实验二十 居里点测定.doc

实验二十居里点的测定测量铁磁材料居里温度的方法很多，例如磁称法、感应法、电桥法和差值补偿法等。它们都是利用铁磁物质磁矩随温度变化的特性，测量自发磁化消失时的温度。本实验采用感应法。测量感应电动势随温度变化的规律，从而得到居里点TC。【实验目的】1通过实验，对感应电动势随温度升高而下降的现象进行观察，初步了解铁磁材料在居里温度点由铁磁性变为顺磁性的微观机理。2用感应法测定磁性材料的曲线T并求出其居里温度。3用示波器观测铁磁性材料的磁滞回线和居里温度。【实验仪器】居里点测定仪附件盒双踪示波器【仪器简介】 仪器由加热装置、待测样品、测温部分、加热电源和示波器接口等组成，加热装置由耐高温的石英玻璃罩、瓷柱和镍鉻丝组成，用AD590温度传感器来测量其内的温度，用3位半数字表来显示温度。测试样品为五种不同居里温度的环形铁氧体件，铁氧体上绕有两组线圈，感应电动势用1999mV的交流数字电压表来显示。样品的磁滞回线用示波器来形象的显示。面板上示波器显示框内的X轴接磁场强度H，Y轴接磁感应强度B，X调节用来调节磁场强度H的大小。面板图见下图。【实验原理】1 基本原理 科学实践证明，铁磁物质的磁性主要来源于电子自旋磁矩。在没有外磁场的条件下，铁磁物质中相邻原子的电子磁矩具有非常强的交换耦合作用，这种相互作用促使相邻原子的电子自旋磁矩平行排列起来，形成一个个自发磁化达到饱和状态的区域，称为磁畴。磁畴的几何线度可以从微米量级到毫米量级，形状一般很不规则，在不同材料或同一材料的不同区域有很大的不同。 在没有外磁场作用时，不同磁畴的自发磁化方向各不相同，如图（1）所示。因此，对整个铁磁物质来说，任何宏观区域的平均磁矩为零，铁磁物质不显示磁性。当有外磁场作用时，不同磁畴的磁矩方向趋于外磁场的方向，宏观区域的平均磁矩不再为零，这时铁磁物质显示出宏观的磁性，这一过程通常称为技术磁化。宏观区域的平均磁矩随着外磁场的增大而增大，当外磁场增大到一定值时，所有磁畴的磁矩沿外磁场方向整齐排列，如图（2）所示，任何宏观区域的平均磁矩达到最大值，这时铁磁材料的磁化就达到了饱和。由于在每个磁畴中电子自旋磁矩已完全整齐排列起来，所以铁磁物质的磁性要比顺磁材料的磁性要强的多，其磁导率u远远大于顺磁材料的磁导率。并且，铁磁材料里的渗杂和内应力在外磁场去掉后阻碍着磁畴恢复到原来的退磁状态，因此在外加的交变磁场的作用下将产生磁滞现象。磁滞回线就是磁滞现象的主要表现。 磁 磁 场 场图（1） 图（2）由上述铁磁性的微观机理可以看出，物质的铁磁性与磁畴结构是分不开的，随着铁磁物质温度的升高，金属点阵热运动的加剧会影响磁畴磁矩的有序排列，但在未达到一定温度时，热运动不足以破坏磁畴磁矩基本的平行排列，此时任何宏观区域的平均磁矩仍不为零，物质仍具有铁磁性，只是平均磁矩随温度升高而减小。而当与KT（k是玻尔兹曼常数，T是绝对温度）成正比的热运动能大到足以破坏磁畴内各原子的电子自旋磁矩的整齐排列时，磁畴被瓦解，这时与磁畴联系的一系列铁磁性质全部消失，铁磁物质便转变为顺磁物质，相应的铁磁物质的磁导率转化为顺磁物质的磁导率，并且磁滞现象消失，物质这一磁性转变温度称为居里点。本居里点测试仪就是通过观察示波器上显示的磁滞回线的存在与否来定性观察这一转变过程，同时，通过作感应电压（对应于磁导率）-温度曲线图来定量测量铁磁物质的这一转变温度。2 测量装置 由居里温度的定义知道要测量铁磁物质的居里点，其测量装置必须具备四个功能：提供使样品磁化的磁场；改变铁磁物质温度的温控装置；判断铁磁性是否消失的判断装置；测量铁磁物质铁磁性消失时所对应温度的测量装置。以上四个功能是由图（3）所示的系统装置实现。3测量原理 给绕在待测铁磁样品上的线圈L1通一交变电流，如图（4）所示，产生一交变磁场H，使铁磁样品往复磁化，铁磁样品中的磁感应强度B 与磁场强度H的关系B=f(H)为磁滞回线，如图（5）所示。 R2 B L1 L2 CR1 H 图（4） 图（5）由于H正比于i，i为通过L1的电流，称为激磁电流，因此可以用i的讯号代表H的讯号，为此在激励电路中串接一个采样电阻R1，将其两端的电压讯号UR1送至示波器的X轴输入以表示H。B是通过副线圈L2中由于磁通量变化而产生的感应电动势来测定的，其感应电动势为： = -N2d /dt = -N2S dB/dt式中的S为线圈的截面积，N2为次级线圈匝数，将上式积分得：由此可见铁磁样品的磁感应强度与副线圈L2上的感应电动势的积分成正比，为此将L2上的感应电动势经过R2C积分线路，从积分电容C上取出B值，并加以放大处理后送至示波器的Y轴输入。于是示波器上显示出了铁磁样品的磁滞回线。当铁磁样品被加热到一定温度时，示波器上的磁滞回线即行消失。对应于磁滞回线刚好消失时铁磁样品的温度，即为铁磁样品的居里点TC。我们完全可以用测出的T曲线来确定居里温度TC。在T曲线斜率最大处作切线，与横坐标轴相交的一点即为居里温度TC。如图（6）所示。这是因为有居里点时，铁磁材料的磁性才发生突变，所以要在斜率最大处作切线。又因为在居里点附近时，铁磁性已基本转化为顺磁性，故T曲线不可能与横坐标相交。 0 TC T 图（6）【实验步骤】先将三芯电源线插入仪器的电源插孔中（在仪器的右侧面）。用实验连接线将“电热丝”与“加热输出”相连、“温度传感器”与“温度传感器输入”相连。居里点测定仪面板上X轴、Y轴分别与示波器的X轴、Y轴用两根专用屏蔽线相连，插好第1号样品。打开示波器及实验仪器的电源开关，将示波器打在XY功能上，调出磁滞回线，调节示波器的放大倍数到适中，同时转动“激磁电源调节”和“X轴调节”旋钮使样品的磁滞回线到最佳。顺时针转动“加热控制”旋钮，指示灯亮，电阻丝开始加热。加热速度的快慢看指示灯闪烁快慢或温度显示数字上升的快慢。温度T每升高50C记下对应的感应电动势值，直到示波器上的磁滞回线消失或电压显示到10mv时停止加热，让其自然冷却。样品有温度滞后效应，所以，加热的快慢对居里点TC测试会略有差别。T陡降阶段须按每1作一次测量。换样品步骤同上。实验完后，关闭电源，拆去各连接线。【数据记录及处理】1 实验前应列出记录数据的表格。2 以为横坐标，感应电压为纵坐标做出曲线，在曲线斜率最大处作切线，与轴相交点既为样品的居里点。 【注意事项】1 转动“加热控制”与“激磁电源调节”旋钮时不能用力过猛而损坏仪器。2 不要频繁调节“加热控制”与“激磁电源调节”旋钮，