فيزياء: تحديد درجة حرارة انتقال الطور للمغناطيس الحديدي والمغناطيس ، العمل المخبري. العمل المخبري: تحديد درجة حرارة انتقال الطور لمغناطيس حديدي-بارامغناطيس انتقال مغناطيس حديدي إلى مغناطيس حدودي

الالتزاممعتوقع Luttinger و
مناديل للحالة | - 3 تقابل بسيط
صورة і مكعب شعرية ، مغناطيسية

لا يوجد شيء من هذا القبيل. نلاحظ أيضًا أنه لا يوجد ترتيب مغناطيسي حديدي في الحالة المحددة لتوزيع ثنائي الأبعاد للجسيمات ، عندماF= "، أS (*>) *>-1,129.

وفقًا لـ (2) و (3) و (9) ، فإن المعادلة العشوائية (1) ، التي تم تفسيرها وفقًا لستراتونوفيتش ، تتوافق مع معادلة فوكر بلانك

- = - - j | a (ain29 + 2 ب (ر)الخطيئةفي) -antfjP + - ي(10)

= 2 / ZyHa، a = Ham / 2kT،SCH= ح (ر) / ها) للكثافة(P = P (0، t))إذا--:.^ tіi "sgї: هذا المتجهمفي مومفيvramvVI1 جوهرة قطبيةركن6. بافتراض أنه على حدود الفاصل الزمني (0 ، ص) يتغير في الزاوية0 لا يوجد تدفق احتمالي ، نجد الحل الثابت للمعادلة (10):

(و)

gseج (أ ، 2 أب)

(12) فيسنيكSIDDU ".iS ° S ،№2(13)

15 (ب = ب (fj)).دعونا نحدد معلمة الطلب للنظام قيد الدراسة

الجسيمات أحادية المجال مثل/ لتر- ر ، ز (كو) / ر. ثم باستخدام العلاقة

(13)

والعبارتان (11) و (12) لأجل/.і نحصل على المعادلة 2e °

С (а ، ЗТ0ج / ز)

الشين

ر ؛جي

(و)أين Г0 -أونم2 ZS(£) / 3k.

يوضح تحليل المعادلة (14) أنه وفقًا للاعتبارات المادية المذكورة أعلاه ، في£ £ ج(متىTd<0) لها حل فريد / (= 0 في أي درجة حرارة ، أي لا ينشأ ترتيب بعيد المدى في هذه الحالة. يمكن أن يوجد حل غير صفري فقط من أجل£<1. كما في حالة معادلة لانجفين ،ع = co \ & nh (3Tnp./T) -T / 3T0fi ،التي تقلل المعادلة إليها(14) بالنسبة لـ Hn- * 0 ، فهو موجود إذا كان/ ر ~»0 ، يتجاوز ظل منحدر الظل للرسم البياني للدالة المحددة بواسطة الجانب الأيمن لـ (14) 1. من السهل التحقق من استيفاء هذا الشرط عندماتي<Т^Г, أينTcr ~ درجة حرارة انتقال المرحلة المغنطيسية-المغناطيسية ، والتي يتم تعريفها على أنها حل المعادلةT = 3T0f (أ) ( و (أ) = يساوي صفرًا. تشمل Diamagnets العديد من المعادن (على سبيل المثال ، Bi ، Ag ، Au ، Cu) ، ومعظم المركبات العضوية ، والراتنجات ، والكربون ، إلخ.

نظرًا لأن التأثير ثنائي المغنطيسية ناتج عن عمل مجال مغناطيسي خارجي على إلكترونات ذرات المادة ، فإن النفاذية المغناطيسية هي خاصية مميزة لجميع المواد. ومع ذلك ، إلى جانب المغناطيسات المغناطيسية ، هناك أيضًا البارامغناطيس - المواد الممغنطة في مجال مغناطيسي خارجي في اتجاه المجال.

في المواد المغنطيسية ، في حالة عدم وجود مجال مغناطيسي خارجي ، فإن اللحظات المغناطيسية للإلكترونات لا تعوض بعضها البعض ، وذرات (جزيئات) البارامغناطيس لها دائمًا عزم مغناطيسي. ومع ذلك ، نظرًا للحركة الحرارية للجزيئات ، فإن لحظاتها المغناطيسية موجهة عشوائيًا ، لذلك لا تحتوي المواد المغناطيسية على خصائص مغناطيسية. عندما يتم إدخال بارامغناطيس في مجال مغناطيسي خارجي ، غالباتجاه اللحظات المغناطيسية للذرات في الميدان(يتم منع التوجيه الكامل بواسطة الحركة الحرارية للذرات). وهكذا ، فإن البارامغناطيس ممغنط ، مما يخلق مجاله المغناطيسي الخاص ، ويتزامن في الاتجاه مع المجال الخارجي ويضخمه. هذه التأثير اتصل شبه مغناطيسي.

عندما يضعف المجال المغناطيسي الخارجي إلى الصفر ، فإن اتجاه اللحظات المغناطيسية ينتهك بسبب الحركة الحرارية ويتم إزالة المغناطيس البارامدي. تشمل البارامغناطيسات العناصر الأرضية النادرة ، Pt ، A1 ، إلخ. يُلاحظ أيضًا التأثير المغنطيسي في المغناطيسات البارامغناطيسية ، لكنه أضعف بكثير من المغناطيس البارامغناطيسي وبالتالي يظل غير محسوس.

بالإضافة إلى فئتين من المواد المعتبرة - ضياء - ومغناطيسات تسمى ضعيف المغناطيسية موادلا تزال هناك المواد المغناطيسية بقوة - المغناطيسات الحديدية - مواد ذات مغنطة عفوية ، أي فهي ممغنطة حتى في حالة عدم وجود مجال مغناطيسي خارجي. بالإضافة إلى ممثلهم الرئيسي ، الحديد (الذي يأتي منه اسم "المغناطيسية الحديدية") ، تشمل المغناطيسات الحديدية ، على سبيل المثال ، الكوبالت والنيكل والجادولينيوم وسبائكها ومركباتها.

تتمتع المغناطيسات الحديدية ، بالإضافة إلى قدرتها على أن تكون ممغنطة بقوة ، بخصائص أخرى تميزها بشكل كبير عن المغنطيسات ذات القطر والمغناطيسات. إذا كان الاعتماد على المواد المغناطيسية الضعيفة خطيًا ، فإن هذا الاعتماد معقد للغاية بالنسبة للمغناطيسات الحديدية. وأنت ترتفع حمغنطة يينمو أولاً بسرعة ، ثم بشكل أبطأ ، وأخيراً ، ما يسمى بـ تشبع مغناطيسي ي إلى ج ،لم تعد تعتمد على شدة المجال.

أرز. 2

هذا النوع من الإدمان يمن حيمكن تفسيره من خلال حقيقة أنه مع زيادة المجال الممغنط ، تزداد درجة اتجاه اللحظات المغناطيسية الجزيئية على طول المجال. ومع ذلك ، ستبدأ هذه العملية في التباطؤ عندما يكون هناك عدد أقل وأقل من اللحظات غير الموجهة ، وأخيرًا ، عندما يتم توجيه كل اللحظات على طول الحقل ، فإن الزيادة الإضافية حيتوقف والتشبع المغناطيسي في.

أرز. 3

الحث المغناطيسي ب \ u003d μ 0 (N.+ ي)في الحقول الضعيفة تنمو بسرعة مع زيادة حبسبب الزيادة ي، ولكن في المجالات القوية ، لأن المصطلح الثاني ثابت ( J = JHac), فييزيد مع زيادة حوفقا لقانون خطي.

السمة الأساسية للمغناطيسات الحديدية ليست القيم الكبيرة فقط μ (على سبيل المثال ، للحديد - 5000 ، لسبائك السبائك الفائقة - 800000!) ، ولكن أيضًا الاعتماد μ من ح(تين. 3). في البدايه μ ينمو مع الزيادة ح، إذن ، عند الوصول إلى الحد الأقصى ، يبدأ في الانخفاض ، ويميل إلى 1 في حالة الحقول القوية ( ، اذن متى J = JHac= const مع النمو حالعلاقة و μ → 1).

الشكل 4

السمة المميزة للمغناطيسات الحديدية هي أيضًا الاعتماد عليها يمن ح(وبالتالي أيضًا فيمن ح) من خلال تاريخ مغنطة المغناطيس الحديدي. تم تسمية هذه الظاهرة التباطؤ المغناطيسي. إذا نجحنا في جذب مغناطيس حديدي إلى التشبع (الشكل 4 ، أشر 1), ثم تبدأ في تقليل التوتر حالمجال الممغنط إذن ، كما تظهر التجربة ، يتم وصف الانخفاض بالمنحنى 1 - 2, فوق المنحنى 1 - 0. في ح = 0 , ييختلف عن الصفر ، أي في المغناطيس الحديدي ، مغنطة متبقية جوك.

يرتبط وجود المغناطيس المتبقي بالوجود مغناطيس دائم. المغنطة تختفي تحت تأثير المجال ح s ، لها اتجاه معاكس للحقل الذي تسبب في المغنطة. توتر حمع يسمى القوة القسرية.

مع زيادة أخرى في المجال المقابل ، يتم إعادة مغناطيس المغناطيس الحديدي (منحنى 3 - 4), وعلى ح = - حتم الوصول إلى التشبع (النقطة 4 ). ثم يمكن إزالة المغناطيس الحديدي مرة أخرى (المنحنى 4 - 5-6) ومغنطة مرة أخرى حتى التشبع (المنحنى 6 - 1 ).

وهكذا ، تحت تأثير مجال مغناطيسي متناوب على مغناطيس حديدي ، المغنطة ييتغير حسب المنحنى 1-2-3-4- 5-6-1, من اتصل حلقة التباطؤ (من "تأخير" اليونانية). يؤدي التباطؤ إلى حقيقة أن مغنطة المغناطيس الحديدي ليست وظيفة ذات قيمة واحدة ح، أي نفس القيمة حيطابق قيم متعددة ج.

للمغناطيسات الحديدية ميزة أساسية أخرى: لكل مغنطيس حديدي درجة حرارة معينة تسمى نقطة كوري حيث يفقد خصائصه المغناطيسية. عندما يتم تسخين العينة فوق نقطة كوري ، يتحول المغناطيس الحديدي إلى مغناطيس عادي. انتقال مادة من الحالة المغناطيسية الحديدية إلى الحالة المغناطيسية ، والذي يحدث عند نقطة كوري ، لا يكون مصحوبًا بامتصاص الحرارة أو إطلاقها ، أي عند نقطة كوري ، يحدث انتقال طوري من الدرجة الثانية.

أخيرًا ، فإن عملية مغنطة المغناطيسات الحديدية مصحوبة بتغيير في أبعادها وحجمها الخطي. تم تسمية هذه الظاهرة تضيق مغناطيسي . يعتمد حجم وعلامة التأثير على الشدة حالمجال الممغنط وطبيعة المغناطيس الحديدي واتجاه المحاور البلورية فيما يتعلق بالمجال.

معلومات مماثلة.

وفقًا لخصائصها المغناطيسية ، تنقسم جميع المواد إلى مغناطيسية ضعيفة ومغناطيسية بقوة. بالإضافة إلى ذلك ، يتم تصنيف المغناطيس اعتمادًا على آلية المغنطة.

دياماجنيتس

تصنف Diamagnets على أنها مواد مغناطيسية ضعيفة. في حالة عدم وجود مجال مغناطيسي ، فهي ليست ممغنطة. في مثل هذه المواد ، عندما يتم إدخالها في مجال مغناطيسي خارجي في الجزيئات والذرات ، تتغير حركة الإلكترونات بحيث يتم تشكيل تيار دائري موجه. يتميز التيار بالعزم المغناطيسي ($ p_m $):

حيث $ S $ هي مساحة الملف مع التيار.

الناتج عن هذا التيار الدائري ، بالإضافة إلى المجال الخارجي ، يتم توجيه الحث المغناطيسي ضد المجال الخارجي. يمكن العثور على قيمة الحقل الإضافي على النحو التالي:

أي مادة لها نفاذية مغناطيسية.

تختلف النفاذية المغناطيسية للمغناطيسات المغناطيسية قليلاً جدًا عن الوحدة. بالنسبة للمواد الصلبة والسوائل ، تكون القابلية للضعف المغنطيسي في حدود ما يقرب من $ (10) ^ (- 5) ، \ $ بالنسبة للغازات فهي أقل بكثير. لا تعتمد القابلية المغناطيسية للمغناطيسات المغناطيسية على درجة الحرارة ، والتي تم اكتشافها تجريبياً بواسطة P. Curie.

تنقسم Diamagnets إلى "الكلاسيكية" و "الشاذة" والموصلات الفائقة. المغناطيسات الكلاسيكية لها حساسية مغناطيسية $ \ varkappa

في المجالات المغناطيسية الضعيفة ، يتناسب مغنطة المغناطيسات المغناطيسية مع شدة المجال المغناطيسي ($ \ overrightarrow (H) $):

حيث $ \ varkappa $ هو القابلية المغناطيسية للوسط (المغناطيس). يوضح الشكل 1 اعتماد مغنطة مغناطيس مغناطيسي "كلاسيكي" على شدة المجال المغناطيسي في المجالات الضعيفة.

باراماجنيتس

يشار إلى البارامغنطيسات أيضًا بالمواد المغناطيسية الضعيفة. جزيئات البارامغناطيس لها عزم مغناطيسي ثابت ($ \ overrightarrow (p_m) $). يتم حساب طاقة اللحظة المغناطيسية في المجال المغناطيسي الخارجي بالصيغة:

يتم الوصول إلى أدنى قيمة للطاقة عندما يتطابق الاتجاه $ \ overrightarrow (p_m) $ مع $ \ overrightarrow (B) $. عندما يتم إدخال بارامغناطيس في مجال مغناطيسي خارجي ، وفقًا لتوزيع بولتزمان ، يظهر الاتجاه السائد للحظات المغناطيسية لجزيئاته في اتجاه المجال. هناك مغنطة للمادة. يتزامن تحريض الحقل الإضافي مع المجال الخارجي ويضخمه وفقًا لذلك. الزاوية بين الاتجاه $ \ overrightarrow (p_m) $ و $ \ overrightarrow (B) $ لا تتغير. تحدث إعادة توجيه اللحظات المغناطيسية وفقًا لتوزيع بولتزمان بسبب تصادم وتفاعلات الذرات مع بعضها البعض. تعتمد القابلية البارامغناطيسية ($ \ varkappa $) على درجة الحرارة وفقًا لقانون كوري:

أو قانون كوري فايس:

حيث C و C "هما ثوابت Curie ، فإن $ \ triangle $ ثابت يمكن أن يكون أكبر أو أقل من الصفر.

تكون القابلية المغناطيسية ($ \ varkappa $) للمغناطيس أكبر من الصفر ، ولكنها ، مثل المغناطيس ، صغيرة جدًا.

تنقسم البارامغناطيسات إلى مغناطيسات عادية ، ومعادن مغناطيسية ، ومغناطيسات مضادة.

في المعادن شبه المغناطيسية ، لا تعتمد القابلية المغناطيسية على درجة الحرارة. هذه المعادن ضعيفة المغناطيسية $ \ varkappa \ حوالي (10) ^ (- 6). $

في البارامغنطيسات ، توجد ظاهرة مثل الرنين المغنطيسي. لنفترض أنه في البارامغناطيس ، الموجود في مجال مغناطيسي خارجي ، يتم إنشاء مجال مغناطيسي دوري إضافي ، يكون ناقل الحث لهذا المجال متعامدًا مع ناقل الحث للحقل الثابت. نتيجة لتفاعل العزم المغناطيسي للذرة مع مجال إضافي ، يتم إنشاء لحظة قوى ($ \ overrightarrow (M) $) ، والتي تميل إلى تغيير الزاوية بين $ \ overrightarrow (p_m) $ و $ \ overrightarrow (B) $ إذا تزامن تردد المجال المغناطيسي المتناوب مع ترددات تردد حركة الذرة ، فإن لحظة القوى الناتجة عن المجال المغناطيسي المتناوب إما تزيد باستمرار الزاوية بين $ \ overrightarrow (p_m) $ و $ \ overrightarrow (B) $ أو النقصان. تسمى هذه الظاهرة بالرنين المغنطيسي.

في المجالات المغناطيسية الضعيفة ، يتناسب المغناطيس في البارامغناطيس مع شدة المجال ، ويتم التعبير عنه بالصيغة (3) (الشكل 2).

المغناطيسات الحديدية

تصنف المغناطيسات الحديدية على أنها مواد مغناطيسية عالية. المغناطيسات ، التي تصل نفاذية المغناطيسية إلى قيم كبيرة وتعتمد على المجال المغناطيسي الخارجي والتاريخ السابق ، تسمى المغناطيسات الحديدية. قد تحتوي المغناطيسات الحديدية على مغنطة متبقية.

القابلية المغناطيسية للمغناطيسات الحديدية هي دالة لقوة المجال المغناطيسي الخارجي. يظهر الاعتماد على J (H) في الشكل. 3. للمغنطة حد تشبع ($ J_ (NAS) $).

يشير وجود حد تشبع المغنطة إلى أن مغنطة المغناطيسات الحديدية ناتجة عن إعادة توجيه بعض اللحظات المغناطيسية الأولية. في المغناطيسات الحديدية ، لوحظت ظاهرة التخلفية (الشكل 4).

تنقسم المغناطيسات الحديدية بدورها إلى:

1. لينة مغناطيسيا. مواد ذات نفاذية مغناطيسية عالية ، ممغنطة بسهولة وإزالة المغناطيسية. يتم استخدامها في الهندسة الكهربائية ، حيث تعمل مع مجالات بديلة ، على سبيل المثال ، في المحولات.
2. جامد مغناطيسيا. مواد ذات نفاذية مغناطيسية منخفضة نسبيًا ، يصعب مغنطتها وإزالتها. تستخدم هذه المواد في إنشاء مغناطيس دائم.

مثال 1

المهمة: يظهر اعتماد المغنطة للمغناطيس الحديدي في الشكل. 3.J (ح). ارسم منحنى الاعتماد B (H). هل يوجد تشبع للحث المغناطيسي ، لماذا؟

نظرًا لأن ناقل الحث المغناطيسي مرتبط بناقل المغنطة بالعلاقة:

\ [(\ overrightarrow (B) = \ overrightarrow (J \) + \ mu) _0 \ overrightarrow (H) \ left (1.1 \ right)، \]

ثم لا يصل المنحنى B (H) إلى التشبع. يمكن تمثيل رسم بياني لاعتماد تحريض المجال المغناطيسي على قوة المجال المغناطيسي الخارجي كما هو موضح في الشكل. 5. يسمى هذا المنحنى بمنحنى المغنطة.

الجواب: لا يوجد تشبع لمنحنى الاستقراء.

مثال 2

المهمة: احصل على صيغة القابلية البارامغناطيسية $ (\ varkappa) $ ، مع العلم أن آلية مغنطة البارامغناطيس تشبه آلية الكهربة للعوازل القطبية. بالنسبة لمتوسط ​​قيمة العزم المغناطيسي للجزيء في الإسقاط على المحور Z ، يمكننا كتابة الصيغة:

\ [\ left \ langle p_ (mz) \ right \ rangle = p_mL \ left (\ beta \ right) \ left (2.1 \ right) ، \]

حيث $ L \ left (\ beta \ right) = cth \ left (\ beta \ right) - \ frac (1) (\ beta) $ هي وظيفة Langevin لـ $ \ beta = \ frac (p_mB) (kT). $

في درجات الحرارة المرتفعة والحقول الصغيرة ، نحصل على ما يلي:

لذلك ، بالنسبة لـ $ \ beta \ ll 1 $ $ cth \ left (\ beta \ right) = \ frac (1) (\ beta) + \ frac (\ beta) (3) - \ frac ((\ beta) ^ 3 ) (45) + \ dots $ ، حيث نحصر الوظيفة بمصطلح خطي على $ \ beta $ نحصل على:

نستبدل النتيجة (2.3) في (2.1) ، نحصل على:

\ [\ left \ langle p_ (mz) \ right \ rangle = p_m \ frac (p_mB) (3kT) = \ frac ((p_m) ^ 2B) (3kT) \ \ left (2.4 \ right). \]

باستخدام العلاقة بين شدة المجال المغناطيسي والحث المغناطيسي ($ \ overrightarrow (B) = \ mu (\ mu) _0 \ overrightarrow (H) $) ، مع الأخذ في الاعتبار أن النفاذية المغناطيسية للمغناطيسات تختلف قليلاً عن الوحدة ، يمكننا اكتب:

\ [\ left \ langle p_ (mz) \ right \ rangle = \ frac ((p_m) ^ 2 (\ mu) _0H) (3kT) \ left (2.5 \ right). \]

ثم سيبدو المغنطة كما يلي:

مع العلم أن العلاقة بين معامل المغنطة ومعامل متجه الشدة هي:

لدينا الحساسية البارامغناطيسية:

\ [\ varkappa = \ frac ((p_m) ^ 2m_0n) (3kT) \. \]

الإجابة: $ \ varkappa = \ frac ((p_m) ^ 2 (\ mu) _0n) (3kT) \. $

تشمل البارامغناطيسات المواد التي تختلف فيها العزم المغناطيسي للذرات أو الجزيئات عن الصفر في حالة عدم وجود مجال مغناطيسي خارجي:

لذلك ، عند إدخالها في مجال مغناطيسي خارجي ، تصبح المغناطيسات ممغنطة في اتجاه المجال. في حالة عدم وجود مجال مغناطيسي خارجي ، لا يكون المغناطيس ممغنطًا ، لأنه بسبب الحركة الحرارية ، يتم توجيه جميع اللحظات المغناطيسية للذرات بشكل عشوائي ، وبالتالي يكون المغناطيس صفرًا (الشكل 2.7 أ). عندما يتم إدخال بارامغناطيس في مجال مغناطيسي خارجي ، يتم تحديد الاتجاه السائد للحظات المغناطيسية للذرات على طول المجال (الشكل 2.7 ب). يتم منع التوجيه الكامل من خلال الحركة الحرارية للذرات ، والتي تميل إلى تشتيت اللحظات. نتيجة لهذا الاتجاه التفضيلي ، فإن البارامغناطيس ممغنط ، مما يخلق مجالًا مغناطيسيًا خاصًا به ، والذي يقويها ، متراكبًا على المجال الخارجي. يسمى هذا التأثير التأثير البارامغناطيسي أو البارامغناطيسية.

الشكل 2.7. بارامغناطيسي في

غياب الحقل (أ) وفي

المجال المغناطيسي الخارجي (ب)

تُظهر البارامغناطيسات أيضًا تأثير Larmor المسبق وتأثيرًا مغناطيسيًا ، كما هو الحال في جميع المواد. لكن التأثير المغنطيسي أضعف من التأثير المغنطيسي ويتم قمعه به ، ويبقى غير محسوس. بالنسبة للمغناطيسات ، تكون χ صغيرة أيضًا ولكنها موجبة بترتيب ~ 10 -7 –10 -4 ، مما يعني أن μ أكبر قليلاً من الوحدة.

تمامًا كما هو الحال بالنسبة للمغناطيسات المغناطيسية ، فإن اعتماد القابلية المغناطيسية للمغناطيسات البارامية على المجال الخارجي يكون خطيًا (الشكل 5.8).

يعتمد الاتجاه السائد للحظات المغناطيسية على طول المجال على درجة الحرارة. مع ارتفاع درجة الحرارة ، تزداد الحركة الحرارية للذرات ، وبالتالي يصبح الاتجاه في اتجاه واحد صعبًا ويقل المغنطة. أسس الفيزيائي الفرنسي بي كوري النمط التالي: حيث C هو ثابت كوري ، والذي يعتمد على نوع المادة. تم تطوير النظرية الكلاسيكية للمغناطيسية في عام 1905 من قبل P.Langevin.

2.10 المغناطيسية الحديدية. المغناطيسات الحديدية. هيكل المجال للمغناطيسات الحديدية.

.7. المغناطيسية الحديدية. المغناطيسات الحديدية. @

المغناطيسات الحديدية عبارة عن مواد بلورية صلبة لها مغنطة تلقائية (تلقائية) في غياب مجال مغناطيسي خارجي. .ذرات (جزيئات) هذه المواد لها عزم مغناطيسي غير صفري. في حالة عدم وجود مجال خارجي ، يتم توجيه اللحظات المغناطيسية داخل مناطق كبيرة بنفس الطريقة (المزيد حول هذا لاحقًا). على عكس الديا- والمغناطيسات المغناطيسية الضعيفة ، فإن المغناطيسات الحديدية عبارة عن مواد مغناطيسية عالية. يمكن أن يكون المجال المغناطيسي الداخلي أكبر بمئات وآلاف المرات من المجال المغناطيسي الخارجي. بالنسبة للمغناطيسات الحديدية ، تكون χ و μ موجبة ويمكن أن تصل إلى قيم كبيرة جدًا ، في حدود ~ 10 3 . يمكن للمغناطيسات الحديدية فقط أن تكون مغناطيسًا دائمًا.

لماذا تظهر الأجسام المغناطيسية مثل هذا المغناطيس القوي؟ لماذا لا تتداخل الحركة الحرارية فيها مع إنشاء النظام في ترتيب اللحظات المغناطيسية؟ للإجابة على هذا السؤال ، ضع في اعتبارك بعض الخصائص المهمة للمغناطيسات الحديدية.

إذا قمنا بتصوير منحنى التمغنط الرئيسي في الإحداثيات (B ، H) (الشكل 2.10 ، المنحنى 0-1) ، فسنحصل على صورة مختلفة قليلاً: لأنه عندما يتم الوصول إلى قيمة J ، يستمر الحث المغناطيسي في النمو خطيًا مع النمو:

= μ 0 + const ، const = μ 0 J سات.

تتميز المغناطيسات الحديدية بالظاهرة التخلفية(من التباطؤ اليوناني - تأخر ، تأخير).

دعونا نحضر مغنطة الجسم إلى التشبع عن طريق زيادة قوة المجال الخارجي (الشكل 2.10 ، النقطة 1) ، وبعد ذلك سننقص H. في هذه الحالة ، لا يتبع الاعتماد B (H) المنحنى الأصلي 0-1 ، لكن منحنى جديد 1-2. عندما تنخفض الشدة إلى الصفر ، تختفي مغنطة المادة والحث المغناطيسي. عند H = 0 ، يكون للحث المغناطيسي قيمة غير صفرية في الباقي ، وهو ما يسمى الحث المتبقي. يسمى المغناطيسية J المرجع المقابل لـ B ref مغنطة متبقية، والمغناطيس الحديدي يكتسب خصائص المغناطيس الدائم. في الباقي و J ، يتحول الباقي إلى الصفر فقط تحت تأثير الحقل المعاكس للاتجاه الأصلي. يتم استدعاء قيمة شدة المجال H c ، والتي عندها تختفي المغنطة المتبقية والحث القوة القسرية(من lat.coercitio- الاحتفاظ). بالاستمرار في العمل على المغناطيس الحديدي مع مجال مغناطيسي متناوب ، نحصل على المنحنى 1-2-3-4-1 ، المسمى حلقة التباطؤ. في هذه الحالة ، يبدو أن رد فعل الجسم (B أو J) متخلف عن الأسباب التي تسببه (H).

يجعل وجود المغناطيسية المتبقية من الممكن تصنيع مغناطيس دائم ، لأن المغناطيسات الحديدية ذات B rem ≠ 0 لها عزم مغناطيسي ثابت وتخلق مجالًا مغناطيسيًا ثابتًا في محيطها. يحتفظ هذا المغناطيس بخصائصه كلما كان ذلك أفضل ، كلما زادت القوة القسرية للمادة التي صنع منها. عادة ما يتم تقسيم المواد المغناطيسية على قيمة H مع مغناطيسي ناعم(على سبيل المثال ، مع H c صغير بترتيب 10-2 A / m ، وبالتالي ، مع حلقة تخلفية ضيقة) و من الصعب مغناطيسيا(N s ~ 10 5 A / m وحلقة تخلفية واسعة). المواد المغناطيسية اللينة مطلوبة لتصنيع المحولات التي يتم إعادة مغناطيس النوى باستمرار عن طريق التيار المتردد. إذا كان لب المحول تباطؤ كبير ، فسوف يسخن أثناء انعكاس المغنطة ، مما سيؤدي إلى إهدار الطاقة. لذلك ، يلزم استخدام مواد خالية من التباطؤ للمحولات. تشتمل المغناطيسات الحديدية ذات حلقة التخلفية الضيقة على سبائك من الحديد مع النيكل أو الحديد مع النيكل والموليبدينوم (بيرمالوي وسوبر مالوي).

تستخدم المواد الصلبة مغناطيسيًا (بما في ذلك الكربون والتنغستن والكروم وفولاذ الألومنيوم والنيكل) لصنع مغناطيس دائم.

سوف يستمر المغناطيس الدائم المتبقي إلى أجل غير مسمى إذا لم يتعرض المغناطيس الحديدي لمجالات مغناطيسية قوية ودرجات حرارة عالية وتشوه. يتم حفظ جميع المعلومات المسجلة على الأشرطة المغناطيسية - من الموسيقى إلى برامج الفيديو - بفضل هذه الظاهرة الفيزيائية.

السمة الأساسية للمغناطيسات الحديدية هي القيم الهائلة للنفاذية المغناطيسية والقابلية المغناطيسية. على سبيل المثال ، بالنسبة للحديد μ max ≈ 5000 ، بالنسبة إلى permalloy - 100000 ، بالنسبة للمغناطيس الفائق - 900000. بالنسبة للمغناطيسات الحديدية ، فإن قيم القابلية المغناطيسية والنفاذية المغناطيسية هي وظائف لشدة المجال المغناطيسي H (الشكل 2.11). مع زيادة شدة المجال ، تزداد قيمة μ أولاً بسرعة إلى μ max ، ثم تنخفض ، وتقترب من قيمة μ = 1 في الحقول القوية جدًا. لذلك ، على الرغم من أن الصيغة B \ u003d μ 0 H تظل صالحة للمواد المغناطيسية ، فإن العلاقة الخطية بين B و H.

التأثير الميكانيكي المغناطيسي الثاني هو تأثير فيلاري- تغير وحتى اختفاء مغنطة الجسم المتبقية عند اهتزازها أو تشوهها (اكتشفها E. Villari عام 1865). ولهذا السبب يجب حماية المغناطيس الدائم من الصدمات.

يعمل التسخين بشكل مشابه للتشوه على المغناطيسات الحديدية. مع زيادة درجة الحرارة ، تبدأ المغنطة المتبقية في الانخفاض ، في البداية بشكل ضعيف ، وبعد ذلك ، عند الوصول إلى درجة حرارة معينة عالية بما فيه الكفاية ، مميزة لكل مغناطيس حديدي ، هناك انخفاض حاد في المغنطة إلى الصفر. ثم يصبح الجسم بارامغناطيس. يتم استدعاء درجة الحرارة التي يحدث عندها هذا التغيير نقطة كوري، تكريما لـ P. Curie ، الذي اكتشفها. للحديد ، نقطة كوري هي 770 درجة مئوية ، للكوبالت - 1130 درجة مئوية ، للنيكل - 358 درجة مئوية ، للغادولينيوم - 16 درجة مئوية. لا يترافق هذا الانتقال مع إطلاق أو امتصاص الحرارة وهو انتقال طوري من الدرجة الثانية. تجد كل هذه الظواهر تفسيرها عند النظر في بنية المغناطيسات الحديدية.

العمل المخبري

تحديد درجة حرارة المرحلة الانتقالية

المغناطيسية المغناطيسية

الغرض من العمل : تحديد درجة حرارة نيل للمغناطيس الحديدي (قضيب حديدي)

معلومات نظرية موجزة

أي مادة هي مغناطيس ، أي. قادرة على اكتساب لحظة مغناطيسية عند تعرضها لمجال مغناطيسي. وهكذا ، فإن المادة تخلق مجالًا مغناطيسيًا متراكبًا على المجال الخارجي. كلا الحقلين يضيفان ما يصل إلى الحقل الناتج:

تتميز مغنطة المغناطيس بالعزم المغناطيسي لكل وحدة حجم. هذه الكمية تسمى متجه المغنطة

أين هي اللحظة المغناطيسية للجزيء الفردي.

يرتبط متجه المغنطة بقوة المجال المغناطيسي بالعلاقة التالية:

أين هي قيمة مميزة لمادة معينة تسمى القابلية المغناطيسية.

يرتبط ناقل الحث المغناطيسي بقوة المجال المغناطيسي:

تسمى الكمية الخالية من الأبعاد النفاذية المغناطيسية النسبية.

يمكن تقسيم جميع المواد وفقًا لخصائصها المغناطيسية إلى ثلاث فئات:

1. البارامغناطيسات> 1 التي يزيد فيها المغنطة المجال الكلي
2. ديامغناطيس< 1 в которых намагниченность вещества уменьшает суммарное поле
3. المغناطيسات الحديدية >> 1 تزيد المغنطة من إجمالي المجال المغناطيسي.
تكون المادة مغنطيسية حديدية إذا كان لها عزم مغناطيسي تلقائي حتى في حالة عدم وجود مجال مغناطيسي خارجي. مغنطة التشبع للمغناطيس الحديدي أناستُعرَّف بأنها العزم المغناطيسي العفوي لكل وحدة حجم للمادة.

لوحظت المغناطيسية الحديدية في 3 د-المعادن ( Fe ، Ni ، Co) و 4 Fالمعادن (Gd، Tb، Er، Dy، Ho، Tm) بالإضافة إلى ذلك ، هناك كمية هائلة من السبائك المغناطيسية. من المثير للاهتمام ملاحظة أن 9 معادن نقية فقط المذكورة أعلاه تمتلك مغناطيسية حديدية. كل منهم لم ينته د-أو F-اصداف.

تفسر الخواص المغناطيسية الحديدية لمادة ما بحقيقة أنه يوجد تفاعل خاص بين ذرات هذه المادة لا يحدث في الديا- والمغناطيسات البارامنتية ، مما يؤدي إلى حقيقة أن اللحظات المغناطيسية الأيونية أو الذرية للذرات المجاورة هي موجهة في نفس الاتجاه. تم إنشاء الطبيعة المادية لهذا التفاعل الخاص ، المسمى التبادل ، بواسطة Ya.I. Frenkel و W. Heisenberg في الثلاثينيات من القرن العشرين على أساس ميكانيكا الكم. أظهرت دراسة تفاعل ذرتين من وجهة نظر ميكانيكا الكم أن طاقة تفاعل الذرات أناو يوجود لحظات تدور س أنا و س ي ، يحتوي على مصطلح بسبب تفاعل التبادل:

أين يتبادل متكامل ، يرتبط وجوده بتداخل قذائف الإلكترون للذرات أناو ي. تعتمد قيمة التبادل بشكل كبير على المسافة بين الذرات في البلورة (فترة الشبكة). للمغناطيسات الحديدية ي> 0 ، إذا كان J<0 вещество является антиферромагнетиком, а при ي= 0 بارامغناطيس. الطاقة التبادلية ليس لها نظير كلاسيكي ، على الرغم من أنها من أصل إلكتروستاتيكي. يميز الاختلاف في طاقة تفاعل كولوم للنظام في الحالات التي تكون فيها الدورات متوازية وعندما تكون عكسية. هذا هو نتيجة لمبدأ باولي. في النظام الميكانيكي الكمومي ، يجب أن يكون التغيير في الاتجاه النسبي لدورين مصحوبًا بتغيير في توزيع الشحنة المكانية في منطقة التداخل. عند درجة حرارة تي= 0 كلفن ، يجب توجيه دوران جميع الذرات بنفس الطريقة ؛ مع ارتفاع درجة الحرارة ، يتناقص الترتيب في اتجاه السبينات. هناك درجة حرارة حرجة تسمى درجة حرارة كوري (نقطة). تيمع، حيث يختفي الارتباط في توجهات الدورات الفردية ، - تصبح المادة من المغناطيس الحديدي مغناطيسًا بارامدًا. هناك ثلاثة شروط تفضل ظهور المغناطيسية الحديدية

1. وجود لحظات مغناطيسية جوهرية مهمة في ذرات المادة (هذا ممكن فقط في الذرات غير المكتملة د-أو F-اصداف)؛
2. يجب أن يكون التبادل المتكامل لبلورة معينة موجبًا ؛
3. كثافة الدول في د-و F-يجب أن تكون المناطق كبيرة.

تخضع القابلية المغناطيسية للمغناطيس الحديدي قانون كوري فايس:

, معثابت كوري.

ترجع المغناطيسية الحديدية للأجسام التي تتكون من عدد كبير من الذرات إلى وجود الأحجام العيانية من المادة (المجالات) التي تكون فيها اللحظات المغناطيسية للذرات أو الأيونات متوازية وموجهة بشكل متساوٍ. هذه المجالات لها مغنطة عفوية عفوية حتى في حالة عدم وجود مجال مغنط خارجي.

نموذج للهيكل المغناطيسي الذري لمغناطيس حديدي بشبكة مكعبة محورها الوجه. تظهر الأسهم اللحظات المغناطيسية للذرات.

في حالة عدم وجود مجال مغناطيسي خارجي ، يتكون المغناطيس الحديدي غير الممغنط ككل من عدد أكبر من المجالات ، يتم توجيه جميع الدورات في كل منها بنفس الطريقة ، ولكن اتجاه اتجاهها يختلف عن اتجاهات تدور في المجاورة المجالات. في المتوسط ​​، في عينة من المغناطيس الحديدي غير الممغنط ، يتم تمثيل جميع الاتجاهات بالتساوي ، لذلك لا يتم الحصول على مجال مغناطيسي مجهري. حتى في بلورة واحدة هناك مجالات. يحدث تقسيم المادة إلى مجالات لأنها تتطلب طاقة أقل من الترتيب الذي يدور على قدم المساواة.

عندما يتم وضع مغناطيس حديدي في مجال خارجي ، فإن اللحظات المغناطيسية الموازية للحقل سيكون لها طاقة أقل من اللحظات الموازية للحقل أو الموجهة بأي طريقة أخرى. يعطي هذا ميزة لبعض المجالات التي تسعى إلى زيادة الحجم على حساب الآخرين ، إن أمكن. يمكن أن يحدث أيضًا دوران اللحظات المغناطيسية داخل مجال واحد. وبالتالي ، يمكن أن يتسبب الحقل الخارجي الضعيف في حدوث تغيير كبير في المغنطة.

عندما يتم تسخين المغناطيسات الحديدية إلى نقطة كوري ، فإن الحركة الحرارية تدمر مناطق المغنطة التلقائية ، وتفقد المادة خصائصها المغناطيسية الخاصة وتتصرف مثل البارامغناطيس العادي. يتم إعطاء درجات حرارة كوري لبعض المعادن المغناطيسية في الجدول.

مستوىFe 769ني 364شارك 1121Gd 18

بالإضافة إلى المغناطيسات الحديدية ، توجد مجموعة كبيرة من المواد المرتبة مغناطيسيًا حيث تكون اللحظات المغناطيسية المغزلية للذرات ذات الأصداف غير المكتملة موجهة بشكل مضاد للتوازي. كما هو موضح أعلاه ، تنشأ هذه الحالة عندما يكون تكامل التبادل سالبًا. تمامًا كما هو الحال في المغناطيسات الحديدية ، يحدث الترتيب المغناطيسي هنا في نطاق درجة الحرارة من 0 كلفن إلى بعض N الحرجة ، تسمى درجة حرارة نيل. إذا كان الاتجاه المضاد للتوازي للعزوم المغناطيسية المحلية ، فإن مغنطة البلورة الناتجة تساوي صفرًا ، فعندئذ يكون لدينا المغناطيسية المضادة. ومع ذلك ، إذا لم يكن هناك تعويض كامل للعزم المغناطيسي ، فعندئذٍ يتحدث المرء عنها المغناطيسية الحديدية. الأكثر شيوعا هي المغناطيسات الحديدية الفريتأكاسيد معدنية مزدوجة. الممثل المميز للفريت هو أكسيد الحديد الأسود (Fe3O4). معظم المغناطيسات الحديدية عبارة عن بلورات أيونية ، وبالتالي فهي ذات توصيل كهربائي منخفض. بالاقتران مع الخصائص المغناطيسية الجيدة (نفاذية مغناطيسية عالية ، مغنطة عالية التشبع ، إلخ) ، هذه ميزة مهمة على المغناطيسات الحديدية التقليدية. هذه هي الجودة التي سمحت باستخدام الفريت في تكنولوجيا الميكروويف. لا يمكن استخدام المواد المغناطيسية التقليدية ذات الموصلية العالية هنا بسبب الخسائر العالية جدًا بسبب تكوين التيارات الدوامة. في الوقت نفسه ، بالنسبة للعديد من الفريت ، تكون نقطة نيل منخفضة جدًا (100-300 درجة مئوية) مقارنة بدرجة حرارة كوري للمعادن المغناطيسية. في هذا العمل ، لتحديد درجة حرارة انتقال المغناطيس الحديدي إلى بارامغناطيس ، يتم استخدام قضيب مصنوع من الفريت.

استكمال العمل

مخطط الإعداد التجريبي.

فكرة التجربة

يتمثل العنصر الرئيسي في هذا التثبيت في محول ذو قلب مفتوح مصنوع من الفريت. يعمل اللف الأساسي ، المصنوع من نيتشروم ، أيضًا على تسخين اللب. يتم توفير الجهد للملف الأساسي من LATR لتجنب ارتفاع درجة الحرارة. يتم تسجيل تيار الحث باستخدام مقياس الفولتميتر المضمن في الملف الثانوي. تُستخدم المزدوجة الحرارية المفردة ، emf الحرارية ، لقياس درجة حرارة اللب. والذي يتناسب مع اختلاف درجة الحرارة بين الهواء المحيط والوصل الحراري. يمكن حساب درجة الحرارة الأساسية باستخدام الصيغة التالية: تي=تي 0 + 23.5 ، أين هو Thermo-emf. (بالميليفولت) ، تي 0 درجة حرارة الهواء في المختبر.

فكرة التجربة كالتالي: EMF للحث في اللف الثانوي ، أين أناأنا - التيار في اللف الأساسي ، إل- محاثة اللف الأساسي ؛ من المعروف أن أين هو محاثة الملف الثانوي بدون قلب ، وهي النفاذية المغناطيسية للنواة.

تنخفض النفاذية المغناطيسية مع زيادة درجة الحرارة ، وعندما يتم الوصول إلى نقطة النيل ، تنخفض بشكل حاد. وبالتالي ، ينخفض ​​كل من emf التعريفي وتيار الحث بشكل حاد عند الوصول إليهما.

إجراء تجربة

1. قم بتجميع التثبيت وفقًا للرسم التخطيطي الموضح في الشكل. 2.
2. قم بتثبيت مقابض LATR