Curietemperatur ferromagnetischer Werkstoffe

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1 Fachbereich 1 Laborpraktikum Physikalische Messtechnik/ Werkstofftechnik Curietemperatur ferromagnetischer Werkstoffe Bearbeitet von Herrn M. Sc. Christof Schultz christof.schultz@htw-berlin.de Inhalt 1. Werkstofftechnische Grundlagen Hinweise zur Messtechnik Aufgabenstellung Verwendete Geräte Versuchsdurchführung Hinweise Kolloquiumsfragen Spulen- und Kerndaten Quellen Anhang... 5 Physikalische Messtechnik S.1

2 1. Werkstofftechnische Grundlagen Die Curietemperatur T c ist eine für jeden ferro- oder ferrimagnetischen Werkstoff typische Stoffkonstante. Es ist diejenige Temperatur, bei deren Erreichen der Ferro- bzw. Ferrimagnetismus verschwindet und in den Paramagnetismus (in einigen Fällen auch Antiferromagnetismus) übergeht. Der Ausfall des Ferro- bzw. Ferrimagnetismus ist mit einer sprunghaften Verkleinerung der Permeabilität verbunden. Diese Eigenschaftsänderung hat ihre Ursache in einer Strukturänderung. Beim Überschreiten der Curietemperatur geht die parallele Ausrichtung der Elementarmagnete verloren und die Weiß schen Bezirke zerfallen. Die beschriebenen Erscheinungen sind reversibel, d.h., bei Abkühlung unter die Curietemperatur tritt der Ferro- bzw. Ferrimagnetismus wieder auf. Bei einigen Werkstoffen ist der Ausfall des Ferrimagnetismus bei Erwärmung nicht so abrupt. Für diese ist die Curietemperatur als diejenige Temperatur definiert, bei der die Anfangspermeabilität auf ¼ des bei 23 C gemessenen Wertes abgesunken ist. Die Curietemperatur der ferromagnetischen Metalle liegt meist recht hoch, z.b. Fe 768 C, Co 1127 C. Einige Fe-Ni-Legierungen haben im Gegensatz dazu relativ niedrige Curietemperaturen. Für unseren Versuch verwenden wir aus messtechnischen Gründen Werkstoffe aus dieser Gruppe. 2. Hinweise zur Messtechnik Die verwendeten Magnetwerkstoffe besitzen große Temperaturkoeffizienten der Permeabilität. Deshalb kann die Ermittlung der Curietemperatur durch direkte Messung der Induktivität mittels einer RCL - Messbrücke erfolgen. 3. Aufgabenstellung 1. Messen Sie für eine gegebene Werkstoffprobe ( Ferritringkern mit Spule ) die Induktivität in Abhängigkeit von der Temperatur. Die Messungen erfolgen in Abständen von 5 Kelvin bis zu der Temperatur, bei der eine deutliche Abnahme der Induktivität erfolgt. 2. Berechnen Sie aus den Induktivitäten die Permeabilitäten mit Hilfe der Beziehung : µ 0 : magnetische Feldkonstante µ e : effektive Feldkonstante L = µ 0 µ e A M I M N² Physikalische Messtechnik S.2

3 A M : Querschnitt des Magneten I M : Länge des Magneten N: Windungszahl 3. Stellen Sie grafisch die Permeabilität als Funktion der Temperatur dar. Entnehmen Sie aus der Grafik die Curietemperatur. 4. Verwendete Geräte - Thermostat - Probe - RCL- Messbrücke - digitales Thermometer 5. Versuchsdurchführung - Die zu untersuchende Probe ist bereits in der Messvorrichtung im Inneren des Thermostaten montiert. - Der Deckel des Thermostaten muss für den Versuch geschlossen, das Thermometer und der Thermostat eingeschaltet werden. - An der RCL-Messbrücke kann die gemessene Induktivität der Spule abgelesen werden. - Bei einer Probentemperatur ist das Heizen des Thermostaten für 5 min zu unterbrechen. Anschließend wird der Versuch weiter fortgeführt. - Nach Erreichen der Curietemperatur kann der Deckel des Thermostaten geöffnet werden und die Induktivität beim Abkühlvorgang aufgezeichnet werden. 5. Hinweise - Es ist darauf zu achten dass der Messfühler des Thermometers mittig in der Spule, ohne Kontakt zu umliegenden Flächen, montiert ist. - Die Aufheiz- und Abkühlkurve sind NICHT zu mitteln. 6. Kolloquiumsfragen 1. Welche Vorgänge spielen sich beim Überschreiten der Curietemperatur im Magnetwerkstoff ab? 2. Wie ändern sich die magnetischen Eigenschaften beim Überschreiten der Curietemperatur? Physikalische Messtechnik S.3

4 3. Wie ändert sich das Verhalten einer Spule mit Kern beim Überschreiten der Curietemperatur des Kernmaterials? 4. Welche praktische Bedeutung hat die Curietemperatur? 5. Wozu benötigt man Magnetwerkstoffe mit niedrigen Curietemperaturen? 7. Spulen- und Kerndaten N = 20; d a = 27 mm; d i = 18 mm; s = 4,4 mm l M = π d a + d i 2 ; A M = s d a d i 2 8. Quellen Taschenbuch der Werkstoffe, Merkel, Manfred, Fachbuchverlag Funktionswerkstoffe der Elektrotechnik und Elektronik, Nitzsche und Ullrich, Dt. Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig * Stuttgart Werkstofftechnik, Wolfgang Bergmann, Carl Hanser Verlag München, Werkstoffkunde der Elektrotechnik, Egon Döring, Vieweg Verlag, Braunschweig, Wiesbaden Werkstoffkunde der Elektrotechnik und Elektronik, Lothar Hahn, Irene Munke, Verlag Technik Berlin Physikalische Messtechnik S.4

5 9. Anhang Tabelle 1: Curietemperaturen ausgewählter Werkstoffe Physikalische Messtechnik S.5