试验居里点温度测定试验

物理实验 实验实验居里点温度测定实验居里点温度测定实验 一、实验目的一、实验目的 1．初步了解铁磁物质由铁磁性转变为顺磁性的微观机理； 2．学习 JLD－II 型居里温度测试仪测定居里温度的原理和方法； 3．测定铁磁样品的居里温度。 二、实验仪器二、实验仪器 JLD－II 型居里温度测试仪，25M 数字存储示波器。 三、实验原理三、实验原理 1.1.磁介质的分类磁介质的分类 在磁场作用下能被磁化并反过来影响磁场的物质称为磁介质。 设真空中原来磁场的磁感应强度为B B 0 ，引入磁介质后，磁介质因磁化而产生附加的磁 场，其磁感应强度为 B B ，在磁介质中总的磁感应强度是B B0和 B B 的矢量和，即 B B  B B 0  B B 。设 r  B B , r 称为介质的相对磁导率。根据实验分析，磁介质可分为 B B 0 （1）顺磁质  r 1，如铝、铬、铀等 （2）抗磁质  r 1，如金、银、铜等 （3）铁磁质  r 1，如铁、钴、镍等 铁磁性物质的磁性随温度的变化而改变。当温度上升到某一温度时，铁磁性材料就由 铁磁状态转变为顺磁状态，即失去铁磁性物质的特性，这个温度称之为居里温度，以 Tc 表示。居里温度是磁性材料的本征参数之一，它仅与材料的化学成分和晶体结构有关，而 与晶粒的大小、取向以及应力分布等结构因素无关，因此又称它为结构不灵敏参数。测定 铁磁材料的居里温度不仅对磁材料、磁性器件的研究和研制；对工程技术的应用都具有十 分重要的意义。 Ⅲ 基础物理实验– 179 – 2 2．铁磁质的磁化机理．铁磁质的磁化机理 铁磁质的磁性主要来源于自由电子的自旋磁矩，在铁磁质中，相邻原子间存在着非常 强的“交换耦合”作用，使得在没有外加磁场的情况下，它们的自旋磁矩能在一个个微小 的区域内“自发地”整齐排列起来，这样形成的自发磁化小区域称之为磁畴。实验证明， 磁畴的大小约为1012108m 3，包含有10171021个原子。在没有外磁场作用时，不同 外磁场方向 图 23-1 无外磁场作用的磁畴图 23-2 在外磁场作用下 磁畴的取向各不相同，如图23-1 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， 不同磁畴的取向趋于外磁场的方向， 任何宏观区域的平均磁矩不再为零。当外磁场增大到一定值时，所有磁畴沿外磁场方向整 齐排列，此时铁磁质达到磁化饱和，如图23-2 所示。由于在每磁畴已排列整齐，因此，磁 化后的铁磁质具有很强的磁性。 铁磁物质被磁化后具很强的磁性，但这种强磁性是与温度有关的，随着铁磁物质温度 的升高、金属点阵热运动加剧，会影响磁畴的有序排列。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，物质仍具有磁性， 只是平均磁矩随温度升高而减小。当温度达到一定时由于分子剧烈的热运动，磁畴便会瓦 解，平均磁矩降为零，铁磁物质的磁性消失而转变为顺磁物质，与磁畴相联系的一系列铁 磁性质（如高磁导率、磁致伸缩等）全部消失，磁滞回线消失，变成直线，相应的铁磁物 质的磁导率转化为顺磁物质的磁导率。与铁磁性消失时所对应的温度即为居里温度。 物理实验 3 3．实验装置及测量原理．实验装置及测量原理 信号 输入 由居里温度的定义知，要测定铁磁材料的居里温度，从测量原理上来讲，其测定装置 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；判断铁磁物 质磁性是否消失的判断装置；测量铁磁物质磁性消失时所对应温度的测温装置。 JLD－II 居里点温度测试仪是通过如图23-3 所示的系统装置来实现以上4 个功能的。 待测样品为一环形铁磁材料，其上绕有两个线圈L1和 L2，其中 L1为励磁线圈，给其 中通入交变电流，提供使环形样品磁化的磁场。将绕有线圈的环形样品置于温度可控的加 热炉中以改变样品的温度。将集成温度传感器置于样品旁边以测定样品的温度。 该装置可通过两种途径来判断样品的铁 磁性消失 （1）通过观察样品的磁滞回线是否消失 来判断。 铁磁物质最大的特点是当它被外磁场磁 化时， 其磁感应强度B 和磁场强度 H 的关系是 非线性的，也不是单值的，而且磁化的情况还 与它以前的磁化历史有关， 即 BH 曲线为闭 合曲线，称之为磁滞回线，如图23-4 所示。当 图 23-4磁滞回线示意图 图 23-3 JLD－II 居里温度测试仪原理图 Ⅲ 基础物理实验– 181 – 铁磁性消失时，相应的磁滞回线也就消失 （变成一条直线） 。因此，测出对应于磁滞回线消 失时的温度，就是居里温度。 为了获得样品的磁滞回线，可在励磁线圈回路中串联一个采样电阻R。由于样品中的 磁场强度 H 正比于励磁线圈中通过的电流I，而电阻 R 两端的电压 U 也正比于电流 I，因 此可用 U 代表磁场强度 H，将其放大后送入示波器的X 轴。样品上的线圈 L2中会产生感 应电动势，由法拉第电磁感应定律知， 感应电动势的大小为   ddB  k （23-1） dtdt 1 dt （23-2）  k 式中 k 为比例系数，与线圈的匝数和截面积有关。将式23-1 积分得 B   可见，样品的磁感应强度B 与 L2上的感应电动势的积分成正比。因此，将L2上感应 电动势经过 R1C 积分电路积分并加以放大处理后送入示波器的Y 轴， 这样在示波器的荧光 屏上即可观察到样品的磁滞回线（示波器用XY 工作方式） 。 （2）通过测定磁感应强度随温度变化的曲线来推断 一般自发磁化强度MS（任何区域的平均磁矩）称为自发磁化强度，与饱和磁化强度 图 23-5感应电动势温度曲线 物理实验 M（不随外磁场变化时的磁化强度）很接近，可用饱和磁化强度近似代替自发磁化强度， 并根据饱和磁化强度随温度变化的特性来判断居里温度。 用 JLDII 装置无法直接测定M， 但由电磁学理论知道，当铁磁性物质的温度达到居里温度时，其M（T）的变化曲线与 B （T）曲线很相似，因此在测量精度要求不高的情况下，可通过测定B（T）曲线来推断居 里温度。即测出感应电动势随温度T 变化的曲线，并在其斜率最大处作切线，切线与横坐 标（温度）的交点即为样品的居里温度，如图23-5。 四、实验内容及操作方法四、实验内容及操作方法 1 1．通过测定磁滞回线消失时的温度测定居里温度．通过测定磁滞回线消失时的温度测定居里温度 （1）用连线将加热炉与电源箱前面板上的 “加热炉”相连接；将铁磁材料样品与电源 箱前面板上的“样品”插孔用专用线连接起来，并把样品放入加热炉；将温度传感器、降 温风扇的接插件与接在电源箱前面板上的“传感器”接插件对应相接；将电源箱前面板上 的“B 输出” 、 “H 输出”分别与示波器上的Y 输入、X 输入用专用线相连接。 （2）将“升温一降温”开关打向“降温” 。接通电源箱前面板上的电源开关，调节电 源箱前面板上的“H 调节”旋钮，使H 较大，调节示波器工作方式取 X-Y 模式，其荧光 屏上就显示出磁滞回线。 （3）关闭加热炉上的两风门（旋纽方向和加热炉的轴线方向垂直） ，将温度“测量一 设置”开关打向“设