Badanie właściwości magnetyczne ciał stałych

Transkrypt

1 CLF I Ćw. N 20 Badanie właściwości magnetycznych ciał stałych. Wydział Fizyki P.W. Badanie właściwości magnetyczne ciał stałych I. Wpowadzenie teoetyczne 1. Źódła pola magnetycznego W ogólnym pzypadku źódłami pola magnetycznego są pouszające się ładunki mogą to być nie tylko pojedyncze cząstki, ale także naładowane ciała i pzewodniki z pądem. Wielkością mikoskopową chaakteyzującą źódło pola magnetycznego pod względem ilościowym jest moment magnetyczny. Jest to wielkość wektoowa, któej sposób wyznaczenia zależy od odzaju źódła pola magnetycznego. Na pzykład, dla amki wykonanej z dutu, w któym płynie pąd o natężeniu I, i zamykającego powiezchnię A moment magnetyczny ma watość: n - wekto nomalny do powiezchni A. μ = IAn Ponieważ elekton pouszający się po obicie w atomie jest ównoważny obwodowi zamkniętemu z pądem, możemy napisać, jest on ównież źódłem pola magnetycznego o momencie magnetycznym: μ = e eνan e - ładunek elementany elektonu, ν - ładunek elementany elektonu, Α - powiezchnia obity, n - wekto nomalny do powiezchni obity. Moment magnetyczny jest wielkością wektoową i podlega wszelkim egułom achunku wektoowego momenty magnetyczne pochodzące od óżnych źódeł mogą się sumować, a więc w szczególnych pzypadkach także znosić. Opisując badaną póbkę na poziomie Tylko do użytku wewnętznego. 1

2 CLF I Ćw. N 20 Badanie właściwości magnetycznych ciał stałych. Wydział Fizyki P.W. makoskopowym podaje się zazwyczaj inną wielkość wektoową zwaną magnetyzacją lub namagnesowaniem: J 1 = ΔV n i i= 1 Δ V - objętość elementu, w któym sumowane są poszczególne momenty magnetyczne, n - liczba sumowanych momentów magnetycznych, μ - elementany moment magnetyczny (cząsteczki, atomu, itp.). i 2. Siła Loentza wektoy indukcji magnetycznej i natężenia pola magnetycznego Badając pole magnetyczne odkyto, że na cząstki naładowane pouszające się w tym polu działa siła, któą nazwano siłą Loentza. Siła ta jest zawsze postopadła do wektoa pędkości cząstki, w wyniku czego nie może ona zmienić enegii cząstki, ale zakzywia jej to uchu. Siła ta jest ównież skieowana postopadle do linii pola magnetycznego. Szczegółowe badania wykazały, że stosunek siły do ładunku jest ówny iloczynowi wektoowemu pędkości cząstki i pewnego wektoa B, chaakteystycznego dla badanego pola, któy nazwano wektoem indukcji magnetycznej: μ F q = v B Jednostką wektoa indukcji magnetycznej jest tesla [1 T = N / (C m/s)]. Wekto indukcji magnetycznej jest wielkością zależną od magnetycznych ośodka i związany jest z wektoem natężenia pola magnetycznego następującą elacją: B = μ 0 μ H μ - pzenikalność magnetyczna póżni, 0 μ - względna pzenikalność magnetyczna ośodka. Tylko do użytku wewnętznego. 2

3 CLF I Ćw. N 20 Badanie właściwości magnetycznych ciał stałych. Wydział Fizyki P.W. Pomiędzy dwoma wpowadzonymi tutaj wektoami a wspomnianym już wcześniej wektoem namagnesowania zachodzi następująca elacja: B = μ H + 0 μ 0 J 3. Klasyfikacja substancji ze względu na właściwości magnetyczne Ze względu na właściwości magnetyczne substancje występujące w pzyodzie można podzielić na tzy podstawowe kategoie: diamagnetyki, paamagnetyki i feomagnetyki. Diamagnetyki są substancjami zbudowanymi z atomów piewiastków nie posiadających własnego momentu magnetycznego. Właściwość ta jest skutkiem znoszenia się pól magnetycznych pochodzących od poszczególnych elektonów na obitach (powłokach) atomowych tych piewiastków. W wyniku tego atomy diamagnetyka nie oddziałują pomiędzy sobą. Dopieo pzyłożenie zewnętznego pola magnetycznego powoduje powstanie efektywnych momentów magnetycznych atomów diamagnetyka. Substancje paamagnetyczne zbudowane są z atomów posiadających własne momenty magnetyczne. Jednak ich kieunki, na skutek wzbudzeń tempeatuowych są całkowicie pzypadkowe i zmienne w czasie. W wyniku tego w paamagnetyku pzy baku zewnętznego pola nie obsewuje się globalnego upoządkowania. Obniżenie tempeatuy lub pzyłożenie odpowiednio silnego pola zewnętznego umożliwia upoządkowanie się układu, czyli pzejście póbki do fazy feomagnetycznej. Diamagnetyk Paamagnetyk Feomagnetyk Tylko do użytku wewnętznego. 3

4 CLF I Ćw. N 20 Badanie właściwości magnetycznych ciał stałych. Wydział Fizyki P.W. J = 0 J = 0 J 0 μ e = 0 μ e 0 μ e 0 Rysunek 1. Podstawowa klasyfikacja układów magnetycznych Z fizycznego punktu widzenia szczególnie inteesującymi układami są feomagnetyki. Tak jak paamagnetyki, są to substancje zbudowane z atomów o niezeowych momentach magnetycznych zwanych w uposzczeniu spinami (S). Właściwości feomagnetyczne (w tempeatuach poniżej 1000 K) wykazują, między innymi, takie piewiastki jak żelazo, kobalt i nikiel. Chaakteystyczną właściwością feomagnetyków jest istnienie wewnętznego pola magnetycznego poządkującego spiny. Zjawisko to objawia się w postaci niezeowego namagnesowania póbek feomagnetyka. Z piewszych oszacowań pzepowadzonych na początku XX wieku pzez P. Weissa wynikało, że wewnętzne pole magnetyczne poządkujące spiny i wywołujące potwiedzone pomiaami namagnesowanie musi mieć olbzymią watość zędu 10 7 Oe. Obecności tak silnego pola nie potafiono wyjaśnić na guncie fizyki klasycznej. Zobił to dopieo po kilkunastu latach W. Heisenbeg, któy zapoponował model uwzględniający założenia mechaniki kwantowej. 4. Tempeatua Cuie Tak jak już zostało wspomniane, istnienie fazy feomagnetycznej zależy nie tylko od oddziaływań wymiennych, ale także od tempeatuy. Fluktuacje temiczne mają bowiem destukcyjny wpływ na upoządkowaną stuktuę feomagnetyka. W odpowiednio wysokiej tempeatuze kytycznej (np. dla żelaza T c =1043K), zwanej tempeatuą Cuie, fluktuacje stają się na tyle silne, że oddziaływania wymienne nie są już w stanie utzymać upoządkowania układu, globalne namagnesowanie póbki zanika, a układ pzechodzi do fazy paamagnetycznej. Należy podkeślić, że tempeatua nie niszczy atomowych momentów magnetycznych, ale ich wzajemne upoządkowanie dgania spinów w czasie stają się całkowicie pzypadkowe. Pzejście układu ze stanu feomagnetycznego do paamagnetycznego jest pzejściem fazowym dugiego odzaju. Tylko do użytku wewnętznego. 4

5 CLF I Ćw. N 20 Badanie właściwości magnetycznych ciał stałych. Wydział Fizyki P.W. Rysunek 2. Pzejście z fazy feo- do paamagnetycznej 5. Pawo Cuie-Weissa, podatność magnetyczna Wielkością chaakteyzującą eakcję póbki paamagnetyka na obecność pola magnetycznego nazywamy podatnością: χ = J - watość wektoa namagnesowania póbki, H - watość wektoa natężenia pola magnetycznego wywołującego to namagnesowanie. Zależność odwotności podatności od tempeatuy po az piewszy wyznaczył P. Cuie. Jej pzebieg pokazany jest na ysunku 3. J H Rysunek 3. Zależność odwotności podatności od tempeatuy (pawo Cuie-Weissa) Poniżej tempeatuy kytycznej podatność ośnie do nieskończoności i układ poządkuje się spontanicznie (pzechodzi do fazy feomagnetycznej) nawet pzy baku zewnętznego pola magnetycznego. Tylko do użytku wewnętznego. 5

6 CLF I Ćw. N 20 Badanie właściwości magnetycznych ciał stałych. Wydział Fizyki P.W. 6. Zasada działania tansfomatoa W ogólnym pzypadku tansfomato jest uządzeniem do pzenoszenia enegii pądu zmiennego z jednego obwodu elektycznego do dugiego, w któym wykozystuje się zjawisko indukcji elektomagnetycznej. W celu uzyskania optymalnego spzężenia pomiędzy obwodami (uzwojeniami) w tansfomatoach stosuje się dzenie feytowe lub stalowe. Rysunek 4. Schemat tansfomatoa. W tempeatuze niższej od tempeatuy Cuie pole magnetyczne pochodzące od uzwojenia piewotnego tansfomatoa powoduje upoządkowanie domen magnetycznych w dzeniu, dzięki czemu istnieje silne spzężenie pomiędzy uzwojeniami tansfomatoa i w uzwojeniu wtónym indukowane jest napięcie popocjonalne do napięcia w uzwojeniu piewotnym i stosunku liczby zwojów w obu uzwojeniach (tzw. pzekładni). Podgzanie dzenia tansfomatoa powyżej tempeatuy Cuie powoduje zniszczenie upoządkowania domen magnetycznych i spzężenie pomiędzy zwojami maleje, czego potwiedzeniem jest spadek napięcia na uzwojeniu wtónym tansfomatoa. W ten sposób, badając zależność napięcia na uzwojeniu wtónym od tempeatuy dzenia można wyznaczyć tempeatuę Cuie. II. Opis apaatuy pomiaowej Wykozystywana w ekspeymencie apaatua jest pzedstawiona na ysunku 5. Podstawowym elementem układu pomiaowego jest cewka zaznaczona na ysunku jako A. Składa się ona z uzwojenia piewotnego CP, uzwojenia wtónego CW oaz dzenia-póbki z badanego mateiału feomagnetycznego. Tempeatuę póbki można zmieniać dzięki gzałce Tylko do użytku wewnętznego. 6

7 CLF I Ćw. N 20 Badanie właściwości magnetycznych ciał stałych. Wydział Fizyki P.W. G umieszczonej wewnątz cewki. Gzałka ta jest zasilana z pogamowalnego zasilacza C. Zmiany tempeatuy zostaną zaejestowane pzez temomet elektoniczny D. Zasada pomiau jest następująca: Geneato B wytwaza na uzwojeniu piewotnym cewki napięcie zmienne o amplitudzie około 0,5 V. Powoduje to zaindukowanie w uzwojeniu wtónym napięcia zmiennego o amplitudzie popocjonalnej do pzenikalności magnetycznej dzenia-póbki. Napięcie to jest miezone pzez woltomiez cyfowy E. Badając watość miezonego napięcia można zaobsewować jak zmieniają się własności magnetyczne dzenia w funkcji tempeatuy, a także wyznaczyć punkt pzejścia fazowego feomagnetyk paamagnetyk, co jest jednym z głównych celów opisywanego ćwiczenia. Rysunek 5. Schemat układu pomiaowego. Całość pocesu pomiaowego jest koodynowana pzez kompute F wyposażony w odpowiednie opogamowanie. Pozwala ono zaówno na steowanie ekspeymentem, akwizycję danych o tempeatuze i indukowanym napięciu jak i na wizualizację otzymanych wyników. Fotogafia całego układu pomiaowego jest pzedstawiona na ysunku 6. Tylko do użytku wewnętznego. 7

8 CLF I Ćw. N 20 Badanie właściwości magnetycznych ciał stałych. Wydział Fizyki P.W. Rysunek 6. Widok ogólny układu pomiaowego. Szczegółowy opis poszczególnych elementów steujących w oknie pogamu znajduje się na ysunku 7. Tylko do użytku wewnętznego. 8

9 CLF I Ćw. N 20 Badanie właściwości magnetycznych ciał stałych. Wydział Fizyki P.W. Rysunek 7. Opis poszczególnych elementów okna pogamu. III. Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest wyznaczenie tempeatuy Cuie dzenia feomagnetycznego w tansfomatoze. Metody wyznaczania należy uzgodnić z powadzącym. IV. Liteatua pomocnicza 1. W. Bogusz, J Gabaczyk, F. Kok, Podstawy Fizyki, Oficyna Wydawnicza Politechniki Waszawskiej, Waszawa Sawieliew I.W., Kus fizyki t. 2 Elektyczność, magnetyzm, fale, optyka, PWN Waszawa 1989 ozdz. VII Pole magnetyczne w mateii. Tylko do użytku wewnętznego. 9