Politechnika Śląska

Wydział AEiI

Kierunek AiR

Ćwiczenia laboratoryjne z fizyki:

Wyznaczanie temperatury Curie dla ferrytów.

                                                                                                 Grupa IV, sekcja 3

                                                                                                   1.Szymon Ciupa

                                                                                                   2.Adam Filipek

Gliwice, 09.04.1999

1. Wstęp teoretyczny:

      Ferryty to związki chemiczne zawierające w swojej strukturze metale dwuwartościowe, np. mangan, cynk, magnez. Ich cechą charakterystyczną jest duża oporność właściwa, co pozwala na budowę rdzeni magnetycznych o małych stratach związanych z prądami wirowymi. Własności elektryczne większości ferrytów pozwalają na zakwalifikowanie ich do grupy półprzewodników. Własności magnetyczne zależą do momentów magnetycznych jonów i ich wzajemnego oddziaływania. Rozróżnia się trzy grupy materiałów o własnościach magnetycznych: ferromagnetyki, antyferromagnetyki i ferrimagnetyki.

      Ferromagnetyki są to związki, które nawet pod wpływem słabego pola magnetycznego w silnym stopniu ulegają namagnesowaniu. Ferromagnetyki, tym różnią się od dia - i paramagnetyków, że stan namagnesowania jest długo zachowywany nawet po przerwaniu działania zewnętrznego pola magnetycznego. Ciała ferromagnetyczne składają się z atomów mających własne momenty magnetyczne, między którymi w małych obszarach spontanicznego namagnesowania istnieje oddziaływanie porządkujące kierunki momentów magnetycznych atomów. Są one w tym obszarze mikroskopowym ustawione  równolegle w określonym kierunku. Takie właśnie obszary spontanicznego namagnesowania noszą nazwę domen. W stanie naturalnym większość ciał ferromagnetycznych nie wykazuje trwałego magnetyzmu. Wielka liczba domen nie wykazuje uporządkowania w całym ferromagnetyku. Dopiero po umieszczeniu takiej substancji w zewnętrznym polu magnetycznym następuje zmiana kierunku magnetycznych momentów poszczególnych domen, wskutek czego namagnesowanie całego ciała wzrasta. Uporządkowanie spinowych momentów magnetycznych w obszarach wewnątrz-domenowych maleje ze wzrostem temperatury i znika całkowicie w temperaturze zwanej temperaturą Curie (Tc). W ferromagnetykach poniżej temp. Curie momenty magnetyczne ustawiają się równolegle do siebie, a zwroty są zgodne. Powyżej temp. Curie intensywne ruchy cieplne zaburzają to uporządkowanie i ferromagnetyk przechodzi w stan paramagnetyczny. Zależność podatności magnetycznej ferromagnetyków od temperatury w zakresie słabych pól opisuje prawo Curie:

gdzie: N – koncentracja cząsteczek,  kb - stała Boltzmana, T - temperatura, C - stała Curie.

W ogólnym przypadku zależność podatności magnetycznej od temperatury opisuje tzw. prawo Curie - Weissa:

.

2. Schemat układu i opis doświadczenia:

W celu przeprowadzenia doświadczenia zmontowano układ pomiarowy według następującego schematu:

Konstrukcja układu pomiarowego jest następująca. Na rurze ze szkła kwarcowego nawinięto transformator. Wewnątrz rury umieszczono badany, cylindryczny rdzeń ferrytowy. W kontakcie z rdzeniem znajduje się złącze termopary, której drugi koniec posiada temperaturę otoczenia. Prąd płynący w uzwojeniu pierwotnym powoduje powstawanie prądów wirowych wewnątrz rdzenia i jego nagrzewanie się. Ferryt otoczony jest płaszczem izolacyjnym. Temperaturę rdzenia można określić z krzywej cechowania termopary mierząc siłę termoelektryczną miliwoltomierzem.

Celem ćwiczenia było wyznaczenie temperatury Curie dla wspomnianego rdzenia ferrytowego. Skorzystano z faktu, że dla temperatury Curie następuje gwałtowny spadek przenikalności magnetycznej rdzenia i natężenie prądu płynącego w uzwojeniu wtórnym transformatora gwałtownie spada. W związku z tym podczas doświadczenia dokonano pomiaru natężenia wspomnianego prądu. Pomiarów dokonywano w jednominutowych odstępach czasu i zakończono je, kiedy wartość natężenia prądu w uzwojeniu wtórnym spadła do 1/5 wartości początkowej. Uzyskane wyniki doświadczenia dostępne są w dalszej części sprawozdania.

3. Tabele pomiarowe, obliczenia i analiza błędów:

Błędy poszczególnych mierników  obliczamy z następującej zależności:    

I tak do poszczególnych mierników:

-   Woltomierz:

-         Mikroamperomierz:

-         Miliwoltomierz:

- zakres 2 [mV] (t = 1 ¸ 2)

     - zakres 5 [mV] (t = 3 ¸ 15)

     - zakres 10 [mV] (t = 16 ¸ 20)

Cechowanie termopary: