Właściwości ferromagnetyków., Prezentacje z Fizyka

Pobierz Właściwości ferromagnetyków. i więcej Prezentacje w PDF z Fizyka tylko na Docsity! Właściwości ferromagnetyków. Wprowadzenie Przeczytaj Grafika interaktywna Sprawdź się Dla nauczyciela Czy to nie ciekawe? Rys. 1. Tajemnicze zachowanie stalowych przedmiotów Właściwości ferromagnetyków. Fot. 1. Magnetyt [Źródło: Luis Miguel Bugallo Sánchez (Lmbuga Commons)(Lmbuga Galipedia)Publicada por/Publish by: Luis Miguel Bugallo Sánchez [CC BY-SA 3.0], via Wikimedia Commons] Ferromagnetykami są: żelazo, kobalt, nikiel, gadolin, magnetyt (tlenek żelaza Fe O ), hematyt (najważniejsza ruda żelaza Fe O , -Fe O ), stal węglowa, żeliwo, ferromagnetyczne spieki proszkowe (neodym + żelazo + bor: Nd Fe B, ferryty), ferromagnetyczne stopy np. alnico, supermajol. Fot. 2. Kryształy magnetytu i pirytu [Źródło: Archaeodontosaurus [CC BY-SA 3.0], via Wikimedia Commons] Tak więc materiały ferromagnetyczne występują w przyrodzie w postaci minerałów (Fot. 1. i 2.), ale też opracowuje się „do zadań specjalnych” sztucznie stopy i spieki z udziałem głównie żelaza. Oczywiście powyższe zestawienie nie obejmuje wszystkich ferromagnetyków; tym bardziej, że cały czas projektowane i wytwarzane są nowe materiały, np. półprzewodniki ferromagnetyczne. Ferromagnetykami są kryształy (nie ciecze i nie pary), w których przy odpowiednio niskiej temperaturze powstają samoistnie domeny magnetyczne – obszary, w obrębie których wszystkie atomowe momenty magnetyczne (O momencie magnetycznym możesz przeczytać w e‐materiale „Ferromagnetyki”) są tak samo zorientowane (w 100%!). Sprawiają to międzyatomowe siły natury kwantowej, które mogą działać, gdy kryształ ma temperaturę niższą niż tzw. punkt Curie (dla żelaza to ). Domeny magnetyczne są bardzo małe – mają rozmiary rzędu 10 do 100 m, czyli od 0,01 do 0,1 mm. Istnieją metody ich obrazowania,  można zatem obejrzeć je w powiększeniu na zdjęciach. 3 4 2 3 α 2 3 2 14 770°C Rys. 1. Fotografia pokazuje obszar o szerokości ok. 0,1 mm. Obszar obrysowany czarną linią to ziarno krystaliczne ferromagnetyka z widocznymi paskowymi domenami. Strzałki pokazujące kierunki momentów magnetycznych zostały oczywiście dorysowane. [Źródło: Zureks, Chris Vardon [CC BY-SA 3.0], via Wikimedia Commons] Rys. 2. Momenty magnetyczne tworzą w krysztale, niepoddanym zewnętrznemu polu magnetycznemu zamknięte obiegi. [Źródło: hp://inspirehep.net/record/1502147/files/SensivityKerrImagesExamples.png] Wypadkowy moment magnetyczny takiego kryształu lub polikryształu jest równy zeru (o ile kryształ nie znajduje się i przedtem nie znajdował się w zewnętrznym polu magnetycznym). Na Rys. 3a. naszkicowany jest obraz z mikroskopu przedstawiający próbkę ferromagnetyka w nieobecności pola zewnętrznego. Nierówne granice to obszary ziaren polikryształu, wewnątrz których widoczne są domeny. Rys. 3. a, b Co się stanie, gdy taki układ domen umieścimy w polu magnetycznym? Jeśli zostanie włączone słabe pole zewnętrzne o indukcji , to domeny o uprzywilejowanych kierunkach własnych momentów magnetycznych rozrosną się, przesuwając swoje granice kosztem domen o niekorzystnych kierunkach (Rys. 3b.). W odpowiednio silnym polu proces rozrostu uprzywilejowanych domen zostaje zakończony. Każde ziarno polikryształu będzie miało tylko jedną domenę o kierunku momentu magnetycznego zbliżonym do wektora indukcji . Wygląda to jak na Rys. 3c. B 01 B 0 pochodzić od „pojedynczych ładunków”. Nazwa wzięta jest z greki, przedrostek di- odnosi się do „dwa”, polos to biegun. moment magnetyczny (ang.: magnetic moment) - wielkość fizyczna cechująca dipol magnetyczny, która określa oddziaływanie dipola z zewnętrznym polem magnetycznym. Moment magnetyczny dipolowy definiuje się przez moment siły działający na niego w jednorodnym polu magnetycznym o indukcji : . moment magnetyczny pętli z prądem (ang.: magnetic moment of a current loop), Przykład obiektu obdarzonego momentem magnetycznym, który jest jednocześnie sam źródłem pola magnetycznego. Definicja - analogiczna jak w przypadku definicji strumienia indukcji magnetycznej przez powierzchnię. Histereza (ang.: hysteresis) - w naukach przyrodniczych: zjawisko zależności aktualnego stanu układu od stanów w poprzedzających chwilach. Inaczej – opóźnienie w reakcji na czynnik zewnętrzny. Od gr. husteros - opóźnienie. μ B → M = → μ × → B → μ = I ⋅ → S → S Grafika interaktywna Właściwości ferromagnetyków Skąd się bierze w ferromagnetykach pamiętanie poprzedniego stanu i opóźnianie reakcji substancji ferromagnetycznej na zmianę pola magnesującego B ? Domyślasz się zapewne, tym bardziej, że były wypowiedziane już pewne sugestie, że wszystko zależy od zachowania się momentów magnetycznych wewnątrz domen. Zostało to przedstawione w formie grafiki interaktywnej. Polecenie 1 Klikając w kolejne czerwone punkty na wykresie histerezy magnetycznej możesz podejrzeć symboliczny wektor indukcji magnetycznej zewnętrznego pola B , który będzie zmieniał swoją długość i kierunek. Początkowy wygląd domen w krysztale z zaznaczonymi wektorami momentów magnetycznych zobaczysz po kliknięciu w pierwszy punkt wykresu o współrzędnych (0,0). Spróbuj samodzielnie narysować na kartce wygląd domen w kolejnych punktach. 1. 1 B =0 0 0 0 12 3 4 5 6 7 8 9 10 2. 2 B 3. 3 B 0 0 9. 9 B =0 10. 10 Jaki opis odpowiada temu punktowi? Polecenie 2 Poniżej ta sama krzywa histerezy, ale pod kolejnymi punktami ukryte są rysunki domen. Sprawdź swoje przewidywania - porównaj wykonane rysunki z wyglądem domen ukrytych w kolejnych punktach wykresu. 0 12 3 4 5 6 7 8 9 10 1. 1 Sumaryczny moment magnetyczny domen równy jest zeru – taki kryształ nie wytwarza pola magnetycznego. B =0 2. 2 Granice domen nieco przesunęły się. Powiększyła się ta domena, której moment magnetyczny jest ustawiony w podobnym kierunku co wektor indukcji pola zewnętrznego B . 3. 3 Granice domen znacznie przesunęły się. Rozrosła się ta domena, której moment magnetyczny jest ustawiony w podobnym kierunku co wektor indukcji pola zewnętrznego B . Ten proces (jak dotąd) jest odwracalny. Zmniejszając indukcję B można przejść przez punkt „2” do początku układu współrzędnych. 0 0 0 0 4. 4 Domena, której moment magnetyczny jest ustawiony w podobnym kierunku co wektor indukcji pola zewnętrznego B rozrosła się do maksymalnych rozmiarów. Ten proces już nie jest odwracalny. Defekty sieci krystalicznej utrudniają powrót ścianek domenowych do pozycji pierwotnej. 5. 5 Wszystkie atomowe momenty magnetyczne w krysztale ustawione są w tym samym kierunku co pole magnetyczne B . Następuje wobec tego maksymalne wzmocnienie tego pola. Mamy do czynienia ze stanem nasyconym. Zwiększenie wartości B nie spowoduje większego namagnesowania. 0 0 0 NE" | <>Ż 10. 10 Czy takie było Twoje rozwiązanie? Bo  Sprawdź się Pokaż ćwiczenia: 輸醙難 Ćwiczenie 1 Wybierz poprawne uzupełnienia zdania. Domeny magnetyczne powstają w materiale ferromagnetycznym, gdy jest w postaci krystalicznej / amorficznej / ciekłej / gazowej pod warunkiem, że jego temperatura jest mniejsza / większa niż temperatura Curie. Ćwiczenie 2 Co zrobić, aby rozmagnesować uprzednio namagnesowany kawałek stali? Uzupełnij Ćwiczenie 3 Jaką nazwę ma wartość indukcji pola magnetycznego, które będzie istniało w ferromagnetyku, gdy po jego maksymalnym namagnesowaniu zmniejszymy pole zewnętrzne do zera? Odp.: B 0 Ćwiczenie 4 Czy w przypadku ferromagnetycznego rdzenia zwojnicy pole magnetyczne w rdzeniu jest wprost proporcjonalne do natężenia prądu płynącego w zwojnicy? Odp.: {tak} / {#nie} 輸 輸 輸 醙 Dla nauczyciela Imię i nazwisko autora: Nina Tomaszewska Przedmiot: Fizyka Temat zajęć: Właściwości ferromagnetyków Grupa docelowa: III etap edukacyjny, liceum, technikum, zakres rozszerzony Podstawa programowa: Cele kształcenia - wymagania ogólne I. Wykorzystanie pojęć i wielkości fizycznych do opisu zjawisk oraz wskazywanie ich przykładów w otaczającej rzeczywistości. II. Rozwiązywanie problemów z wykorzystaniem praw i zależności fizycznych. Zakres rozszerzony Treści nauczania - wymagania szczegółowe I. Wymagania przekrojowe. Uczeń: 19) wyodrębnia zjawisko z kontekstu, nazywa je oraz wskazuje czynniki istotne i nieistotne dla jego przebiegu; IX. Magnetyzm. Uczeń: 7) opisuje jakościowo podstawowe właściwości oraz zastosowania ferromagnetyków. Kształtowane kompetencje kluczowe: Zalecenia Parlamentu Europejskiego i Rady UE z 2018 r.: kompetencje w zakresie rozumienia i tworzenia informacji, kompetencje matematyczne oraz kompetencje w zakresie nauk przyrodniczych, technologii i inżynierii, kompetencje cyfrowe, kompetencje osobiste, społeczne i w zakresie umiejętności uczenia się. Cele operacyjne: Uczeń: 1. wyjaśnia, na czym polega fenomen ferromagnetyzmu. 2. wymienia niektóre substancje należące do grupy ferromagnetyków. 3. opisuje, dlaczego względna przenikalność magnetyczna ferromagnetyka nie jest stała. 4. wyjaśnia, skąd bierze się pozostałość magnetyczna w ferromagnetyku. 5. wie, że stan namagnesowania ferromagnetyka zależy od historii magnesowania. Strategie nauczania: blended learning Metody nauczania: wykład informacyjny wspomagany pokazem multimedialnym Formy zajęć: praca w zespole klasowym Środki dydaktyczne: komputer z rzutnikiem lub tablety do dyspozycji każdego ucznia Materiały pomocnicze: e‐materiał „Ferromagnetyki”. PRZEBIEG LEKCJI Faza wprowadzająca: Uczniowie na prośbę nauczyciela przypominają, jak zachowują się ferromagnetyki w polu wytworzonym przez magnes. Podają przykłady na to, że po wyjęciu ferromagnetyków z pola magnetycznego okazuje się, że ferromagnetyki same stały się magnesami. Nauczyciel wspólnie z uczniami tworzy na tablicy listę ferromagnetyków. Faza realizacyjna: Nauczyciel mówi o domenach magnetycznych i omawia ich zachowanie w rosnącym zewnętrznym polu magnetycznym. Następnie przedstawia krzywą magnesowania stali miękkiej koncentrując się na takich pojęciach jak stan nasycenia, pozostałość magnetyczna, pole koercji. Uczeń samodzielnie zapoznaje się z grafiką interaktywną, gdzie jeszcze raz omówiona jest pętla histerezy magnetycznej ale w kontekście zmian zachodzących w komórce krystalicznej w miarę zmieniania pola zewnętrznego o indukcji B . Ostatnie 3 zielone punkty dobrze byłoby potraktować jako zabawę i omówić wspólnie. Faza podsumowująca: W fazie podsumowującej nauczyciel wraz z uczniami rozwiązuje zadania: 2., 7. i 8. z zestawu ćwiczeń. Szczególnie cenne jest tu zadanie 8., które dotyczy metody pomiarowej wartości indukcji w rdzeniu. 0 Praca domowa: Zadania: 1., 3., 4., 5. 6. z zestawu ćwiczeń. Wskazówki metodyczne opisujące różne zastosowania danego multimedium: Histereza magnetyczna powinna być podstawą w nauczaniu zastosowań ferromagnetyzmu. Wobec tego można przed lekcja dotyczącą zastosowań poprosić uczniów o pracę z grafiką interaktywną z tego e‐materiału.