南京理工大学材料科学与工程系

1、南京理工大学材料科学与工程系磁性材料实验 实验二实验二 铁磁相变和居里温度的直接观测铁磁相变和居里温度的直接观测1实验目的实验目的v1) 了解铁磁物质在居里温度点由铁磁物质（铁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）的相变过程磁相）转变为顺磁物质（顺铁磁相）的相变过程微观机理。微观机理。v2) 测定铁磁材料样品的居里温度。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实验原理实验原理v由于外加磁场的作用，物质中状态发生变化，产生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新的磁场的现象称为磁性磁性。v物质的磁性可分为反铁

2、磁性（抗磁性）、顺磁性和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铁磁质中相邻电子之间存在着一种很强的“交换耦交换耦合合”作用，在无外磁场的情况下，它们的自旋磁矩作用，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能在一个个微小区域内“自发地自发地”整齐排列起来而整齐排列起来而形成自发磁化小区域，称为形成自发磁化小区域，称为磁畴磁畴。v在未经磁化的铁磁质中，虽然每一磁畴内部都有确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

3、畴的定的自发磁化方向，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。磁化方向各不相同因而整个铁磁质不显磁性。v图图1和图和图2分别是加磁场前后的多晶磁畴结构。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 图图1 未加磁场多晶磁畴结构未加磁场多晶磁畴结构图图2 加磁场时多晶磁畴结构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 v当铁磁质处于外磁场中时，那些自发磁化方向和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

4、向外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，介质应增大，直到所有磁畴都沿外磁场排列好，介质的的磁化就达到饱和磁化就达到饱和。 v由于在每个磁畴中元磁矩已完全排列整齐，因此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，这就是为什么具有很强的磁性，这就是为什么铁磁质的磁性比铁磁质的磁性比顺磁质强得多

5、的原因顺磁质强得多的原因。v介质里的掺杂和内应力在磁化场去掉后阻碍磁畴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，从而恢复到原来的退磁状态，从而造成磁滞现象造成磁滞现象。 南京理工大学材料科学与工程系磁性材料实验 v铁磁性是与磁畴结构分不开的。当铁磁体受到强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（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，

6、高过这个温度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，这个临界温度叫做磁性就消失，变为顺磁性，这个临界温度叫做铁铁磁质的居里点磁质的居里点Tc。v磁畴的出现或消失，伴随着晶格结构的改变，所磁畴的出现或消失，伴随着晶格结构的改变，所以是一个相变过程。以是一个相变过程。v居里点和熔点一样，因物质不同而不同，如铁、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磁介质的磁化规律可用磁感应强度B、磁化强度、磁化强度M和磁场强度和磁场强度

7、H来描述，它们满足以下关系：来描述，它们满足以下关系：B = 0 (H+M)= ( Xm+1) 0H= r 0H = H式中，式中， 0410-7亨利亨利/米为真空磁导率，米为真空磁导率，Xm为磁化为磁化率，率， r为相对磁导率，是一个无量纲的系数，为相对磁导率，是一个无量纲的系数， 为绝对为绝对磁导率。磁导率。v对于顺磁性介质，磁化率对于顺磁性介质，磁化率Xm0， r略大于略大于1；v对于抗磁性介质，对于抗磁性介质，Xm1，所以，所以 r 1。南京理工大学材料科学与工程系磁性材料实验 图图3 磁化曲线和磁化曲线和-H曲线曲线 图图4 -T曲线曲线南京理工大学材料科学与工程系磁性材料实验 v图

8、图3是典型的磁化曲线（是典型的磁化曲线（B-H曲线），它反映了铁磁曲线），它反映了铁磁质的共同磁化特点：随着质的共同磁化特点：随着H的增加，开始时的增加，开始时B缓慢缓慢的增加，此时的增加，此时 较小；而后随较小；而后随H的增加的增加B急剧增大，急剧增大， 也迅速增加；最后随也迅速增加；最后随H增加，增加，B趋向于饱和，而此趋向于饱和，而此时的时的 值在到达最大值后又急剧减小。图值在到达最大值后又急剧减小。图3表明了磁表明了磁导率导率 是磁场是磁场H的函数。的函数。v从图从图4中可看到，磁导率中可看到，磁导率 还是温度的函数，当温度还是温度的函数，当温度升高到某个值时，铁磁质由铁磁状态转变成顺

9、磁状升高到某个值时，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 v在居里温度在居里温度Tc以下，对铁磁材料磁化可得到磁滞回以下，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。当温度达到线。对磁体加热，磁滞回线收缩。当温度达到Tc时，时，磁滞回线消失，铁磁相转变为顺磁相。在磁滞回线消失，铁磁相转变为顺磁相。在Tc附近，附近，磁化强度磁化强度M和温度和温度T的关系可用下式描述：的关系可用下式描述：M (T) = K (Tc-T)lnM=lnK+ln(Tc-T)其中其中的典型值

10、在的典型值在0.3-0.4之间。之间。南京理工大学材料科学与工程系磁性材料实验 v3实验仪器实验仪器磁滞回线实验仪、数字万用表、示波器、加热炉、磁滞回线实验仪、数字万用表、示波器、加热炉、水银温度计等。水银温度计等。v4实验内容及步骤实验内容及步骤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。令接线图连接好线路。令R12.5，置励磁电压，置励磁电压U于于0位。位。UH和和UB分别接示波器的分别接示波器的“X输入输入”和和“Y输输入入”，插孔，插孔“”为接地公共端。为接地公共端。2) 样品退磁：开启仪器电源开关，对样品进行退样品退磁：开启

11、仪器电源开关，对样品进行退磁，顺时针方向转动电压磁，顺时针方向转动电压U的调节旋钮，观察数字的调节旋钮，观察数字电压表可看到电压表可看到U从从0逐渐增加增至最大，然后逆时针逐渐增加增至最大，然后逆时针方向转动电压方向转动电压U的调节旋钮，将的调节旋钮，将U逐渐从最大值调逐渐从最大值调为为0，这样做的目的是消除剩磁，确保样品处于磁，这样做的目的是消除剩磁，确保样品处于磁中性状态，即中性状态，即BH0。南京理工大学材料科学与工程系磁性材料实验 v3) 退磁后，令退磁后，令R12.5，观察样品的在，观察样品的在50HZ交流交流信号下的磁滞回线：开启示波器电源，调节示波器信号下的磁滞回线：开启示波器电

12、源，调节示波器上上“X”、“Y”位移旋钮，使光点位于坐标网格中心，位移旋钮，使光点位于坐标网格中心，调节励磁电压调节励磁电压U和示波器的和示波器的X和和Y轴灵敏度，使显示轴灵敏度，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，这时可降低顶部出现编织状的小环，这时可降低U予以消除），予以消除），从已标定好的示波器上读取从已标定好的示波器上读取UX(UH)、UY(UB)值（峰值（峰值），计算相应的值），计算相应的H、B和和M。v4) 用电炉加热样品，并用水银温度计测量温度。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，并测得铁磁材料样品的居里温度磁的相变全过程，并测得铁磁材料样品的居里温度Tc。观测。观测5个温度（包括居里温度，此时个温度（包括居里温度，此时M0）下）下的磁滞回线，计算相应的的磁滞回线，计算相应的B、H和和M，逐点描绘作，逐点描绘作M-