hrvatski

Istraživanje prijenosa naboja i topline u magnetitu Fe3O4

U ovom radu, na uzorku magnetita Fe3O4, napravljena su i analizirana mjerenja temperaturnih ovisnosti električne otpornosti r(T), Seebeckovog koeficijenata S(T) i toplinske vodljivosti r(T). Na temperaturi od oko 121, 5 K kod sve tri promatrane fizikalne veličine uočena je drastična promjena. Hlađenjem se otpornost poveća 250 puta, apsolutna vrijednost Seebeckovog koeficijenta se naglo poveća, a toplinska vodljivost poraste za gotovo 50%. Ovakve su drastične promjene u pravilu uzrokovane faznim prijelazom, a iz literaturnih podataka znamo da u magnetitu na približno 120 K nastaje takozvani Verweyev prijelaz. Iz eksperimentalnih rezultata određena je širina faznoga prijelaza dT, odnosno temperaturni interval u kojemu promatrana fizikalna veličina doživljava naglu promjenu. Širina Verweyevog prijelaza dT na temelju mjerenja električne otpornosti r(T) jednaka je 1, 5 K (između 120K i 121, 5 K), dok se iz rezultata toplinske vodljivosti da zaključiti da je dT jednak 3 K (od 118, 5 K do 121, 5 K), a iz mjerenja Seebeckovog koeficijenta S(T) ne može se odrediti širina prijelaza dT. Neobično je da se za isti fizikalni parametar (rT) i za isti uzorak dobiju dvije različite vrijednosti. Različite vrijednosti dT sugeriraju da je dinamika odgovora elektronskog i fononskog podsustava na Veweyev prijelaz različita (brža za elektrone, sporija za fonone). Na temelju “ vizualne” obrade izmjerenih rezultata r(T), S(T) i d(T) donijeli smo zaključke o temperaturi Verweyevog prijelaza, širini prijelaza dT, te o dinamici odgovora na Verweyev prijelaz elektronskog i fononskog podsustava. Uz to, numeričkom je analizom eksperimentalnih podataka r(T), S(T) i d(T) moguće dobiti još informacija o svojstvima magnetita Fe3O4. Iz eksperimenta možemo zaključiti da otpornost r(T) magnetita Fe3O4 nije linearna temperaturi u temperaturnom području između 70 K i 300 K. Dakle, magnetit Fe3O4 nije metal. U temperaturnom intervalu od 77 K do 105 K ovisnost između ln r(T) i 1/T je linearna. To nam govori da električna otpornost magnetita za temperature niže od temperature Verweyevog prijelaza (T < TV) ima poluvodičko ponašanje. Predznak Seebeckovog koeficijenta nam govori o predznaku dominantnih nositelja naboja u materijalu. Seebeckov koeficijent materijala u kojemu prevladavaju negativno nabijene čestice je negativan, dok je za prevladavajuće pozitivno nabijene čestice Seebeckov koeficijent S(T) pozitivan. Može se zaključiti da su u magnetitu Fe3O4 većinski nosioci naboja negativno nabijeni. Električna vodljivost i Seebeckov koeficijent nam opisuju prijenos naboja u nekom materijalu i određeni su isključivo električki nabijenim česticama. Toplinu, uz električki nabijene, vode i električni neutralne čestice te nam toplinska vodljivost pruža informacije i o njihovim prijenosnim svojstvima. Električni neutralne čestice koje sudjeluju u vođenju topline su kvanti titranja atomske rešetke – fononi. Toplinu u magnetitu Fe3O4 vode isključivo fononi. Rezultati postignuti tijekom ovog istraživanja mogu biti doprinos da se stekne cjelovitija slika o prijenosu naboja i topline u magnetitu. Također ovaj rad može potaknuti darovite učenika na još više, dublje i temeljitije istraživanje, može im biti značajan doprinos za upoznavanje eksperimentalnih metoda koje se koriste pri istraživanju, kao i upoznavanje uređaja koji se pritom koristite te da ih to motivira da se, kao za životni poziv, opredijele za istraživački (znanstveni) rad. Predložena je konstrukcija eksperimenta za mjerenje toplinske vodljivosti metala i provjeru valjanosti Wiedemann-Franzovog zakona ostvarivog u uvjetima školskog laboratorija.

magnetit Fe3O4; električna otpornost; Seebeckov koeficijent (termostruja); toplinska vodljivosti; fazni prijelaz (Verweyev prijelaz); širina Verweyevog prijelaza; fononi; elektroni; daroviti učenik

nije evidentirano