居里点实验研究

居里点实验研究郑新飞一、实验目的（1）初步了解铁磁物质由铁磁性转为顺磁性的微观原理。（2）学习JLD-2型的居里点温度测试仪测定居里点温度的原理和方法。（3）测定铁磁样品的居里点温度。二、实验仪器JLD-2居里点温度测试仪；样品；1OMAK或2OM示波器；加热炉。三、实验原理1.基本理论在铁磁性物质中，相邻原子间存在着非常强的交换耦合作用，这个相互作用促使相邻原子间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，这个区域的体积约为10-8m3，称之为磁畴，在没有外磁场的作用时，不同磁畴的取向各不相同。因此对整个铁磁物质来说，任何宏观区域的平均磁矩等于零，铁磁物质不显磁性。当有外磁场的作用时，不同磁畴的方向趋于外磁场的方向，任何宏观区域的下半场磁矩不在为零，且随外磁场的增大而增大，当外磁场增大到某一数值时，所有磁畴沿外磁场方向均匀排列，任何宏观区域的平均磁矩达到最大值，铁磁物质显现出很大的磁性，我们说铁磁物质被磁化了。铁磁物质的磁导率远远大于顺磁物质的磁导率。铁磁物质被磁化后具有很强的磁性，但这种磁性与温度是有关的。随着铁磁物温度的升高，金属点阵热运动的加剧会影响磁畴矩的排列，此时任何区域内的平均磁矩仍然不等于零，物质仍具有磁性，只是平均磁矩随温度的升高而减小。而当与Kt成正比的热运动能足以破坏磁畴磁矩的整齐排列时，磁畴被瓦解，平均磁矩变为零，铁磁物质的磁性消失变为顺磁物质，与顺磁物质相联系的一系列铁磁物质(如高磁导率，磁滞回线，磁致伸缩）等全部消失，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为居里点温度。任何的平均磁矩称为自发磁化强度，用Ms表示。2.测量装置及原理由居里点温度的定义知，任何可测的Ms或可判断磁性消失的带有温控的装置都可用来测量居里点温度，要测定铁磁材料的居里点温度，从测量点上来讲，其测量装置必须具备以下4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-2居里点温度测试仪是通过图4所示的装置来实现以上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，给其中一个通以交变电流，提供使环形样品磁化的磁场，将其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。本装置可通过两种途径来判断样品的磁性是否消失：（1）通过观察样品的磁滞曲线是否消失来判断。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的关系不是非线性的，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B（H）曲线为一闭合曲线，称之为磁滞回曲线，如图5所示。当铁磁性消失时，相应的磁滞回线也就消失了，就测的了居里点温度。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，可用U代表磁场强度H，将其放大后送入示波器的X轴，样品线圈上的L2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dtdBkdtd-（1）式中k为比例系数，与线圈的匝数和截面积有关。将式（1）积分得dtkB1（2）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上的感应电动势经过R2C积分电路积分加以放大处理并送入示波器的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。（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与饱和磁化强度M很接近，可以用饱和磁化强度近似代替自发磁化强度，并根据包和强度随温度的变化的特性来判断居里点温度，其M(T)的变化曲线与B(T)曲线相似，因此在测量精度不高的情况下，可通过测定B（T)曲线来判断居里点温度，即测出感应电动势的积分电压U随温度T变化的曲线，并在其斜率最大处做切线，切线与横坐标（温度）的交点即为样品的居里温度点。四、实验内容1.通过测定磁滞回线消失时的温度测定居里点温度。（1）用连线将加热炉与电源箱前面板上的（加热炉）相连；将铁磁材料样品与电源箱前的（样品）的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的“传感器”接插件相连接；将电源箱前面板的“B输出”“H输出”分别与示波器的Y，X用专用线相连接。（2）将升温-降温开关打向降温，接通电源箱前面板上的电源开关，将电源箱面板上的“H调节”旋钮调到最大，适当调节示波器，其荧光屏上就显示出了磁滞回线。关闭加热炉上的两风门（旋钮方向和加热炉的轴线方向垂直）。将测量-设置开关打向设置，适当设定炉温。将测量设置开关打向测量，将升温降温开关打向升温，这时炉子开始升温，在此过程中注意观察示波器上的磁滞回线，记下磁滞回线消失时显示的温度值，即测量了居里点温度。将升温降温开关打向降温，并打开加热炉上的两风门，使加热炉降温。2.测量感应电动势随温度变化的关系（1）根据以上测得的居里点温度设置炉温，并比以上测得的温度低10度左右。（2）将测量设置开关打向测量，升温降温开关打向升温，这时炉子开始升温，同时在数据记录表格中记下温度和对应的感应电动势的值。五，数据处理表一磁滞回线消失时所对应的温度值样品编号134)(0CTc7889110样品一样品1：磁带回线消失时所对应的的温度T=78℃，T(℃)556065707580859095U(mv)876836781675298111543019由图像可知斜率最大处切线与横坐标的交点（72.9,0）所以测得此样品的居里点温度为'T78℃相对误差E=TT-T'=%86.15.805.80-78样品2：磁带回线消失时所对应的的温度T=89℃T(℃)65707580859095100105U(mv)82280874160821791513121由图像可知斜率最大处切线与横坐标的交点（88,0）所以测得此样品的居里点温度为T'88℃相对误差E=TT-T'=%1.18989-88样品3：磁带回线消失时所对应的的温度T=110.8℃T(℃)80859095100105110115120由图像可知斜率最大处切线与横坐标的交点（110.7,0）所以测得此样品的居里点温度为'T110.7℃相对误差E=TT-T'=%98.08.1118.111-7.110误差分析：1.读数存有偏差。2.铁磁与炉存有温度差。六，注意事项（1）测量样品的居里点温度时，一定要让炉温从低温开始升高，即每次要让加热炉降温再加入样品，这样可避免由于样品和温度传感器响应时间的不同而引起的居里点测量值的不同。（2）在测量80摄氏度以上的样品时，温度很高，小心烫伤。U(mv)1862178717001587142011071955725七，思考题通过测定感应电动势随温度变化的曲线来推断居里点温度时，为什么要由曲线上斜率最大处的切线与温度轴的交点作为理论值，而不是由曲线与温度轴的交点来确定？答：温度升高，铁磁磁性变小，当温度到达居里点时，铁磁发生突变，此处斜率最大；当温度升高到居里点时，铁磁性基本变为顺磁性，电压值很小接近于零，但是不会等于零，所以图线与温度轴没有交点，不能由与温度轴的交点来确定。