铁磁性材料居里点的测定.doc

铁磁性材料居里点的测定一实验目的1.通过实验，对感应电压输出随温度升高而下降的现象进行观察，初步了解铁磁性材料在居里温度点由铁磁性变为顺磁性，从了解整个磁性材料参数变化的微观机理。2.用感应法测定磁性材料的T曲线并求出其居里温度。二实验设备 居里点实验仪 （QSCT型）三实验原理1 基本原理物质的磁化可分为抗磁性，顺磁性和铁磁性三种。具有铁磁性的物质称为铁磁体。铁、镍、钴、镝等元素的多种合金就是铁磁体。在铁磁体中，相邻原子间存在着非常强的交换耦合作用，这种相互作用促使相邻原子的磁矩平行排列起来，形成一个自发磁化达到饱和状态的区域。自发磁化只发生在微小的区域（体积约为m3,其中含有10171021个原子），这些区域称为磁畴。在没有外磁场作用时，在每个磁畴中，原子的分子磁矩均取向同一方位，但对不同的磁畴，其分子磁矩的取向各不相同，见图1，其中图1（a）为单晶磁畴结构示意图，图1（b）为多晶磁畴结构示意图。磁畴的这种排列方式，使磁体能量处于最小的稳定(b)(a)图 1状态。因此，对整个铁磁体来说，任何宏观区域的平均磁矩为零，物体不显示磁性。 在外磁场作用下，磁矩与外磁场同方向排列时的磁能低于磁矩与外磁场反向排列时的磁能。结果是自发磁化磁矩与磁场成小角度的磁畴处于有利地位，磁畴体积逐渐扩大；而自发磁化磁矩与外磁场成较大角度的磁畴体积逐渐缩小。随着外磁场的不断增强，取向与外磁场成较大角度的磁畴全部消失，留存的磁畴将向外磁场的方向旋转，以后再继续增加磁场，使所有磁畴沿外磁场方向整齐排列，这是磁化达到饱和，图2是某单晶结构磁体磁化过程的示意图。5铁磁性物质的磁化与温度有关，存在一临界温度TC称为居里温度（也称居里点）（如图3）。当温度增加时，由于热扰动影响磁畴内磁矩的有序排列，但在未达到居里温度TC时，铁磁体中分子热运动不足以破坏磁畴内磁矩基本的平行排列，此时物质仍具有铁磁性，仅其自发磁化强度随温度升高而降低。如果温度继续升高达居里点时，物质的磁性发生突变，磁化强度M（实为自发磁化强度）剧烈下降！因为这时分子热运动足以使相邻原子（或分子）之间的交换耦合作用突然消失，从而瓦解了磁畴内磁矩有规律的排列。此时磁畴消失，铁磁性变为顺磁性。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。例如铁、镍、钴的居里点分别为1043K、631K、1393K。图 3图 22.实验原理 在磁环上分别绕线圈A，B，并在A线圈上通激励电流，则B线圈上感应电动势的有效值为： =4.44fNm (1)f为频率，N为线圈的匝数，m 为最大磁通。 m =BmS (2)S是磁环的截面积，Bm是最大磁感应强度，即磁感应强度正弦变化的幅值。又因为 （3）是磁导系数或磁导率，在SI制中单位为亨/米。 把（2）（3）式代入（1），得： =4.44fNS是磁场强度的幅值，当激励电流稳定成正弦变化，则稳定，即得即当=0时，感应电动势=0，此时温度TC称居里点，该状态有居里点之称。图 4显然，我们完全可用测出的T曲线来确定温度TC。具体说，在T曲线斜率最大处作其切线，并与横坐标轴相交的一点即为温度TC。如图4所示，这是因为在居里点时，铁磁材料的磁性才发生突变，所以要在斜率最大处作切线。又因为在居里点以上时，铁磁性已转化为顺磁性。因本实验交变磁场较弱，所以对顺磁性物质引起的磁化是很弱的，但是有一个很小的值，故T曲线不能与横坐标相交。图 5四、实验装置 图 51.耐高温绝缘玻璃管2.加热电炉丝3.集成温度传感器4.铁氧铁（被测样品）5.固定架6.印刷板7.提供加热电流的电源部分8.测温显示部分9.激励电源10、感应电流测量部分 实验仪分测量部分和实验部分。（1）实验部分：如上图所示，包括被测样品和加热电炉丝；集成温度传感器；激励线圈和感应线圈，以上各部分都要装在一个底座上。（2）测量部分：（面板图）如图6 接线柱“接激励线圈”为线圈A提供激励电源，使稳定，激励电源的输出电流应稳定；接线柱“接电热丝”为电炉丝提供加热直流电流；B线圈的感应电动势从接线柱“接感应线圈”一端输入；接线柱“接温度传感器”接的是集成传感器AD590的输入，通过内部电路的补偿、放大，在“温度显示”框中显示当前温度值；切换开关打到“接感应线圈”电压显示（mv）接感应线圈加温控制激励电流接温度传感器接电热丝接激励线圈温度显示（）图6一边时，“电压显示”框中显示的是串在线圈A上的取样电阻（51）上的电压。利用面板上的两个调节器可分别调节“加温控制”电流大小和加在线圈A上的激励电压的大小。温度定标在出厂已经完成。 仪器的安装（1） 对照接线柱的颜色，把实验部分中加热电流的手枪插头插到面板对应的接线柱上。（2） 再参照颜色把实验部分的感应电压，激励电压的手枪插头接到面板对应的接线柱上。（3） 集成温度传感器的手枪插头接到面板温度测量的接线柱上。五、实验内容对样品逐点测出T曲线，并从中求出居里温度TC。六、实验步骤1、 参照仪器安装步骤，连好实验部分和测量部分。（加温电流暂不接）2、 T曲线的测量：（1） 合上测量部分的电源开关，“温度显示”显示出室温温度。“电压显示”显示激励电压或感应电压值。（2） 接上加温电流，把电流调到较小（看发光二级管明暗指示）。（3） 温度每升高5记下对应的的值，直到其显示值接近零。（4） 停止电炉加热（把连接线去掉），让其自然冷却，并记录的值直到炉温接近室温。 七、数据记录和误差分析实验前应先列出记录数据的表格，记录时准确定出有效数字位。1 作图大小约为812平方厘米，横坐标和纵坐标的参数数据比例要适当，使曲线接近布满所用的毫米方格纸的面积。2 实验数据的点在图中要明显点出，如或000等，画曲线要求做到一笔落，曲线要圆滑、粗细要均匀。3 对实验数据要处理、实验现象和误差要进行分析讨论。 八、思考题1 样品的磁化强度在温度达到居里点时发生突变的微观机理是什么？试用磁畴理论进行解释。2 测出的T曲线，为什么与横坐标没有交点。 九、参考文献 1物理实验教程(第二版).丁慎训 张连芳 主编 清华大学出版社2002.92大学物理 张三慧 主编 清华大学出版社 2000课外资料：1.磁性材料(Magnets)概述 磁性材料(Magnets)主要是指由过渡元素铁、钴、镍及其合金等组成的能够直接或间接产生磁性的物质.磁性材料从材质和结构上讲，分为“金属及合金磁性材料”和“铁氧体磁性材料”两大类，铁氧体磁性材料又分为多晶结构和单晶结构材料。从应用功能上讲，磁性材料分为：软磁材料、永磁材料、磁记录-矩磁材料、旋磁材料等等种类。软磁材料、永磁材料、磁记录-矩磁材料中既有金属材料又有铁氧体材料；而旋磁材料和高频软磁材料就只能是铁氧体材料了，因为金属在高频和微波频率下将产生巨大的涡流效应，导致金属磁性材料无法使用，而铁氧体的电阻率非常高，将有效的克服这一问题、得到广泛应用。磁性材料从形态上讲。包括粉体材料、液体材料、块体材料 、薄膜材料等。磁性材料(Magnets)的应用很广泛，可用于电声、电信、电表、电机中，还可作记忆元件、微波元件等。可用于记录语言、音乐、图像信息的磁带、计算机的磁性存储设备、乘客乘车的凭证和票价结算的磁性卡等。2.磁性材料(Magnets)的磁化曲线与磁滞回线磁性材料是由铁磁性物质或亚铁磁性物质组成的，在外加磁场H 作用下，必有相应的磁化强度M 或磁感应强度B，它们随磁场强度H 的变化曲线称为磁化曲线（MH或BH曲线）。磁化曲线一般来说是非线性的，具有2个特点：磁饱和现象及磁滞现象。即当磁场强度H足够大时，磁化强度M 达到一个确定的饱和值Ms，继续增大H，Ms保持不变；以及当材料的M值达到饱和后，外磁场H降低为零时，M并不恢复为零，而是沿MsMr曲线变化。材料的工作状态相当于MH曲线或BH曲线上