Материал: Методические указания к лабораторным работам по курсу «Основы магнетизма» для студентов направления «Нанотехнологии и микросистемная техника». Стогней О.В., Бабкина И.В

12. Построить зависимости действительной и мнимой части магнитной проницаемости от концентрации металлической компоненты в образце: (х) и (х).

5. Контрольные вопросы

1. Что такое магнитная проницаемость?

2. Что такое абсолютная и относительная магнитная проницаемость?

3. В чем разница магнитной проницаемости диамагнетиков, парамагнетиков и ферромагнетиков?

4. Какой физический смысл имеет понятие комплексная магнитная проницаемость, что показывает её мнимая и действительная части?

5. Основные причины потерь при перемагничивании ферромагнетиков.

6. Объяснить суть резонансного метода измерения комплексной магнитной проницаемости.

7. Объяснить полученную зависимость. Почему магнитная проницаемость так немонотонно зависит от концентрации ферромагнитной фазы в образцах.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3

Исследование магнитного фазового перехода. Определение температуры Кюри ферромагнитного материала

Цель: Исследовать температурную зависимость намагниченности ферромагнитного материала.

Определить значение температуры Кюри ферромагнитного образца.

Объекты исследования:

Образец ферромагнитного материала.

1. Теоретические сведения

Одной из важнейших характеристик любого ферромагнитного (или ферримагнитного) материала является температура Кюри. В общем случае температура Кюри это температура фазового перехода II рода. Что такое фазовый переход второго рода? Эта такая трансформация материала, при которой плотность и внутренняя энергия вещества не меняются. Если не проводятся специальные измерения каких-либо характеристик материала, то такой переход совершенно незаметен в отличие от фазового перехода первого рода, при котором скачком меняются основные параметры системы (объем, внутренняя энергия, концентрация компонент). Примером фазового перехода первого рода может быть плавление или кристаллизация расплава, испарение или конденсация.

При фазовом переходе второго рода скачок испытывают производные основных параметров по температуре или давлению: теплоёмкость, коэффициент теплового расширения, различные восприимчивости и т. д. В настоящее время принято говорить о появлении в точке перехода параметра порядка, равного нулю в менее упорядоченной фазе и изменяющегося от нуля (в точке перехода) до ненулевых значений в более упорядоченной фазе. Как правило, более упорядоченная фаза это низкотемпературная фаза, повышение температуры практически всегда приводит к снижению упорядоченности. Наиболее распространённый пример фазового перехода второго рода это переход парамагнетик-ферромагнетик (в этом случае параметр порядка — намагниченность).

Как известно, ферромагнитный материал характеризуется тем, что обладает спонтанной (самопроизвольной) намагниченностью. В этом состоянии элементарные магнитные моменты ферромагнетика сонаправлены друг другу и результат их сложения создает суммарный магнитный момент материала. Удельный магнитный момент (магнитный момент единицы объема) называется намагниченностью (I) и в условиях магнитного насыщения является характеристикой материала. Причинной сонаправленности магнитных моментов ферромагнитного материала является обменное взаимодействие. Энергия обменного взаимодействия зависит от многих параметров и в общем случае для каждого материала она имеет вполне определенное значение. Таким образом, ферромагнитное состояние - это магнитно-упорядоченное состояние, которое существует при сравнительно низких температурах.

При нагреве материала происходит увеличение кинетической энергии всех его структурных элементов (атомов в узлах решетки, коллективизированных электронов). Часто говорят об увеличении тепловой энергии материала, являющейся мерой его кинетической энергии. Когда тепловая энергия окажется больше, чем энергия обменного взаимодействия - ферромагнитное состояние разрушается. Материал из ферромагнетика превращается в парамагнетик. Собственно здесь-то и происходит тот самый фазовый переход второго рода, когда намагниченность материала (обусловленная сонаправленностью магнитных моментов) обращается в ноль. Парамагнитная фаза является магнитно-разупорядоченной фазой.

Температура Кюри - это температура ограничивающая существование магнитоупорядоченного состояния в ферромагнетике. Как уже было сказано ранее, энергия обменного взаимодействия различна по величине в разных материалах. Отчасти именно поэтому значения температуры Кюри очень сильно различаются у разных материалов (см. таблицу).

Таблица

Значения температуры Кюри

3d- и 4f- ферромагнитных металлов

Значение температуры Кюри можно определить из простых магнитных измерений. Экспериментально находят температурную зависимость намагниченности и из крутой части кривой I=f(T) методом экстраполяции этой зависимости к оси Т определяют температуру Кюри.

В лабораторной работе предстоит осуществить измерение температурной зависимости намагниченности материала, у которого значение температуры Кюри меньше 273 К. Исследуемый материал, находящийся при комнатной температуре в парамагнитном состоянии, охлаждается до температуры жидкого азота и затем отогревается в небольшом подмагничивающем поле до комнатной температуры. Очевидно, что при 77 К материал будет находиться в ферромагнитном состоянии и обладать спонтанной намагниченностью. Внешнее магнитное поле, в котором образец нагревается, необходимо для того, чтобы создавать ненулевую макроскопическую намагниченность ( в отсутствие поля суммарная намагниченность образца может быть равна нулю, несмотря на ферромагнитное состояние), которую можно фиксировать приборами. В районе температуры Кюри намагниченность образца должна уменьшаться практически до нуля. Некоторое ненулевое значение намагниченности образца будет оставаться поскольку внешнее магнитное поле не равно нулю.

2. Экспериментальная часть

Измерение температурной зависимости намагниченности образцов проводят на вибрационном магнитометре, устройство и принцип действия которого описаны в лабораторной работе № 1. Для низкотемпературных измерений используется проточный криостат во внутреннюю часть которого помещается шток вибратора с закрепленным на нем образцом. На рис. 1 показан только проточный криостат, размещенный на сосуде Дьюара с жидким азотом.

Проточный криостат представляет собой систему коаксиально совмещенных трубок. Пространство между внешней трубкой и внутренней вакууммируется для уменьшения тепловых потоков. Капилляр (3), находящийся в нижней части криостата, помещается в сосуд Дьюара (4) и закрепляется на нем с помощью уплотняющей гайки (6). При подаче тока на испаритель азота (7) в Дьюаре начинается кипение жидкого азота и давление возрастает. Благодаря избыточному давлению жидкий азот поднимается вверх по капилляру (3) до уровня образца (1), охлаждая его до температуры кипения азота (77.4 К). При этом пары азота свободно выходят в атмосферу через патрубок (8). Для измерения температуры образца используется термопара медь-константан, спай которой (9) размещается непосредственно вблизи образца. Таким образом, об изменении температуры образца судят по изменению ЭДС термопары, составленной из двух стандартных элементов – хромели и копели. Чтобы получить значения температуры в градусах необходимо пересчитать величину напряжения, снимаемого с выводов термопары, используя специальный полином.

Рис. 1. Схема работы проточного криостата для измерения температурной зависимости намагниченности:

1- образец; 2 - механический осциллятор; 3 -капилляр для подачи жидкого азота к образцу; 4 – сосуд Дьюара; 5 – резиновое уплотнение; 6 – уплотняющая гайка; 7 –испаритель азота (резистивный нагреватель); 8 – патрубок для отвода паров азота; 9 – термопара; 10 – патрубок для «сброса» избыточного давления паров азота в сосуде Дьюара.

Поскольку процесс охлаждения не является стабильным и изменение температуры образца происходит скачками, практическое измерение температурной зависимости осуществляется при отогреве от 77 К до 300 К. Для этого перекрывается патрубок 8 и открывается патрубок (10) для «сброса» избыточного давления паров азота в сосуде Дьюара. В результате этого уровень жидкого азота в том объеме, где находится образец, начинает понижаться, а температура образца – увеличиваться.

3. Практическое задание

1. Осуществить вакууммирование изоляционной «рубашки» проточного криостата.

2. Разместить образец на штоке вибратора и закрепить вибратор на верхнем фланце проточного криостата.

3. Наполнить рабочий Дьюар азотом.

4. Поместить в Дьюар испаритель и тщательно зафиксировать его накидной гайкой, убедившись в том, что резиновое уплотнение входит в паз.

5. Разместить сосуд Дьюара с испарителем под электромагнитом.

6. Аккуратно поместить проточный криостат с образцом на стационарной полочке электромагнита таким образом, чтобы капилляр входил в отверстие керна электромагнита и в отверстие сосуда Дьюара.

7. Подключить все необходимые коммуникации (выводы термопары, кабель с возбуждающим колебания сигналом от генератора, выводы датчика Холла).

8. Убедиться в том, что поле между кернами электромагнита отсутствует.

9. Закрыв патрубок 10 подать питание на нагреватель 7 и приступить к охлаждению образца.

10. Охладив образец до температуры жидкого азота, приоткрыть патрубок 10, отключить питание нагревателя 7 и запустить измерительную программу на компьютере.

11. Измерить температурную зависимость магнитного момента образца (ЭДС, наводимой в измерительных катушках) в нулевом магнитном поле от 77.4 К до 293 К.

12. Провести пересчет ЭДС термопары к значениям температуры и получить, тем самым, зависимость магнитного момента образца (ЭДС, наводимой в измерительных катушках) от температуры.

13. Включить питание электромагнита и установить поле в зазоре между кернами равным 100 Э.

14. Закрыв патрубок 10 подать питание на нагреватель 7 и приступить к охлаждению образца.

15. Измерить температурную зависимость магнитного момента образца (ЭДС, наводимой в измерительных катушках) в магнитном поле 100 Э от 77.4 К до 293 К.

16. Провести пересчет ЭДС термопары к значениям температуры и получить, тем самым, зависимость магнитного момента образца (ЭДС, наводимой в измерительных катушках) от температуры.

17. Определить значение температуры фазового перехода. Сделать вывод о том, какой материал был исследован.