WinNavigator

Frigate

Norton Commander

WinNC

Dos Navigator

Servant Salamander

Turbo Browser

Winamp, Skins, Plugins

Необходимые Утилиты

Текстовые редакторы

Юмор

File managers and best utilites

Реферат: Температурный гистерезис вгетерогенномкатализе. Явление гистерезиса реферат

Явление Гистерезиса — реферат

Министерство образования и науки Краснодарского края

Государственное бюджетное образовательное учреждение

Среднего профессионального образования

«Краснодарский монтажный техникум»

Краснодарского края

Реферат на тему: «Явление Гистерезиса»

Выполнил студент группы 11-Нг1-2

Задорожный Александр

Проверил преподаватель

Шпота Людмила Игоревна

Краснодар 2012г.

Содержание:

Общие сведения.............................................................. 2

Диамагнетики........................................................................................... 2

Парамагнетики......................................................................................... 2

Ферромагнетики....................................................................................... 3

Ферромагнетики............................................................... 6

Начальное намагничивание................................................................... 6

Циклическое перемагничивание........................................................... 7

Ферромагнитные материалы........................................... 9

Экспериментальное изучение свойств ферромагнетиков... 15

Лабораторная установка............................................... 21

Исследование ферромагнитных свойств электротехнической стали........ 22

Исследование ферромагнитных свойств феррита.............................. 26

Лабораторная работа..................................................... 28

Приложение................................................................... 33

Схема установки /общий вид/............................................................. 33

Схема установки /электрическая/ .................................................... 34

Список используемой литературы................................ 35

Общие сведения.

Все вещества при рассмотрении их магнитных свойств принято называть магнетиками, т.е. они способны под действием магнитного поля приобретать магнитный момент (намагничиваться).

По своим магнитным свойствам магнетики подразделяются на три основные группы:

◊ диамагнетики;

◊ парамагнетики;

◊ ферромагнетики.

Количественной характеристикой намагниченного состояния вещества служит векторная величина – намагниченность J.

Рассмотрим каждую группу в отдельности.

Диамагнетики.

Диамагнетиками называются вещества, которые намагничиваются во внешнем магнитном поле в направлении, противоположном направлению вектора магнитной индукции поля.

К диамагнетикам относятся вещества, магнитные моменты атомов, молекул или ионов которых в отсутствие внешнего магнитного поля равны нулю. Диамагнетиками являются инертные газы, молекулярный водород и азот, цинк, медь, золото, висмут, парафин и многие другие органические и неорганические соединения.

В случае отсутствия магнитного поля диамагнетик немагнитен, поскольку в данном случае магнитные моменты электронов взаимно компенсируются, и суммарный магнитный момент атома равен нулю.

Т.к. диамагнитный эффект обусловлен действием внешнего магнитного поля на электроны атомов вещества, то диамагнетизм свойственен всем веществам.

Следует отметить, что магнитная проницаемость у диамагнетиков µ<1. Вот, например, у золота µ=0,999961, у меди µ=0,9999897 и т.д.

Парамагнетики.

Наряду с диамагнитными веществами существуют и парамагнитные вещества, – вещества, намагничивающиеся во внешнем магнитном поле по направлению поля.

У парамагнитных веществ при отсутствии внешнего магнитного поля магнитные моменты электронов не компенсируют друг друга, и атомы (молекулы) парамагнетиков всегда обладают магнитным моментом. Однако вследствие теплового движения молекул их магнитные моменты ориентированы беспорядочно, поэтому парамагнитные вещества магнитными свойствами не обладают. При внесении парамагнетиков во внешнее магнитное поле устанавливается преимущественная ориентация магнитных моментов атомов по полю (полной ориентации препятствует тепловое движение атомов).

Таким образом, парамагнетик намагничивается, создавая собственное магнитное поле, совпадающее по направлению с внешним полем и усиливающее его.

При ослаблении внешнего магнитного поля до нуля ориентация магнитных моментов вследствие теплового движения нарушается и парамагнетик размагничивается.

Вот некоторые парамагнитные вещества:

Алюминий µ=1,000023;

Воздух µ=1,00000038.

Ферромагнетики.

Особый класс магнетиков образуют вещества, способные обладать намагниченностью в отсутствии внешнего магнитного поля. По своему наиболее распространенному представлению (железу) их называютферромагнетиками.

Ферромагнетиками называются твердые вещества, обладающие при не слишком высоких температурах самопроизвольной (спонтанной) намагниченностью, которая сильно изменяется под влиянием внешних воздействий – магнитного поля, деформации, изменения температуры.

Ферромагнетики в отличие от слабомагнитных диа- и парамагнетиков являются сильномагнитными средами:

внутреннее магнитное поле в них может в сотни и тысячи раз превосходить внешнее поле.

Большой вклад в экспериментальное изучение свойств ферромагнетиков внес А. Г. Столетов. В своей докторской диссертации он исследовал зависимость намагниченности мягкого железа от напряженности магнитного поля. Предложенный им способ заключался в измерении магнитного потока в ферромагнитных кольцах при помощи баллистического гальванометра.

Ферромагнитные материалы в большой или меньшей степени обладают магнитной анизотропией, т.е. свойством намагничиваться с различной степенью трудности в различных направлениях.

Магнитные свойства ферромагнитных материалов сохраняются до тех пор, пока их температура не достигнет значения, называемого точкой Кюри. При температурах выше точки Кюри ферромагнетик ведет себя во внешнем магнитном поле как парамагнитное вещество. Он не только теряет свои ферромагнитные свойства, но у него изменяется теплоемкость, электропроводимость и некоторые другие физические характеристики.

Точка Кюри для различных материалов различна:

◊ для железа +7700 С;

◊ для никеля +3650 С;

◊ для кобальта +11300 С.

При намагничивании ферромагнетиков происходит небольшое изменение их линейных размеров, т.е. увеличение или уменьшение их длины с одновременным уменьшением или увеличением поперечного сечения. Это явление называется магнитострикцией, оно зависит от строения кристаллической решетки ферромагнетика.

В чем же заключается природа ферромагнетизма?

Согласно представлениям Вейсса (1865-1940), его описательной теории ферромагнетизма, ферромагнетики при температурах ниже точки Кюри обладают спонтанной намагниченностью независимо от наличия внешнего намагничивающего поля. Однако это вносило некое противоречие, т.к. многие ферромагнитные материалы при температурах ниже точки Кюри не намагничены.

Для устранения этого противоречия Вейсс ввел гипотезу, согласно которой ферромагнетик ниже точки Кюри разбивается на большое число малых микроскопических (порядка 10-3 – 10-2 см.) областей – доменов, самопроизвольно намагниченных до насыщения.

При отсутствии внешнего магнитного поля магнитные моменты отдельных атомов ориентированы хаотически и компенсируют друг друга, поэтому результирующий магнитный момент ферромагнетика равен нулю, т.е. ферромагнетик не намагничен.

Внешнее магнитное поле ориентирует по полю магнитные моменты не отдельных атомов, как в парамагнетике, а целых областей спонтанной намагниченности. Поэтому с ростом H намагниченность J (рис. 1) и магнитная индукция B уже в слабых полях растет довольно быстро.

Показанное на рис.1 намагничивание такого образца (ферромагнетик) в магнитном поле, напряженность Hкоторого медленно увеличивается, происходит за счет двух процессов: смещения границ доменов и вращения магнитных моментов доменов.

Процесс смешения границ доменов приводит к росту размеров тех доменов, которые самопроизвольно намагничены в направлениях, близких к направлению вектора H.

Процесс вращения магнитных моментов доменов по направлению H играет основную роль только в области, близкой к насыщению (т.е. при H близких к Hs ).

Существование доменов в ферромагнетиках доказано экспериментально. Прямым экспериментальным методом их наблюдения является метод порошковых фигур.

На тщательно отполированную поверхность ферромагнетика наносятся водная суспензия мелкого ферромагнитного порошка (магнетит). Частицы оседают преимущественно в местах максимальной неоднородности магнитного поля, т.е. на границах между доменами. Поэтому осевший порошок очерчивает границы доменов.

Дальнейшее развитие теории ферромагнетизма Френкелем и Гейзенбергом, а также ряд экспериментальных фактов позволили выяснить природу элементарных носителей ферромагнетизма.

В настоящий момент установлено, что магнитные свойства ферромагнетиков определяются спиновыми магнитными моментами электронов. Установлено также, что ферромагнитными свойства могут обладать только кристаллические вещества, в атомах которых имеются недостроенные внутренние электронные оболочки с некомпенсированными спинами. В подобных кристаллах могут возникать силы, которые вынуждают спиновые магнитные моменты электронов ориентироваться параллельно друг другу, что и приводит к возникновению областей спонтанного намагничивания. Эти силы, называемые обменными, имеют квантовую природу – они обусловлены волновыми свойствами электронов.

Итак, рассмотрим более детально процессы, происходящие с ферромагнетиком при воздействии на него внешнего магнитного поля.

Ферромагнетики.

Начальное намагничивание.

Под действием внешнего магнитного поля, созданного током в катушке, наложенной на стальной магнитопровод, происходит процесс ориентации доменов в магнитопроводе и смещение их границ. Это приводит к намагничиванию стального магнитопровода, причем намагниченность увеличивается с увеличением внешнего магнитного поля.

Намагниченность М ферромагнитного материала растет только до предельного значения, называемого намагниченностью насыщения Мs. Зависимость намагниченности М от напряженности поля М(H) показана на рис. 2 штриховой линией. На том же рисунке показана линейная зависимость B0(H)=m0М. Складывая ординаты кривой m0М(H) и прямой М0(H), получаем ординаты новой кривой B(H) – кривой первоначального намагничивания (рис 2). Кривую B(H) можно разделить на четыре участка:

1) почти линейный участок 0а, соответствующий малым напряженностям поля, показывает, что магнитная индукция увеличивается относительно медленно и почти пропорционально напряженности поля;

2) почти линейный участок аб, на котором магнитная индукция В растет также почти пропорционально напряженности поля, но значительно быстрее, чем на начальном участке;

3) участок бв – колено кривой намагничивания, который характеризует замедление роста индукции B;

4) участок магнитного насыщения – участок, расположенный выше точки в; здесь зависимость снова линейная, но рост индукции B очень сильно замедлен по сравнению со вторым. Магнитная индукция, которая соответствует намагниченности насыщения, называется индукцией насыщения Bs.

Таким образом, зависимость магнитной индукции от напряженности поля у ферромагнитного материала достаточно сложная и не может быть выражена простой расчетной формулой. Поэтому при расчете магнитных цепей, содержащих ферромагнетики, применяют снятые экспериментально кривые намагничивания B(H) магнитных материалов. Кривая намагничивания впервые была получена экспериментально в 1872 году профессором Московского университета А. Г. Столетовым.

Абсолютная магнитная проницаемость ma=mrm0 ферромагнетика определяется для произвольной точки А кривой намагничивания (рис. 3) через тангенс угла наклона секущей 0А к оси абсцисс, т.е.

Где mB, mH, mm - масштабы соответствующих величин.

Кривая изменения магнитной проницаемости mr для ферромагнитного материала дана на том же рис. 3. Как видно из графика, магнитная проницаемость с ростом напряженности поля изменяется в весьма широких границах, что затрудняет ее применение для расчетов. На кривой mr(H) отмечают два характерных значения магнитной проницаемости:

myunivercity.ru

Явление Гистерезиса — реферат

начальное (рис. 3)

максимальное

Начальная магнитная проницаемость характеризует возможность использования ферромагнетика в слабых магнитных полях. Максимальная магнитная проницаемость определяет верхнюю границу использования материала. Так, например, для листовой электротехнической стали mн=250¸1000, а mmax=500¸30000.

Циклическое перемагничивание.

Рассмотрим процесс перемагничивания ферромагнетиков.

Допустим, что кольцевой магнитопровод из ферромагнитного материала не намагничен и тока в витках катушки нет, т.е. B=0 и H=0 (начало координат на рис. 4). При постепенном увеличении намагничивающего тока, т.е. МДС (магнито-движущая сила), а следовательно, и напряженности поля от нуля до некоторого наибольшего значения

магнитная индукция увеличивается по кривой начального намагничивания (Оа) и достигает соответствующего максимального значения Ba. Если затем ток и напряженность поля уменьшаются, то и магнитная индукция уменьшается, при соответствующих значениях напряженности магнитная индукция несколько больше, чем при увеличении напряженности. Кривая изменения магнитной индукции (участок aб на рис. 4) располагается выше кривой начального намагничивания. При нулевых значениях тока и напряженности поля магнитная индукция имеет некоторое значениеBr, называемое остаточной индукцией (отрезок Об на рис. 4).

Таким образом, магнитная индукция в ферромагнитном материале зависит не только от напряженности поля, но и от предшествующего состояния ферромагнетика. Это явление называется гистерезисом. Оно обусловлено как бы внутренним трением, возникающим при изменении ориентации магнитных моментов доменов.

При изменении направления намагничивающего тока, а, следовательно, и направления напряженности поля и постепенном увеличении тока обратного направления напряженность поля достигает значения Hc, называемого коэрцитивной силой (отрезок Ов), при котором магнитная индукция B=0. При дальнейшем увеличении тока и напряженности поля магнитопровод намагничивается в противоположном направлении и при напряженности поля Hг = -Haмагнитная индукция достигнет значения Bг = -Ba. Затем при уменьшении тока и напряженности поля до нуля магнитная индукция Bд становится равной -Bб. Наконец, при следующем изменении направления тока и напряженности поля и увеличения ее до прежнего значения На магнитная индукция увеличится также до прежнего значения Ba. Рассмотренный цикл перемагничивания ферромагнетика по кривой абвгдеа называется гистерезисным циклом (петлей гистерезиса).

Такая симметричная замкнутая петля гистерезиса (рис. 4) получается в действительности только после нескольких перемагничиваний с увеличением тока до значения Ia. При первых циклах перемагничивания петля несимметричная и незамкнутая. Наибольшая замкнутая петля, которая может быть получена для данного ферромагнитного материала, называется предельной (рис. 5). При напряженности поля H > Hmax получается уже безгистерезисный участок кривой B(H).

Если для данного ферромагнитного материала, выбирая различные наибольшие значения тока Ia, получить несколько симметричных петель гистерезиса (рис. 5) и соединить вершины петель, то получим кривую, называемую основной кривой намагничивания, близкую к кривой начального намагничивания.

Циклическое перемагничивание можно применить для размагничивания магнитопровода, т.е. для уменьшения остаточной индукции до нулевого значения. С этой целью магнитопровод подвергают воздействию изменяющегося по направлению и постепенно уменьшающегося магнитного поля.

Периодическое перемагничивание связано с затратой энергии, которая, превращаясь в тепло, вызывает нагрев магнитопровода. Площадь петли гистерезиса пропорциональна энергии, затраченной при одном цикле перемагничивания. Энергия, затраченная на процесс перемагничивания, называется потерями от гистерезиса. Мощность потерь на циклическое перемагничивание, выражаемая обычно в ваттах на килограмм, зависит от материала, максимальной магнитной индукции и числа циклов перемагничивания в секунду или, что тоже, частоты перемагничивания.

Ферромагнитные материалы.

Ферромагнитные материалы делятся на две группы: магнитно-мягкие и магнитно-твердые.

а) Магнитно-мягкие материалы (таблица №1) применяются в качестве магнитопроводов (сердечников) в устройствах и приборах, где магнитный поток постоянный (полюсные башмаки и сердечники измерительного механизма) или переменный (например, магнитопровод трансформатора). Они обладают низким значением коэрцитивной силы Hc (ниже 400А/м), высокой магнитной проницаемостью и малыми потерями от гистерезиса. К этой группе материалов относятся: техническое железо и низкоуглеродистые стали, листовые электротехнические стали, железоникелевые сплавы с высокой проницаемостью (пермаллои) и оксидные ферромагнетики – ферриты и оксиферы.

Техническое железо с содержанием углерода до 0,04%, углеродистые стали и чугун широко применяются для магнитопроводов, работающих в условиях постоянных магнитных полей. Техническое железо обладает высокой индукцией насыщения (до 2,2 Тл), высокой магнитной проницаемостью и низкой коэрцитивной силой.

Электротехнические стали – это сплавы железа с кремнием (1-4%). Путем изменения содержания кремния и применением различных технологических приемов получаются стали с широким диапазоном магнитных свойств. Кремний улучшает свойства технического железа: увеличиваются начальная и максимальная магнитные проницаемости, уменьшается коэрцитивная сила, уменьшаются потери энергии от гистерезиса, увеличивается удельное электрическое сопротивление, что важно для уменьшения так называемых вихревых токов, возникающих при циклически изменяющемся магнитном поле и нагревающих магнитопровод.

Стали, с низким содержанием кремния, имеют низкую магнитную проницаемость, большую индукцию насыщения и большие удельные потери, они применяются в установках и приборах цепей постоянного тока или переменного тока низкой частоты. Стали с высоким содержанием кремния применяются в тех случаях, когда нужно иметь высокую магнитную проницаемость в слабых и средних полях и малые потери от гистерезиса и вихревых токов, вследствие чего они могут применятся для магнитопроводов, работающих при повышенной частоте тока.

Рассмотрим некоторые виды магнито-мягких материалов, которые наиболее часто применяются в промышленности.

Пермаллои – это сплавы различного процентного содержания железа и никеля, а некоторые из них, кроме того, молибдена, хрома, кремния, алюминия. Пермаллои имеют высокую магнитную проницаемость, в 10-15 раз большую, чем у листовой электротехнической стали. В этих сплавах индукция насыщения достигается при малых напряженностях поля (от десятых долей до нескольких сотен ампер на метр). Одни из них имеют низкую индукцию насыщения Bs (около 0,6 –0,8 Тл), другие – относительно высокую (1,3 – 1,6 Тл). К первой группеотносятся высоконикелевые пермаллои, например содержащий 79% никеля и 3,8% молибдена, у которого mн=22000;mmax=120000; Bs=0,75Тл. Ко второй группе относятся низконикелевые пермаллои, например содержащие 45% никеля, у которого mн=2500; mmax=23000; Bs=1,5Тл.

У пермаллоев с прямоугольной петлей гистерезиса (рис. 6) степень прямоугольности петли характеризуется отношением остаточной индукции Br к максимальной индукции Bmax, под которой понимают индукцию при напряженности поля, в 5-10 раз превышающую коэрцитивную силу. Это отношение достигает 0,85-0,99. Коэрцитивная сила таких пермаллоев лежит в пределах от 1 до 30 А/м.

Магнитные свойства пермаллоев в сильной степени зависят от технологии их изготовления.

Ферритами называют ферромагнитные материалы, получаемые из смеси окислов железа, цинка и других элементов. При изготовлении магнитопроводов смесь размалывают, прессуют и отжигают при температуре около 1200 0С; таким образом, получают магнитопроводы нужной формы. Ферриты обладают очень большим удельным сопротивлением, вследствие чего потери из-за вихревых токов чрезвычайно, малы и их можно применять при высокой частоте.

Ферриты обладают значительной начальной магнитной проницаемостью, незначительной индукцией насыщения(0,18 – 0,32Тл) и малой коэрцитивной силой (8 – 80 А/м).

Магнитодиэлектрики – это материалы, получаемые из смеси мелкозернистого ферромагнитного порошка с диэлектриком (поливинилхлорид, полиэтилен). Смесь формуют, прессуют и запекают; в результате мельчайшие частицы ферромагнетика оказываются разделенными электроизолирующей пленкой из немагнитного материала.

Ферриты и магнитодиэлектрики широко применяются в качестве сердечников в аппаратуре проводной и радиосвязи, в магнитных усилителя, вычислительных машинах и в других областях техники.

В настоящее время ведутся разработки новых видов магнито-мягких материалов. Одним из таких видовявляется ленточный магнитопровод разработанный фирмой ГАММАМЕТ® — гаммамет® 412А.

Магнитопроводы ГАММАМЕТ® 412А изготавливаются из ленты толщиной 25 мкм с нанокристаллической структурой. Лента получается методом быстрой закалки из сплава на основе железа. Магнитопроводы после термической обработки в продольном магнитном поле имеют высокую прямоугольность петли магнитного гистерезиса (см. рис. 7) и низкие удельные магнитные потери.

Предельные значения температуры окружающей среды от -60 °С до +125°С. Полный срок службы магнитопроводов - 30 лет. Технические условия обеспечивают коэффициент прямоугольности Br/B10>0,85.

Магнитопроводы ГАММАМЕТ® 412А заменяют магнито-мягкие железоникелевые сплавы и ферриты с прямоугольной петлей магнитного гистерезиса.

Область применения: магнитные усилители, импульсные трансформаторы, дроссели насыщения, магнитные ключи.

1. А.

А. Детлаф, Б. М. Яворский. "Курс общей физики". — М.: Высшая школа, 1989г.

2. В. И. Иверонова и др. "Физический практикум". — М.: Физико-математическая литература, 1962г.

3. В. С. Попов. "Теоретическая электротехника". — М.: Энергоатомиздат, 1990г.

4. Т. И. Трофимова. "Курс физики". — М.: Высшая школа,1998г.

5. Д. Джанколи. "Физика". Том II. — М.: Мир, 1989г.

6. Г. Г. Рекус, В. Н. Чесноков. "Лабораторные работы по электротехнике и основам электроники". — М.: Высшая школа, 1989г.

myunivercity.ru

Гистерезис магнитный: описание, свойства, практическое применение

Бывает гистерезис магнитный, сегнетоэлектрический, динамический, упругий. Он также встречается в биологии, почвоведении, экономике. Причем суть у этого определения практически одинакова. Но в статье пойдет речь именно про магнитный, вы узнаете более подробно об этом явлении, от чего оно зависит и когда проявляется. Данное явление изучается в вузах с технической направленностью, в школьную программу не входит, поэтому не каждый знает о нем.

Гистерезис магнитный

гистерезис магнитный

Это необратимая и неоднозначная зависимость показателя намагниченности вещества (причем это, как правило, ферромагнетики магнитоупорядоченные) от внешнего магнитного поля. При этом поле постоянно изменяется – уменьшается или увеличивается. Общая причина существования гистерезиса – это наличие в минимуме термодинамического потенциала нестабильного состояния и стабильного, а также имеются необратимые переходы между ними. Гистерезис – это также проявление магнитного ориентационного фазового перехода 1-го рода. При них переходы от одной к другой фазам происходят из-за метастабильных состояний. Характеристика – это график, который носит название «петля гистерезиса». Иногда еще его называют «кривой намагниченности».

Петля гистерезиса

явление гистерезиса

На графике зависимости М от Н можно видеть:

Из нулевого состояния, при котором М=0 и Н=0, с увеличением Н растет и М.
Когда поле увеличивается, то намагниченность становится практически постоянной и равна значению насыщения.
При уменьшении Н происходит обратное изменение, но вот когда Н=0, намагниченность М не будет равна нулю. Это изменение можно видеть по кривой размагничивания. И когда Н=0, М принимает значение, равное остаточной намагниченности.
При увеличении Н в интервале –Нт... +Нт происходит изменение намагниченности вдоль третьей кривой.
Все три кривые, описывающие процессы, соединяются и образуют своеобразную петлю. Она-то и описывает явление гистерезиса – процессы намагничивания и размагничивания.

Энергия намагничивания

кривая намагничивания

Петля считается несимметричной в том случае, когда максимумы поля Н1, которые прикладываются в обратном и прямом направлениях, не являются одинаковыми. Выше была описана петля, которая характерна для медленного процесса перемагничивания. При них происходит сохранение квазиравновесных связей между значениями Н и М. Нужно обратить внимание на то, что при намагничивании или размагничивании происходит отставание М от Н. И это приводит к тому, что вся та энергия, которая приобретается ферромагнитным материалом во время намагничивания, отдается не полностью при прохождении цикла размагничивания. И вот эта разница идет вся в нагрев ферромагнетика. И петля магнитного гистерезиса оказывается в этом случае несимметричной.

Форма петли

Зависит форма петли от многих параметров – намагниченности, напряженности поля, наличия потерь и т. д. Также немалое влияние оказывает и химический состав ферромагнетика, структурное состояние его, температура, характер и распределение дефектов, наличие обработки (тепловой, термомагнитной, механической). Следовательно, гистерезис ферромагнетиков можно изменять, подвергая материалы механической обработке. От этого изменяются все характеристики материала.

Гистерезисные потери

петля магнитного гистерезиса

Во время динамического перемагничивания ферромагнетика переменным магнитным полем наблюдаются потери. Причем они составляют лишь малую долю от полных магнитных потерь. Если петли имеют одинаковую высоту (одинаковое максимальное значение намагниченности М), петля динамического вида оказывается шире статической. Происходит это вследствие того, что ко всем потерям добавляются новые. Это динамические потери, они обычно связаны с вихревым током, магнитной вязкостью. В сумме же получаются достаточно существенные потери на гистерезис.

Однодоменные ферромагнетики

гистерезис ферромагнетиков

В том случае, если частицы имеют различный размер, протекает процесс вращения. Происходит это по причине того, что образование новых доменов невыгодно с энергетической точки зрения. Но процессу вращения частиц мешает анизотропия (магнитная). Она может иметь разное происхождение – образовываться в самом кристалле, возникать вследствие упругого напряжения и т. д.). Но именно при помощи этой анизотропии намагниченность удерживается внутренним полем. Его еще называют эффективным полем магнитной анизотропии. И гистерезис магнитный возникает вследствие того, что намагниченность изменяется в двух направлениях – прямом и обратном. Во время перемагничивания однодоменных ферромагнетиков происходит несколько скачков. Вектор намагниченности М разворачивается в сторону поля Н. Причем поворот может быть однородным или неоднородным.

Многодоменные ферромагнетики

В них кривая намагничивания строится по подобному образу, но вот процессы протекают иные. При перемагничивании происходит смещение границ доменов. Следовательно, одной из причин возникновения гистерезиса может являться задержка смещений границ, а также необратимые скачки. Иногда (если у ферромагнетиков довольно большое поле) гистерезис магнитный определяется задержкой роста и образования зародышей перемагничивания. Именно из этих зародышей образуется доменная структура ферромагнитных веществ.

Теория гистерезиса

потери на гистерезис

Стоит учитывать, что явление магнитного гистерезиса происходит также при вращении поля Н, а не только при его изменении по знаку и величине. Называется это гистерезисом магнитного вращения и соответствует изменению направления намагниченности М с изменением направления поля Н. Возникновение гистерезиса магнитного вращения наблюдается также при вращении исследуемого образца относительно фиксированного поля Н.

Кривая намагничивания характеризует также магнитную структуру домена. Структура изменяется при прохождении процессов намагничивания и перемагничивания. Изменения зависят от того, насколько смещаются границы доменов, от воздействий внешнего магнитного поля. Абсолютно все, что способно задержать все процессы, описанные выше, переводит ферромагнетики в нестабильное состояние и является причиной того, что возникает гистерезис магнитный.

Нужно учесть, что гистерезис зависит от множества параметров. Намагниченность меняется под воздействием внешних факторов – температуры, упругого напряжения, следовательно, возникает гистерезис. При этом появляется гистерезис не только намагниченности, но и всех тех свойств, от которых он зависит. Как можно видеть отсюда, явление гистерезиса можно наблюдать не только при намагничивании материала, но и при других физических процессах, связанных прямо или косвенно с ним.

fb.ru

Исследование явления магнитного гистерезиса

изучение магнитных свойств веществ.

специальная экспериментальная установка для исследования магнитного гистерезиса, ЛАТР, осциллограф.

Краткая теория

Всякое вещество является магнетиком, т.е. способно под действием магнитного поля приобретать магнитный момент (намагничиваться). Намагниченное вещество создает собственное магнитное поле , которое накладывается на внешнее, и их сумма дает результирующее поле в магнетике

. (16.1)

Для объяснения намагничивания тел Ампер предположил, что в молекулах вещества циркулируют круговые токи. Каждый такой ток обладает магнитным моментом

, (16.2)

где I– сила тока,

– площадь контура, по которому протекает ток,

– единичная положительная нормаль к площади контура, связанная с направлением тока в контуре правилом правого винта.

В отсутствии внешнего поля молекулярные токи ориентированы беспорядочным образом, вследствие чего создаваемое ими в окружающем пространстве результирующее магнитное поле равно нулю. Под действием внешнего магнитного поля магнитные моменты молекул приобретают преимущественную ориентацию в одном направлении, вследствие чего магнетик намагничивается – его суммарный магнитный момент становится отличным от нуля.

Для объяснения природы замкнутых внутримолекулярных токов можно воспользоваться моделью атома Бора, согласно которой электроны движутся в атоме по круговым орбитам. Если частота обращения электрона равна , то такое движение электрона эквивалентно существованию замкнутого тока силой, который создает магнитный момент.

Кроме описанного магнитного момента, обусловленного орбитальным движением электронов в атоме, каждый электрон, подобно его электрическому заряду, характеризуется собственным магнитным моментом , который называют также спиновым. Пренебрегая малым магнитным моментом ядра, можно утверждать, что магнитный момент атома складывается из орбитальных и спиновых моментов входящих в его состав электронов.

Намагничивание магнетика естественно характеризовать магнитным моментом единицы объема. Эту величину называют намагниченностью и обозначают буквой :

, (16.3)

где физически бесконечно малый объем, взятый вокруг рассматриваемой точки,

магнитный момент отдельной молекулы.

Величина, равная

(16.4)

называется напряженностью магнитного поля.

Намагниченность принято связывать не с индукцией, а напряженностью магнитного поля и в каждой точке магнетика

. (16.5)

В этом выражении безразмерная, характерная для данного магнетика величина, называемая магнитной восприимчивостью. Для слабомагнитных (неферромагнитных) веществ в не слишком сильных поляхне зависит отН.

Подставим (16.3) в (16.2) и после преобразования получим:

. (16.6)

Безразмерная величина

(16.7)

называется магнитной проницаемостью вещества.

Индукция собственного магнитного поля связана с индукцией внешнего поля

. (16.8)

Тогда индукция поля внутри магнетика

. (16.9)

Следовательно, магнитная проницаемость показывает, во сколько раз усиливается поле в магнетике.

По магнитным свойствам атомов все вещества можно разделить на диамагнетики и парамагнетики. В атомах диамагнетиков (вода, золото, графит, медь, серебро и др.) спиновые и орбитальные магнитные моменты электронов полностью уравновешивают друг друга и полный момент атома в отсутствие внешнего поля равен нулю. Во внешнем поле движение электронов изменяется (возникает прецессия электронных орбит), и атом приобретает магнитный момент, направленный навстречу внешнему полю и называемый индуцированным. Поэтому у диамагнетиков <0 и<1. По порядку величины магнитная восприимчивость диамагнетиков составляет. Поэтому поле внутри диамагнетика уменьшается незначительно. Во внешнем неоднородном магнитном поле образцы диамагнетиков выталкиваются в область более слабого поля.

В атомах парамагнетиков (платина, алюминий, вольфрам, кислород, азот и др.) спиновые и орбитальные магнитные моменты электронов не скомпенсированы, и каждый атом обладает собственным магнитным моментом. Во внешнем магнитном поле в каждом атоме возникает индуцированный магнитный момент (направленный против поля), но одновременно происходит ориентация собственных моментов атома внешним полем. Обусловленное ориентацией магнитных моментов атомов увеличение индукции внешнего поля в парамагнетике преобладает, и магнитная восприимчивость парамагнетиков оказывается положительной, хотя и небольшой – . Во внешне неоднородном магнитном поле образца парамагнетиков втягиваются в область более сильного поля.

Ферромагнетиками называются вещества, сильно усиливающие внешнее магнитное поле. Для этих веществ 103105(железо, никель, кобальт и др.). Важное отличие ферромагнетиков заключается в том, что если парамагнитные или диамагнитные свойства веществ проявляются в любом агрегатном состоянии, то ферромагнитные свойства наблюдаются только у кристаллов. В жидком или газообразном состоянии ферромагнитные вещества ведут себя как обычные парамагнетики.

Намагниченность слабомагнитных веществ изменяется с напряженностью линейно, у ферромагнетиков эта зависимость является весьма сложной нелинейной функцией напряженности внешнего поля – рисунок 16.1.

Характерным свойством ферромагнетиков является гистерезис. Если довести намагничение до насыщения (когда намагниченность перестает возрастать) и затем уменьшать напряженность поля, то индукция следует не по первоначальной кривой намагничивания, а запаздывая по отношению к внешнему полю, изменяется таким образом, что когда напряженность внешнего поля станет равной нулю, намагничивание не исчезает и характеризуется величиной, которая называется остаточной индукцией, а намагниченность при этом называется остаточной намагниченностью.

Остаточная индукция обращается в ноль лишь под действием поля, имеющего направление, противоположное полю, вызвавшему намагничивание, а напряженность этого поля называется коэрцитивной силой . Если коэрцитивная сила велика, ферромагнетик называется жестким и для него характерна широкая петля гистерезиса. Ферромагнетик с малой коэрцитивной силой (с узкой петлей гистерезиса) называется мягким. В зависимости от назначения берутся ферромагнетики с той или иной характеристикой. Так, для постоянных магнитов и в магнитных носителях информации употребляют жесткие ферромагнетики, а для сердечников трансформаторов – мягкие.

Таким образом, при действии на ферромагнетик переменного магнитного поля, намагниченность (индукция) изменяется по сложной кривой, которая называется петлей гистерезиса.

Из результатов, полученных при изучении магнитомеханических явлений, следует, что ответственными за магнитные свойства ферромагнетиков являются собственные (спиновые) магнитные моменты электронов. При определенных условиях в кристаллах могут возникать обменные силы, которые заставляют магнитные моменты электронов выстраиваться параллельно друг другу. В результате возникают области спонтанного (самопроизвольного) намагничивания, которые называются доменами. В пределах каждого домена ферромагнетик спонтанно намагничен до насыщения, т.е. до максимально возможного значения намагниченности и обладает определенным магнитным моментом. Направление этих моментов для различных доменов различны, так что в отсутствии внешнего магнитного поля суммарный момент всего тела может быть равным нулю.

Действие поля на домены на разных стадиях процесса намагничивания оказывается различным. Вначале, в слабых полях, наблюдается смещение границ доменов, в результате чего происходит увеличение тех доменов, моменты которых составляют с вектором напряженности внешнего магнитного поля меньший угол, за счет доменов, у которых этот угол больше. С увеличением напряженности поля этот процесс идет все дальше и дальше, пока домены с меньшими указанными углами (обладающие в магнитном поле меньшей энергией) не поглотят целиком энергетически менее выгодные домены. На следующей стадии имеет место поворот магнитных моментов доменов в направлении поля. При этом моменты электронов в пределах домена поворачиваются одновременно, без нарушения их строгой параллельности друг другу. Эти процессы (исключая небольшие смещения границ между доменами в очень слабых полях) являются необратимыми, что и служит причиной гистерезиса.

Для каждого ферромагнетика имеется определенная температура , при которой области спонтанного намагничивания распадаются и вещество утрачивает ферромагнитные свойства. Эта температура называется точкой Кюри и при температуре выше этой точки ферромагнетик становится обычным парамагнетиком, магнитная восприимчивость которого подчиняется закону Кюри – Вейсса

. (16.10)

При охлаждении ферромагнетика ниже точки Кюри в нем снова возникают домены.

studfiles.net

Реферат - Температурный гистерезис вгетерогенномкатализе

Температурный гистерезис в гетерогенном катализе

Гетерогенный катализ — та область науки, в которой действуют и которой управляют два рода законов: чисто химические и законы физики поверхности твердого тела. По этой причине, в частности, в гетерогенном катализе существует множество явлений, трудно поддающихся объяснению, а иногда, наоборот, получающих сразу несколько противоречащих друг другу трактовок.

В ряду подобных явлений находится и температурный гистерезис. Вообще, гистерезисные эффекты — это опровержение ставшего поговоркой тезиса о том, что от перемены мест слагаемых результат не меняется. Иногда меняется. Наличие гистерезиса означает, что, двигаясь в одном направлении, мы видим не ту картину, которая возникнет перед нами, когда направление движения меняется на противоположное. Как если бы мы просматривали киноленту и потом, перематывая ее назад, обнаружили на экране не те же самые кадры, хотя и в обратной последовательности, а совсем другие. В нашем случае это выражается в том, что, постепенно повышая температуру, мы фиксируем в каждой точке ту или иную скорость реакции или степень превращения исходного вещества, а начав охлаждение, получаем в тех же температурных точках другую скорость или другую степень превращения. Эта “другая” скорость, измеренная при определенной температуре, может быть меньше первой, и тогда мы называем полученную зависимость гистерезисом “по часовой стрелке”. Но она может быть и больше, и такую зависимость именуют гистерезисом “против часовой стрелки”. Восходящая (полученная при повышении температуры) и нисходящая (при понижении) ветви температурной зависимости образуют петлю гистерезиса.

Петли температурного гистерезиса “по часовой стрелке” и “против часовой стрелки”

Примеров температурного гистерезиса в гетерогенном катализе известно не то чтобы очень много, но и немало. Гистерезисные эффекты наблюдались в реакциях окисления монооксида углерода*, водорода, некоторых углеводородов, а именно метана и бензола, синтеза аммиака из азота и водорода, окисления и даже обмена изотопами между молекулами водорода и дейтерия. Все это — реакции разного типа и проводились они на различных катализаторах — чистых металлах, металлах на той или иной подложке, разнообразных оксидах.

* Таких примеров больше всего. Ликвидация или утилизация монооксида углерода СО (в быту его называют угарным газом) — большая проблема в областях техники, связанных со сжиганием углеродного топлива (автомобильные двигатели, топливные электростанции, котельные и т.п.).

Чем же объясняют появление температурных гистерезисов? Мы не будем останавливаться на частных версиях, применимых лишь к отдельным конкретным случаям. Обратимся к наиболее общему, да к тому же самому распространенному толкованию.

В химической кинетике существует понятие стационарного состояния катализатора, когда каталитическая система пребывает в динамическом равновесии с окружающей реакционной средой. При изменении состава среды может варьироваться и состояние катализатора. Если изменение происходит постепенно, без резких скачков, то и при обратном ходе катализатор пройдет через те же самые состояния, и никакого гистерезиса не будет. Но в некоторых случаях постепенное накопление количественных изменений приводит к резкому, скачкообразному переходу катализатора в новое состояние с иной структурой поверхности, иной степенью окисления, иным фазовым составом и т.п. В этом новом стационарном состоянии и активность катализатора может стать совсем другой. И если оно достаточно стабильно, то обратное изменение состава реакционной среды не сразу ведет к возврату катализатора в первоначальное состояние. Иными словами, тогда неизбежно возникает гистерезис: при одном и том же составе скорости реакций в условиях роста концентрации какого-то компонента и в условиях ее уменьшения будут отличаться. Так вполне логично объясняется происхождение концентрационного гистерезиса.

В принципе подобные перемены могут происходить с катализатором и при изменении температуры. Поэтому описанный подход был распространен и на температурный гистерезис. Казалось бы, это вполне оправданно, поскольку множественность стационарных состояний при температурном гистерезисе наблюдалась, как было сказано, преимущественно в окислительных реакциях, а именно в них реакционная среда наиболее заметно влияет на состояние катализатора. Однако, анализируя литературные данные, нельзя не заметить, что в ряде работ восходящие и нисходящие ветви температурной зависимости степени превращения исходных продуктов имели плавный, постепенный ход, без резких скачков и перепадов. А это вряд ли согласуется с концепцией множественности стационарных состояний как причины гистерезиса.

Температурная зависимость степени окисления СО на оксиде меди без носителя (слева) и на палладиевом катализаторе, нанесенном на оксид алюминия. В первом случае петля гистерезиса замкнута, во втором — открыта. Это — примеры сильного гистерезисного эффекта. Даже прекратив нагревание реакционной смеси, не удается снизить ее температуру до начальной, окисление продолжается в режиме самоподдержания.

Столкнувшись в своей работе с феноменом температурного гистерезиса “против часовой стрелки”, мы попытались истолковать его. И вскоре поняли, что прежде должны выполнить обширное систематическое исследование, чтобы свести к минимуму роль частностей, не имеющих общего значения. Для этого было необходимо изучить как можно более широкий круг катализаторов и химических реакций по единой методологии, т.е. в одной и той же установке, с помощью одинаковых приемов и приборов, как бы “одними руками”.

Анализ экспериментальных результатов, полученных уже на начальном этапе, еще больше усилил наше критическое отношение к объяснению температурного гистерезиса множественностью стационарных состояний.

Во-первых, на всех без исключения кривых, описывающих зависимость степени превращения исходного вещества от температуры реакции, были обнаружены промежуточные точки. Ни разу нам не удалось наблюдать мгновенного скачка от одного уровня активности катализатора к другому, даже если степень превращения очень сильно возрастала в узком диапазоне температур. Однако нельзя было исключить, что температурный шаг все же слишком велик и мы попросту не замечаем скачка. Поэтому мы использовали установку, позволяющую осуществлять постепенное безынерционное изменение температуры в реакторе от одного замера к другому с самым малым шагом, буквально в 1-2°С.

Во-вторых, общий вид гистерезисных кривых очень мало зависел от того, какой катализатор использовался, и был ли он с подложкой или без нее. Так, петли гистерезиса в реакции окисления монооксида углерода на оксиде меди без носителя и в той же реакции, но на металлическом палладии, нанесенном на подложку из оксида алюминия, оказались весьма похожими. Более того, довольно близкими были и температурные интервалы, в которых разыгрывались гистерезисные явления в обеих каталитических системах. Приведенный пример — далеко не единственный, а один из множества. Как мы уже говорили, катализатор переходит в новое стационарное состояние под влиянием реакционной среды, и трудно предположить, чтобы она одинаково воздействовала и на оксид меди, и на металлический палладий. Слишком различны они по своей природе.

В-третьих, похожие явления наблюдались не только на разных катализаторах, но и в разных реакциях. Например, при гидрировании монооксида углерода до метана (эту реакцию называют еще метанированием) на никелевом катализаторе с подложкой температурная зависимость степени превращения СО в СН4 имела явное сходство с зависимостями в только что приведенных реакциях окисления СО. Гидрирование (восстановление) и окисление — совершенно разные реакции, в определенном смысле они даже противоположны, а вид кривых и температурные диапазоны весьма близки. Мы провели и метанирование, и окисление СО на одном и том же никелевом катализаторе, специально разработанном для метанирования, — и в обоих случаях выявили температурный гистерезис. Естественно, что его петли отличались, так как катализатор изначально предназначался для гидрирования, которое и имело некоторое преимущество. Множественностью стационарных состояний объяснить описанные наблюдения было бы затруднительно, потому что действие на катализатор окислительной реакционной среды и восстановительной принципиально отличается. Свойства поверхности катализатора в столь разных средах просто не могут меняться одинаково.

Температурная зависимость степени гидрирования (метанирования) СО на никелевом катализаторе с подложкой. Эта восстановительная реакция противоположна окислению, но петли гистерезиса и его температурный интервал сходны.

Температурные зависимости степени метанирования (цветная кривая) и степени окисления СО на никелевом катализаторе. Эти столь различающиеся реакции проведены на катализаторе, специально разработанном для метанирования. Именно поэтому гистерезисный эффект в первом случае сильнее.

Как мы видим, характер температурных зависимостей явно не связан ни с типом реакции, ни с природой катализатора. Таким образом, вклад множественности стационарных состояний в появление температурного гистерезиса, по крайней мере в рассмотренных случаях, не может быть решающим.

Тогда как же объяснить описанные явления? Прежде всего обратим внимание, что окисление СО, метана, бензола и водорода, синтез аммиака, а также метанирование СО (добавим к этому и гидрирование пропилена, о котором еще пойдет речь) — это экзотермические реакции, т.е. идут они с выделением, а не с поглощением тепла. Вряд ли это обстоятельство, на которое до сих пор фактически не обращали внимания, может быть случайным. Единственное исключение — эндотермическая реакция изотопного обмена между водородом и дейтерием, которое, возможно, как раз и подтверждает правило.

Итак, будем считать установленным, что в гетерогенных каталитических реакциях, которым свойствен температурный гистерезис, выделяется избыточная тепловая энергия в слое катализатора. Благодаря этому в его активных центрах, где собственно и протекает химическое превращение, температура становится выше, чем в соседних неактивных местах. Иными словами, возникает градиент температуры. Но избыточное тепло должно рассеиваться. В твердых телах рассеяние, или диссипация, энергии осуществляется главным образом путем контактной теплопроводности. Напомним, что при создании катализатора для гетерогенных реакций стремятся как можно больше увеличить поверхность его активного компонента. Для этого, как правило, используют неактивный пористый носитель — он позволяет увеличить удельную поверхность катализатора до нескольких сотен квадратных метров на грамм его массы. Пористые материалы, как известно, очень плохо проводят тепло (именно их используют в качестве теплоизоляторов), а массивные металлы, напротив, — прекрасно.

Таким образом, в катализаторах, которые состоят из активных частиц, вкрапленных в массу неактивного пористого носителя (подложки), должны возникать сильные локальные перегревы при проведении экзотермических реакций. Если даже носитель не используется, роль плохо проводящей тепло окружающей массы может играть неактивная составляющая самого катализатора, ибо доля активных центров в нем весьма невелика, они фактически вкраплены в неактивный материал. Чтобы увеличить доступную для реагентов поверхность, катализаторы обычно измельчают, а это, естественно, затрудняет теплоотвод. Если же катализатор представляет собой массивный металл, возможность локального перегрева активных центров минимальна.

Температурная зависимость степени гидрирования пропилена на никелевом катализаторе с подложкой. Гистерезис в этой реакции, по сравнению с гидрированием CO, менее значителен, ниже и тепловой эффект: гидрирование пропилена протекает с выделением 124 кДж/моль, а монооксида углерода — 206 кДж/моль. Значит, чем больше теплота реакции, тем сильнее гистерезис.

Петли гистерезиса, возникающие в реакциях, проводимых на чистых металлических катализаторах. Видно, что гистерезисный эффект очень невелик и в окислении монооксида углерода на платиновой фольге (цветная кривая), и в его метанировании на никелевой проволоке.

Теперь представим себе, что мы ввели в реактор с катализатором смесь компонентов, способных реагировать с выделением тепла, и начали нагревание. Через некоторое время они вступают во взаимодействие между собой, и скорость реакции увеличивается по мере роста температуры. Выделяющееся при этом тепло по указанным уже причинам не успевает рассеяться, в результате температура активного центра дополнительно повышается. Но мы не можем этого заметить, потому что измеряем лишь среднюю температуру в слое катализатора. Именно при этой измеренной температуре и фиксируется скорость реакции или степень превращения, хотя фактическая температура активного центра может быть намного выше. То же самое происходит в следующей температурной точке (при следующем замере степени превращения реагентов) и т.д. С ростом скорости реакции выделяется все больше тепла и все больше повышается температура активного центра, так что восходящая ветвь температурной зависимости круче и круче уходит вверх. Когда же мы начнем постепенно охлаждать реактор, степень превращения рано или поздно тоже будет снижаться. Но это снижение окажется меньше ожидаемого, потому что истинная температура активного центра превышает измеряемую. Откладывая на нисходящей кривой точку с определенной степенью превращения, мы “не замечаем”, что фактически она должна была бы находиться правее на температурной шкале. В итоге возникает петля гистерезиса “против часовой стрелки”.

С предложенным объяснением полностью согласуется и требование экзотермичности реакции, в которой наблюдается температурный гистерезис, и наличие промежуточных точек на кривой, отражающей температурную зависимость, и возрастающая крутизна восходящих ветвей, и практическая независимость вида петли гистерезиса от природы катализатора и типа реакции. Высказанные соображения приводят к выводу, что температурный гистерезис имеет не столько химическое, сколько физическое происхождение.

Как известно, наилучшим критерием правильности любой гипотезы служит ее предсказательная способность. Попробуем проверить нашу концепцию локальных перегревов активных центров катализатора. Если мы правы, гистерезисный эффект должен быть тем сильнее, чем больше теплота реакции. Будем судить о его величине по ширине петли гистерезиса, которую можно оценивать разными способами, но проще всего — по разности температур на восходящей и нисходящей ветвях в точках, отвечающих одной и той же степени превращения (скажем, 30%). Понятно, что чем больше тепла выделяется в каждом химическом акте, тем сильнее разогревается активный центр и тем выше температурный градиент. Расположим исследованные нами реакции с температурным гистерезисом в порядке уменьшения их теплот: окисление СО — 283 кДж/моль, метанирование СО — 206 кДж/моль, гидрирование пропилена — 124 кДж/моль. В первой из них гистерезисный эффект наиболее силен: даже после полного прекращения нагрева температура не понижается до комнатной, а окисление не останавливается, оно продолжается в так называемом режиме самоподдержания, за счет собственной теплоты реакции*. Во второй реакции эффект тоже весьма значителен, но в этом случае ширина петли гистерезиса вполне конечна, ибо она замкнута, тогда как при окислении СО петля по сути остается открытой. Ясно, что гистерезисный эффект в первой реакции сильнее, чем во второй. Наконец, в третьей реакции — гидрировании пропилена — гистерезис наименьший. Следовательно, как и предсказывает концепция локальных перегревов, по величинам теплот исследованных реакций и по ширине петли гистерезиса они располагаются в одной и той же последовательности.

* Возникает заманчивая возможность, однажды запустив реакцию (т.е. осуществив “зажигание”), далее поддерживать ее, не подводя внешнюю энергию. Это принципиально осуществимо, но, к сожалению, в довольно узком диапазоне соотношений реагентов — монооксида углерода и кислорода.

Если реакция эндотермическая, т.е. идет с поглощением тепла, или ее тепловой эффект близок к нулю, ожидать проявления в ней температурного гистерезиса, видимо, не следует. Мы проверили и это, выбрав в качестве эндотермической реакции дегидрирование изобутана, а реакции, идущей практически без теплового эффекта, — изомеризацию бутена-2 в бутен-1. Как и ожидалось, в обоих случаях гистерезис на кривых зависимости степени превращения исходных соединений от температуры не был обнаружен.

Проверим еще один прогноз. Мы уже довольно подробно сравнивали предполагаемое поведение металла, вкрапленного в неактивный носитель, и массивного металла без носителя и в результате пришли к заключению, что в последнем случае температурный гистерезис если и может возникнуть, то должен быть минимальным. Это предположение полностью подтвердилось в опыте: в реакциях окисления СО на платиновой фольге и его метанирования на никелевой проволоке петли гистерезиса были несравнимо Уже, чем в тех же реакциях на катализаторах с подложкой.

Величина гистерезисного эффекта должна зависеть и от содержания в катализаторе активного компонента. Согласно концепции локальных перегревов, с увеличением его концентрации, а значит, и концентрации активных центров, возрастает выделение тепловой энергии в экзотермической реакции. Следовательно, одновременно должен усиливаться и температурный гистерезисный эффект. Это и было выявлено нами в серии опытов по окислению монооксида углерода на медьсодержащих катализаторах с разным количеством оксида меди (8, 29 и 51%), нанесенных на подложку: чем больше было CuO в катализаторе, тем шире становились петли гистерезиса, которые к тому же смещались в область более низких температур.

Температурные зависимости степени окисления СО на катализаторах, содержащих 51 (штриховая кривая), 29 (цветная кривая) и 8% оксида меди. Как видно из графиков, гистерезисный эффект усиливается по мере увеличения концентрации CuO.

Итак, довольно много наблюдений свидетельствуют в пользу того, что температурный гистерезис “против часовой стрелки” в гетерогенном катализе обязан своим происхождением локальному перегреву активных центров катализатора в результате выделения избыточного количества тепла в экзотермической реакции. Чем обусловлен гистерезис “по часовой стрелке”, еще предстоит выяснить.

Излагая свои представления о причинах гистерезисных явлений, мы, конечно, опустили целый ряд экспериментальных подробностей, некоторые наблюдения и сопутствующие соображения. Мы пытались, в первую очередь, описать логику исследования, цепочку умозаключений, которые привели нас к развиваемой нами концепции. Наша работа далеко не закончена, она продолжается и сейчас, и в ней возможны, разумеется, еще многие повороты. Нам бы хотелось, чтобы изложенные здесь представления стали одним из кирпичиков того фундамента, на котором строится громадное и очень непростое здание науки о катализе.

Литература

Статья Б.С.Гудкова, А.Н.Субботина, В.И.Якерсона

www.ronl.ru