铁磁材料居里温度试验仪

当今社会磁性材料在电力、通讯、电子仪器、计算机和信息存储等领域有十分广泛的应用。居里温度是表征磁性材料的一个基本物理量，它表征磁性材料由铁磁性转变为顺磁性的温度。
本实验采用感应法，测量感应电动势值随温度变化的规律，从而得到居里点Tc.本实验具有结构简单，易操作的特点，温度测量采用集成温度传感器AD590，测温灵敏度高,线性度好，热响应快，温度、电压测量全采用数字显示。

一、实验目的

1．通过实验现象的观察，初步了解铁磁性材料在居里温度点由铁磁性变为顺磁性，从而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

THQJL-1居里温度测试仪

三、实验原理

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（Fe）、　镍(Ni)、钴(Co)、钆(Gd)、镝(Dy)等五种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，这个相互作用促使相邻原子的磁距平行排列起来，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10m,其中含有10-10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距均取向同一方位，但对不同的磁畴，其分子磁矩的取向各不相同，见图1，磁畴的这种排列方式，使磁体能处于最小能量的稳定状态。因此，对整个铁磁体来说，任何宏观区域的平均磁距为零，物体不显示磁性。
 
 
 
 
 
 
 
 
在外磁场作用下，磁距与外磁场同方向排列时的磁能低于磁距与外磁场反向排列时的磁能，结果是自发磁化磁距与磁场成小角度的磁畴处于有利地位，磁畴体积逐渐扩大。而自发磁化磁距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，这时磁化达到饱和，如图2所示。
对非铁磁性的各向同性的磁介质，H和B之间满足线性关系，B=µH，而铁磁性介质的µ、H、B之间有着复杂的非线性关系。一般情况下，铁磁质内部存在自发的磁化强度，当温度越低磁化强度越大，如图3是典型的磁化曲线（B-H曲线），它反映了铁磁质的共同磁化特点：随着H的增加，开始时B缓慢的增加，此时µ较小；随后随H的增加B急剧的增加，µ也迅速的增加；最后随H的增加，B趋向于饱和，而µ在到达值后又急剧的减小；图3表明磁导率µ是磁场H的函数，图4表明µ也是温度的T的函数；当温度升高到某个值时，铁磁质由铁磁状态转变为顺磁状态，在曲线上变化率的地方对应的温度就是居里温度。
铁磁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）。当温度增加时，由于热扰动影响磁畴内磁距的有序排列，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距基本的平行排列，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距有规律的排列，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、钴的居里点分别是1043K、631K和1393K。
由居里温度的定义可知要测定铁磁物质的居里温度，其测定装置必须具备三个功能：提供使样品磁化的磁场；判断铁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量装置。以上三个功能由图5所示的系统装置实现。
 
 
 
 
 
 
 
 
 
图5
 
在磁环上分别绕线圈A,B,并在A线圈上通激励电流，则B线圈上感应电势的有效值为：
=4.44fN                         (1)
f为频率，N为线圈的匝数，为磁通。
                                   (2)
S是磁环的截面积，Bm是磁感应强度，即磁感应强度正弦变化的幅值。又因为
                                     (3)
µ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：
=4.44fNSµHm
当µ=0时，感应电势=0，此时温度Tc称居里点，该状态有居里点之称。
显然，我们完全可用测出的~T曲线来确定温度Tc。具体地说，在~T曲线斜率处作其切线，并与横坐标相交的一点即为居里温度Tc。如图（4）所示。这是因为有居里点时，铁磁材料的磁性才发生突变，所以要在斜率处作切线。又因为在居里点以上时，铁磁性已转化为顺磁性。

四、实验内容与步骤

1.参照仪器使用说明书，连好实验部分和测量部分。（加热电源暂不接）
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”通过显示切换分别显示激励电压或感应电压值。（纽子开关在左边显示的是感应电压）
（2）接上加热电源，把电源调到较小状态。（看发光二极管明暗指示）
（3）开始时温度每升高5℃记录1次相对应的值，在65℃以后每升高1℃记录1次相对应的值直到其显示值为零，读数时要迅速而准确，将实验数据记录到下面表格中。

温度	30	35	40	45	50	55	60	65	66	67	68	69	70	71	72	73	74	75
电压

（4）停止加热（把加热丝连接线去掉），让其自然冷却，并记录值直到炉温接近室温，把实验数据记录下面表格中。

温度	75	74	73	72	71	70	69	68	67	66	65	60	55	50	45	40	35	30
电压

注意：由于样品铁氧铁被放于电感的绕阻中被线圈包围，如果加热速度过快，测量的温度与铁氧铁的真实温度不同，这种滞后现象在实验中要重视，只有在动态平衡的条件下磁性突变的温度才等于居里温度，所以加热时不宜太快。

五、实验数据

1．根据实验数据作出~T的曲线。
2. 作感应电压—温度的曲线图，在斜率处作切线，切线与横坐标（温度）的交点即为该样品的居里点Tc。
3．对实验现象和升温降温的测量误差进行分析讨论。