Температура Кюри

Атомы и молекулы веществ, относящихся к парамагнетикам и к ферромагнетикам, имеют собственные магнитные моменты. При низких температурах в ферромагнетиках за счёт взаимодействия соседних атомов возникают области объёма, называемые доменами, в которых магнитные моменты атомов одинаково направлены. Если в предмете из ферромагнитного вещества большая часть доменов имеет примерно одинаковое направление намагниченности, вокруг таких предметов возникает сильное магнитное поле. Это постоянные магниты. При повышении температуры тепловое движение разрушает упорядоченность магнитных моментов, и ферромагнетик превращается в парамагнетик. В парамагнетиках домены отсутствуют, моменты атомов ведут себя независимо друг от друга. Температура, соответствующая этому переходу, называется температурой Кюри. Магнит, нагретый до температуры Кюри, необратимо теряет свои свойства. Выше температуры Кюри ферромагнетик находится в парамагнитном состоянии и может проявлять магнитные свойства только во внешнем магнитном поле.

Значение магнитного момента \(p_m\) парамагнитного образца определяется формулой \(p_m = \chi V B\), где \(\chi\) — магнитная восприимчивость, \(V\) — объём образца, \(B\) — величина внешнего магнитного поля. Магнитная восприимчивость зависит от абсолютной температуры \(T\) в соответствии с законом Кюри–Вейса: \[\chi = \frac{C}{T - T_c},\] где \(T_c\) — температура Кюри. Когда парамагнитный образец находится в неоднородном внешнем поле, на него действует сила, втягивающая его в область более сильного поля. Величина этой силы пропорциональна магнитному моменту \(p_m\).

Часть 1. Температура Кюри неодимового магнита. При достижении температуры Кюри \(T_c\) постоянный магнит размагничивается. Ваша задача по возможности точно определить температуру Кюри.

1. Продумайте и подробно опишите метод измерений, по возможности сопроводив описание рисунком.

2. Проведите измерения, используя выданные вам маленькие неодимовые магниты.

3. Оцените погрешность определения \(T_c\) маленьких неодимовых магнитов.

Оборудование для части 1: 1) 10 маленьких неодимовых магнитов; 2) свеча; 3) перчатка; 4) мультиметр с термопарой; 5) кусок алюминиевой фольги; 6) зажим «крокодил» из стали. Внимание! Вам запрещается самостоятельно не только зажигать, но и тушить свечу. Это могут делать только дежурные по аудитории. Внимание! Не помещайте спай термопары непосредственно в пламя свечи! Новые термопары не выдаются.

Подсказка. Надёжные показания термопары могут быть получены лишь при обеспечении её хорошего теплового контакта с предметом, температура которого измеряется.

Часть 2. Температура Кюри гадолиния. При температуре ниже температуры \(T_c\) гадолиний является ферромагнетиком, при \(T > T_c\) это парамагнетик. Вам предлагается исследовать зависимость магнитной восприимчивости гадолиния от температуры вблизи точки Кюри.

4. Исследуйте зависимость магнитной восприимчивости \(\chi\) гадолиния (в условных единицах) от температуры в диапазоне от комнатной температуры до \(50\,^\circ\)C. В каком диапазоне температур выполняется закон Кюри–Вейса?

5. Определите, используя полученные вами результаты, температуру Кюри для гадолиния.

6. Определите погрешность измерения \(T_c\).

Оборудование для части 2: 1) большой цилиндрический магнит на деревянной подставке (нагревать его запрещается); 2) образец гадолиния; 3) весы (чтобы весы не отключались, каждые 20 секунд нажимайте на кнопку Light); 4) подставка из немагнитного металла с отверстием; 5) горячая и холодная вода (по требованию), ёмкость для воды; 6) мультиметр с термопарой; 7) прищепка; 8) миллиметровка.