Составители:
Рубрика:
7
сравнению с классическими ферромагнетиками, где спонтанная намагниченность при нагревании только
уменьшается.
В металлических ферримагнетиках обменное поле существенно выше (в несколько раз), чем в ферримагнетиках-
изоляторах и полупроводниках. Этот эффект обусловлен тем, что коллективизированные 3d-электроны,
подмагниченные собственным обменным взаимодействием, наводят сильную поляризацию в системе электронов
проводимости. Эта поляризация сохраняется в металлах
на сравнительно больших расстояниях от 3d-атомов и создает
сильные обменные поля H
R
, что обеспечивает высокую степень магнитного упорядочения в редкоземельной
подрешетке при высоких температурах. Благодаря такому обменному механизму уникальные свойства ионов редких
земель проявляются в практически важной области комнатных температур.
При Т > Т
C
ферримагнетик превращается в парамагнетик, однако магнитная восприимчивость χ изменяется с
температурой по более сложному, чем в ферромагнетиках, закону Нееля. В этом случае кривая 1/ χ =f(T) является
нелинейной.
В последние годы были разработаны новые редкоземельные ферримагнитные металлические материалы -
мощные постоянные магниты и материалы с гигантской магнитострикцией. Широко используются в современной
технике ферримагнитные
полупроводники ферриты-шпинели MeOFe
2
O
3
(Me
2+
= Mn
2+
, Co
2+
, Ni
2+
, Mg
2+
, Zn
2+
),
ферриты-гранаты R
3
Fe
5
O
12
, ферриты BaFe
12
O
19
и др. Благодаря низким потерям на высоких частотах ферриты
применяются как сердечники магнитопроводов в дросселях, трансформаторах, магнитных антеннах, а также для
управления электромагнитными колебаниями в устройствах сверхвысоких частот.
Методика выполнения работы
При нагревании ферромагнитных тел уменьшаются
, , J
χ
μ .Поскольку разница в энергиях тел с намагниченным и не
намагниченным состояниями составляет 0,1 ЭВ, то повышение температуры может
уничтожить спонтанное намагничивание. Это происходит при температуре Кюри (точка Кюри). Точка Кюри
K
θ
для
железа равна 1043 К, для кобальта 1400 К, для никеля 631 К, у ферромагнитных сплавов она может иметь меньшие
значения,
Рис.10. Зависимость предельной намагниченности от температуры.
например, у сплава марки ТКМ С8-1 точка Кюри около 355 К. При температуре Кюри происходит переход из
ферромагнитного состояния в парамагнитное представляющий фазовый переход второго рода. На
рис.10 показана
зависимость отношения
(
)()
0
SS
JTJ от
K
T
θ
для Fe , Ni, Co. Здесь
(
)
S
J
T - предельная намагниченность при
температуре Т;
()
0
S
J - предельная намагниченность при Т=0. В таких относительных координатах зависимость
намагничивания от температуры выражается одной и той же кривой для всех ферромагнитных тел. С повышением
температуры намагниченность уменьшается и в точке Кюри практически равна нулю.
Свойства ферромагнетика изучаются с помощью экспериментальной установки, смонтированной на стенде.
Схема ее приведена на рис. 11. Объектом
изучения является тороид с сердечником из ферромагнитного сплава.
Характеристики тороида: число витков на единицу длины первичной обмотки n
1
, вторичной обмотки n
2
, площадь
сечения S и длина L сердечника. Тороид находится в стеклянной кювете с трансформаторным маслом. Там же
находится нагреватель R
Н
с термопарой, соединенный с терморегулятором М303К, с помощью которого
автоматически поддерживается задаваемая температура.
Магнитное поле с индукцией B
0
, намагничивающее сердечник, создается переменным током I
1
, проходящим
через первичную обмотку (левая часть схемы). Индукция магнитного поля
0011
=
μ⋅ ⋅
B
nI, где n
1
- число витков на
единице длины. C сопротивления R
1
подается напряжение U
X
на горизонтально отклоняющие пластины
осциллографа U
X
пропорционально B
0
, что очевидно из равенства
1
11 0
01
=
⋅= ⋅
μ⋅
X
R
UIR B
n
0
0, 2
0, 4
0, 6
0,8
1, 0
0, 2
0, 4
0, 6
0,8
1, 0
(
)
(
)
0
SS
JTJ
K
T
θ
7
сравнению с классическими ферромагнетиками, где спонтанная намагниченность при нагревании только
уменьшается.
В металлических ферримагнетиках обменное поле существенно выше (в несколько раз), чем в ферримагнетиках-
изоляторах и полупроводниках. Этот эффект обусловлен тем, что коллективизированные 3d-электроны,
подмагниченные собственным обменным взаимодействием, наводят сильную поляризацию в системе электронов
проводимости. Эта поляризация сохраняется в металлах на сравнительно больших расстояниях от 3d-атомов и создает
сильные обменные поля HR, что обеспечивает высокую степень магнитного упорядочения в редкоземельной
подрешетке при высоких температурах. Благодаря такому обменному механизму уникальные свойства ионов редких
земель проявляются в практически важной области комнатных температур.
При Т > ТC ферримагнетик превращается в парамагнетик, однако магнитная восприимчивость χ изменяется с
температурой по более сложному, чем в ферромагнетиках, закону Нееля. В этом случае кривая 1/ χ =f(T) является
нелинейной.
В последние годы были разработаны новые редкоземельные ферримагнитные металлические материалы -
мощные постоянные магниты и материалы с гигантской магнитострикцией. Широко используются в современной
технике ферримагнитные полупроводники ферриты-шпинели MeOFe2O3 (Me2+ = Mn2+, Co2+, Ni2+, Mg2+, Zn2+),
ферриты-гранаты R3Fe5O12, ферриты BaFe12O19 и др. Благодаря низким потерям на высоких частотах ферриты
применяются как сердечники магнитопроводов в дросселях, трансформаторах, магнитных антеннах, а также для
управления электромагнитными колебаниями в устройствах сверхвысоких частот.
Методика выполнения работы
При нагревании ферромагнитных тел уменьшаются J , χ, μ .Поскольку разница в энергиях тел с намагниченным и не
намагниченным состояниями составляет 0,1 ЭВ, то повышение температуры может
уничтожить спонтанное намагничивание. Это происходит при температуре Кюри (точка Кюри). Точка Кюри θ K для
железа равна 1043 К, для кобальта 1400 К, для никеля 631 К, у ферромагнитных сплавов она может иметь меньшие
значения,
J S (T ) J S ( 0 )
1, 0
0,8
0, 6
0, 4
0, 2
0 0, 2 0, 4 0, 6 0,8 1, 0 T θK
Рис.10. Зависимость предельной намагниченности от температуры.
например, у сплава марки ТКМ С8-1 точка Кюри около 355 К. При температуре Кюри происходит переход из
ферромагнитного состояния в парамагнитное представляющий фазовый переход второго рода. На рис.10 показана
зависимость отношения J S (T ) J S ( 0 ) от T θ K для Fe , Ni, Co. Здесь J S (T ) - предельная намагниченность при
температуре Т; J S ( 0 ) - предельная намагниченность при Т=0. В таких относительных координатах зависимость
намагничивания от температуры выражается одной и той же кривой для всех ферромагнитных тел. С повышением
температуры намагниченность уменьшается и в точке Кюри практически равна нулю.
Свойства ферромагнетика изучаются с помощью экспериментальной установки, смонтированной на стенде.
Схема ее приведена на рис. 11. Объектом изучения является тороид с сердечником из ферромагнитного сплава.
Характеристики тороида: число витков на единицу длины первичной обмотки n1 , вторичной обмотки n2 , площадь
сечения S и длина L сердечника. Тороид находится в стеклянной кювете с трансформаторным маслом. Там же
находится нагреватель RН с термопарой, соединенный с терморегулятором М303К, с помощью которого
автоматически поддерживается задаваемая температура.
Магнитное поле с индукцией B0, намагничивающее сердечник, создается переменным током I1 , проходящим
через первичную обмотку (левая часть схемы). Индукция магнитного поля B0 = μ 0 ⋅ n1 ⋅ I1 , где n1 - число витков на
единице длины. C сопротивления R1 подается напряжение UX на горизонтально отклоняющие пластины
осциллографа UX пропорционально B0, что очевидно из равенства
R1
U X = I1 ⋅ R1 = ⋅ B0
μ 0 ⋅ n1
