Wyznaczanie temperatury Curie ferrytu U U
Transkrypt
Wyznaczanie temperatury Curie ferrytu U U
Wyznaczanie temperatury Curie ferrytu Cel: Poznanie magnetycznych właściwości ciał stałych. Wyznaczenie temperatury Curie ferrytu. Pytania kontrolne: Źródła magnetyzmu ciał stałych. Rodzaje substancji magnetycznych. Przedstawić schematycznie orientację momentów magnetycznch wewnątrz różnych rodzajów substancji magnetycznych przy braku zewnętrznego pola magnetycznego i po umieszczeniu ich w zewnętrznym polu magnetycznym. Prawo Curie–Weissa. Co to jest temperatura Curie? Prawo Faraday’a. Jak powstaje napięcie U w mierzone ćwiczeniu? Opis ćwiczenia: Celem ćwiczenia jest wyznaczenie temperatury Curie ferrytu. Badana próbka w postaci pręta ferrytowego umieszczona jest w rurce ceramicznej, na którą nawinięto uzwojenie pierwotne (grzejne). Całość znajduje się w cylindrycznej, ceramicznej obudowie, na którą nawinięte jest uzwojenie wtórne (pomiarowe) podłączone do miernika cyfrowego U w . Temperaturę pręta ferrytowego wyznaczamy za pomocą termopary żelazo–konstantan, podłączonej do miliwoltomierza U m . Uw ~ Um Rys. 1. Schemat układu do wyznaczania temperatury Curie Po podłączeniu uzwojenia pierwotnego do źródła napięcia zmiennego U z 18 V w solenoidzie tworzącym uzwojenie pierwotne płynie prąd zmienny o częstości i amplitudzie natężenia I 0 . Prąd ten powoduje wzrost temperatury próbki (ciepło Joule’a: Q UIt ) oraz powstanie wewnątrz solenoidu zmiennego pola magnetyczne, którego natężenie można w oparciu o prawo Ampera określić przybliżonym wzorem: H N1 I N1 I 0 sin t , L L (1) gdzie N1 jest liczbą zwojów uzwojenia pierwotnego, a L jest długością solenoidu. W obszarze ferromagnetycznym , tj. poniżej temperatury Curie, przenikalność względna r rdzenia jest nieporównywalnie większa od przenikalności względnej powietrza (r >> 1). W tym zakresie temperatur całkowity strumień magnetyczny wewnątrz uzwojenia pierwotnego będzie więc praktycznie ograniczony tylko do strumienia przenikającego pręt: 0 r HS , (2) gdzie S jest powierzchnią przekroju poprzecznego pręta. Zmienny strumień magnetyczny objęty jest również uzwojeniem wtórnym, w którym zgodnie z prawem Faradaya indukowana jest siła elektromotoryczna (SEM indukcji) N 2 d 0 cost , dt (3) gdzie N 2 jest liczbą zwojów uzwojenia wtórnego. Amplitudę 0 SEM indukcji, zgodnie z zależnościami (1) i (2) określa wyrażenie: 0 N1 N 2 S 0 rI 0 L Napięcie skuteczne w uzwojeniu wtórnym U w 0 (4) 2 , mierzone za pomocą woltomierza, jest więc proporcjonalne do przenikalności magnetycznej r rdzenia ferromagnetyka. W trakcie podgrzewania pręta obserwujemy pewien wzrost napięcia skutecznego Uw, spowodowany niewielkim wzrostem podatności. W punkcie Curie napięcie to osiąga wartość maksymalną, a przy dalszym wzroście temperatury (obszar paramagnetyczny) obserwujemy jego gwałtowne zmniejszenie się, spowodowane spadkiem przenikalności magnetycznej rdzenia ferrytowego. Uwzględniając w równaniu (4) znaną relację wiążącą przenikalność magnetyczna r z podatnością magnetyczną r 1 (5) C T (6) oraz prawo Curie – Weissa otrzymamy dla temperatur T nieznacznie wyższych od temperatury Curie przybliżoną relację: Uw A A . T T (7) Parametr w równaniu (7) określa wartość Uw dla temperatur T >> i praktycznie równy jest napięciu powstałemu bez udziału pręta, tj. w powietrzu. Dla T napięcie to jest pomijalnie małe w porównaniu z członem temperaturowym równania (7), ze względu na dużą wartość podatności magnetycznej w tym obszarze. Parametr A traktujemy jako stały, gdyż w interesującym nas, wąskim przedziale temperatur (T < 15 K) zmienia się on tylko nieznacznie. W ćwiczeniu rejestrujemy wskazania Uw woltomierza podłączonego do uzwojenia wtórnego oraz odpowiadające im wskazania miliwoltomierza Um podłączonego do termopary. Pomiarów dokonujemy w zakresie temperatur od temperatury otoczenia T0 do temperatury, w której Uw będzie bliskie zeru. Po obliczeniu temperatur (z charakterystyki termopary), wykreślamy zależność Uw(T) i odczytujemy temperaturę odpowiadającą maksymalnej wartości napięcia U w , tj. temperaturę Curie . Z wykresu znajdujemy temperatury T1 i T2 odpowiadające punktom, w których napięcie Uw spada odpowiednio do wartości U1 = 0,75 Umax i U2 = 0,25 Umax. Z równania (7) wyznaczamy parametry A i ’. Obliczoną w ten sposób temperaturę Curie ’ porównujemy z temperaturą odczytaną bezpośrednio z wykresu. Dla zmierzonych temperatur T > ’ (obszar paramagnetyczny) obliczamy U w A T (8) i nanosimy na wykres Uw(T). Temperaturę ’ przedstawiamy jako asymptotę tej zależności. Uw U w U max U1 0,75U max U 2 0,25U max T1 T2 Rys. 1. Schemat układu do wyznaczania temperatury Curie T Literatura: 1. Daca T., Łukasiewicz M., Włodarski Z., Ćwiczenia laboratoryjne z fizyki. Skrypt dla studentów I i II roku studiów stacjonarnych i zaocznych, WSM, Szczecin (dostępne wydania). 2. Ćwiczenia laboratoryjne z fizyki. Cz. 2, praca zbiorowa pod red. J. Kirkiewicza, WSM, Szczecin, 2003. 3. Resnick R., Halliday D., Walker J., Podstawy fizyki T.1, PWN, Warszawa (dostępne wydania). 4. Bobrowski C., Fizyka: krótki kurs, WNT, Warszawa (dostępne wydania). 5. Orear J., Fizyka T.1, WNT, Warszawa (dostępne wydania).