Vật lý: Xác định nhiệt độ chuyển pha sắt từ-thuận từ, Công việc trong phòng thí nghiệm. Công việc trong phòng thí nghiệm: Xác định nhiệt độ của quá trình chuyển pha của sắt từ-thuận từ Sự chuyển pha của sắt từ thành thuận từ

sự tuân thủVớiDự đoán của Luttinger và
Tisses cho trường hợp |- 3 tương ứng với một đơn giản
Hình ảnh і mạng lập phương, sắt từ

Không có điều đó Chúng tôi cũng lưu ý rằng không có thứ tự sắt từ trong trường hợp giới hạn của sự phân bố hai chiều của các hạt, khif= ", mộtS(*>)*>-1,129.

Theo (2), (3) và (9), phương trình ngẫu nhiên (1), được giải thích theo Stratonovich, tương ứng với phương trình Fokker-Planck

- = - - j |a(ain29 + 2b(t)tộiTrong) -antfjP + - J(10)

= 2/ZyHa, a = Hàm/2kT,SCH= H(t)/Ha), cho mật độ(P=P(0,t))nếu--:.^ tіi "sgї: rằng véc tơtôiTrong mẹVIvramvVI1 cực đá quýgóc6. Giả sử rằng trên các biên của khoảng (0, ; r) góc thay đổi0 không có dòng xác suất, ta tìm được nghiệm dừng của phương trình (10):

(VÀ)

gseC(a,2ab)

(12) visnikSIDDU".iS°S,№2(13)

15 (b=b(fj)).Hãy để chúng tôi xác định tham số thứ tự của hệ thống đang được xem xét

các hạt đơn miền như/ tôi- t,g(co)/t. Khi đó, sử dụng quan hệ

(13)

Và các biểu thức (11) và (12), cho/.і chúng ta có phương trình 2e°

С(а,ЗТ0c/g)

tội lỗi

t;g

(VÀ)trong đó Г0 -onm2 ZS(£)/3k.

Một phân tích của phương trình (14) cho thấy rằng, theo các cân nhắc vật lý ở trên, tại££J(khi nàotd<0) nó có một giải pháp duy nhất /(=0 ở bất kỳ nhiệt độ nào, nghĩa là, thứ tự tầm xa không phát sinh trong trường hợp này. Một giải pháp khác không chỉ có thể tồn tại cho£<1. Như trong trường hợp của phương trình Langevin,p=co\&nh(3Tnp./T)-T/3T0fi,mà phương trình rút gọn(14) đối với Hn-*0, nó tồn tại nếu đối với/t~» 0 thì hoành độ của hệ số góc của tiếp tuyến với đồ thị hàm số xác định bởi vế phải của (14) vượt quá 1. Dễ dàng kiểm tra điều kiện này thỏa mãn khit<Т^Г, ở đâuTcr ~ nhiệt độ của quá trình chuyển pha thuận từ-sắt từ, được định nghĩa là nghiệm của phương trìnhT=3T0f(a) ( f(a)= bằng không. Diamagnets bao gồm nhiều kim loại (ví dụ: Bi, Ag, Au, Cu), hầu hết các hợp chất hữu cơ, nhựa, carbon, v.v.

Vì hiệu ứng nghịch từ là do tác động của từ trường bên ngoài lên các electron của các nguyên tử của một chất, nên tính nghịch từ là đặc trưng của tất cả các chất. Tuy nhiên, cùng với diamagnets, cũng có nam châm thuận - các chất bị từ hóa trong từ trường ngoài theo hướng của từ trường.

Trong các chất thuận từ, khi không có từ trường ngoài, momen từ của các electron không bù trừ cho nhau và các nguyên tử (phân tử) của chất thuận từ luôn có momen từ. Tuy nhiên, do chuyển động nhiệt của các phân tử, momen từ của chúng định hướng ngẫu nhiên nên chất thuận từ không có tính chất từ. Khi một nam châm thuận được đưa vào một từ trường bên ngoài, chiếm ưu thếđịnh hướng momen từ của nguyên tử trên cánh đồng(sự định hướng hoàn toàn bị ngăn cản bởi chuyển động nhiệt của các nguyên tử). Do đó, thuận từ được từ hóa, tạo ra từ trường riêng của nó, trùng hướng với từ trường bên ngoài và khuếch đại nó. Đây Hiệu ứng gọi là thuận từ.

Khi từ trường bên ngoài bị suy yếu về 0, định hướng của các mô men từ bị vi phạm do chuyển động nhiệt và nam châm thuận bị khử từ. Nam châm thuận bao gồm các nguyên tố đất hiếm, Pt, A1, v.v. Hiệu ứng nghịch từ cũng được quan sát thấy trong các thuận từ, nhưng nó yếu hơn nhiều so với thuận từ và do đó không thể nhận thấy.

Ngoài hai loại chất được xem xét - dia- và paramagnets, được gọi là từ tính yếu vật liệu xây dựng vẫn còn chất có từ tính mạnh - sắt từ - các chất có từ hóa tự phát, tức là chúng bị từ hóa ngay cả khi không có từ trường bên ngoài. Ngoài đại diện chính của chúng là sắt (từ đó có tên "sắt từ"), sắt từ bao gồm, ví dụ, coban, niken, gadolinium, hợp kim và hợp chất của chúng.

Các nam châm sắt từ, ngoài khả năng bị từ hóa mạnh, còn có các tính chất khác giúp phân biệt chúng với các nam châm nghịch và nam châm thuận. Nếu đối với các chất từ ​​yếu, sự phụ thuộc vào là tuyến tính, thì đối với các chất sắt từ, sự phụ thuộc này khá phức tạp. Khi bạn tăng h từ hóa Jđầu tiên phát triển nhanh chóng, sau đó chậm hơn, và cuối cùng, cái gọi là bão hòa từ tính J đến c, không còn phụ thuộc vào cường độ trường.

Cơm. 2

Loại nghiện này J từ h có thể được giải thích bởi thực tế là khi trường từ hóa tăng lên, mức độ định hướng của các mômen từ phân tử dọc theo trường tăng lên. Tuy nhiên, quá trình này sẽ bắt đầu chậm lại khi ngày càng có ít khoảnh khắc khó định hướng hơn và cuối cùng, khi tất cả các khoảnh khắc được định hướng dọc theo trường, sự gia tăng hơn nữa h dừng lại và thiết lập bão hòa từ tính.

Cơm. 3

Cảm ứng từ B \u003d μ 0 (N+ J) trong các lĩnh vực yếu phát triển nhanh chóng với sự gia tăng h do sự gia tăng J, nhưng trong các trường mạnh, vì số hạng thứ hai là hằng số ( J= JHắc), TẠI tăng khi tăng h theo quy luật tuyến tính.

Một tính năng thiết yếu của sắt từ không chỉ là giá trị lớn μ (ví dụ: đối với sắt - 5000, đối với hợp kim siêu dẻo - 800.000!), mà còn phụ thuộc μ từ h(Hình 3). lúc đầu μ phát triển với sự gia tăng h, sau đó, đạt cực đại, nó bắt đầu giảm, có xu hướng bằng 1 trong trường hợp trường mạnh ( , vậy khi nào J= JHắc= const với sự tăng trưởng h quan hệ , và μ → 1).

Hình 4

Một tính năng đặc trưng của sắt từ cũng là đối với chúng, sự phụ thuộc J từ h(và do đó cũng TẠI từ h) được xác định bởi lịch sử từ hóa của sắt từ. Hiện tượng này đã được đặt tên từ trễ. Nếu chúng ta từ hóa một sắt từ đến bão hòa (Hình 4, điểm 1), và sau đó bắt đầu giảm căng thẳng h trường từ hóa, sau đó, như kinh nghiệm cho thấy, sự suy giảm được mô tả bằng đường cong 1 - 2, phía trên đường cong 1 - 0. Tại h = 0 , J khác 0, tức là, trong một chất sắt từ, từ hóa còn lại Joc.

Sự có mặt của từ hóa dư gắn liền với sự tồn tại nam châm vĩnh cửu. Từ hóa biến mất dưới tác động của trường h s, có hướng ngược lại với trường gây ra từ hóa. căng thẳng h với được gọi là lực lượng cưỡng chế.

Với sự gia tăng hơn nữa trong trường đối diện, sắt từ được từ hóa lại (đường cong 3 - 4), và tại h = - hđạt đến độ bão hòa (điểm 4 ). Sau đó, sắt từ lại có thể được khử từ (đường cong 4 - 5-6) và lại từ hóa đến bão hòa (đường cong 6- 1 ).

Như vậy, dưới tác dụng của từ trường xoay chiều lên nam châm sắt từ, từ hóa J thay đổi theo đường cong 1-2-3-4- 5-6-1, được gọi là vòng lặp trễ (từ tiếng Hy Lạp "chậm trễ"). Độ trễ dẫn đến thực tế là từ hóa của sắt từ không phải là một hàm đơn trị h, tức là cùng một giá trị h phù hợp với nhiều giá trị J.

Sắt từ có một tính năng thiết yếu khác: đối với mỗi sắt từ có một nhiệt độ nhất định, được gọi là điểm Curie, tại đó nó mất đi tính chất từ ​​tính. Khi mẫu được nung nóng trên điểm Curie, sắt từ biến thành nam châm thuận bình thường. Sự chuyển đổi của một chất từ ​​​​trạng thái sắt từ sang trạng thái thuận từ, xảy ra tại điểm Curie, không kèm theo sự hấp thụ hoặc giải phóng nhiệt, tức là. tại điểm Curie xảy ra sự chuyển pha bậc hai.

Cuối cùng, quá trình từ hóa của sắt từ đi kèm với sự thay đổi kích thước tuyến tính và thể tích của nó. Hiện tượng này đã được đặt tên từ giảo . Độ lớn và dấu của hiệu ứng phụ thuộc vào cường độ h trường từ hóa, bản chất của sắt từ và hướng của các trục tinh thể đối với trường.

Thông tin tương tự.

Theo tính chất từ ​​tính của chúng, tất cả các chất được chia thành từ tính yếu và từ tính mạnh. Ngoài ra, nam châm được phân loại tùy thuộc vào cơ chế từ hóa.

nam châm

Diamagnets được phân loại là chất có từ tính yếu. Khi không có từ trường, chúng không bị từ hóa. Trong các chất như vậy, khi chúng được đưa vào từ trường bên ngoài trong các phân tử và nguyên tử, chuyển động của các electron thay đổi để tạo thành một dòng điện tròn định hướng. Dòng điện được đặc trưng bởi momen từ ($p_m$):

trong đó $S$ là diện tích cuộn dây có dòng điện.

Được tạo ra bởi dòng điện tròn này, bổ sung cho trường bên ngoài, cảm ứng từ hướng vào trường bên ngoài. Giá trị của trường bổ sung có thể được tìm thấy là:

Chất nào cũng có tính nghịch từ.

Tính thấm từ của nam châm khác rất ít so với sự thống nhất. Đối với chất rắn và chất lỏng, độ nhạy từ tính xấp xỉ $(10)^(-5),\ $ đối với chất khí thì ít hơn nhiều. Độ cảm từ của nam châm không phụ thuộc vào nhiệt độ, điều này đã được phát hiện bằng thực nghiệm bởi P. Curie.

Diamagnets được chia thành "cổ điển", "dị thường" và siêu dẫn. Các nam châm cổ điển có độ cảm từ $\varkappa

Trong từ trường yếu, từ hóa của nam châm tỷ lệ thuận với cường độ từ trường ($\overrightarrow(H)$):

trong đó $\varkappa $ là độ cảm từ của môi trường (nam châm). Hình 1 cho thấy sự phụ thuộc của từ hóa của một nam châm "cổ điển" vào cường độ từ trường trong trường yếu.

nam châm thuận

Nam châm thuận còn được gọi là chất có từ tính yếu. Các phân tử của nam châm thuận có momen từ không đổi ($\overrightarrow(p_m)$). Năng lượng của momen từ trong từ trường ngoài được tính theo công thức:

Giá trị năng lượng tối thiểu đạt được khi hướng $\overrightarrow(p_m)$ trùng với $\overrightarrow(B)$. Khi một nam châm thuận từ được đưa vào một từ trường bên ngoài, theo phân bố Boltzmann, hướng chiếm ưu thế của các khoảnh khắc từ tính của các phân tử của nó theo hướng của trường xuất hiện. Có một từ hóa của chất. Cảm ứng của trường bổ sung trùng với trường bên ngoài và khuếch đại nó tương ứng. Góc giữa hướng $\overrightarrow(p_m)$ và $\overrightarrow(B)$ không thay đổi. Sự định hướng lại của các khoảnh khắc từ tính theo phân bố Boltzmann xảy ra do sự va chạm và tương tác của các nguyên tử với nhau. Độ nhạy thuận từ ($\varkappa $) phụ thuộc vào nhiệt độ theo định luật Curie:

hay định luật Curie-Weiss:

trong đó C và C" là hằng số Curie, $\triangle $ là hằng số có thể lớn hơn hoặc nhỏ hơn 0.

Độ cảm từ ($\varkappa $) của nam châm thuận lớn hơn 0, nhưng, giống như của nam châm, nó rất nhỏ.

Thuận từ được chia thành thuận từ thông thường, kim loại thuận từ, phản sắt từ.

Trong các kim loại thuận từ, độ cảm từ không phụ thuộc vào nhiệt độ. Những kim loại này có từ tính yếu $\varkappa \approx (10)^(-6).$

Trong các thuận từ, có một hiện tượng gọi là cộng hưởng thuận từ. Giả sử rằng trong một nam châm thuận từ, nằm trong từ trường ngoài, một từ trường tuần hoàn bổ sung được tạo ra, vectơ cảm ứng của trường này vuông góc với vectơ cảm ứng của trường không đổi. Do sự tương tác giữa mômen từ của nguyên tử với một trường bổ sung, một mômen lực ($\overrightarrow(M)$) được tạo ra, mômen này có xu hướng thay đổi góc giữa $\overrightarrow(p_m)$ và $ \overrightarrow(B).$ Nếu tần số của từ trường xoay chiều và tần số tuế sai của chuyển động của nguyên tử trùng nhau, thì momen của các lực do từ trường xoay chiều tạo ra sẽ liên tục tăng góc giữa $\overrightarrow(p_m) $ và $\overrightarrow(B)$ hoặc giảm. Hiện tượng này gọi là cộng hưởng thuận từ.

Trong từ trường yếu, từ hóa trong thuận từ tỷ lệ với cường độ trường và được biểu thị bằng công thức (3) (Hình 2).

sắt từ

Sắt từ được phân loại là chất có từ tính cao. Nam châm, độ từ thẩm đạt giá trị lớn và phụ thuộc vào từ trường bên ngoài và lịch sử trước đó, được gọi là nam châm sắt. Sắt từ có thể có từ hóa còn lại.

Độ cảm từ của sắt từ là một hàm của cường độ từ trường bên ngoài. Sự phụ thuộc J(H) được thể hiện trong Hình . 3. Quá trình từ hóa có giới hạn bão hòa ($J_(nas)$).

Sự tồn tại của giới hạn bão hòa từ hóa chỉ ra rằng từ hóa của sắt từ là do sự định hướng lại của một số mômen từ cơ bản. Trong sắt từ, hiện tượng từ trễ được quan sát thấy (Hình 4).

Ngược lại, sắt từ được chia thành:

1. Mềm mại từ tính. Các chất có độ từ thẩm cao, dễ bị từ hóa và khử từ. Chúng được sử dụng trong kỹ thuật điện, nơi chúng hoạt động với các trường xoay chiều, chẳng hạn như trong máy biến áp.
2. Cứng từ tính. Các chất có độ từ thẩm tương đối thấp, khó từ hóa và khử từ. Những chất này được sử dụng trong việc tạo ra nam châm vĩnh cửu.

ví dụ 1

Nhiệm vụ: Sự phụ thuộc của từ hóa đối với một chất sắt từ được thể hiện trong hình. 3.J(H). Vẽ đường cong phụ thuộc B(H). Có bão hòa cho cảm ứng từ không, tại sao?

Vì vectơ cảm ứng từ liên hệ với vectơ từ hóa theo hệ thức:

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

thì đường cong B(H) không đạt bão hòa. Một biểu đồ về sự phụ thuộc của cảm ứng từ trường vào cường độ của từ trường bên ngoài có thể được biểu diễn như trong Hình. 5. Đường cong như vậy được gọi là đường cong từ hóa.

Trả lời: Không có độ bão hòa cho đường cong cảm ứng.

ví dụ 2

Nhiệm vụ: Tìm công thức tính độ từ thuận từ $(\varkappa)$, biết rằng cơ chế từ hóa của nam châm thuận từ tương tự như cơ chế nhiễm điện của các chất điện môi có cực. Đối với giá trị trung bình của mô men từ của phân tử khi chiếu lên trục Z, chúng ta có thể viết công thức:

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

trong đó $L\left(\beta \right)=cth\left(\beta \right)-\frac(1)(\beta )$ là hàm Langevin cho $\beta =\frac(p_mB)(kT). $

Ở nhiệt độ cao và trường nhỏ, chúng tôi nhận được rằng:

Do đó, đối với $\beta \ll 1$ $cth\left(\beta \right)=\frac(1)(\beta )+\frac(\beta )(3)-\frac((\beta )^3 )(45)+\dots $ , giới hạn hàm thành một thuật ngữ tuyến tính trên $\beta $ chúng tôi nhận được:

Thay kết quả (2.3) vào (2.1), ta được:

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

Sử dụng mối quan hệ giữa cường độ từ trường và cảm ứng từ ($\overrightarrow(B)=\mu (\mu )_0\overrightarrow(H)$), có tính đến khả năng thấm từ của nam châm thuận từ khác một chút so với đơn vị, chúng ta có thể viết:

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

Sau đó, từ hóa sẽ giống như:

Biết rằng mối quan hệ giữa mô đun từ hóa và mô đun vectơ cường độ là:

Ta có độ nhạy thuận từ:

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

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

Nam châm thuận bao gồm các chất trong đó momen từ của nguyên tử hoặc phân tử khác 0 khi không có từ trường ngoài:

Do đó, khi được đưa vào một từ trường bên ngoài, các thuận từ sẽ bị từ hóa theo hướng của trường. Trong trường hợp không có từ trường bên ngoài, thuận từ không bị từ hóa, do chuyển động nhiệt, tất cả các mô men từ của các nguyên tử được định hướng ngẫu nhiên, và do đó từ hóa bằng không (Hình 2.7 a). Khi một nam châm thuận được đưa vào một từ trường bên ngoài, định hướng chủ yếu của các mô men từ của các nguyên tử dọc theo trường được thiết lập (Hình 2.7 b). Sự định hướng hoàn toàn bị ngăn cản bởi chuyển động nhiệt của các nguyên tử, có xu hướng phân tán các khoảnh khắc. Do định hướng ưu tiên như vậy, thuận từ được từ hóa, tạo ra từ trường riêng của nó, được đặt chồng lên từ trường bên ngoài, tăng cường sức mạnh cho nó. Hiệu ứng này được gọi là hiệu ứng thuận từ hay thuận từ.

Hình.2.7. Thuận từ trong

không có trường (a) và trong

từ trường bên ngoài (b)

Các nam châm thuận từ cũng thể hiện tuế sai Larmor và hiệu ứng nghịch từ, như trong tất cả các chất. Nhưng hiệu ứng nghịch từ yếu hơn hiệu ứng thuận từ và bị nó triệt tiêu, không thể nhận thấy. Đối với nam châm thuận, χ cũng nhỏ, nhưng dương, theo thứ tự ~10 -7 –10 -4 , có nghĩa là μ lớn hơn một chút so với đơn vị.

Cũng như đối với nam châm điện từ, sự phụ thuộc của độ cảm từ của nam châm thuận từ vào trường ngoài là tuyến tính ( Hình.5.8).

Định hướng chủ yếu của các mômen từ dọc theo trường phụ thuộc vào nhiệt độ. Khi nhiệt độ tăng, chuyển động nhiệt của các nguyên tử tăng lên, do đó, việc định hướng theo một hướng trở nên khó khăn và từ hóa giảm. Nhà vật lý người Pháp P. Curie đã thiết lập mô hình sau: trong đó C là hằng số Curie, phụ thuộc vào loại chất. Lý thuyết cổ điển về thuận từ được phát triển vào năm 1905 bởi P. Langevin.

2.10 Tính sắt từ. sắt từ. Cấu trúc miền của sắt từ.

.7. sắt từ. sắt từ. @

Sắt từ là các chất kết tinh rắn có từ hóa tự phát (tự phát) khi không có từ trường bên ngoài. .Các nguyên tử (phân tử) của các chất như vậy có momen từ khác không. Trong trường hợp không có từ trường bên ngoài, các momen từ trong các vùng lớn được định hướng theo cùng một cách (sẽ nói thêm về điều này sau). Không giống như nam châm và nam châm từ tính yếu, sắt từ là những chất có từ tính cao. Từ trường bên trong của chúng có thể lớn hơn hàng trăm, hàng nghìn lần so với từ trường bên ngoài. Đối với sắt từ, χ và μ dương và có thể đạt giá trị rất lớn, theo thứ tự ~10 3 . Chỉ các nam châm sắt từ mới có thể là nam châm vĩnh cửu.

Tại sao các vật thể sắt từ thể hiện từ hóa mạnh như vậy? Tại sao chuyển động nhiệt trong chúng không cản trở việc thiết lập trật tự sắp xếp các momen từ? Để trả lời câu hỏi này, hãy xem xét một số tính chất quan trọng của sắt từ.

Nếu chúng ta mô tả đường cong từ hóa chính theo tọa độ (B, H) (Hình 2.10, đường cong 0-1), chúng ta sẽ nhận được một bức tranh hơi khác: vì khi đạt đến giá trị của J, cảm ứng từ tiếp tục tăng tuyến tính với sự tăng trưởng:

= μ 0 + const, const = μ 0 J sat.

Sắt từ được đặc trưng bởi hiện tượng trễ(từ tiếng Hy Lạp trễ - tụt hậu, chậm trễ).

Chúng ta hãy đưa từ hóa của cơ thể đến mức bão hòa bằng cách tăng cường độ của trường bên ngoài (Hình 2.10, điểm 1), sau đó chúng ta sẽ giảm H. Trong trường hợp này, sự phụ thuộc B(H) không tuân theo đường cong ban đầu 0-1, nhưng một đường cong mới 1-2. Khi cường độ giảm đến 0, từ hóa của chất và cảm ứng từ sẽ biến mất. Tại H = 0, cảm ứng từ có giá trị khác không. Phần còn lại, được gọi là cảm ứng dư. Từ hóa J ref tương ứng với B ref được gọi là từ hóa còn lại, và sắt từ có được các tính chất của một nam châm vĩnh cửu. Trong phần còn lại và J, phần còn lại chỉ chuyển sang 0 dưới tác động của một trường ngược hướng với bản gốc. Giá trị của cường độ trường H c, tại đó từ hóa và cảm ứng dư biến mất, được gọi là lực lượng cưỡng chế(từ lat.coercitio- lưu giữ). Tiếp tục tác dụng lên nam châm một từ trường xoay chiều, ta thu được đường cong 1-2-3-4-1, gọi là vòng lặp trễ. Trong trường hợp này, phản ứng của cơ thể (B hoặc J) dường như chậm hơn so với nguyên nhân gây ra nó (H).

Sự tồn tại của từ hóa dư cho phép chế tạo nam châm vĩnh cửu, bởi vì các nam châm sắt từ có B rem ≠ 0 có mômen từ không đổi và tạo ra từ trường không đổi trong môi trường xung quanh chúng. Một nam châm như vậy giữ được các đặc tính của nó càng tốt thì lực cưỡng bức của vật liệu tạo ra nó càng lớn. Vật liệu từ tính thường được chia theo giá trị của H với từ tính mềm(tức là với H c nhỏ theo thứ tự 10 -2 A / m và theo đó, với vòng lặp trễ hẹp) và cứng từ tính(N s ~10 5 A/m và vòng trễ rộng). Vật liệu từ mềm được yêu cầu để sản xuất máy biến áp có lõi được từ hóa liên tục bằng dòng điện xoay chiều. Nếu lõi biến áp có độ trễ lớn, nó sẽ nóng lên trong quá trình đảo ngược từ hóa, điều này sẽ gây lãng phí năng lượng. Do đó, vật liệu không trễ là cần thiết cho máy biến áp. Các nam châm sắt từ có vòng từ trễ hẹp bao gồm các hợp kim của sắt với niken hoặc sắt với niken và molypden (permalloy và supermalloy).

Các vật liệu cứng từ tính (bao gồm thép carbon, vonfram, crom và nhôm-niken) được sử dụng để chế tạo nam châm vĩnh cửu.

Từ hóa vĩnh cửu dư sẽ tồn tại vô thời hạn nếu sắt từ không bị từ trường mạnh, nhiệt độ cao và biến dạng. Tất cả thông tin được ghi trên băng từ - từ âm nhạc đến các chương trình video - đều được bảo toàn do hiện tượng vật lý này.

Một đặc điểm thiết yếu của sắt từ là các giá trị to lớn của độ thấm từ và độ cảm từ. Ví dụ, đối với sắt μ max ≈ 5000, đối với permalloy - 100000, đối với siêu hợp kim - 900000. Đối với sắt từ, các giá trị của độ cảm từ và độ thấm từ là các hàm của cường độ từ trường H (Hình 2.11). Khi cường độ trường tăng lên, giá trị của μ đầu tiên tăng nhanh đến μ max, sau đó giảm dần, tiến gần đến giá trị μ=1 trong các trường rất mạnh. Do đó, mặc dù công thức B \u003d μμ 0 H vẫn có giá trị đối với các chất sắt từ, nhưng mối quan hệ tuyến tính giữa B và H bị vi phạm.

Hiệu ứng cơ từ thứ hai là hiệu ứng Villari- thay đổi và thậm chí biến mất từ ​​hóa còn lại của vật thể khi nó bị lắc hoặc biến dạng (do E. Villari phát hiện năm 1865). Chính vì điều này mà nam châm vĩnh cửu phải được bảo vệ khỏi các tác động.

Hệ thống sưởi hoạt động tương tự như biến dạng trên sắt từ. Với nhiệt độ tăng, từ hóa còn lại bắt đầu giảm, lúc đầu yếu, và sau đó, khi đạt đến một nhiệt độ đủ cao nhất định, đặc trưng của mỗi sắt từ, từ hóa giảm mạnh về không. Cơ thể sau đó trở thành một thuận nam châm. Nhiệt độ tại đó xảy ra sự thay đổi này được gọi là điểm Curie, để vinh danh P. Curie, người đã phát hiện ra nó. Đối với sắt, điểm Curie là 770ºС, đối với coban - 1130ºС, đối với niken - 358ºС, đối với gadolinium - 16ºС. Sự chuyển pha này không kèm theo sự tỏa hay hấp thụ nhiệt và là sự chuyển pha bậc hai. Tất cả những hiện tượng này tìm thấy lời giải thích của họ khi xem xét cấu trúc của sắt từ.

CÔNG VIỆC PHÒNG THÍ NGHIỆM

Xác định nhiệt độ chuyển pha

sắt từ-thuận từ

Khách quan : xác định nhiệt độ Neel cho nam châm sắt từ (thanh ferit)

Thông tin lý thuyết ngắn gọn

Bất kỳ chất nào là nam châm, tức là có khả năng thu được momen từ khi đặt trong từ trường. Do đó, chất này tạo ra một từ trường, được đặt chồng lên từ trường bên ngoài. Cả hai trường cộng lại thành trường kết quả:

Từ hóa của nam châm được đặc trưng bởi mô men từ trên một đơn vị thể tích. Đại lượng này được gọi là vectơ từ hóa

đâu là mômen từ của một phân tử riêng lẻ.

Vectơ từ hóa liên quan đến cường độ từ trường theo hệ thức sau:

trong đó là một giá trị đặc trưng cho một chất nhất định, được gọi là độ cảm từ.

Vectơ cảm ứng từ liên quan đến cường độ từ trường:

Đại lượng không thứ nguyên được gọi là độ từ thẩm tương đối.

Tất cả các chất theo tính chất từ ​​tính của chúng có thể được chia thành ba loại:

1. thuận từ > 1 trong đó từ hóa làm tăng tổng trường
2. nam châm< 1 в которых намагниченность вещества уменьшает суммарное поле
3. sắt từ >> 1 từ hóa làm tăng tổng từ trường.
Một chất là sắt từ nếu nó có momen từ tự phát ngay cả khi không có từ trường bên ngoài. Độ từ hóa bão hòa của sắt từ TôiSđược định nghĩa là mômen từ tự phát trên một đơn vị thể tích của một chất.

Hiện tượng sắt từ được quan sát thấy ở 3 đ-kim loại ( Fe, Ni, Co) và 4 f kim loại (Gd, Tb, Er, Dy, Ho, Tm) Ngoài ra, còn có một lượng lớn hợp kim sắt từ. Thật thú vị khi lưu ý rằng chỉ có 9 kim loại nguyên chất được liệt kê ở trên có tính sắt từ. Tất cả đều chưa hoàn thành đ- hoặc f- vỏ sò.

Các tính chất sắt từ của một chất được giải thích là do giữa các nguyên tử của chất này có một tương tác đặc biệt không xảy ra ở nam châm và thuận từ, dẫn đến thực tế là các momen từ ion hoặc nguyên tử của các nguyên tử lân cận là định hướng theo cùng một hướng. Bản chất vật lý của tương tác đặc biệt này, được gọi là trao đổi, được thiết lập bởi Ya.I. Frenkel và W. Heisenberg vào những năm 30 của thế kỷ XX trên cơ sở cơ học lượng tử. Việc nghiên cứu tương tác của hai nguyên tử theo quan điểm của cơ học lượng tử cho thấy năng lượng tương tác của nguyên tử tôi và j có những khoảnh khắc quay S tôi và S j , chứa một thuật ngữ do tương tác trao đổi:

ở đâu J tích phân trao đổi, sự hiện diện của tích phân này có liên quan đến sự xen phủ của lớp vỏ electron của các nguyên tử tôi và j. Giá trị của tích phân trao đổi phụ thuộc rất nhiều vào khoảng cách giữa các nguyên tử trong tinh thể (chu kỳ mạng tinh thể). Đối với nam châm sắt J> 0, nếu J<0 вещество является антиферромагнетиком, а при J= 0 nam châm thuận. Năng lượng trao đổi không có chất tương tự cổ điển, mặc dù nó có nguồn gốc tĩnh điện. Nó đặc trưng cho sự khác biệt về năng lượng của tương tác Coulomb của hệ thống trong trường hợp các spin song song và khi chúng phản song song. Đây là hệ quả của nguyên lý Pauli. Trong một hệ cơ học lượng tử, sự thay đổi hướng tương đối của hai spin phải đi kèm với sự thay đổi phân bố điện tích không gian trong vùng chồng lấp. Ở nhiệt độ t= 0 K, các spin của tất cả các nguyên tử phải được định hướng theo cùng một cách; khi nhiệt độ tăng lên, thứ tự định hướng của các spin giảm đi. Có một nhiệt độ tới hạn được gọi là nhiệt độ (điểm) Curie. tTỪ, tại đó mối tương quan theo hướng của các spin riêng lẻ biến mất - chất từ ​​chất sắt từ trở thành chất thuận từ. Có ba điều kiện thuận lợi cho sự xuất hiện của sắt từ

1. sự hiện diện của các khoảnh khắc từ nội tại đáng kể trong các nguyên tử của vật chất (điều này chỉ có thể xảy ra trong các nguyên tử chưa hoàn thành đ- hoặc f- vỏ);
2. tích phân trao đổi cho một tinh thể nhất định phải dương;
3. mật độ trạng thái trong đ- và f- các khu phải lớn.

Độ cảm từ của nam châm sắt từ tuân theo Định luật Curie-Weiss:

, TỪ hằng số Curie.

Tính chất sắt từ của các vật thể bao gồm một số lượng lớn các nguyên tử là do sự có mặt của các thể tích vật chất vĩ mô (các miền) trong đó các momen từ của các nguyên tử hoặc ion song song và có hướng như nhau. Các miền này có từ hóa tự phát tự phát ngay cả khi không có trường từ hóa bên ngoài.

Mô hình cấu trúc từ nguyên tử của sắt từ có mạng tinh thể lập phương tâm diện. Các mũi tên cho thấy các khoảnh khắc từ tính của các nguyên tử.

Trong trường hợp không có từ trường bên ngoài, toàn bộ sắt từ không bị từ hóa bao gồm một số lượng lớn hơn các miền, trong mỗi miền tất cả các spin được định hướng theo cùng một cách, nhưng hướng định hướng của chúng khác với hướng của các spin trong lân cận. tên miền. Trung bình, trong một mẫu của sắt từ không từ hóa, tất cả các hướng đều được biểu diễn như nhau, do đó không thu được từ trường vĩ mô. Ngay cả trong một tinh thể duy nhất cũng có các miền. Sự phân chia vật chất thành các miền xảy ra vì nó cần ít năng lượng hơn so với sự sắp xếp có các spin định hướng như nhau.

Khi một nam châm sắt được đặt trong một từ trường bên ngoài, các mômen từ song song với trường sẽ có ít năng lượng hơn các mômen phản song song với trường hoặc được định hướng theo bất kỳ cách nào khác. Điều này mang lại lợi thế cho một số miền tìm cách tăng khối lượng bằng chi phí của những miền khác, nếu có thể. Sự quay của các mômen từ trong một miền đơn lẻ cũng có thể xảy ra. Do đó, một trường bên ngoài yếu có thể gây ra sự thay đổi lớn trong từ hóa.

Khi các nam châm sắt được nung nóng đến điểm Curie, chuyển động nhiệt sẽ phá hủy các vùng từ hóa tự phát, chất này mất đi các tính chất từ ​​​​đặc biệt và hoạt động giống như một nam châm thông thường. Nhiệt độ Curie đối với một số kim loại sắt từ được cho trong bảng.

Vật chấtFe 769Ni 364đồng 1121Gđ 18

Ngoài các chất sắt từ, còn có một nhóm lớn các chất có trật tự từ tính trong đó các momen từ spin của các nguyên tử có lớp vỏ không hoàn chỉnh được định hướng phản song song. Như đã trình bày ở trên, tình huống này phát sinh khi tích phân trao đổi âm. Giống như trong sắt từ, thứ tự từ tính diễn ra ở đây trong khoảng nhiệt độ từ 0 K đến một số N tới hạn, được gọi là nhiệt độ Néel. Nếu, đối với hướng phản song song của các mômen từ cục bộ, từ hóa tinh thể thu được bằng không, thì chúng ta có phản sắt từ. Tuy nhiên, nếu không có sự bù hoàn toàn của momen từ, thì người ta nói về sắt từ. Các sắt từ điển hình nhất là ferit hai oxit kim loại. Một đại diện đặc trưng của ferit là magnetit (Fe3O4). Hầu hết các sắt từ là tinh thể ion và do đó có độ dẫn điện thấp. Kết hợp với các đặc tính từ tính tốt (độ thấm từ cao, độ từ hóa bão hòa cao, v.v.), đây là một lợi thế quan trọng so với các chất sắt từ thông thường. Chính chất lượng này đã cho phép sử dụng ferit trong công nghệ vi sóng. Vật liệu sắt từ thông thường có độ dẫn điện cao không thể được sử dụng ở đây do tổn thất rất cao do sự hình thành dòng điện xoáy. Đồng thời, đối với nhiều ferit, điểm Neel rất thấp (100-300 C) so với nhiệt độ Curie đối với kim loại sắt từ. Trong công trình này, để xác định nhiệt độ của quá trình chuyển tiếp ferrimagnet-paramagnet, một thanh làm bằng ferrite được sử dụng.

Hoàn thành công việc

Sơ đồ bố trí thí nghiệm.

ý tưởng thử nghiệm

Cái chính của cài đặt này là một máy biến áp có lõi mở làm bằng ferit. Cuộn sơ cấp, làm bằng nichrom, cũng dùng để làm nóng lõi. Điện áp được cung cấp cho cuộn sơ cấp từ LATR để tránh quá nhiệt. Dòng điện cảm ứng được ghi lại bằng vôn kế có trong cuộn thứ cấp. Một cặp nhiệt điện duy nhất, thermo-emf, được sử dụng để đo nhiệt độ lõi. tỷ lệ thuận với chênh lệch nhiệt độ giữa không khí xung quanh và đường giao nhau của cặp nhiệt điện. Nhiệt độ lõi có thể được tính bằng công thức sau: t=t 0+23.5, emf nhiệt ở đâu. (tính bằng milivôn), t 0 nhiệt độ không khí trong phòng thí nghiệm.

Ý tưởng của thí nghiệm như sau: EMF của cảm ứng trong cuộn thứ cấp, trong đó Tôitôi - dòng điện trong cuộn sơ cấp, l- điện cảm của cuộn sơ cấp; biết đâu là độ tự cảm của cuộn thứ cấp không có lõi, đâu là độ từ thẩm của lõi.

Tính thấm từ giảm khi nhiệt độ tăng và khi đạt đến điểm Neel, nó giảm mạnh. Do đó, cả suất điện động cảm ứng và dòng điện cảm ứng đều giảm mạnh khi chúng đạt tới.

Tiến hành thí nghiệm

1. Lắp ráp cài đặt theo sơ đồ hiển thị trong hình. 2.
2. Cài đặt các nút LATR