ĆWICZENIE 11. Własności magnetyczne, Elektrotechnika AGH, Semestr III zimowy 2013-2014, semestr III, semestr ...
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
//-->ĆWICZENIE11Badania własnościmagnetycznych materiałówCharakterystykaćwiczeniaWłaściwości magnetyczne materiałów wynikają ze zjawisk fizycznychi budowy wewnętrznej na poziomie atomowym i strukturalnym. Podziałna materiały dia-, para- i ferromagnetyczne jest związany z wartościąprzenikalności magnetycznej. W elektrotechnice szerokie zastosowanieznajdują materiały ferromagnetyczne. Są one stosowane do budowyobwodów magnetycznych urządzeń i maszyn elektrycznych. W ramachćwiczeniasą wykonywane pomiary, których celem jest wyznaczenieprzenikalności magnetycznej materiałów magnetycznych oraz ocenastrat powstających w różnych rodzajach rdzeni magnetycznych.Rejestrowane są krzywe magnesowania i pętle histerezy różnychmateriałów. Badaniom są poddawane anizotropowe blachy ferro-magnetyczne, stosowane do budowy rdzeni maszyn i transformatorów.CelćwiczeniaCelemćwiczeniajest wykonanie badań własności magnetycznychwybranych materiałów z grupy ferromagnetyków. Między innymiporównywane są wielkości strat w różnych rodzajach materiałówferromagnetycznych.Ćwiczenie11: Badania własności magnetycznych materiałów1. WPROWADZENIEZjawiska decydujące o właściwościach magnetycznych materiałówRozróżnia się pięć najważniejszych zjawisk w materiałach, z którychwynikają właściwości magnetyczne materiałów. Są to:diamagnetyzm,paramagnetyzm, ferromagnetyzm, antyferromagnetyzm i ferrimagnetyzm.Przyczyną pierwotną istnienia tych zjawisk są właściwości magnetyczneelementarnych cząstek, z których są zbudowane atomy.Ładunekelektrycznybędący w ruchu wytwarza trwały magnetyczny moment dipolowy.W atomieładunekzawiera jądro oraz elektrony. Decydujące znaczenie dlawłaściwości magnetycznych atomów mają elektrony.Diamagnetyzm i paramagnetyzmWłaściwości magnetyczne atomu i jego elementarnych składnikówmożna wyjaśnić w sposób uproszczony na podstawie klasycznegomodelu atomu Bohra. Atom zawiera ciężkie, nieruchome, dodatnie jądroz krążącymi wokół niego ujemnymi elektronami po eliptycznychorbitach. Ruch elektron po orbicie jest charakteryzowany przez orbitalnymoment pędu iorbitalny moment magnetyczny.m−−SrvRys. 1.Ruch orbitalny elektronuElektron obraca się także wokół własnej osi. Ten ruch elektronu jestopisywany przez spinowy moment pędu ispinowy moment magnetyczny.Elektrony w atomie mogą poruszać się tylko po pewnychściśleokreślonych orbitach wynikających z warunków kwantowania. Na każdejdozwolonej orbicie może znajdować się tylko określona liczbaelektronów. Orbitalny ruch elektronów jest równoważny przepływowiprądu elektrycznego o natężeniu−i=ev=eT2πr(1)2Ćwiczenie11: Badania własności magnetycznych materiałówPłynący prąd wytwarza pole magnetyczne. Pętla staje się dipolemmagnetycznym o momencie magnetyczymmrównymm=iS(2)przy czym kierunek wektora S jest prostopadły do powierzchni pętliprądowej, a jego zwrot jest określony kierunkiem prądui,zgodnie z zasadąśrubyprawoskrętnej. Orbitalny moment magnetyczny elektronu momożnawięc wyrazić wzorem:mo=evπr2=0,5 eωr22πr(3)W powłokach zapełnionych całkowicie elektronami wypadkowymagnetyczny moment orbitalny atomu jest zerowy. Nie całkowiciewypełnione elektronami warstwy znajdują się zazwyczaj w zewnętrznychpowłokach elektronowych słabo związanych z jądrem. Stwierdzonodoświadczalnie,żewkład orbitalny momentów magnetycznych dowypadkowego momentu magnetycznego atomu jest niewielki i może byćpominięty. O wartości wypadkowego momentu magnetycznego atomudecydują spinowe momenty magnetyczne elektronów.W atomie orbity elektronów są ustawione względem wyróżnionegokierunku, wzdłuż którego działa pole magnetyczne pod pewnymiskwantowanymi kątami (rys.2).Β∆ωOrbitaelektronuRys.2.Precesja orbty elektronu spowodowana zjawiskiem diamagnetycznymJeżeli istnieje zewnętrzne pole magnetyczne o indukcjiBto zmieni sięułożenie tej orbity i wskutek zjawiska indukcji elektromagnetycznej naorbicie popłynie dodatkowy prądiw płaszczyźnie prostopadłej do wektoraB.Jeżeli kształt orbity byłby kołowy i powierzchnia orbity byłaby prostopadłado kierunku pola to dodatkowy prąd oznaczałby tylko przyspieszenie lubopóźnienie ruchu elektronu o prędkość∆ω. Κierunekdodatkowego prądumusiałby być taki, aby zwrot wektora jego własnego pola był skierowane3Ćwiczenie11: Badania własności magnetycznych materiałówprzeciwnie do wektora indukcji zewnętrznejB.Dla orbity nachylonej tendodatkowy prąd jest spowodowany precesją orbity wokół kierunku zgodnegoz kierunkiem wektora indukcji magnetycznej B (precesja Lamora).Średniaprędkość kątowa precesji jest określona wzoremPrecesja orbity elektronowej powoduje powstawanie dodatkowego momentumagnetycznego, którego wektor jest skierowany przeciwnie do wektoranatężenia pola zewnętrznego, o wartościωprec=1eB2ω(4)(5)e2µoSe∆ωe2SH∆m= −S=−B=−2π4πm4πmgdzie:S - powierzchnia rzutu orbity na płaszczyznę prostopadłą do kierunkuwektora natężenia pola magnetycznego.Całkowity dodatkowy moment magnetyczny atomu wynikający z tegozjawiska wyraża zależnośćmdiae2µo= −(4πmZ∑Sii=1) H(6)Zjawisko indukowania dodatkowego momentu magnetycznego w atomieprzez pole magnetyczne nazywa siędiamagnetyzmem.Przyczyną zjawiska diamagnetyzmu jest indukcja elektromagnetycznadziałająca bez względu na to, jak zbudowany jest atom i jakie ma on innewłasności. Z tego powodu diamagnetyzm jest zjawiskiem występującym wewszystkich materiałach umieszczanych w polu magnetycznym. Nie jest onjednak obserwowany we wszystkich materiałach, gdyż w niektórychdominującymi są inne zjawiska takie jak zjawisko paramagnetyzmu lubferromagnetyzu. Zjawisko diamagnetyzmu jest niezależne temperatury.Na moment magnetyczny atomu składają się momenty magnetyczneelektronów i jądra. Ponieważ ten ostatni jest prawie o trzy rzędy wielkościmniejszy, więc można przyjąć,żemoment magnetyczny atomu jest sumąwektorową orbitalnych i spinowych momentów elektronów. Momentymagnetyczne atomów, których warstwy są obsadzone całkowicie przezelektrony, tak jak np. atomy gazów szlachetnych, są równe zero. Budowaatomu w ciałach, w których istnieją cząsteczki nieco się zmienia. Zmiana tadotyczy tylko ostatnich warstw elektronowych. Większość dwuatomowychcząsteczek gazów jest magnetycznie obojętna, podobnie obojętne sącząsteczki większości związków organicznych, wody, dwutlenku węgla itp.4Ćwiczenie11: Badania własności magnetycznych materiałówIstnieją substancje, których momenty magnetyczne atomów lub cząsteczek sąróżne od zera. Pochodzą one z niezapełnionych warstw elektronowych.W ciałach takich obserwuje się zjawiskoparamagnetyzmu.Występuje onowtedy, kiedy oddziaływanie między atomami jest pomijalnie małe. Takąsubstancję można w przybliżeniu uważać za zbiór niezależnych od siebiemagnesów. Suma wektorowa momentów magnetycznych atomów zależy odprzestrzennej orientacji poszczególnych momentów, uwarunkowanejchaotycznymi ruchami cieplnymi atomów i porządkującym działaniemzewnętrznego pola magnetycznego. Osiągnięcie stanu nasyceniamagnetycznego, tzn. takiego, w którym wszystkie momenty byłybyrównoległe w praktyce nie jest niemożliwe. Wymagałoby to stosowania pólmagnetycznych o natężeniach bardzo dużych. Zwrot wektora magnetyzacjiwynikającej ze zjawiska paramagnetyzmu jest zgodny ze zwrotem wektora HIstotny wpływ na zjawisko paramagnetyzmu ma temperatura.W wyższej temperaturze oddziaływanie cieplne pomiędzy atomami jestsilniejsze, a mniej skuteczne jest działanie pola porządkujące momentymagnetyczne atomowe. Mniejsza jest więc wówczas wartość podatnościmagnetycznej materiału. Właściwości diamagnetyczne, mimo powszechnościtego zjawiska, obserwuje się tylko w tych materiałach, w których atomyi cząsteczki są magnetycznie obojętne. Natomiast prawie wszystkiemateriały, w których momenty magnetyczne atomowe lub cząsteczkowe sąróżne od zera są paramagnetykami.FerromagnetyzmZjawiska ferromagnetyzmu, antyferromagnetyzmu i ferrimagnetyzmuwystępują w niektórych ciałach krystalicznych o silnych oddziaływaniachmiędzy sąsiednimi atomami. Wzajemne oddziaływanie pomiędzy atomamiznajdującymi się w węzłach sieci krystalicznej może przezwyciężyć burząceruchy cieplne atomów i spowodować uporządkowanie wektorów momentówmagnetycznych.Uporządkowanietopoleganarównoległyma)b)c)Rys.3.Schematyczne przedstawienie zjawiskaferromagnetyzmu, antyferromagnetyzmu i ferrimagnetyzmu:a - zjawisko ferromagnetyzmu,b - zjawisko antyferromagnetyzmu,c - zjawisko ferrimagnetyzmu5
[ Pobierz całość w formacie PDF ]