Переход железа из ферромагнитного состояния в парамагнитное

Переход железа из ферромагнитного состояния в парамагнитное легко можно продемонстрировать с помощью самых простых средств. Я взял немного свернутой железной проволоки толщиной около миллиметра (такой проволокой фиксируют пробки бутылок с шампанским) и привязал ее с помощью длинного отрезка очень тонкой медной проволоки к горлышку бутылки. Сбоку закрепил магнит, вынутый из старого радиоприемника.

Необходимо было так разместить железную проволоку возле магнита, чтобы она "зависла в воздухе": с одной стороны ее притягивает магнит, но медная проволочка не дает железу приблизиться. После этого я отдалил железную проволочку от магнита так, чтобы она еще висела в воздухе, но была на грани падения.

Описанные манипуляции проводить было непросто: лишний раз убеждаешься, что магнитное поле дает сильное притяжение, но с расстоянием оно быстро ослабевает. Стоит сместить железную проволоку чуть ближе - и она намертво пристанет к магниту, чуть дальше - и она упадет под действием собственного веса.

Магнетизм - это вам не гравитация. С одной стороны, гравитационные силы слабые: вы можете поднять камень, который притягивает вся Земля - огромная планета. Но с другой стороны, от земного притяжения вы никуда не денетесь - даже на Луне: с расстоянием гравитационная сила убывает гораздо медленнее, чем магнетизм.

Вспоминается случай, описанный в книге Удивительная физика .

"...появился фантастический проект по спасению кораблей от пушечных ядер противника. Идея состояла в том, чтобы на корабле установить навстречу противнику мощные магниты, покрытые толстой броней. Ядра неприятеля должны были притягиваться близлежащим магнитом, сворачивать в его сторону и разбиваться о прочную броню. Остальные части корабля можно было бы оставить незащищенными.

В принципе все было верно, кроме того, что даже самый мощный из магнитов не может действовать на большом расстоянии. Представим себе, что мы имеем магнит, способный притянуть 10 т железа на расстоянии в 1 см. Это очень сильный магнит. Так вот, если мы отодвинем полезный предмет еще на 1 см, то сила притяжения упадет в 8 раз! На расстоянии в 1 м сила притяжения упадет в 1 000 000 раз, и ни о каком притягивании ядер не может быть и речи.

Но в прошлом веке еще не умели рассчитывать силы магнитов, и такой магнит-броня все-таки был построен в 1887 г. Этот магнит притягивал стальную плиту так, что для отрыва ее нужна была сила в 10 т. Четыре 120-килограммовых ядра висели одно за другим на полюсе магнита. Но за 2 м от магнита люди, имевшие стальные предметы в карманах, лишь едва чувствовали действие магнита. О притяжении ядер неприятеля нечего было и думать. Правда, на стрелку компаса такой магнит действовал за 10 км. "

Теперь приступим к эксперименту. Свернутая железная проволока "зависла " возле магнита: ферромагнетик притягивается к магнитному полю и стремится приблизиться к магниту. От этого его удерживает только медная проволока. А что случится, если ферромагнетик превратится в парамагнетик? Я взял горелку и направил пламя на железную проволоку (стараясь при этом не задевать пламенем магнит). Проволока раскалилась до красного свечения (частично - до желтого), начала медленно отдаляться от магнита - "провисать" и, наконец, упала. После охлаждения проволока снова стала притягиваться к магниту и опыт можно было повторять много раз.

При нагревании проволоки железо достигло температуры Кюри и стало парамагнетиком. Притяжение к магниту сохранилось, но резко ослабло - в результате проволока упала под действием собственного веса. Когда проволока вышла за пределы пламени, она быстро остыла и опять стала ферромагнетиком: она притянулась бы к магниту снова, если бы не отдалилась от него при падении.

Но, возможно, нагрев тут не при чем: поток газов из горелки просто "сдул" проволоку? Провел контрольный опыт: подачу газа открыл на максимум, но пламени зажигать не стал. Когда направил поток на проволочку, "зависшую" возле магнита, это не произвело на нее никакого впечатления.

Напомню, что для железа температура Кюри равна 770°С - с практической точки зрения это немало. Именно поэтому для опыта была выбрана легкая железная проволока - более массивный предмет нагреть до точки Кюри было бы сложнее. Даже в случае проволоки лишь часть ее достигло точки Кюри, но этого вполне достаточно - главное греть пламенем именно те участки проволоки, которые ближе всего к магниту (вспомните, что магнитные силы короткодействующие: притяжения дальних участков проволоки к магниту недостаточного для того, чтобы удержать ее в воздухе). В любом случае нужна хорошая горелка со сравнительно узким пламенем.

_______________________________________________

Классически, все существующие материалы по своим магнитным свойствам делятся на несколько групп, связанных со структурным строением материала...

Классически, все существующие материалы по своим магнитным свойствам делятся на несколько групп, связанных со структурным строением материала, среди которых, в силу тематики настоящей статьи, следует выделить следующие:

Диамагнетики

Парамагнетики

Ферромагнетики

Эта классификация отражает поведение материала при воздействии на него внешним магнитным полем.

Диамагнетиками называют материалы, магнитная восприимчивость которых отрицательна, т.е. при попадании в магнитное поле, вектор намагниченности каждого атома диамагнетика направлен встречно вектору напряженности внешнего магнитного поля. Таким образом, в отсутствии магнитного поля такие материалы немагнитны, а при попадании во внешнее магнитное поле, диамагнетики ослабляют его. Магнитная проницаемость таких материалов меньше единицы.

Парамагнетиками называют слабомагнитные материалы, магнитная восприимчивость которых положительна, т.е. при попадании в магнитное поле, вектор намагниченности атомов парамагнетика сонаправлен с вектором напряженности внешнего магнитного поля. Однако ввиду слабовыраженных магнитных свойств, магнитная проницаемость таких материалов приблизительно равна единице. Таким образом, несмотря на сонаправленность вектора намагниченности, парамагнетики практически не оказывают влияния на внешнее магнитное поле, а в его отсутствии - немагнитны.

Ферромагнетиками называют материалы с выраженными магнитными свойствами, отличающиеся наличием доменной структуры, при которой каждый из доменов может имеет некоторую спонтанную намагниченность. Доменами называют объемные области материала, в которых направления спиновых магнитных моментов электронов атомов совпадают.

Такая структура позволяет ферромагнетикам сохранять намагниченность в отсутствии внешнего магнитного поля, а высокие значения магнитной проницаемости позволяют ферромагнетикам усиливать внешнее магнитное поле в десятки, сотни и даже тысячи раз. Такие материалы широко применяются при изготовлении постоянных магнитов, магнитопроводов трансформаторов, концентраторов магнитного потока и т.п.

Классическими представителями ферромагнетиков являются железо, кобальт, никель, а также сплавы на их основе и их оксиды.

Для ферромагнетиков характерно наличие гистерезиса , а также фазового перехода второго рода, связанного с изменением структуры кристаллической решетки материала. При этом переходе тепловой энергии движения узлов кристаллической решетки становится достаточно для дезориентации магнитных спиновых моментов электронов атомов, что приводит к утрате материалом ферромагнитных свойств.

Таким образом ферромагнетик становится парамагнетиком. Температура, при которой происходит данное магнитное превращение материала называется температурой Кюри или точкой Кюри. Значение этой температуры для материала варьируется в зависимости от типа и количества примесей. Для чистого железа эта температура составляет 1043 K (770 O C ).

На графике представлена зависимость магнитной проницаемости ферромагнетика от температуры. Несмотря на высокую крутизну характеристики в окрестности точки Кюри, магнитный материал не переходит точку Кюри скачкообразно: переход происходит постепенно, начиная с поверхности. При этом материал заготовки становится как бы двухслойным: слой парамагнетика поверх слоя ферромагнетика с достаточно резкой границей раздела сред. Это объясняется неравномерностью нагрева заготовки в поперечном сечении и сильно зависит от интенсивности проявления поверхностного эффекта .

Для индукционного нагрева этот переход имеет огромное значение, поскольку мощность нагрева заготовки непосредственно связана с магнитной проницаемостью материала согласно уравнению

Снижение магнитной проницаемости при нагреве материала выше точки Кюри приводит к следующим эффектам:

Снижается мощность нагрева

Увеличивается толщина скин-слоя

Повышается резонансная частота системы

Снижается КПД системы

Очевидно, что эти эффекты не способствуют повышению интенсивности индукционного нагрева, поэтому являются нежелательными. Борьба с ними - одна из основных задач при проектировании ТВЧ оборудования .

Тем не менее, практическое большинство процессов термообработки металлов на основе железа связаны с обработкой его γ-модификации, так же называемой аустенитом, устойчивой в температурном интервале 917 - 1394 O C , т.е. при температуре значительно выше точки Кюри.

Ферромагнетики – вещества, которые ниже определенной температуры (точки Кюри) обладают самопроизвольной намагниченностью, в отсутствии внешнего магнитного поля (х>1, при небольших t° обладает самопроизвольной намагниченностью, которая сильно изменяется под действием внешних сил, характерен гистерезис).

Магнитный гистерезис – отставание магнитной индукции от внешнего намагничивающего поля, обусловлено тем, что магнитная индукция зависит от ее предыдущего значения. Следствие необратимости процессов намагничивания.

Домен – макроскопическая область в магнитном кристалле, в которой ориентация вектора, спонтанной однородной намагниченности (при t° ниже точки Кюри) определенным образом повернута или сдвинута относительно направлений соответствующего вектора в соседних доменах.

Точка Кюри – температура фазового перехода II рода, связанного со скачкообразным изменением свойств симметрии вещества (в ферромагнетиках - магнитной).

У ферромагнетиков в силу большого параметра кристаллической решетки, в состоянии с сильным перекрыванием волновых функций электронов с антипараллельными спинами возникает энергия электростатического отталкивания, которая значительно увеличивает энергию системы в противовес минимуму энергии при выдавливании волновых функций электронов в отдельные состояния при параллельной ориентации спинов.

Свободные затухающие электромагнитные колебания.

Затухающие колебания – колебания, энергия кот. уменьшается с течением времени.

Характеризуются тем, что амплитуда колебаний А явл. убывающей функцией. Обычно затухание происходит под действием сил сопротивления среды, наиболее часто выражаемых линейной зависимостью от скорости колебаний или её квадрата.

–амплитудное значениезарядов в момент времени t = 0

45. Энерегетический колебательный контру. Свободные незатухающие электромагнитные колебания .

Электромагн. колебания – периодически изменяющиеся со временем электрические и магнитные величины в эл.цепи.

Идеальный колебательный контур – электр. цепь, состоит из катушки индуктивностью L и конденсатора емкостью С. (В реальном контуре присутствует сопротивление R). Электрическое сопротивление идеального контура = 0.

Свободные электромагнитные колебания в контуре – периодическое изменение заряда на обмотках конденсатора, силы тока и напр-я в контуре происходит без потребления энергии от внешних источников.

Т.о. возникновение свободных электромагнитных колебаний в контуре обусловлено перезарядкой конденсатора и возникновением ЭДС самоиндукции в катушке, которая обеспечивает это «перезарядку». Колебания происходят по гармонич. закону.

(температура Кюри) (q или Тс), темп-pa фазового перехода II рода, характеризующегося непрерывным изменением состояния в-ва с приближением к точке фазового перехода и приобретением качественно нового св-ва в этой точке. Назв. по имени П. Кюри, подробно изучившего этот переход у ферромагнетиков. При темп-ре Т ниже К. т. Тс ферромагнетики обладают самопроизвольной (спонтанной) намагниченностью (Js) и определённой магнитно-крист. симметрией. При нагреве ферромагнетика и приближении к К. т. усиливающееся тепловое движение атомов «расшатывает» существующий магн. порядок- одинаковую ориентацию магн. моментов атомов. Для количеств. хар-ки изменения магн. упорядоченности вводят т. н. параметр порядка h, за к-рый можно принять в случае ферромагнетиков их намагниченность. При Т®Тс параметр порядка h®0, а в К. т. самопроизвольная намагниченность ферромагнетиков исчезает (h= 0), ферромагнетики становятся парамагнетиками. Аналогично у антиферромагнетиков при Т= Тс (в т. н. антиферромагнитной К. т., или Нееля точке) происходит разрушение характерной для них магнитной структуры атомной (магн. подрешёток), и антиферромагнетики также становятся парамагнетиками. В сегнетоэлектриках при Т=Тс тепловое движение атомов сводит к нулю самопроизвольную упорядоченную ориентацию электрич. диполей элем. ячеек крист. решётки. В упорядоченных сплавах в К. т. (в точке Курнакова) исчезает дальний порядок в расположении атомов (ионов) компонентов сплава (см.ДАЛЬНИЙ И БЛИЖНИЙ ПОРЯДОК). Вблизи К. т. в в-ве происходят специфич. изменения многих физ. св-в (напр., теплоёмкости, магн. восприимчивости), достигающие максимума при Т=Тс (см.) (см. Критические явления), что обычно и используется для точного определения темп-ры фазового перехода. Значения К. т. для разл. в-в приведены в ст. (см. АНТИФЕРРОМАГНЕТИЗМ, ФЕРРОМАГНЕТИЗМ, СЕГНЕТОЭЛЕКТРИКИ).

Физический энциклопедический словарь. - М.: Советская энциклопедия .Главный редактор А. М. Прохоров .1983 .

КЮРИ ТОЧКА

(температура Кюри, Т с )в общетермодинамическом понимании - точка на кривой фазовых переходов 2-го рода, связанных с возникновением (разрушением) упорядоченного состояния в твёрдых телах при изменении темп-ры, но при заданных значениях др. термодинамич. параметров (давления Р, магн. поля Н , электрич. поля Е и т. д.).

Чаще этот термин применяют только к переходам в магнитоупорядоченное (ферро- и ферримагнитное) и в сегнетоэлектрическое состояния. Фазовый переход из ферромагн. состояния в парамагнитное (неупорядоченное) впервые наблюдал П. Кюри в 1895. В К. т. скачком изменяется симметрия кристаллич. вещества (см. Симметрия кристаллов, Магнитная симметрия). В случае переходов ферромагнетик - парамагнетик и сегнетоэлектрик - параэлектрик К. т. является изолиров. точкой на фазовой диаграмме в координатах Я (или Е) - Т, т. к. с точки зрения симметрии состояние ферромагнетика (сегнетоэлектрика) в поле H (или Е), направленном вдоль оси лёгкого намагничивания, не отличается от состояния парамагнетика в том же поле. Этим переход в ферро- и ферримагн. состояния отличается от перехода в антиферромагн. состояние. В последнем случае и в магн. поле происходит скачкообразное изменение симметрии. Антиферромагн. К. т. наз. Нееля точкой. Для всех магнитных фазовых переходов характерно, что при Т>Т c вещество находится в парамагн. состоянии. Ниже К. т.- в магнитоупорядоченном состоянии, к-рое сохраняется до T = 0К, хотя в интервале темп-р возможны переходы из одного магнитоупорядоченного состояния в другое.

У сегнетоэлектриков могут существовать две К. т.: Т С 1 и Т С 2. При Т>Т С 1 вещество является параэлектриком. При охлаждении до Т С 1 наступает переход в упорядоченное сегнетоэлектрич. состояние, а ниже T C 2 возникает вновь параэлектрич. состояние.

В упорядочивающихся сплавах с охлаждением до К. т. (к-рая в случае сплавов носит также назв. точки Курнакова) атомы начинают располагаться упорядоченно - по узлам кристаллич. решётки сплава (возникают зародыши упорядоченной фазы).

Во всех перечисленных случаях перехода в упорядоченное состояние последнее можно описать параметром порядка (спонтанной намагниченностью в ферромагнетиках, намагниченностью магнитных подрешеток в антиферромагнетиках, спонтанной поляризацией в сегнетоэлектриках, долей упорядочившихся атомов в сплавах). При Т>Т С h 0, при Т Т c с понижением темп-ры начинается рост , к-рый может быть описан законом , где = ( Т-Т С)/Т С, а - критический показатель (см. Критические явления).

Фазовые переходы второго рода

ФАЗОВЫЕ ПЕРЕХОДЫ (фазовые превращения), переходы вещества из одной фазы в другую, происходящие при изменении температуры, давления или под действием каких-либо других внешних факторов,например, магнитных или электрических полей.

Фазовые переходы второго рода -- фазовые переходы, при которых вторые производные термодинамических потенциалов по давлению и температуре изменяются скачкообразно, тогда как их первые производные изменяются постепенно. Отсюда следует, в частности, что энергия и объём вещества при фазовом переходе второго рода не изменяются, но изменяются его теплоёмкость, сжимаемость, различные восприимчивости и т. д.

Фазовые переходы второго рода сопровождаются изменением симметрии вещества. Изменение симметрии может быть связано со смещением атомов определённого типа в кристаллической решётке, либо с изменением упорядоченности вещества.

В большинстве случаев, фаза, обладающая большей симметрией (т. е. включающей в себя все симметрии другой фазы), соответствует более высоким температурам, но существуют и исключения. Например, при переходе через нижнюю точку Кюри в сегнетовой соли, фаза, соответствующая меньшей температуре, обладает ромбической симметрией, в то время как фаза, соответствующая большей температуре, обладает моноклинной симметрией.

Для количественной характеристики симметрии при фазовом переходе второго рода вводится параметр порядка, принимающий отличные от нуля значения в фазе с большей симметрией, и тождественно равный нулю в неупорядоченной фазе.

Температура Кюри

температура кюри магнитный поле

Температура Кюри, -- температура фазового перехода II рода, связанного со скачкообразным изменением свойств симметрии вещества (например, магнитной -- в ферромагнетиках, электрической -- всегнетоэлектриках, кристаллохимической -- в упорядоченных сплавах). Названа по имени П. Кюри. При температуре ниже точки Кюри ферромагнетики обладают самопроизвольной (спонтанной) намагниченностью и определённой магнитно-кристаллической симметрией. В точке Кюри () интенсивность теплового движения атомов ферромагнетика оказывается достаточной для разрушения его самопроизвольной намагниченности («магнитного порядка») и изменения симметрии, в результате ферромагнетик становится парамагнетиком. Аналогично у антиферромагнетиков при (в так называемой антиферромагнитной точке Кюри или точке Нееля) происходит разрушение характерной для них магнитной структуры (магнитных подрешёток), и антиферромагнетики становятся парамагнетиками. Всегнетоэлектриках и антисегнетоэлектриках при тепловое движение атомов сводит к нулю самопроизвольную упорядоченную ориентацию электрических диполей элементарных ячеек кристаллической решётки. В упорядоченных сплавах в точке Кюри (её называют в случае сплавов также точкой Курнакова) степень дальнего порядка в расположении атомов (ионов) компонентов сплава становится равной нулю.

Таким образом, во всех случаях фазовых переходов II рода (типа точки Кюри) при в веществе происходит исчезновение того или иного вида атомного «порядка» (упорядоченной ориентации магнитных или электрических моментов, дальнего порядка в распределении атомов по узлам кристаллической решётки в сплавах и т. п.). Вблизи точки Кюри в веществе происходят специфические изменения многих физических свойств (например, теплоёмкости, магнитной восприимчивости и др.), достигающие максимума при, что обычно и используется для точного определения температуры фазового перехода.

Численные значения температуры Кюри приводятся в специальных справочниках.

Температуру Кюри можно определить по температурной зависимости намагниченности, применяя экстраполяцию крутой части зависимости к оси температур.

Поскольку измерение намагниченности образца на магнитометре происходит в довольно сильном внешнем магнитном поле, то в районе точки Кюри происходит размазывание перехода ферромагнетик-парамагнетик благодаря увеличению роста парапроцесса с ростом температуры.

Методы определения температуры Кюри

Ниже перечислены относительно простые и хорошо известные

1)по максимуму температурного коэффициента электрического сопротивления

2) по максимуму отрицательного гальваномагнитного эффекта (обусловленного пропорцеональноастью)R)

3) по исчезновению спонтанной намагниченности M(T), или по минимуму зависимости производной dM/dT

4) по обращению в нуль начальной проницаемости

5)из изотермических измерений теплоемкости Cmagn(T) в нулевом и ненулевом магнитном полях. В точке Кюри наблюдается максимум производной теплоемкости

В данной работе представлен метод определения точки Кюри, использующий эффект возрастания восприимчивости в слабых магнитных полях с ростом температуры. Поведение восприимчивости ч в районе точки Кюри описывается, согласно существующим теориям, в виде:

ч ~ г (T - TC)-1 (1)

где г может изменяться в пределах от 1,26 до 1,4, Из (1) следует, что при Т > ТС величина ч> 0. Максимум зависимости ч = ч(T) резко выражен только для чистых ферромагнитных веществ. В материалах неоднородных, содержащих структурные несовершенства, примеси, кривая ч = ч(T) имеет в районе ТС размытую форму. Для ферримагнетиков, вследствие взаимного влияния неэквивалентных магнитных подрешеток, максимум ч выражен менее отчетливо по сравнению с ферромагнетиками. В этом случае за точку Кюри целесообразно принимать температуру, соответствующую точке пересечения прямых, которые аппроксимируют восходящий и нисходящий участок на зависимости в районе ТС.

В методе Белова-Горяги используется разложение Ландау термодинамического потенциала Ц в ряд по степеням намагниченности с соответствующим коэффициентом при каждой степени.

В состояние термодинамического равновесия

Используются приведённые значения

Где M0 намагниченность насыщения, TC температура Кюри соотношение (2) преобразуется к виду

Коэффициенты в правой части соотношения (3) являются функциями приведенной температуры и раскладываются в ряд Тейлора в окрестности температуры Кюри, то есть при ф=1.

Коэффициент a может быть определен из изотермических полевых зависимостей намагниченности, и, так как при T ? TC a=0, данное свойство может быть использовано для определения температуры Кюри.