磁性材料居里温度的观察与测量研究

1、2006年10月第25卷第5期绵阳师范学院学报Journal of M ianyang Nor mal University Oct .,2006Vol .25No .5 收稿日期:2006203225作者简介:代伟(1964-,男,副教授,主要从事大学物理实验教学与研究工作.磁性材料居里温度的观察与测量研究代伟(西华师范大学物理与电子信息学院,四川南充637002摘要:介绍了一种观察磁性材料居里温度的实验方法。同时利用RL 交流电桥测量了磁性材料的居里温度,并讨论了工作频率和工作电压的变化对测量结果的影响。关键词:居里温度;RL 交流电桥;磁性测量;磁性材料中图分类号:O44115文献标识码

2、:A 文章编号:16722612x (200605200262041引言铁磁性材料的居里温度是该类材料由铁磁性转变为顺磁性的相变温度,是反映铁磁性材料内在磁学性质的主要物理参量。目前,在大学物理实验教学中,一般以用示波器观察铁磁性材料动态磁滞回线随温度变化的方法来测量居里温度1。此方法优点是比较直观,但由于环形样品尺寸过大,样品内部温度不均匀,从而引起输出感应电压随温度的变化在居里温度附近的升降曲线不重合,因此测量精度低。另一种方法是用RLC 交流电桥来测量环形样品的居里温度2。此方法存在与前一种方法类似的不足,因此测量精度同样较低。本文提出用弹簧和磁性材料磁力之间的相互配合来观察磁性材料的居

3、里温度特性,同时提出利用RL 交流电桥测量磁性材料居里温度的方法。此方法所用样品尺寸很小,并且对样品形状没有任何要求,测量精度高。2居里温度特性观察实验装置如图1所示,实验中所用样品为居里温度T c 约75的锰锌铁氧体软磁材料,样品尺寸为<=30mm ,h =10mm 。实验中将自制的铁棒加工成阶梯状的圆柱。然后在小圆柱外面套上一圆柱型螺旋压缩弹簧,让弹簧的弹力稍大于样品的重力与磁力,即在常温情况下样品和铁棒在磁力的作用下是粘连在一起的。然后把整个装置放入不锈钢保温杯中并配置适当的电热元件以及高温硅油组成的油浴中,给样品提供可连续变化的温度,为确保实验过程的安全,加热电源用交流1828V

4、 的低压电。然后给样品加热,当加热到大约75时会看到样品会突然被弹起。这说明样品在75时基本上失去了磁性,此时磁力与样品重力之和小于弹力,所以样品被弹起。其效果类似于家中的电饭锅在饭煮好后加热开关自动跳开一样。因为它们动作的原因都一样,都是由于磁性材料的温度达到居里温度后失去了磁性,材料由铁磁性转变为顺磁性。这时磁性材料磁力几乎为零所致。用该装置来观察磁性材料的居里温度特性方法虽然简单,但效果明显、直观。会使学生对磁性材料的居里温度特性留下一个非常深刻的印象。图1实验装置示意图Fig .1Chart of experi m ent equi pment3一般的居里温度测量方法311用示波器观察

5、铁磁性材料动态磁滞回线测量居里温度在过去的大学物理实验中一般用示波器来测量磁性材料的居里温度。实验中所用样品为居里温度T c 约75的锰锌铁氧体软磁材料,测量线路如图2所示。我们从显示屏上可直接看到磁滞回线。当磁环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磁环的温度,即为磁环的居里点。实验中加热所用的方法与前面的方法相同。只是在加热过程中由于环形样品的尺寸过大,会造成样品内部的温度不均匀,硅油温度将与铁氧体实际温度不同,加热时,铁氧体温度低于油温,测得的居里温度大约为(7615±1。降温时,铁氧体温度高于油温,测得的居里温度大约为(73±1。由

6、于这种滞后现象的存在,使得升温和降温时测得的居里温度不一样,因此用这种方法测量居里温度精度低 。图2用示波器测量动态磁滞回线Fig .2Surveys the dyna m ic hysteresis l oop withthe oscill o 2scope312用RL C 交流电桥来测量环形样品的居里温度用RLC 交流电桥测量磁性材料居里温度的实验原理如图3所示。图3的RLC 交流电桥采用的是麦克斯韦维恩(Max well W ien 电桥。这种电桥是一种两对边纯电阻的电阻乘积电桥,其特点是:将电感和电容相比较,因此标准臂和未知臂必须置于相对的两边。当电桥趋于平衡时,CD 两点间的电压趋于

7、零,故有。R 1(j L x +R 4+r x =R 2R 3(1+j C s R 1。从平衡方程可知,固定R 2和R 3,只要调节R 1和C s 就可以使电桥达到平衡,两个可调量相互独立,互不影响,较容易使电桥达到平衡,电桥平衡时, 其图3交流电桥Fig .3A lternating current bridge输出电压信号V 0近乎为零。当在线圈内置入铁磁性材料样品时,线圈的电感值将增大,引起交流电桥失去平衡,输出电压信号V 0不为零。当温度在居里温度附近时,输出电压信号V 0将出现快速变化。而温度高于居里温度点后,因铁磁性材料此时为顺磁态,输出电压信号V 0将趋近零,这时交流电桥恢复平衡

8、。实验中所用样品仍为居里温度T c 约75的锰锌铁氧体软磁材料。我们测量V 0随温度变化的升温和降温曲线(f =115kHz,V PP =019V ,在测量过程中,升温时加热电压为18V,没有控温措施,而降温时为自然降温。结果如图4所示。由图4可以看出,2条曲线不重合。产生误差的原因:一是该电桥只适合测量低QX 值的电感;二是该电桥是将电感和电容相比较,线圈的自感对试验结果会产生较大的影响;三是环形样品尺寸过大测量中铁氧体温度滞后油温。所以此方法存在与前一种方法类似的不足 。图4V 0随温度T 变化的升温和降温曲线Fig .4V 0s change curve when temperature

9、 rise and fall代伟磁性材料居里温度的观察与测量研究4用RL 交流电桥测量磁性材料的居里温度实验原理电路如图5所示,一对参量一致的自制线圈串联,另一对阻值一致的精密电阻串联,构成电桥的4个臂。两电感线圈在空间成90°放置,以消除电感之间因互感引起的误差。电桥平衡时,其输出电压信号V 0近乎为零。当其中一个线圈内置入铁磁性材料样品时,线圈的电感值将增大,引起交流电桥失去平衡,输出电压信号V 0不为零。当温度在居里温度附近时,输出电压信号V 0将出现快速变化。而温度高于居里温度点后,因铁磁性材料此时为顺磁态,输出电压信号V 0将趋近零,这时交流电桥恢复平衡。实验中所用样品为居

10、里温度T c 约75的锰锌铁氧体软磁材料,样品尺寸一般小于2mm ×2mm ×3mm 。图5实验原理电路图Fig .5Circuit diagram of experi m ent p rinci p le实验中温度测量采用的是薄膜型P t 100铂电阻传感器,用三线制接法连接数显温度表,温度分辨率为011。采用功率信号发生器作为工作激励电源,其工作频率f 和输出电压峰峰值V PP 连续可调。电桥输出V 0用4位半位数字万用表的200mV 交流电压挡测量。仍然用不锈钢保温杯中并配置适当的电热元件以及高温硅油组成油浴,给样品提供可连续变化的温度,电桥中的两电感线圈同时放入油浴

11、中加热。加热电源仍用交流1828V 低压加热,这样可以确保实验过程的安全。5实验结果与讨论511工作频率f 的影响图6给出在V PP 为1110V 时,不同工作频率下(f =0.5,1.0,1.5,2.0,2.5kHz ,V 0随温度T 变化的实验结果。V 0随温度变化速率最大值所对应的温度为(74.5±1.0,即该样品的居里温度T c 。由图6可以看出,V 0随工作频率f 升高而增大,但对居里温度T c 的测量没有影响。由图5所示电路,很容易得到电桥的输出V 0与工作频率f 之间有以下关系V 0=j L2(2j L +j L +2r V s(1式中,=2f L;L 为放置铁磁性材料

12、样品后,电感量的增加量;L 为原电感量;V S 为工作电压有效值(V PP =22V S ;r 为电感线圈的直流电阻 。图6不同工作频率下V 0随温度T 的变化曲线Fig .6V 0s change curve when temperature T changes at working frequency different在室温时,自制的电感L 为01946mH,电感的直流电阻r 为1112。而电感中放入样品后,相应的电感增量为0145mH,由(1式计算的不同工作频率f 的V 0值如表1所示。为了比较,表1还列出了V 0相应的实验值,可见两者符合得相当好。表1不同工作频率f 时V 0的实验值

13、与计算值Tab .1V 0s experi m ent &figure value whenworking frequency f differentf/kHzV 0/mV实验值计算值7619676138随着工作频率的进一步增加,电感阻抗2fL 同步增加,当远大于直流电阻r 时,可以不再考虑电阻r,V 0将不随着工作频率f 的增加而增加,这时的工作频率f 大于10kHz 。512温场的均匀性为了检验加热油浴中样品区域的温场均匀状况,我们测量V 0随温度变化的升温和降温曲线(f =绵阳师范学院学报2006Vol .25No 15115kHz,V PP =019V ,如图7所示。在测量过程

14、中,升温时加热电压为18V,没有控温措施,而降温时为自然降温。由图7可以看出,2条曲线几乎完全重合,这表明在取样区域的温场基本均匀,即样品温度和温度传感器温度的差异非常小 。图7V 0随温度T 变化的升温和降温曲线Fig .7V 0s change curve when te mperature T rise and fall513工作电压的影响图8示出在工作频率f =1.5kHz 时,不同工作电压下(V PP =019,113,116V ,V 0随温度T 变化的实验结果.由图8可以看出,V 0随着V PP 增大而增大,并与V PP 成正比见(1式,但同样对居里温度T c 的测量没有影响 。图

15、8不同工作电压下V 0随温度T 的变化曲线Fig .8V 0s change curve when te mperature T changes at working voltage different6结束语本文首先介绍了用简单的实验来观察磁性材料居里温度特性的方法。同时对一般的居里温度测量方法作了简单介绍。最后主要介绍了如何用RL 交流电桥测量磁性材料居里温度。并分析了频率、电压、温度场等因素与居里温度的关系。通过对比知道用RL 交流电桥测量磁性材料居里温度具有样品尺寸小且更换方便、可任意改变实验条件、测量精确、仪表全数字化和测量重复性好等优点,使实验可由学生任意设计、组合。本实验可作为“

16、磁性材料基本特性的研究”综合设计性物理实验中的一部分,通过实践切实可行,实验教学效果相当好。参考文献:1王魁香,陆国会,邓京川,等.铁磁相变和居里温度的一种直接观测方法J .物理实验,vol .19,No .6(1996/6.2谢行恕,康士秀,霍剑青.大学物理实验(第二册M .北京:高等教育出版社,2001.128-132.3葛松华,唐亚明.大学物理实验教程M .电子工业出版社,2003.58-89.4张进治.大学物理实验M .电子工业出版社,2003.44-58.5沈元华,陆申龙.基础物理实验M .北京:高等教育出版社,2003.160-189.6程守珠,江之永.普通物理学第五版M .高等教

17、育出版社,1998.7赵凯华,陈熙谋.电磁学下册M .人民教育出版社,1980.8Rezlescu E,Rezlescu N,Pasnicu C,etal .Ceram I nt,1993,19:71-75.9M askarPK,KakatkarS V,Patil RS,etal .M ater Che mPhys,1995,41:154-157.An O bserva ti on and M ea sure of the Cur i e Te m pera ture of M agneti c M a ter i a lsDA IW ei(College of Physics and Electr onic I nf or mati on,China W est Nor mal University,Nanchong,Sichuan 637002Abstract:An experi m ent method is intr oduced t o observe the Curie te mperature of magnetic materia