Находящийся на орбите и вращающийся вокруг атомного ядра электрон, подобно контуру с током, создаёт в окружающем пространстве магнитное поле, величина и направление которого определяются магнитным моментом контура pm=ISn, где I – сила тока, S – площадь, которую охватывает контур, n – единичный вектор нормали к плоскости контура. Момент pm называется орбитальным магнитным моментом.
Кроме орбитального, у электрона есть собственный, или спиновый магнитный момент, не зависящий от местоположения или характера движения этой частицы.
Магнитный момент атома (молекулы) представляет собой векторную сумму орбитальных и спиновых магнитных моментов всех электронов. От того, как ведут себя магнитные моменты отдельных атомов (молекул), зависят магнитные свойства всего вещества, его намагниченность. Намагниченность J – это магнитный момент единицы объема вещества. По этому признаку вещества разделяют на диа-, пара- и ферромагнетики.
У диамагнетиков и парамагнетиков магнитные свойства определяются отсутствием или наличием у атомов магнитного момента. В диамагнетиках магнитный момент атомов равен нулю при отсутствии внешнего магнитного поля и появляется только при его включении. В соответствии с законом Ленца, он направлен против этого поля. В парамагнетиках магнитные моменты атомов, существовавшие и в отсутствии поля, в магнитном поле ориентируются преимущественно в направлении вектора магнитной индукции B этого поля. Диа- и парамагнетики – это слабомагнитные вещества, их магнитная проницаемость μ ≈ 1.
Сильными магнитными свойствами обладают ферромагнетики (μ>>1). Они могут быть намагничены даже в отсутствие внешнего магнитного поля. Из химически чистых металлов ферромагнитными свойствами обладают железо, никель, кобальт, гадолиний. Ферромагнитны также различные сплавы на основе этих металлов и некоторые соединения, например, MnBi, FeNi и другие.
Ферромагнетизм возникает благодаря так называемому обменному взаимодействию, в котором участвуют электроны недостроенных внутренних электронных оболочек атомов некоторых кристаллических тел. Причины возникновения этого взаимодействия объясняются квантовой механикой. При определенных условиях обменное взаимодействие делает энергетически выгодной параллельную ориентацию спиновых магнитных моментов электронов соседних атомов, благодаря чему образуются области самопроизвольной намагниченности – домены. Обычно размеры доменов 10-3 – 10-2 см.
В отсутствие внешнего магнитного поля домены в размагниченном образце располагаются таким образом, что результирующая намагниченность образца равна нулю (рис. 1). Стрелки на рисунке указывают направление вектора намагниченности J в пределах домена. Такое состояние отвечает минимальной магнитной энергии ферромагнетика.
Тепловое движение атомов вещества мешает согласованной ориентации спиновых моментов электронов в доменах, и тем больше, чем выше температура. Поэтому с ростом температуры самопроизвольная намагниченность уменьшается. При достижении некоторой температуры, называемой точкой Кюри, доменная структура разрушается, и ферромагнетик полностью утрачивает самопроизвольную намагниченность, превращаясь в парамагнетик. Зависимость спонтанной намагниченности ферромагнетика от температуры показана на рис. 2, где J/Jнас – относительная намагниченность, Jнас – максимально возможная намагниченность, то есть намагниченность насыщения, Tс – температура, или точка Кюри.
Металл |
Гадолиний |
Никель |
Железо |
Кобальт |
Точка Кюри, К |
289 |
631 |
1043 |
1400 |
Схема установки для определения точки Кюри изображена на рис. 3. Установка представляет собой трансформатор Тр2 с ферромагнитным сердечником. Его первичная обмотка W1 через другой, понижающий трансформатор Тр1 подключена к сети переменного тока 220 В через тумблер П1 («Питание»). С помощью обмотки W1 – «Обмотка возбуждения» - в сердечнике создается переменный магнитный поток Ф, изменяющийся по гармоническому закону. В цепь вторичной обмотки W2 включен прибор Пр2, по показаниям которого можно судить о магнитном состоянии материала сердечника.
В используемом трансформаторе часть сердечника вырезана и в место разрыва вмонтирована электропечь 3, в которой размещают исследуемый образец 1 из ферромагнитного материала. Печь питается постоянным током, чтобы не оказывать влияния на величину э.д.с. во вторичной обмотке. Для этого используется выпрямительный блок 2. Мощность печи регулируется реостатом 4 (ручка «Температура»), что позволяет добиваться стабильного теплового режима образца. Температура образца измеряется термопарой 5, подсоединенной к прибору Пр1. Пока образец находиться в ферромагнитном состоянии, он замыкает магнитную цепь сердечника. При нагревании образца до температур, превышающих точку Кюри, его магнитная проницаемость уменьшается на несколько порядков. Так же сильно уменьшается и магнитный поток через сердечник. Магнитная цепь разрывается.
Рис. 3. Схема лабораторной установки:
Тр1 – понижающий трансформатор, Тр2 – основной трансформатор,
W1 и W2 – обмотки основного трансформатора
Действительно, если замкнутый магнитный контур состоит из двух частей с разными магнитными свойствами, то величина магнитного потока Ф определяется выражением:
(1)
где Li, si и μi – значения длины, площади поперечного сечения и магнитной проницаемости ненагреваемой (i = 1) и нагреваемой (i = 2) частей сердечника трансформатора; I и N – сила тока и число витков в обмотке возбуждения; μ0 – магнитная постоянная.
Из формулы (1) следует:
Сравнивая потоки Ф1 и Ф2, получим, что Ф2/Ф1 ≈ (μ2L1) / (μ1L2) ~ μ2/μ1, то есть Ф2<<Ф1.
Метод определения точки Кюри основан на зависимости э.д.с. индукции во вторичной обмотке трансформатора от магнитного состояния сердечника, а именно, той его части, которой является образец из ферромагнитного вещества.
Согласно закону Фарадея, э.д.с. электромагнитной индукции εi пропорциональна скорости изменения магнитного потока:
εi = -dФ/dt (2)
В случае переменного тока I = I0cosωt изменение магнитного потока во времени также удовлетворяет гармоническому закону, поскольку согласно формуле (1) Ф ~ I. Тогда магнитный поток можно представить как Ф = Ф0cosωt и dФ/dt = -Ф0ωsinωt. Теперь из формулы (2) следует:
Таким образом, амплитуда Ф0ω э.д.с. индукции εi во вторичной обмотке W2 трансформатора Тр2 пропорциональна амплитуде магнитного потока Ф0 в сердечнике. Это свойство трансформатора и используется в установке для определения точки Кюри. Если из-за изменения магнитных свойств сердечника уменьшается амплитуда магнитного потока, то уменьшается также и значение э.д.с. во вторичной обмотке трансформатора.
В лабораторной работе находят зависимость напряжения U2 на вторичной обмотке W2 трансформатора от температуры исследуемого образца. Ток, пропорциональный этому напряжению, измеряется прибором Пр2.
Температуру образца t определяют с помощью термопары, э.д.с. которой U1 измеряется цифровым милливольтметром (Пр1). Связь между значениями U1 и температурой t дается соотношением
где коэффициент пропорциональности κ = 24,4 град/мВ; tк – комнатная температура, ˚С; U1 – показания прибора Пр1 в мВ.
Образец №1 | ||||||||||
U1, мВ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
U2, число делений шкалы |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Образец №2 | ||||||||||
U1, мВ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
U2, число делений шкалы |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Образец |
U1c, мВ |
tc, °C |
Tc, К |
1 |
|
|
|
2 |
|
|
|
Pm = ISn – магнитный момент контура, Pm – орбитальный магнитный момент, I – сила тока, S – площадь, которую охватывает контур, n – единичный вектор нормали к плоскости контура, J – намагниченность (это магнитный момент единицы объема вещества), В – вектор магнитной индукции поля, μ – магнитная проницаемость, H – вектор напряженности внешнего магнитного поля, Ф – магнитный поток, εi – э.д.с. электромагнитной индукции.
Находящийся на орбите и вращающийся вокруг атомного ядра электрон, подобно контуру с током, создаёт в окружающем пространстве магнитное поле, величина и направление которого определяются магнитным моментом контура pm=ISn, где I – сила тока, S – площадь, которую охватывает контур, n – единичный вектор нормали к плоскости контура.
Момент pm называется орбитальным магнитным моментом. Кроме орбитального, у электрона есть собственный, или спиновый магнитный момент, не зависящий от местоположения или характера движения этой частицы.
Ферромагнетизм возникает благодаря так называемому обменному взаимодействию, в котором участвуют электроны недостроенных внутренних электронных оболочек атомов некоторых кристаллических тел. Причины возникновения этого взаимодействия объясняются квантовой механикой. Магнитный момент атома (молекулы) представляет собой векторную сумму орбитальных и спиновых магнитных моментов всех электронов. От того, как ведут себя магнитные моменты отдельных атомов (молекул), зависят магнитные свойства всего вещества, его намагниченность. Намагниченность J – это магнитный момент единицы объема вещества. По этому признаку вещества разделяют на диа-, пара- и ферромагнетики.
У диамагнетиков и парамагнетиков магнитные свойства определяются отсутствием или наличием у атомов магнитного момента. В диамагнетиках магнитный момент атомов равен нулю при отсутствии внешнего магнитного поля и появляется только при его включении. В соответствии с законом Ленца, он направлен против этого поля. В парамагнетиках магнитные моменты атомов, существовавшие и в отсутствии поля, в магнитном поле ориентируются преимущественно в направлении вектора магнитной индукции B этого поля. Диа- и парамагнетики – это слабомагнитные вещества, их магнитная проницаемость μ ≈ 1.
Сильными магнитными свойствами обладают ферромагнетики (μ>>1). Они могут быть намагничены даже в отсутствие внешнего магнитного поля. Из химически чистых металлов ферромагнитными свойствами обладают железо, Ферромагнитны также различные сплавы на основе этих металлов и некоторые соединения, например, MnBi, FeNi и другие.
Тепловое движение атомов вещества мешает согласованной ориентации спиновых моментов электронов в доменах, и тем больше, чем выше температура. Поэтому с ростом температуры самопроизвольная намагниченность уменьшается. При достижении некоторой температуры, называемой точкой Кюри, доменная структура разрушается, и ферромагнетик полностью утрачивает самопроизвольную намагниченность, превращаясь в парамагнетик. Зависимость спонтанной намагниченности ферромагнетика от температуры показана на рис. 2, где J/Jнас – относительная намагниченность, Jнас – максимально возможная намагниченность, то есть намагниченность насыщения, Tс – температура, или точка Кюри.
Согласно закону Фарадея, э.д.с. электромагнитной индукции εi пропорциональна скорости изменения магнитного потока:
εi = -dФ/dt
7.
Метод определения точки Кюри основан на зависимости э.д.с. индукции во вторичной обмотке трансформатора от магнитного состояния сердечника, а именно, той его части, которой является образец из ферромагнитного вещества.
Согласно закону Фарадея, э.д.с. электромагнитной индукции εi пропорциональна скорости изменения магнитного потока:
εi = -dФ/dt (2)
В случае переменного тока I = I0cosωt изменение магнитного потока во времени также удовлетворяет гармоническому закону, поскольку согласно формуле Ф ~ I. Тогда магнитный поток можно представить как Ф = Ф0cosωt и dФ/dt = -Ф0ωsinωt. Теперь из формулы (2) следует:
εi = Ф0ωsinωt (3)
Таким образом, амплитуда Ф0ω э.д.с. индукции εi во вторичной обмотке W2 трансформатора Тр2 пропорциональна амплитуде магнитного потока Ф0 в сердечнике. Это свойство трансформатора и используется в установке для определения точки Кюри. Если из-за изменения магнитных свойств сердечника уменьшается амплитуда магнитного потока, то уменьшается также и значение э.д.с. во вторичной обмотке трансформатора.
14 12 2014
1 стр.
14 12 2014
1 стр.
14 12 2014
1 стр.
18 12 2014
1 стр.
16 12 2014
1 стр.
17 12 2014
1 стр.
24 09 2014
1 стр.
12 09 2014
1 стр.