铁磁材料居里温度测试实验.ppt

南京理工大学材料科学与工程系 磁性材料 实验 磁性材料 实验一 实验目的和任务 二 实验项目 三 参考资料 教材及参考书 1 现代磁性材料原理和应用 主编 R C O Handley化学工业出版社20022 磁学基础与磁性材料 主编 严密等出版社 浙江大学出版社2006实验指导书 自编 磁性材料 实验指导书 南京理工大学材料科学与工程系 磁性材料 实验 实验一基本磁化曲线和动态磁滞回线的测量1 实验目的1 认识铁磁物质的磁化规律 比较两种典型铁磁物质的动态磁化特性 2 测定样品的基本磁化曲线 并作出 H曲线 3 测定样品的HD Br Bs等参数 4 学会用示波器测绘基本磁化曲线和动态磁滞回线 南京理工大学材料科学与工程系 磁性材料 实验 2 实验原理1 磁滞回线 图1铁磁质起始磁化曲线和磁滞回线 图2同一铁磁材料的一簇磁滞回线 图3铁磁材料 与H关系曲线 南京理工大学材料科学与工程系 磁性材料 实验 当磁场按Hs O HD Hs O HD Hs次序变化 相应的磁感应强度B则沿闭合曲线SRDS R D S变化 这闭合曲线称为磁滞回线 2 磁化曲线当初始态为H B 0的铁磁材料 在交变磁场强度由弱到强依次进行磁化 可以得到面积由小到大向外扩张的一簇磁滞回线 其中最大面积的磁滞回线称为极限磁滞回线 如图2所示 这些磁滞回线顶点的连线称为铁磁材料的基本磁化曲线 由此可近似确定其磁导率 B H 因B与H非线性 故铁磁材料的 不是常数而是随H而变化 如图3所示 南京理工大学材料科学与工程系 磁性材料 实验 磁化曲线和磁滞回线是铁磁材料分类和选用的主要依据 图4为常见的两种典型的磁滞回线 其中软磁材料的磁滞回线狭长 矫顽力 剩磁和磁滞损耗均较小 是制造变压器 电机 和交流磁铁的主要材料 而硬磁材料的磁滞回磁滞回线较宽 矫顽力大 剩磁强 可用来制造永磁体 图4不同铁磁材料的磁滞回线 南京理工大学材料科学与工程系 磁性材料 实验 3 示波器显示B H曲线的原理和线路 图5实验线路 南京理工大学材料科学与工程系 磁性材料 实验 根据安培环路定律 样品的磁化场强为 式中N为励磁绕组 R1为励磁电流取样电阻 U1是交流励磁电压 为样品的平均磁路长度 根据法拉第电磁感应定律 在交变磁场下样品的磁感应强度B是测量绕组n和R2C2电路给定的 式中U2为积分电容C2两端电压 S为样品的截面积 南京理工大学材料科学与工程系 磁性材料 实验 3 实验仪器磁滞回线实验仪 数字万用表 示波器等 将图5中的U1 UH 和U2 UB 分别加到示波器的 X输入 和 Y输入 便可观察样品的动态磁滞回线 接上数字电压表则可以直接测出U1 UH 和U2 UB 的值 即可绘制出B H曲线 通过计算可测定样品的饱和磁感应强度Bs 剩磁Br 矫顽力HD以磁导率 南京理工大学材料科学与工程系 磁性材料 实验 4 实验内容及步骤1 电路连接 选择样品 按实验仪上所给的电路接线图连接好线路 令R1 2 5 置励磁电压U于0位 UH和UB分别接示波器的 X输入 和 Y输入 插孔 为接地公共端 2 样品退磁 开启仪器电源开关 对样品进行退磁 顺时针方向转动电压U的调节旋钮 观察数字电压表可看到U从0逐渐增加增至最大 然后逆时针方向转动电压U的调节旋钮 将U逐渐从最大值调为0 这样做的目的是消除剩磁 确保样品处于磁中性状态 即B H 0 如图7所示 南京理工大学材料科学与工程系 磁性材料 实验 图7退磁示意图图8U2和B的相位差等因素引起的畸变 3 观察样品在50HZ交流信号下的磁滞回线 开启示波器电源 调节示波器上 X Y 位移旋钮 使光点位于坐标网格中心 调节励磁电压U和示波器的X和Y轴灵敏度 使显示屏上出现大小合适 美观的磁滞回线图形 若图形顶部出现编织状的小环 如图8所示 这时可降低U予以消除 南京理工大学材料科学与工程系 磁性材料 实验 4 观察基本磁化曲线 按步骤2对样品进行退磁 从U 0开始 逐渐提高励磁电压 将在显示屏上得到面积由小到大一个套一个的一蔟磁滞回线 这些磁滞回线顶点的连线 就是样品的基本磁化曲线 借助长余辉示波器 便可观察到该曲线的轨迹 5 测绘基本磁化曲线 并据此描绘 H曲线 接通实验仪的电源 对样品进行退磁后 依次测定U 0 0 2 0 4 0 6 3 0V时的若干组H和B值 作B H和 H曲线 6 令U 3 00V R1 2 5 测定样品的BS Br HD等参数 从已标定好的示波器上读取UX UH UY UB 值 峰值 计算相应的H和B 逐点描绘作B H曲线 再由磁滞回线测定样品的BS Br HD等参数 南京理工大学材料科学与工程系 磁性材料 实验 5 实验数据记录1 作B H基本磁化曲线与 H曲线2 描绘动态磁滞回线并计算样品的BS Br HD参数 6 思考题1 为什么要退磁 如果不退磁 对实验结果会有什么影响 2 为什么测绘磁滞回线时 励磁电压不宜过高或过低 南京理工大学材料科学与工程系 磁性材料 实验 实验二铁磁相变和居里温度的直接观测1 实验目的1 了解铁磁物质在居里温度点由铁磁物质 铁磁相 转变为顺磁物质 顺铁磁相 的相变过程微观机理 2 测定铁磁材料样品的居里温度 南京理工大学材料科学与工程系 磁性材料 实验 2 实验原理由于外加磁场的作用 物质中状态发生变化 产生新的磁场的现象称为磁性 物质的磁性可分为反铁磁性 抗磁性 顺磁性和铁磁性三种 一切可被磁化的物质叫做磁介质 在铁磁质中相邻电子之间存在着一种很强的 交换耦合 作用 在无外磁场的情况下 它们的自旋磁矩能在一个个微小区域内 自发地 整齐排列起来而形成自发磁化小区域 称为磁畴 在未经磁化的铁磁质中 虽然每一磁畴内部都有确定的自发磁化方向 有很大的磁性 但大量磁畴的磁化方向各不相同因而整个铁磁质不显磁性 图1和图2分别是加磁场前后的多晶磁畴结构 南京理工大学材料科学与工程系 磁性材料 实验 图1未加磁场多晶磁畴结构 图2加磁场时多晶磁畴结构 南京理工大学材料科学与工程系 磁性材料 实验 当铁磁质处于外磁场中时 那些自发磁化方向和外磁场方向成小角度的磁畴其体积随着外加磁场的增大而扩大并使磁畴的磁化方向进一步转向外磁场方向 另一些自发磁化方向和外磁场方向成大角度的磁畴其体积则逐渐缩小 这时铁磁质对外呈现宏观磁性 当外磁场增大时 上述效应相应增大 直到所有磁畴都沿外磁场排列好 介质的磁化就达到饱和 由于在每个磁畴中元磁矩已完全排列整齐 因此具有很强的磁性 这就是为什么铁磁质的磁性比顺磁质强得多的原因 介质里的掺杂和内应力在磁化场去掉后阻碍磁畴恢复到原来的退磁状态 从而造成磁滞现象 南京理工大学材料科学与工程系 磁性材料 实验 铁磁性是与磁畴结构分不开的 当铁磁体受到强烈的震动 或在高温下由于剧烈运动的影响 磁畴便会瓦解 这时与磁畴联系的一系列铁磁性质 如高磁导率 磁滞等 全部消失 对于任何铁磁物质都有这样一个临界温度 高过这个温度铁磁性就消失 变为顺磁性 这个临界温度叫做铁磁质的居里点Tc 磁畴的出现或消失 伴随着晶格结构的改变 所以是一个相变过程 居里点和熔点一样 因物质不同而不同 如铁 镍 钴的居里点分别为1043K 631K 1393K 南京理工大学材料科学与工程系 磁性材料 实验 磁介质的磁化规律可用磁感应强度B 磁化强度M和磁场强度H来描述 它们满足以下关系 B 0 H M Xm 1 0H r 0H H式中 0 4 10 7亨利 米为真空磁导率 Xm为磁化率 r为相对磁导率 是一个无量纲的系数 为绝对磁导率 对于顺磁性介质 磁化率Xm 0 r略大于1 对于抗磁性介质 Xm 1 所以 r 1 南京理工大学材料科学与工程系 磁性材料 实验 图3磁化曲线和 H曲线图4 T曲线 南京理工大学材料科学与工程系 磁性材料 实验 图3是典型的磁化曲线 B H曲线 它反映了铁磁质的共同磁化特点 随着H的增加 开始时B缓慢的增加 此时 较小 而后随H的增加B急剧增大 也迅速增加 最后随H增加 B趋向于饱和 而此时的 值在到达最大值后又急剧减小 图3表明了磁导率 是磁场H的函数 从图4中可看到 磁导率 还是温度的函数 当温度升高到某个值时 铁磁质由铁磁状态转变成顺磁状态 在曲线突变点所对应的温度就是居里温度Tc 南京理工大学材料科学与工程系 磁性材料 实验 在居里温度Tc以下 对铁磁材料磁化可得到磁滞回线 对磁体加热 磁滞回线收缩 当温度达到Tc时 磁滞回线消失 铁磁相转变为顺磁相 在Tc附近 磁化强度M和温度T的关系可用下式描述 M T K Tc T lnM lnK ln Tc T 其中 的典型值在0 3 0 4之间 南京理工大学材料科学与工程系 磁性材料 实验 3 实验仪器磁滞回线实验仪 数字万用表 示波器 加热炉 水银温度计等 4 实验内容及步骤1 电路连接 选择样品 按实验仪上所给的电路接线图连接好线路 令R1 2 5 置励磁电压U于0位 UH和UB分别接示波器的 X输入 和 Y输入 插孔 为接地公共端 2 样品退磁 开启仪器电源开关 对样品进行退磁 顺时针方向转动电压U的调节旋钮 观察数字电压表可看到U从0逐渐增加增至最大 然后逆时针方向转动电压U的调节旋钮 将U逐渐从最大值调为0 这样做的目的是消除剩磁 确保样品处于磁中性状态 即B H 0 南京理工大学材料科学与工程系 磁性材料 实验 3 退磁后 令R1 2 5 观察样品的在50HZ交流信号下的磁滞回线 开启示波器电源 调节示波器上 X Y 位移旋钮 使光点位于坐标网格中心 调节励磁电压U和示波器的X和Y轴灵敏度 使显示屏上出现大小合适 美观的磁滞回线图形 若图形顶部出现编织状的小环 这时可降低U予以消除 从已标定好的示波器上读取UX UH UY UB 值 峰值 计算相应的H B和M 4 用电炉加热样品 并用水银温度计测量温度 磁滞回线随着温度的升高而缩小 在居里温度时 磁滞回线消失 至此直观而清楚的观测了铁磁到顺磁的相变全过程 并测得铁磁材料样