Физика: Определяне на температурата на фазовия преход феромагнетик-парамагнетик, Лабораторни упражнения. Лабораторна работа: Определяне на температурата на фазовия преход на феромагнетик-парамагнетик Преходът на феромагнетик към парамагнетик

съответствиесПрогнозата на Luttinger и
Тиси към калъфа |- 3 съответстващи на прост
Снимка і кубична решетка, феромагнитна

Няма такова нещо. Също така отбелязваме, че няма феромагнитен ред в граничния случай на двумерно разпределение на частиците, когатоf= ", аS(*>)*>-1,129.

Съгласно (2), (3) и (9) стохастичното уравнение (1), интерпретирано според Стратонович, съответства на уравнението на Фокер-Планк

- = - - j |a(ain29 + 2b(t)гряхв) -antfjP + - Дж(10)

= 2/ZyHa, a = Ham/2kT,SCH= H(t)/Ha), за плътност(P=P(0,t))ако--:.^ tіi "sgї: че векторътмв momeVIvramvVI1 гемет поляренъгъл6. Ако приемем, че на границите на интервала (0,; r) се променя ъгълът0 няма вероятностен поток, намираме стационарното решение на уравнение (10):

(И)

gseC(a,2ab)

(12) ВесникSIDDU".iS°S,№2(13)

15 (b=b(fj)).Нека дефинираме параметъра на реда на разглежданата система

еднодомейни частици като/л- t,g(co)/t. След това, използвайки релацията

(13)

И изрази (11) и (12), за/.і получаваме уравнението 2e°

С(а,ЗТ0c/g)

грях

T;Ж

(И)където Г0 -onm2 ZS(£)/3 хил.

Анализът на уравнение (14) показва, че в съответствие с горните физически съображения, при££J(когаTd<0) има уникално решение /(=0 при всяка температура, т.е. в този случай не възниква ред на дълги разстояния. Ненулево решение може да съществува само за£<1. Както в случая с уравнението на Ланжевен,p=co\&nh(3Tnp./T)-T/3T0fi,до което се свежда уравнението(14) за Hn-*0, то съществува, ако за/t~»0, допирателната на наклона на допирателната към графиката на функцията, дефинирана от дясната страна на (14), превишава 1. Лесно е да се провери, че това условие е изпълнено, когатоT<Т^Г, къдетоTcr ~ температура на парамагнитно-феромагнитния фазов преход, който се определя като решение на уравнениетоT=3T0f(a) ( f(a)= равно на нула. Диамагнитите включват много метали (например Bi, Ag, Au, Cu), повечето органични съединения, смоли, въглерод и др.

Тъй като диамагнитният ефект се дължи на действието на външно магнитно поле върху електроните на атомите на веществото, диамагнетизмът е характерен за всички вещества. Въпреки това, наред с диамагнитите, има и такива парамагнетици - вещества, които се магнетизират във външно магнитно поле по посока на полето.

В парамагнитните вещества, при липса на външно магнитно поле, магнитните моменти на електроните не се компенсират взаимно, а атомите (молекулите) на парамагнетиците винаги имат магнитен момент. Въпреки това, поради топлинното движение на молекулите, техните магнитни моменти са произволно ориентирани, така че парамагнитните вещества нямат магнитни свойства. Когато парамагнетик се въведе във външно магнитно поле, преобладаващориентация на магнитните моменти на атомите на игрището(пълната ориентация е възпрепятствана от топлинното движение на атомите). Така парамагнетът се магнетизира, създавайки собствено магнитно поле, съвпадащо по посока с външното поле и усилващо го. Това Ефект Наречен парамагнитни.

Когато външното магнитно поле е отслабено до нула, ориентацията на магнитните моменти се нарушава поради топлинно движение и парамагнетът се демагнетизира. Парамагнетиците включват редкоземни елементи, Pt, A1 и др. Диамагнитният ефект се наблюдава и при парамагнетиците, но той е много по-слаб от парамагнитния и затова остава незабележим.

Освен двата разглеждани класа вещества – диа- и парамагнетици, т.нар слабо магнитен веществавсе още има силно магнитни вещества - феромагнетици - вещества със спонтанно намагнитване, т.е. те се магнетизират дори при липса на външно магнитно поле. В допълнение към техния основен представител, желязото (от което идва името "феромагнетизъм"), феромагнетиците включват например кобалт, никел, гадолиний, техните сплави и съединения.

Феромагнетиците, освен способността да бъдат силно намагнетизирани, имат и други свойства, които значително ги отличават от диа- и парамагнетиците. Ако за слабо магнитните вещества зависимостта от е линейна, то за феромагнетиците тази зависимост е доста сложна. Докато се издигате знамагнитване Джпърво расте бързо, след това по-бавно и накрая, т.нар магнитна наситеност J до c,вече не зависи от силата на полето.

Ориз. 2

Този тип пристрастяване Джот зможе да се обясни с факта, че с увеличаване на магнетизиращото поле степента на ориентация на молекулните магнитни моменти по протежение на полето се увеличава. Въпреки това, този процес ще започне да се забавя, когато има все по-малко и по-малко неориентирани моменти и накрая, когато всички моменти са ориентирани по протежение на полето, допълнително увеличение зспира и настъпва магнитно насищане.

Ориз. 3

Магнитна индукция B \u003d μ 0 (N+ J)в слаби полета расте бързо с увеличаване зпоради увеличението Дж, но в силни полета, тъй като вторият член е постоянен ( J= JHac), ATнараства с увеличаване зспоред линеен закон.

Съществена характеристика на феромагнетиците са не само големите стойности μ (например за желязо - 5000, за супермалойна сплав - 800 000!), но и зависимостта μ от з(фиг. 3). първо μ расте с нарастването з, след това, достигайки максимум, започва да намалява, клонейки към 1 в случай на силни полета ( , Така че, когато J= JHac= const с нарастване зотношение и μ → 1).

Фиг.4

Характерна особеност на феромагнетиците е също така, че за тях зависимостта Джот з(и следователно също ATот з) се определя от историята на намагнитването на феромагнетика. Това явление е наименувано магнитен хистерезис. Ако намагнетизираме феромагнетик до насищане (фиг. 4, точка 1), и след това започнете да намалявате напрежението змагнетизиращо поле, тогава, както показва опитът, намалението се описва от кривата 1 - 2, над кривата 1 - 0. При з = 0 , Джсе различава от нула, т.е. във феромагнетик, остатъчна магнетизация Joc.

Наличието на остатъчна магнетизация се свързва със съществуването постоянни магнити. Намагнитването изчезва под действието на полето з s, имащо посока, противоположна на полето, което е причинило намагнитването. напрежение зс т.нар принудителна сила.

При по-нататъшно увеличаване на противоположното поле феромагнитът се ремагнетизира (крива 3 - 4), и при з = - здостига се насищане (точка 4 ). След това феромагнитът може отново да бъде демагнетизиран (крива 4 - 5-6) и отново магнетизиран до насищане (крива 6- 1 ).

По този начин, под действието на променливо магнитно поле върху феромагнетик, намагнитването Джсе променя според кривата 1-2-3-4- 5-6-1, което се нарича хистерезисна верига (от гръцки "закъснение"). Хистерезисът води до факта, че намагнитването на феромагнетика не е еднозначна функция з, тоест същата стойност зсъответства на множество стойности Дж.

Феромагнетиците имат още една съществена характеристика: за всеки феромагнетик има определена температура, т.нар точка на Кюри, при което губи своите магнитни свойства. Когато пробата се нагрее над точката на Кюри, феромагнетикът се превръща в обикновен парамагнетик. Преходът на вещество от феромагнитно състояние в парамагнитно, което се случва в точката на Кюри, не е придружено от абсорбция или отделяне на топлина, т.е. в точката на Кюри се получава фазов преход от втори ред.

И накрая, процесът на намагнитване на феромагнетиците е придружен от промяна в неговите линейни размери и обем. Това явление е наименувано магнитострикция . Големината и знакът на ефекта зависят от интензитета знамагнитващо поле, природата на феромагнетика и ориентацията на кристалографските оси по отношение на полето.

Подобна информация.

Според магнитните си свойства всички вещества се делят на слабо магнитни и силно магнитни. В допълнение, магнитите се класифицират в зависимост от механизма на намагнитване.

Диамагнети

Диамагнитите се класифицират като слабо магнитни вещества. При липса на магнитно поле те не се магнетизират. В такива вещества, когато се въведат във външно магнитно поле в молекули и атоми, движението на електроните се променя така, че се образува ориентиран кръгов ток. Токът се характеризира с магнитния момент ($p_m$):

където $S$ е площта на намотката с ток.

Създадена от този кръгов ток, в допълнение към външното поле, магнитната индукция е насочена срещу външното поле. Стойността на допълнителното поле може да бъде намерена като:

Всяко вещество има диамагнетизъм.

Магнитната проницаемост на диамагнетиците се различава много малко от единица. За твърди вещества и течности диамагнитната чувствителност е от порядъка на приблизително $(10)^(-5),\ $за газовете тя е много по-малка. Магнитната чувствителност на диамагнетиците не зависи от температурата, което е открито експериментално от П. Кюри.

Диамагнетиците се делят на "класически", "аномални" и свръхпроводници. Класическите диамагнетици имат магнитна чувствителност $\varkappa

В слаби магнитни полета намагнитването на диамагнитите е пропорционално на силата на магнитното поле ($\overrightarrow(H)$):

където $\varkappa $ е магнитната чувствителност на средата (магнита). Фигура 1 показва зависимостта на намагнитването на "класически" диамагнетик от силата на магнитното поле в слаби полета.

Парамагнетици

Парамагнетиците също се наричат ​​​​слабо магнитни вещества. Молекулите на парамагнетиците имат постоянен магнитен момент ($\overrightarrow(p_m)$). Енергията на магнитния момент във външно магнитно поле се изчислява по формулата:

Минималната енергийна стойност се достига, когато посоката $\overrightarrow(p_m)$ съвпада с $\overrightarrow(B)$. Когато парамагнетик се въведе във външно магнитно поле, в съответствие с разпределението на Болцман, се появява преобладаващата ориентация на магнитните моменти на неговите молекули в посоката на полето. Има намагнитване на веществото. Индукцията на допълнителното поле съвпада с външното поле и съответно го усилва. Ъгълът между посоката $\overrightarrow(p_m)$ и $\overrightarrow(B)$ не се променя. Преориентирането на магнитните моменти в съответствие с разпределението на Болцман възниква поради сблъсъци и взаимодействия на атомите един с друг. Парамагнитната чувствителност ($\varkappa $) зависи от температурата съгласно закона на Кюри:

или законът на Кюри-Вайс:

където C и C" са константите на Кюри, $\triangle $ е константа, която може да бъде по-голяма или по-малка от нула.

Магнитната чувствителност ($\varkappa $) на парамагнетика е по-голяма от нула, но, подобно на диамагнита, тя е много малка.

Парамагнетиците се делят на нормални парамагнетици, парамагнитни метали, антиферомагнетици.

При парамагнитните метали магнитната чувствителност не зависи от температурата. Тези метали са слабо магнитни $\varkappa \approx (10)^(-6).$

В парамагнетиците има такова явление като парамагнитен резонанс. Да приемем, че в парамагнетик, който е във външно магнитно поле, се създава допълнително периодично магнитно поле, векторът на индукция на това поле е перпендикулярен на вектора на индукция на постоянното поле. В резултат на взаимодействието на магнитния момент на атома с допълнително поле се създава момент на силите ($\overrightarrow(M)$), който се стреми да промени ъгъла между $\overrightarrow(p_m)$ и $ \overrightarrow(B).$ Ако честотата на променливото магнитно поле и честотните прецесии на движението на атома съвпадат, тогава моментът на силите, създаден от променливото магнитно поле, постоянно увеличава ъгъла между $\overrightarrow(p_m) $ и $\overrightarrow(B)$, или намалява. Това явление се нарича парамагнитен резонанс.

В слаби магнитни полета намагнитването в парамагнетиците е пропорционално на напрегнатостта на полето и се изразява с формула (3) (фиг. 2).

феромагнетици

Феромагнетиците се класифицират като силно магнитни вещества. Магнитите, чиято магнитна проницаемост достига големи стойности и зависи от външното магнитно поле и предишната история, се наричат ​​феромагнетици. Феромагнетиците могат да имат остатъчна магнетизация.

Магнитната чувствителност на феромагнетиците е функция от силата на външното магнитно поле. Зависимостта J(H) е показана на фиг. 3. Намагнитването има граница на насищане ($J_(nas)$).

Наличието на граница на насищане на намагнитването показва, че намагнитването на феромагнетиците е причинено от преориентацията на някои елементарни магнитни моменти. При феромагнетиците се наблюдава явлението хистерезис (фиг. 4).

Феромагнитите от своя страна се разделят на:

1. Мека магнитна. Вещества с висока магнитна проницаемост, лесно се магнетизират и демагнетизират. Те се използват в електротехниката, където работят с променливи полета, например в трансформатори.
2. Магнитно твърд. Вещества с относително ниска магнитна пропускливост, трудни за магнетизиране и демагнетизиране. Тези вещества се използват при създаването на постоянни магнити.

Пример 1

Задача: Зависимостта на намагнитването за феромагнетик е показана на фиг. 3.J(H). Начертайте кривата на зависимост B(H). Има ли насищане за магнитна индукция, защо?

Тъй като векторът на магнитната индукция е свързан с вектора на намагнитване чрез връзката:

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

тогава кривата B(H) не достига насищане. Графиката на зависимостта на индукцията на магнитното поле от силата на външното магнитно поле може да бъде представена, както е показано на фиг. 5. Такава крива се нарича крива на намагнитване.

Отговор: Няма насищане за индукционната крива.

Пример 2

Задача: Получете формулата за парамагнитната чувствителност $(\varkappa)$, като знаете, че механизмът на намагнитване на парамагнетика е подобен на механизма на наелектризиране на полярните диелектрици. За средната стойност на магнитния момент на молекулата в проекция върху оста Z можем да напишем формулата:

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

където $L\left(\beta \right)=cth\left(\beta \right)-\frac(1)(\beta )$ е функцията на Ланжевен за $\beta =\frac(p_mB)(kT). $

При високи температури и малки полета получаваме, че:

Следователно, за $\beta \ll 1$ $cth\left(\beta \right)=\frac(1)(\beta )+\frac(\beta )(3)-\frac((\beta )^3 )(45)+\dots $, ограничавайки функцията до линеен член на $\beta $, получаваме:

Заместваме резултата (2.3) в (2.1), получаваме:

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

Използвайки връзката между силата на магнитното поле и магнитната индукция ($\overrightarrow(B)=\mu (\mu )_0\overrightarrow(H)$), като вземем предвид, че магнитната пропускливост на парамагнетиците се различава малко от единица, можем напиши:

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

Тогава намагнитването ще изглежда така:

Знаейки, че връзката между модула на намагнитване и модула на вектора на интензитета е:

За парамагнитната чувствителност имаме:

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

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

Парамагнетиците включват вещества, в които магнитният момент на атомите или молекулите е различен от нула при липса на външно магнитно поле:

Следователно, когато се въведат във външно магнитно поле, парамагнетиците се намагнетизират в посоката на полето. При липса на външно магнитно поле парамагнетът не е намагнетизиран, тъй като поради топлинно движение всички магнитни моменти на атомите са произволно ориентирани и следователно намагнитването е нула (фиг. 2.7 а). Когато парамагнетик се въведе във външно магнитно поле, се установява преобладаващата ориентация на магнитните моменти на атомите по протежение на полето (фиг. 2.7 b). Пълната ориентация се възпрепятства от топлинното движение на атомите, което се стреми да разпръсне моментите. В резултат на такава преференциална ориентация парамагнетът се магнетизира, създавайки собствено магнитно поле, което, насложено върху външното, го засилва. Този ефект се нарича парамагнитен ефект или парамагнетизъм.

Фиг.2.7. Парамагнитни в

липса на поле (а) и в

външно магнитно поле (b)

Парамагнетиците също проявяват прецесия на Лармор и диамагнитен ефект, както във всички вещества. Но диамагнитният ефект е по-слаб от парамагнитния и се потиска от него, оставайки незабележим. За парамагнетиците χ също е малък, но положителен, от порядъка на ~10 -7 –10 -4 , което означава, че μ е малко по-голямо от единица.

Точно както при диамагнетиците, зависимостта на магнитната чувствителност на парамагнетиците от външното поле е линейна (Фиг.5.8).

Преобладаващата ориентация на магнитните моменти по протежение на полето зависи от температурата. С повишаването на температурата топлинното движение на атомите се увеличава, поради което ориентацията в една посока става трудна и намагнитването намалява. Френският физик П. Кюри установява следния модел: където С е константата на Кюри, която зависи от вида на веществото. Класическата теория на парамагнетизма е разработена през 1905 г. от P. Langevin.

2.10 Феромагнетизъм. Феромагнетици. Домейн структура на феромагнетици.

.7. Феромагнетизъм. Феромагнетици. @

Феромагнетиците са твърди кристални вещества, които имат спонтанно (спонтанно) намагнитване в отсъствието на външно магнитно поле. .Атомите (молекулите) на такива вещества имат ненулев магнитен момент. При липса на външно поле, магнитните моменти в рамките на големи области са ориентирани по същия начин (повече за това по-късно). За разлика от слабо магнитните диа- и парамагнетици, феромагнетиците са силно магнитни вещества. Тяхното вътрешно магнитно поле може да бъде стотици и хиляди пъти по-голямо от външното. За феромагнетиците χ и μ са положителни и могат да достигнат много големи стойности от порядъка на ~10 3 . Само феромагнетиците могат да бъдат постоянни магнити.

Защо феромагнитните тела показват толкова силно намагнитване? Защо топлинното движение в тях не пречи на установяването на ред в подреждането на магнитните моменти? За да отговорите на този въпрос, разгледайте някои важни свойства на феромагнетиците.

Ако изобразим основната крива на намагнитване в координати (B, H) (фиг. 2.10, крива 0-1), ще получим малко по-различна картина: тъй като при достигане на стойността на J магнитната индукция продължава да расте линейно с растеж:

= μ 0 + const, const = μ 0 J насит.

Феромагнетиците се характеризират с явлението хистерезис(от гръцки хистерезис - изоставане, забавяне).

Нека доведем намагнитването на тялото до насищане чрез увеличаване на силата на външното поле (фиг. 2.10, точка 1), след което ще намалим H. В този случай зависимостта B(H) не следва оригиналната крива 0-1, но нова крива 1-2. Когато интензитетът намалее до нула, намагнитването на веществото и магнитната индукция ще изчезнат. При H = 0 магнитната индукция има ненулева стойност В останалата част, която се нарича остатъчна индукция. Извиква се намагнитване J ref, съответстващо на B ref остатъчна магнетизация, а феромагнетикът придобива свойствата на постоянен магнит. В остатъка и J остатъкът се превръща в нула само под действието на поле, противоположно по посока на оригинала. Нарича се стойността на силата на полето H c, при която остатъчната намагнитност и индукция изчезват принудителна сила(от лат.coercitio- задържане). Продължавайки да действаме върху феромагнетика с променливо магнитно поле, получаваме кривата 1-2-3-4-1, т.нар. хистерезисна верига. В този случай реакцията на тялото (B или J) ​​изглежда изостава от причините, които я предизвикват (H).

Наличието на остатъчна намагнитност прави възможно производството на постоянни магнити, тъй като феромагнетиците с B rem ≠ 0 имат постоянен магнитен момент и създават постоянно магнитно поле в заобикалящата ги среда. Такъв магнит запазва свойствата си толкова по-добре, колкото по-голяма е коерцитивната сила на материала, от който е направен. Магнитните материали обикновено се разделят на стойността на H с мек магнитен(т.е. с малък H c от порядъка на 10 -2 A / m и съответно с тесен хистерезис) и магнитно твърд(N s ~10 5 A/m и широка хистерезисна верига). Меките магнитни материали са необходими за производството на трансформатори, чиито ядра постоянно се ремагнетизират от променлив ток. Ако сърцевината на трансформатора има голям хистерезис, тя ще се нагрее по време на обръщане на намагнитването, което ще доведе до загуба на енергия. Следователно за трансформаторите са необходими материали без хистерезис. Феромагнетиците с тясна хистерезисна верига включват сплави на желязо с никел или желязо с никел и молибден (пермалой и супермалой).

Магнитно твърди материали (включително въглеродни, волфрамови, хромови и алуминиево-никелови стомани) се използват за направата на постоянни магнити.

Остатъчната постоянна магнетизация ще съществува за неопределено време, ако феромагнетикът не е подложен на силни магнитни полета, високи температури и деформация. Цялата информация, записана на магнитни ленти - от музика до видео програми - се запазва благодарение на този физически феномен.

Съществена характеристика на феромагнетиците са огромните стойности на магнитната проницаемост и магнитната чувствителност. Например, за желязо μ max ≈ 5000, за пермалой - 100 000, за супермалой - 900 000. За феромагнетиците стойностите на магнитната чувствителност и магнитната проницаемост са функции на силата на магнитното поле Н (фиг. 2.11). С увеличаване на силата на полето стойността на μ първо бързо нараства до μ max, а след това намалява, доближавайки се до стойността на μ=1 при много силни полета. Следователно, въпреки че формулата B \u003d μμ 0 H остава валидна за феромагнитни вещества, линейната връзка между B и H е нарушена.

Вторият магнитомеханичен ефект е Ефект на Вилари- промяна и дори изчезване на остатъчната магнетизация на тялото, когато се разклати или деформира (открито от Е. Вилари през 1865 г.). Поради това постоянните магнити трябва да бъдат защитени от удари.

Нагряването действа подобно на деформацията върху феромагнетиците. С повишаване на температурата, остатъчната намагнитност започва да намалява, първоначално слабо, а след това, при достигане на определена достатъчно висока температура, характерна за всеки феромагнетик, настъпва рязък спад на намагнитването до нула. Тогава тялото се превръща в парамагнетик. Температурата, при която настъпва тази промяна, се нарича Точка на Кюри, в чест на П. Кюри, който го открива. За желязото точката на Кюри е 770ºС, за кобалта - 1130ºС, за никела - 358ºС, за гадолиния - 16ºС. Този преход не е придружен от отделяне или поглъщане на топлина и е фазов преход от втори ред. Всички тези явления намират своето обяснение при разглеждане на структурата на феромагнетиците.

ЛАБОРАТОРНА РАБОТА

Определяне на температурата на фазов преход

феримагнитни-парамагнитни

Обективен : определяне на температурата на Neel за феримагнетик (феритен прът)

Кратка теоретична информация

Всяко вещество е магнит, т.е. способен да придобие магнитен момент, когато е изложен на магнитно поле. Така веществото създава магнитно поле, което се наслагва върху външното поле. И двете полета се събират в полученото поле:

Намагнитването на магнита се характеризира с магнитния момент на единица обем. Тази величина се нарича вектор на намагнитване

където е магнитният момент на отделна молекула.

Векторът на намагнитване е свързан със силата на магнитното поле чрез следната връзка:

където е характерна стойност за дадено вещество, наречена магнитна чувствителност.

Векторът на магнитната индукция е свързан със силата на магнитното поле:

Безразмерната величина се нарича относителна магнитна проницаемост.

Всички вещества според техните магнитни свойства могат да бъдат разделени на три класа:

1. парамагнетици > 1, в които намагнитването увеличава общото поле
2. диамагнити< 1 в которых намагниченность вещества уменьшает суммарное поле
3. феромагнетици >> 1 намагнитването увеличава общото магнитно поле.
Веществото е феромагнитно, ако има спонтанен магнитен момент дори при липса на външно магнитно поле. Намагнитване на насищане на феромагнетик азСсе определя като спонтанен магнитен момент на единица обем от вещество.

Феромагнетизъм се наблюдава в 3 д-метали ( Fe, Ni, Co) и 4 fметали (Gd, Tb, Er, Dy, Ho, Tm) освен това има огромно количество феромагнитни сплави. Интересно е да се отбележи, че само 9 чисти метала, изброени по-горе, притежават феромагнетизъм. Всички са недовършени д-или е-черупки.

Феромагнитните свойства на дадено вещество се обясняват с факта, че между атомите на това вещество има специално взаимодействие, което не се извършва в диа- и парамагнетиците, което води до факта, че йонните или атомните магнитни моменти на съседните атоми са ориентирани в същата посока. Физическата природа на това специално взаимодействие, наречено обмен, е установено от Я.И. Френкел и В. Хайзенберг през 30-те години на ХХ век на базата на квантовата механика. Изследването на взаимодействието на два атома от гледна точка на квантовата механика показва, че енергията на взаимодействие на атомите ази йимащи моменти на въртене С аз и С й , съдържа термин, дължащ се на обменното взаимодействие:

където Джобменен интеграл, наличието на който е свързано с припокриването на електронните обвивки на атомите ази й. Стойността на обменния интеграл силно зависи от междуатомното разстояние в кристала (период на решетка). За феромагнетици Дж>0, ако J<0 вещество является антиферромагнетиком, а при Дж=0 парамагнетик. Обменната енергия няма класически аналог, въпреки че има електростатичен произход. Характеризира разликата в енергията на кулоновото взаимодействие на системата в случаите, когато спиновете са успоредни и когато са антипаралелни. Това е следствие от принципа на Паули. В една квантово-механична система промяната в относителната ориентация на два спина трябва да бъде придружена от промяна в пространственото разпределение на заряда в областта на припокриване. При температура T=0 K, спиновете на всички атоми трябва да бъдат ориентирани по един и същи начин; с повишаването на температурата редът в ориентацията на спиновете намалява. Има критична температура, наречена температура на Кюри (точка). TОТ, при което корелацията в ориентациите на отделните спинове изчезва, - веществото от феромагнетик става парамагнетик. Има три условия, благоприятстващи появата на феромагнетизъм

1. наличието на значителни собствени магнитни моменти в атомите на материята (това е възможно само в атоми с незавършени д-или е-черупки);
2. обменният интеграл за даден кристал трябва да е положителен;
3. плътност на състоянията в д-и е-зоните трябва да са големи.

Магнитната чувствителност на феромагнетика се подчинява Закон на Кюри-Вайс:

, ОТКонстанта на Кюри.

Феромагнетизмът на тела, състоящи се от голям брой атоми, се дължи на наличието на макроскопични обеми материя (домени), в които магнитните моменти на атомите или йоните са успоредни и еднакво насочени. Тези домейни имат спонтанно спонтанно намагнитване дори при липса на външно намагнитващо поле.

Модел на атомната магнитна структура на феромагнетик с гранецентрирана кубична решетка. Стрелките показват магнитните моменти на атомите.

При липса на външно магнитно поле немагнетизираният феромагнетик като цяло се състои от по-голям брой домени, във всеки от които всички завъртания са ориентирани по един и същи начин, но посоката на тяхната ориентация се различава от посоките на завъртанията в съседните домейни. Средно в проба от немагнетизиран феромагнетик всички посоки са еднакво представени, така че не се получава макроскопично магнитно поле. Дори в един кристал има домейни. Разделянето на материята на области се случва, защото изисква по-малко енергия, отколкото подреждане с еднакво ориентирани спинове.

Когато феромагнетик е поставен във външно поле, магнитните моменти, успоредни на полето, ще имат по-малка енергия от моментите, антипаралелни на полето или насочени по друг начин. Това дава предимство на някои домейни, които се стремят да увеличат обема си за сметка на други, ако е възможно. Може също да възникне ротация на магнитни моменти в рамките на един домен. По този начин слабо външно поле може да причини голяма промяна в намагнитването.

Когато феромагнетиците се нагреят до точката на Кюри, топлинното движение разрушава областите на спонтанно намагнитване, веществото губи своите специални магнитни свойства и се държи като обикновен парамагнетик. Температурите на Кюри за някои феромагнитни метали са дадени в таблицата.

веществоFe 769Ni 364ко 1121Gd 18

В допълнение към феромагнетиците има голяма група магнитно подредени вещества, в които спиновите магнитни моменти на атоми с непълни черупки са ориентирани антипаралелно. Както е показано по-горе, тази ситуация възниква, когато обменният интеграл е отрицателен. Точно както при феромагнетиците, тук се извършва магнитно подреждане в температурния диапазон от 0 К до някакъв критичен N, наречен температура на Неел. Ако за антипаралелната ориентация на локализираните магнитни моменти получената кристална магнетизация е нула, тогава имаме антиферомагнетизъм. Ако обаче няма пълна компенсация на магнитния момент, тогава се говори за феримагнетизъм. Най-типичните феримагнетици са феритидвойни метални оксиди. Характерен представител на феритите е магнетитът (Fe3O4). Повечето феримагнетици са йонни кристали и следователно имат ниска електропроводимост. В комбинация с добри магнитни свойства (висока магнитна проницаемост, високо намагнитване на насищане и т.н.), това е важно предимство пред конвенционалните феромагнетици. Именно това качество позволи използването на ферити в микровълновата технология. Конвенционалните феромагнитни материали с висока проводимост не могат да се използват тук поради много високи загуби поради образуването на вихрови токове. В същото време за много ферити точката на Neel е много ниска (100-300 C) в сравнение с температурата на Кюри за феромагнитни метали. В тази работа, за да се определи температурата на прехода феримагнетик-парамагнетик, се използва прът, изработен от ферит.

Завършване на работата

Схема на експерименталната постановка.

Идея за експеримент

Основната част на тази инсталация е трансформатор с отворено ядро ​​от ферит. Първичната намотка, изработена от нихром, също служи за загряване на сърцевината. Напрежението се подава към първичната намотка от LATR, за да се избегне прегряване. Индукционният ток се записва с помощта на волтметър, включен във вторичната намотка. За измерване на температурата в сърцевината се използва една термодвойка, thermo-emf. което е пропорционално на температурната разлика между околния въздух и прехода на термодвойката. Вътрешната температура може да се изчисли по следната формула: T=T 0+23,5, където е термоемс. (в миливолта), T 0 температура на въздуха в лабораторията.

Идеята на експеримента е следната: ЕМП на индукция във вторичната намотка, където азаз - ток в първичната намотка, Л- индуктивност на първичната намотка; известно е, че къде е индуктивността на вторичната намотка без сърцевина и е магнитната проницаемост на сърцевината.

Магнитната проницаемост намалява с повишаване на температурата и при достигане на точката на Neel рязко спада. Следователно както индукционната едс, така и индукционният ток спадат рязко, когато бъдат достигнати.

Провеждане на експеримент

1. Сглобете инсталацията съгласно схемата, показана на фиг. 2.
2. Инсталирайте копчетата LATR