки Кюри магнитных материалов в широком диапазоне температур/A.O.Халтурин Курсовая работа./ Симферополь, 2014. — 14с., 3 рис., 9 источников.

Цель работы: освоить метод определения точки Кюри феррои ферримагнетиков по температурной зависимости динамической восприимчивости в слабых полях и провести измерения температуры Кюри марганец-цинкового феррита.

В данной работе кратко описаны свойства ферромагнетиков, ферримагнетиков, антиферромагнетиков, явление фазовых переходов второго рода, методы определения температуры Кюри.

В работе представлен метод определения точки Кюри феррои ферримагнетиков по температурной зависимости динамической восприимчивости в слабых полях. Так же получена температурная зависимость магнитной восприимчивости и определена температура Кюри.

ТЕМПЕРАТУРА КЮРИ, МАГНИТНАЯ ВОСПРИИМЧИВОСТЬ, ФАЗОВЫЙ ПЕРЕХОД, ФЕРРИТ, МАГНИТНАЯ ПРОНИЦАЕМОСТЬ, МАГНИТНОЕ ПОЛЕ, ТЕРМОПАРА.

СОДЕРЖАНИЕ РЕФЕРАТ ВВЕДЕНИЕ ГЛАВА 1. МАГНИТНЫЕ ВЕЩЕСТВА, ТЕМПЕРАТУРА КЮРИ, МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ КЮРИ.

1.1 Магнитные вещества

1.2 Фазовые переходы второго рода

1.3 Температура Кюри

1.4 Методы определения температуры Кюри ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

2.1 Установка для определения точки Кюри

2.2 Измерение температуры Кюри ЗАКЛЮЧЕНИЕ ЛИТЕРАТУРА

ВВЕДЕНИЕ

Практическое значение магнитных материалов постоянно возрастает. Увеличивается их производство, разрабатываются и находят всё большее применение новые виды магнитных материалов. Применение этих материалов существенно влияет на развитие важнейших областей техники, как электромашиностроение, электронная техника, радиотехника, приборостроение, вычислительная техника и многим другим областям.

Свойства магнитных материалов чрезвычайно структурно-чувствительны. Так, например, магнитная проницаемость и коэрцитивная сила в зависимости от структурного состояния могут изменятся в сотни тысяч раз. Большое разнообразие свойств магнитных материалов обуславливает их широкое распространение в технике.

Все вещества по их отношению к магнитному полю можно разделить на три группы: диамагнитные, парамагнитные и ферромагнитные.

Магнитной упорядоченности ферромагнетиков противостоит тепловое движение атомов. Чем выше температура — тем сильнее тепловое движение. Если постоянный магнит нагревать, то при определенной температуре ферромагнетик перейдет в парамагнетик, т. е. остаточная намагниченность исчезнет. Такая температура называется точкой Кюри. Если мы охладим образец, он снова станет ферромагнитным, но потерянная намагниченность не восстановится — для этого нужно наложить внешнее магнитное поле.

Цель данной работы — освоить метод определения точки Кюри феррои ферримагнетиков по температурной зависимости динамической восприимчивости в слабых полях и провести измерения температуры Кюри.

ГЛАВА 1. МАГНИТНЫЕ ВЕЩЕСТВА, ТЕМПЕРАТУРА КЮРИ, МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ КЮРИ Для магнитоупорядоченных веществ (феррои ферримагнетиков, антиферромагнетиков) существует некоторая критическая температура, выше которой они переходят в парамагнитное состояние с самопроизвольной намагниченностью, равной нулю, соответствующая температура для феррои ферримагнетиков называется температурой Кюри (Тс), или точкой Кюри. Для антиферромагнетиков температурой Нееля (ТN), или точкой Нееля. В соответствии с теорией фазовых переходов, переход из магнитоупорядоченного состояния в парамагнитное состояние является переходом 2-го рода, связанным со скачкообразным изменением магнитной симметрии вещества. Вблизи точки перехода 2-го рода в веществе могут происходить специфические изменения («аномалии») различных физических свойств (восприимчивости, теплоемкости, сжимаемости, коэффициента теплового расширения, электропроводности и др.), что обычно и используется для точного определения температуры фазового перехода. Следует, однако, отметить, что эти максимумы могут быть довольно чувствительны к структурным несовершенствам измеряемых образцов и наличию примесей в них, причем по разному для различных свойств. Это приводит к некоторой ошибке при определении «истинной» температуры ТС (или ТN).

1.1 Магнитные вещества температура кюри магнитный поле Диамагнитные вещества выталкиваются из магнитного поля, т.к. при наложении поля диамагнетики намагничиваются в направлении, противоположном внешнему магнитному полю. Большинство веществ и материалов — диамагнетики, в качестве примеров можно назвать воду, графит, водород, азот, медь, живые организмы.

Парамагнитные вещества при наложении магнитного поля намагничиваются в направлении, которое совпадает с направлением внешнего магнитного поля. В результате парамагнетики притягиваются к магниту. К парамагнетикам принадлежит кислород, оксид и диоксид азота, супероксид калия, а также много металлов (например, платина, щелочные и щелочноземельные металлы).

Ферримагнетики — материалы, у которых магнитные моменты атомов различных подрешёток ориентируются антипараллельно, но моменты различных подрешёток не равны, и, тем самым, результирующий момент не равен нулю.

Ферромагнетики — вещества, в которых ниже определённой критической температуры (точки Кюри) устанавливается дальний ферромагнитный порядок магнитных моментов атомов или ионов (в неметаллических кристаллах) или моментов коллективизированных электронов (в металлических кристаллах). Иными словами, ферромагнетик — такое вещество, которое при температуре ниже точки Кюри, способно обладать намагниченностью в отсутствие внешнего магнитного поля.

В ферромагнитных веществах магнитные моменты атомов ориентируются в направлении, которое совпадает с направлением внешнего магнитного поля — в этом они подобны парамагнетикам, но в отличие от парамагнетиков, магнитная ориентация атомов довольно сильная — в результате ферромагнетики могут усиливать внешнее поле во много раз. Более того, магнитная упорядоченность (ориентация) атомов ферромагнетиков сохраняется и после снятия внешнего магнитного поля. Возникает т.н. постоянный магнит.

Магнитными свойствами обладает и целый ряд сплавов, в том числе и те, которые не содержат в своем составе ферромагнитных металлов, например, сплав Гейслера состоит из двух парамагнетиков — марганца и алюминия и одного диамагнетика — меди. Данный сплав обладает сильными ферромагнитными свойствами. Другой пример — сплав сильманал (марганец, серебро и алюминий).

В настоящее время наиболее перспективны магниты, которые состоят из сплавов редкоземельных элементов — самария, неодима и празеодима с кобальтом и железом. Такие магниты гораздо сильнее привычных магнитов на основе железа.

Антиферромагнемтик, вещество, в котором спонтанно устанавливается антипараллельная ориентация элементарных магнитных моментов атомов или ионов Для антиферромагнетиков характерны небольшие значения магнитной восприимчивости, сильно зависящие от температуры. При нагревании антиферромагнетик испытывает фазовый переход в парамагнитное состояние при температуре ТN — так называемой точке Нееля. В интервале температур ниже точки Нееля в большинстве случаев вещество остается антиферромагнетиком.

Первыми соединениями, в которых был обнаружен антиферромагнетизм, были слоистые хлориды Fe, Co и Ni. На зависимость теплоемкости этих веществ от температуры был обнаружен максимум, характерный для фазового перехода второго рода — магнитного фазового перехода Антиферромагнетиками являются хром, марганец, ряд редкоземельных элементов (Ce, Nd, Sm, Nm и др.). Известно более тысячи соединений, обладающих антиферромагнитными свойствами. Простейшие химические соединения на основе металлов переходной группы типа оксидов, галогенидов, сульфидов, фторидов, сульфатов, карбонатов и т. п. также являются типичными антиферромагнетиками.

Типичными представителями кристаллов с простой антиферромагнитной структурой являются оксиды переходных металлов. В качестве примера структуры антиферромагнетика обычно приводят магнитную структуру оксида марганца, кристаллизующегося в решетке NaCl (см. Структурные типы кристаллов). Магнитоактивные ионы марганца в этой структуре образуют две кубические подрешетки с противоположно направленными магнитными моментами, вставленные друг в друга. В структуре антиферромагнетика суммарная намагниченность кристалла отсутствует, так как магнитные моменты атомов взаимно компенсируются. Макроскопический суммарный момент единицы объема ISмагнитной элементарной ячейки такой структуры равен нулю. К антиферромагнетикам принадлежит твердый кислород (б-модификация, существующая при Т Антиферромагнетизм обнаружен в некоторых полупроводниках (халькогениды Mn, Cr, Eu и Gd). Интересные свойства проявляют антиферромагнитные редкоземельные ферриты-гранаты, в которых ионы железа замещены алюминием и галлием (Dy3Al5O12 и Dy3Ga5O12). В них наблюдаются трансформации антиферромагнитной структуры при действии магнитного поля. Эти соединения представляют интерес в качестве магнитных хладоагентов для получения низких температур методом магнитного охлаждения в магнитных холодильных машинах.

В основном антиферромагнетики пока еще не находят практического применения. Однако изучение физических свойств антиферромагнетиков играет большую роль в современном развитии физики магнитных явлений и особенно теории фазовых переходов и исследований свойств однои двухмерных магнитных структур.

1.2 Фазовые переходы второго рода ФАЗОВЫЕ ПЕРЕХОДЫ (фазовые превращения), переходы вещества из одной фазы в другую, происходящие при изменении температуры, давления или под действием каких-либо других внешних факторов, например, магнитных или электрических полей.

Фазовые переходы второго рода — фазовые переходы, при которых вторые производные термодинамических потенциалов по давлению и температуре изменяются скачкообразно, тогда как их первые производные изменяются постепенно. Отсюда следует, в частности, что энергия и объём вещества при фазовом переходе второго рода не изменяются, но изменяются его теплоёмкость, сжимаемость, различные восприимчивости и т. д.

Фазовые переходы второго рода сопровождаются изменением симметрии вещества. Изменение симметрии может быть связано со смещением атомов определённого типа в кристаллической решётке, либо с изменением упорядоченности вещества.

В большинстве случаев, фаза, обладающая большей симметрией (т. е. включающей в себя все симметрии другой фазы), соответствует более высоким температурам, но существуют и исключения. Например, при переходе через нижнюю точку Кюри в сегнетовой соли, фаза, соответствующая меньшей температуре, обладает ромбической симметрией, в то время как фаза, соответствующая большей температуре, обладает моноклинной симметрией.

Для количественной характеристики симметрии при фазовом переходе второго рода вводится параметр порядка, принимающий отличные от нуля значения в фазе с большей симметрией, и тождественно равный нулю в неупорядоченной фазе.

1.3 Температура Кюри температура кюри магнитный поле Температура Кюри, — температура фазового перехода II рода, связанного со скачкообразным изменением свойств симметрии вещества (например, магнитной — в ферромагнетиках, электрической — всегнетоэлектриках, кристаллохимической — в упорядоченных сплавах). Названа по имени П. Кюри. При температуре ниже точки Кюри ферромагнетики обладают самопроизвольной (спонтанной) намагниченностью и определённой магнитно-кристаллической симметрией. В точке Кюри () интенсивность теплового движения атомов ферромагнетика оказывается достаточной для разрушения его самопроизвольной намагниченности («магнитного порядка») и изменения симметрии, в результате ферромагнетик становится парамагнетиком. Аналогично у антиферромагнетиков при (в так называемой антиферромагнитной точке Кюри или точке Нееля) происходит разрушение характерной для них магнитной структуры (магнитных подрешёток), и антиферромагнетики становятся парамагнетиками. Всегнетоэлектриках и антисегнетоэлектриках при тепловое движение атомов сводит к нулю самопроизвольную упорядоченную ориентацию электрических диполей элементарных ячеек кристаллической решётки. В упорядоченных сплавах в точке Кюри (её называют в случае сплавов также точкой Курнакова) степень дальнего порядка в расположении атомов (ионов) компонентов сплава становится равной нулю.

Таким образом, во всех случаях фазовых переходов II рода (типа точки Кюри) при в веществе происходит исчезновение того или иного вида атомного «порядка» (упорядоченной ориентации магнитных или электрических моментов, дальнего порядка в распределении атомов по узлам кристаллической решётки в сплавах и т. п.). Вблизи точки Кюри в веществе происходят специфические изменения многих физических свойств (например, теплоёмкости, магнитной восприимчивости и др.), достигающие максимума при, что обычно и используется для точного определения температуры фазового перехода.

Численные значения температуры Кюри приводятся в специальных справочниках.

Температуру Кюри можно определить по температурной зависимости намагниченности, применяя экстраполяцию крутой части зависимости к оси температур.

Поскольку измерение намагниченности образца на магнитометре происходит в довольно сильном внешнем магнитном поле, то в районе точки Кюри происходит размазывание перехода ферромагнетик-парамагнетик благодаря увеличению роста парапроцесса с ростом температуры.

1.4 Методы определения температуры Кюри Ниже перечислены относительно простые и хорошо известные

1)по максимуму температурного коэффициента электрического сопротивления

2) по максимуму отрицательного гальваномагнитного эффекта (обусловленного пропорцеональноастью) R)

3) по исчезновению спонтанной намагниченности M (T), или по минимуму зависимости производной dM/dT

4) по обращению в нуль начальной проницаемости

5)из изотермических измерений теплоемкости Cmagn (T) в нулевом и ненулевом магнитном полях. В точке Кюри наблюдается максимум производной теплоемкости В данной работе представлен метод определения точки Кюри, использующий эффект возрастания восприимчивости в слабых магнитных полях с ростом температуры. Поведение восприимчивости ч в районе точки Кюри описывается, согласно существующим теориям, в виде:

ч ~ г (T — TC)-1 (1)

где г может изменяться в пределах от 1,26 до 1,4, Из (1) следует, что при Т > ТС величина ч> 0. Максимум зависимости ч = ч (T) резко выражен только для чистых ферромагнитных веществ. В материалах неоднородных, содержащих структурные несовершенства, примеси, кривая ч = ч (T) имеет в районе ТС размытую форму. Для ферримагнетиков, вследствие взаимного влияния неэквивалентных магнитных подрешеток, максимум ч выражен менее отчетливо по сравнению с ферромагнетиками. В этом случае за точку Кюри целесообразно принимать температуру, соответствующую точке пересечения прямых, которые аппроксимируют восходящий и нисходящий участок на зависимости в районе ТС.

В методе Белова-Горяги используется разложение Ландау термодинамического потенциала Ц в ряд по степеням намагниченности с соответствующим коэффициентом при каждой степени.

(2)

В состояние термодинамического равновесия Используются приведённые значения

(3)

Где M0 намагниченность насыщения, TC температура Кюри соотношение (2) преобразуется к виду

(4)

Коэффициенты в правой части соотношения (3) являются функциями приведенной температуры и раскладываются в ряд Тейлора в окрестности температуры Кюри, то есть при ф=1.

(5)

Коэффициент a может быть определен из изотермических полевых зависимостей намагниченности, и, так как при T? TC a=0, данное свойство может быть использовано для определения температуры Кюри.

ГЛАВА 2. Экспериментальная часть Определение температуры Кюри марганец-цинкового феррита проводилось по температурной зависимости динамической восприимчивости в слабых полях.

2.1 Установка для определения точки Кюри Блок-схема установки изображена на рис 2.1. Образец помещается в измерительную секцию (рис. 2). Основным узлом секции является воздушный трансформатор, состоящий из двух обмоток, намотанных на соосные стеклянные трубки диаметром 10 мм и 6 мм. На внутренней трубке расположена первичная обмотка, а на внешней — две встречно включенных одинаковых вторичных обмотки. Во внутренней трубке закреплена термопара. На первичную обмотку трансформатора подается от генератора типа ГЗ-112 напряжение частотой 1000 Гц. В отсутствии образца вследствие эквивалентности встречно включенных катушек напряжение на вторичной обмотке равно нулю.

Рис. 2.1. Блок-схема установки.

Электропечь. 2. Первичная обмотка. 3. Образец.4. Термопара. 5. Вторичная обмотка.

Рис. 2.2 Конструкция измерительной ячейки.

Образец. 2. Стеклянная трубка с первичной обмоткой. 3. Стеклянная трубка с вторичной обмоткой. 4. Термопара.

Внесение образца в центр одной из вторичных обмоток вызывает появление на выходе трансформаторе сигнала, пропорционального восприимчивости начальной проницаемости образца. Так как магнитное поле, создаваемое первичной обмоткой трансформатора, невелико (0,1 — 1,0 А/м), то можно считать, что выходной сигнал пропорционален начальной восприимчивости (проницаемости) образца. Выходной сигнал регистрируется резонансным измерительным усилителем типа УПИ-1. Измерение температуры образца осуществляется с помощью термопары, которая соприкасается с образцом. ЭДС термопары измеряется с помощью микровольтметра В7−21А. Нагрев образца осуществляется с помощью электропечи, подключенной к источнику питания. Тепловой режим подбирается таким образом, чтобы обеспечить необходимую точность и скорость измерений. При этом размеры образца должны быть достаточно малы (1 — 2 мм), чтобы температура внутри него была практически равной температуре, измеряемой спаем термопары. Критерием правильности теплового режима (скорость нагрева, размеры образца) является отсутствие совпадения значения ТС, полученных при нагреве и охлаждении образца.

2.2 Измерение температуры Кюри Проведены измерения температурной зависимости магнитной восприимчевости марганец-цинкового феррита в слабых полях. Температура внутри печи измерялась с помощью термопары медь — константан (сплав 60% Cu-40%Ni) при температуре свободных концов 0 г С. Измерения магнитной восприимчивости проводились в интервале температур 20 °C до 400 °C.

График температурной зависимости магнитной восприимчивости рис2.3 получен с использованием программы GetData Graph Digitizer

Для этого, график полученный на самописце был отсканирован и в и переведён в формат jpg. Далее с помощью программы GetData Graph Digitizer были выбраны оси и на осях были выбраны минимумы и максимумы, после чего полученные данные были экспортированы в программу microsoft office excel, где в дальнейшем и происходила обработка и построение графика.

Рис. 2.3. Температурная зависимость магнитной восприимчевости.

Точке Кюри соответствует участок графика с максимальным наклоном касательной к кривой. На основе измерений была определена температура Кюри марганеццинкового феррита, она составила 196 °C .

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной работе были кратко описаны свойства ферромагнетиков, ферримагнетиков, антиферромагнетиков, и явление фазовых переходов второго рода, и способы нахождения температуры Кюри.

В работе представлены экспериментальные результаты измерений температуры Кюри марганец-цинкового феррита. В ходе эксперимента был использован метод определения точки Кюри по температурной зависимости восприимчивости в слабых полях. Измерения проводились в интервале температур от 20 °C до 400 °C. График температурной зависимости магнитной восприимчивости был получен с использованием программы GetData. На основе измерений была определена температура Кюри марганеццинкового феррита, она составила 196 °C .

1. Мишин Д. Д. Магнитные материалы. М. Высшая школа, 1981 г.

2. Чечерников В. И. Магнитные измерения изд-во МГУ, 1969 г.

3. Смит. Я и Вейц. ХФерриты Изд-во и Иностранной литературы1962г.

4. ru.wiktionary.org

5. Методические рекомендации по написанию, оформлению и защите курсовых и квалификационных (выпускных, дипломных, магистерских) работ Симферополь 2001

6. К. П. Белов, Магнитные превращения, Физматгиз", М, 1959.

7. К. П. Белов, А. И. Горяга ФММ, 2. № 1, 3, 1956.

8. Смарт.Д. Эффективное поле в теории магнетизма, Мир. М, 1968.

9. Крупичка, С. Физика ферритов и родственных им магнитных окислов, том 1, Мир, М, 1976. Гл. 3 § 5.