4

DETERMINAREA PUNCTULUI CURIE LA FERITE

1. Scopul lucrrii Peste o anumit temperatur, substanele ferimagnetice - care prezint o magnetizare

spontan - devin paramagnetice, adic ordinea magnetic dispare. Scopul acestei l reprezint determinarea acestei temperaturi, numit temperatura Curie ferimagnetic.

2. Teoria lucrrii n cazul materialelor magnetice, exist dou tipuri de magnetizaii: magnetizaie

permanent, dac materialul este magnetizat intrinsec, indiferent de prezena unui cmp magnetic extern i magnetizaie temporar, dac materialul capt proprieti magnetice sub aciunea cmpului magnetic extern. Dup forma legii de magnetizaie temporar ( )HMM tt rrr = exist dou tipuri de materiale magnetice:

a) Materiale magnetice liniare, pentru care HM mtrr = , unde m este o constant de

material adimensional, numit susceptibilitate magnetic. Din aceast categorie fac parte: a1) materialele diamagnetice, care au susceptibilitatea magnetic foarte mic, negativ

i practic independent de temeratur. Aceste substane sunt slab respinse de un magnet permanent sau sunt deplasate spre regiunile cu cmp mai slab ntr-un cmp magnetic neuniform. Majoritatea compuilor anorganici i practic toi compuii organici sunt diamagnetici. Diamagnetismul este o proprietate a fiecrui atom sau molecule. Cnd este observat o alt comportare a unei anumite substane, acest lucru apare deoarece diamagnetismul este ntrecut de un efect diferit i mai puternic dect el.

a2) materialele paramagnetice, care au 0>m , dar cu valori destul de mici. Acestea sunt substane la care atomii au momente magnetice nenule, care n mod natural sunt orientate haotic, datorit agitaiei termice. Un cmp magnetic extern le poate orienta parial n sensul lui, corpul magnetizndu-se, ns foarte slab. La temperaturi nalte i pentru cmpuri de intensitate mic, susceptibilitatea magnetic satisface legea lui Curie:

Tm

.const= . (1) b) Materiale magnetice neliniare, pentru care

susceptibilitatea magnetic depinde de intensitatea cmpului magnetic aplicat. Din aceast categorie fac parte materialele feromagnetice, ferimagnetice i antiferomagnetice.

b1) Materialele feromagnetice sunt caracterizate de o susceptibilitate magnetic pozitiv foarte mare, dependent de cmpul magnetic aplicat. Curba de magnetizare ( )HfM rr = se numete n acest caz curb (ciclu) de histerezis (fig. 1) i este caracterizat de urmtoarele mrimi: Hc - cmp coercitiv; Br - inducie remanent; Bs - inducie de saturaie.

Teoria lui Weiss explic feromagnetismul prin existena unor interacii de natur cuantic (fore de schimb) ntre momentele magnetice de spin ale atomilor, interaciuni care conduc la

Fig. 1 - Ciclul de histerezis al unei substane feromagnetice

4

apariia unor regiuni de magnetizare spontan, numite domenii de magnetizare sau domenii Weiss, care poate conine un numr de 1015 atomi. n interiorul unui astfel de domeniu, momentele magnetice atomice sunt orientate paralel (fig. 2), dar magnetizarea spontan este orientat diferit de la un domeniu la altul, aa nct momentul magnetic rezultant este nul. Cnd materialul feromagnetic este plasat ntr-un cmp magnetic, se reduce volumul domeniilor cu magnetizarea orientat antiparalel cu cmpul aplicat i crete volumul domeniilor cu magnetizarea orientat aproape paralel cu acesta.

Vibraiile termice ale atomilor se opun aciunii de orientare i peste o anumit temperatur, caracteristic fiecrei substane, domeniile de magnetizare spontan dispar, corpul transformndu-se din feromagnet n paramagnet. Aceast temperatur se numete temperatur Curie i este de 770oC pentru fier, 1115oC pentru cobalt i 358oC pentru nichel. Pentru substanele feromagnetice, dependena susceptivitii de temperatur n domeniul paramagnetic este dat de legea Curie-Weiss:

c

CTTm = , (2)

unde constanta Curie C i temperatura Curie Tc , sunt constante de material. b2) Ferimagnetismul se aseamn cu feromagnetismul

i este caracteristic substanelor numite ferite, a cror formul general este MeOFe2O3, unde Me este un ion bivalent al unui metal de tranziie din grupa fierului: Cu2+, Zn2+, Ni2+, Co2+. ntr-un cristal macroscopic ferimagnetic ionii metalului bivalent i cei ai fierului sunt distribuii pe dou subreele. ntr-un domeniu de magnetizare spontan, cele dou subreele au momentele magnetice orientate antiparalel (fig. 3); momentele magnetice ale celor dou subreele nu sunt egale, astfel nct rezultanta lor este diferit de zero.

Ca i la substanele feromagnetice, peste o anumit temperatur caracteristic fiecrei ferite i numit punctul Curie ferimagnetic (temperatura Nel), corpul se transform din ferimagnet n paramagnet. Feritele au, n general, punctul Curie mai sczut dect substanele feromagnetice ( 300oC pentru MnFe2O4, 520oC pentru CoFe2O4, 440oC pentru MgFe2O4 ). Feritele au un ciclu de histerezis aproape dreptunghiular i o rezisten electric foarte mare care le micoreaz pierderile prin cureni turbionari - chiar la frecvene relativ ridicate. Aceste caracteristici au condus la folosirea lor pentru realizarea memoriilor magnetice. Trecerea unei substane din starea feromagnetic sau ferimagnetic n starea paramagnetic reprezint o tranziie de faz de spea a II-a.

3. Dispozitivul experimental Pentru determinarea punctului Curie se utilizeaz un transformator cu o nfurare primar

P i dou nfurri secundare S1, S2 concentrice cu cea primar.

Fig. 2 - Domeniile Weiss ntr-un cristal feromagnetic

Fig. 3 - Domeniile Weiss ntr-un cristal ferimagnetic

4

Fig. 5 - Montajul experimental pentru determinarea temperaturii Curie.

nfurarea primar este alimentat printr-un autotransformator A. Valoarea aproximativ a tensiunii primare poate fi citat cu ajutorul cursorului autotransformatorului. nfurrile secundare sunt legate n opoziie, iar n serie cu ele se afl milivoltmetrul de curent continuu, mV, i dioda cu germaniu D, care are rol de redresare.

Cele dou nfurri S1, S2 sunt practic identice astfel c n galvanometru nu circul nici un curent. Dac ns ntr-una din nfurrile secundare (n S1) se introduce o pies de ferit F, simetria secundarului se stric, tensiunea indus n nfurarea S1 este mai mare dect cea din S2, iar milivoltmetrul va indica o anumit tensiune, u. Deviaia milivoltmetrului depinde de masa i de forma feritei, de permeabilitatea sa magnetic, precum i de tensiunea aplicat primarului, de geometria nfurrilor S1 i S2 i de numerele lor de spire, de parametrii milivoltmetrului i diodei, etc.

Piesa de ferit F este introdus ntr-un cuptora C alimentat n curent alternativ, tot de la autotransformatorul A, cu o tensiune constant de 120 V. n circuitul cuptoraului se afl i ntreruptorul K, care permite pornirea sau oprirea nclzirii acestuia. Temperatura este indicat de termometrul T.

Prin ridicarea treptat a temperaturii se va reduce permeabilitatea magnetic a feritei, scznd n mod corespunztor i derivaia milivoltmetrului, aceasta devenind practic nul dup atingerea punctului Curie.

4. Modul de lucru Se face mai nti recunoaterea aparatelor i verificarea montajului. Se pornete nclzirea

cuptorului trecnd ntreruptorul K pe poziia PORNIT i se noteaz deviaia iniial. Creterea temperaturii din cuptora decurge relativ lent, astfel nct fiecare determinare se

face n condiii cvasistaionare, nefiind necesar utilizarea unui termostat. Se vor face determinri simultane ale temperaturii t indicat de termometru i ale tensiunii

u, indicat de minivoltmetru. Citirile se vor face din 10oC n 10oC, ncepnd de la prima indicaie de pe termometru care

se afl deasupra nivelului cuptorului. Peste temperatura de 100oC citirile se fac din 5oC n 5oC. Cnd la trei valori consecutive ale temperaturii (n pai de 5oC) valoarea tensiunii indicate de milivoltmetru rmne constanta (nu mai scade), se ntrerupe curentul de alimentare al cuptorului. Nu se va depi temperatura de 200oC! Apoi, urmrind scderea natural a temperaturii, se repet determinrile n sens invers, pentru aceleai temperaturi ca la nclzire.

Cnd temperatura a sczut sub 60-70C, msurtorile se consider ncheiate i se ntrerupe alimentarea de la reea.