實驗十四 鐵磁材料高溫居里點測試

實驗十四鐵磁材料高溫居里點測試實驗鐵磁性物質(zhì)的磁性隨溫度的變化而改變。當(dāng)溫度上升到某一溫度時，鐵磁性材料就由鐵磁狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾艩顟B(tài)，即失掉鐵磁性物質(zhì)的特性而轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾判晕镔|(zhì)，這個溫度稱之為居里溫度，以T表示。測量T不僅對磁性材料、磁性cc器件的研制、使用，而且對工程技術(shù)乃至家用電器的設(shè)計都具有重要的意義。通常，測量鐵磁性物質(zhì)居里溫度的方法有磁秤法、電橋法和感應(yīng)法等，本實驗在感應(yīng)法基礎(chǔ)上，設(shè)計了相應(yīng)的輔助測試電路來測定鐵磁物質(zhì)的居里溫度。一、實驗?zāi)康?．初步了解鐵磁物質(zhì)由鐵磁性轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾判缘奈⒂^機理；2．學(xué)習(xí)測定鐵磁物質(zhì)居里溫度的原理和方法；3．測定鐵磁物質(zhì)的居里溫度。二、實驗原理1.基本理論在鐵磁性物質(zhì)中，相鄰原子間存在著非常強的交換耦合作用，這個相互作用促使相鄰原子的磁矩平行排列起來，形成一個自發(fā)磁化達到飽和狀態(tài)的區(qū)域，這個區(qū)域的體積約為108m3，稱之為磁疇。在沒有外磁場作用時，不同磁疇的取向各不相同，如圖1。因此，對整個鐵磁物質(zhì)來說，任何宏觀區(qū)域的平均磁矩為零，鐵磁物質(zhì)不顯示磁性。當(dāng)有外磁場作用時，不同磁疇的取向趨于外磁場的方向，任何宏觀區(qū)域的平均磁矩不再為零，且隨著外磁場的增大而增大。當(dāng)外磁場增大到一定值時，所有磁疇沿外磁場方向整齊排列，如圖2所示。任何宏觀區(qū)域的平均磁矩達到最大值，鐵磁物質(zhì)顯示出很強的磁性，我們說鐵磁物質(zhì)被磁化了。鐵磁物質(zhì)的磁導(dǎo)率"遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于順磁物質(zhì)的磁導(dǎo)率。

圖1無外磁場作用的磁疇；鐵磁物質(zhì)被磁化后具很強的磁性圖2圖1無外磁場作用的磁疇；鐵磁物質(zhì)被磁化后具很強的磁性這種強磁性與溫度有關(guān)。隨著鐵磁物質(zhì)溫度的升高，金屬點陣熱運動的加劇會影響磁疇矩的有序排列。但在未達到一定溫度時，熱運動不足以破壞磁疇磁矩基本的平行排列，此時任何宏觀區(qū)域的平均磁矩仍不為零，物質(zhì)仍具有磁性，只是平均磁矩隨溫度升高而減小。而當(dāng)與kT（k是玻爾茲曼常數(shù)，T是絕對溫度）成正比的熱運動能足以破壞磁疇磁矩的整齊排列時，磁疇被瓦解，平均磁矩降為零，鐵磁物質(zhì)的磁性消失而轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾盼镔|(zhì)，與磁疇相聯(lián)系的一系列鐵磁性質(zhì)（如高磁導(dǎo)率、磁滯回線等）全部消失，相應(yīng)的鐵磁物質(zhì)的磁導(dǎo)率轉(zhuǎn)化為順磁物質(zhì)的磁導(dǎo)率。與鐵磁性消失時所對應(yīng)的溫度即為居里溫度。任何區(qū)域的平均磁矩稱為自發(fā)磁化強度，用M］表示。一般自發(fā)磁化強度與飽和磁化強度M很接近，可用飽和磁化強度近似代替自發(fā)磁化強度，根據(jù)飽和磁化強度隨溫度變化的特性來判斷居里溫度。同物質(zhì)的熔點溫度一樣，不同材料的居里溫度是不同的，有些高達1000K以上，有些則只有幾百K左右，例如鈷、鐵、鎳的居里溫度分別為1393K、1043K和631K。2．測量裝置及原理（1）測量裝置由居里溫度的定義知要測定鐵磁物質(zhì)的居里溫度，其測定裝置必須具備四個功能：提供使樣品磁化的磁場；改變鐵磁物質(zhì)溫度的溫控裝置；判斷鐵磁物質(zhì)磁性是否消失的判斷裝置；測量鐵磁物質(zhì)磁性消失時所對應(yīng)溫度的測溫裝置。以上四個功能由圖3所示的系統(tǒng)裝置來實現(xiàn)。

圖3測量居里溫度裝置圖B1勵磁電流調(diào)節(jié)變壓器；B2隔離變壓器；B3加熱電流調(diào)節(jié)變壓器；B4隔離變壓器。磁化感應(yīng)加熱爐剖面圖如圖4所示，待測樣品及測溫?zé)犭娕挤旁谔沾晒艿闹行?，加熱爐絲繞在陶瓷管上，然后用硅酸鋁絕熱氈包裹，置于水冷套管中，通過改變爐絲中的電流來改變管中的溫度，勵磁線圈繞在水冷套管的外壁上，當(dāng)給其中通以電流時就在管的中心線上產(chǎn)生一均勻的磁場用以磁化待測樣品；感應(yīng)線圈繞在最外層用以探測總磁場的變化，為居里溫度的判斷提供必須的信息，水冷套的作用是保護勵磁線圈及感應(yīng)線圈不被加熱爐的高溫?zé)龎?。?）測量原理判斷鐵磁性消失的信息來源勵磁線圈在管中心軸線上所產(chǎn)生的磁場強度H與磁化電流I成正比，而磁化電流I又與采樣電阻R上的電壓成正比，這樣采樣電阻上取出的電壓就與磁場強度H成正比，以人表示H的近似值送入示波器的X軸，移相電路對H進行R適當(dāng)移相后作為判斷居里溫度的信息之一。

助磁踐圈圖⑷?；袘?yīng)加熱爐的制面圖冷卻水會骨待測樣晶絕熱氈喻爐絲陶瓷爐管熱電偶感應(yīng)線圏當(dāng)感應(yīng)線圈所在空間的磁性發(fā)生變化時，在感應(yīng)線圈中就會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，由電磁感應(yīng)定律有：助磁踐圈圖⑷槪化感應(yīng)加熱爐的制面圖冷卻水會骨待測樣晶絕熱氈喻爐絲陶瓷爐管熱電偶感應(yīng)線圏1)8=毀=—NSdBdt dt1)式中S為線圈的面積，N為線圈的匝數(shù)，將此感應(yīng)電動勢￡送入測試電路板中，測試電路板的積分電路將對￡作時間積分得：2)B=— I￡dt2)NSB分別表示它故由積分電路輸出的信號即正比于總的磁感應(yīng)強度B,將它作為判斷居里溫度的信息之二。B分別表示它根據(jù)B、H隨待測樣品磁性變化的情況判斷居里溫度磁場強度H及磁感應(yīng)強度B隨樣品磁性變化的情況(用H、們的峰值)：室溫放樣品前后H、B的變化a.放樣品前：放樣品前的磁場強度和磁感應(yīng)強度分別用H和B表示。通過調(diào)節(jié)移相及積分電位器及a.11示波器上的X、Y軸靈敏度，使H和B在示波器上11

顯示的圖形為一條斜線：放樣品后：放樣品后的磁場強度和磁感應(yīng)強度分別用H和B表示。22當(dāng)樣品放入爐子后，對勵磁線圈來說，阻抗增加。因此，在電源電壓不變的情況下，勵磁電流I減小，故HVH。21

而對感應(yīng)線圈來說，磁導(dǎo)率增大（鐵磁物質(zhì)的磁導(dǎo)率遠(yuǎn)大于空氣的磁導(dǎo)率），故B>B，在示21波器上顯示的圖形為上一斜線的X方向縮短，Y方向變大。ii. 放樣品加溫后B、H的變化加溫后的磁場強度和磁感應(yīng)強度分別用H和B表示。33當(dāng)爐溫高于室溫而低于但接近居里溫度的某一特殊溫度時（用T'表示這一特殊溫度）：在開始升溫到接近居里溫度T'的這一溫度范圍內(nèi)，由于鐵磁性基本穩(wěn)定，故H、B均保持不變，B=B，H=H，333232故在示波器上顯示的圖形仍為圖6所示。當(dāng)爐溫接近居里溫度T'但未達到居里溫度時：在接近居里溫度但仍低于居里溫度的這一小的溫度區(qū)域內(nèi)，由于這時鐵磁物質(zhì)開始向順磁物質(zhì)轉(zhuǎn)變，故隨著溫度的升高磁導(dǎo)率M逐漸減小，因而B逐漸減小，3H逐漸增大，即在示波器上顯示出的圖形如圖7。3當(dāng)爐溫達到居里溫度時，鐵磁性完全消失而呈現(xiàn)出順磁性，鐵磁物質(zhì)的磁導(dǎo)率轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾盼镔|(zhì)的磁導(dǎo)率，此時，B=B，H=H，即在3131示波器上顯示的圖形如圖5所示。爐溫超過居里溫度后，由于順磁性基本穩(wěn)定，故B和H都是穩(wěn)定而不再變化的，因而示波器上顯示的圖形為圖5所示的不發(fā)生變化。根據(jù)以上分析，在有無樣品，是否加溫的不同條件下，通過觀察示波器上所出現(xiàn)的圖形變化就可確定樣品是否達到居里溫度。三、儀器用具JLD-III型高溫居里點測試儀，待測樣品，熱電偶，測試儀，磁化感應(yīng)加熱爐，水冷循環(huán)系統(tǒng)。四、實驗內(nèi)容1?按圖3所示將感應(yīng)加熱爐與電源一一對應(yīng)連接，B、H與示波器的Y、X軸對應(yīng)連接，開啟電源開關(guān)。2．調(diào)節(jié)變壓器B1使勵磁電流為0.5A左右，調(diào)節(jié)移相和積分兩電位器及示波器X、Y軸靈敏度，可以觀測到如圖5所示的圖形。3．將待測樣品插入加熱爐，應(yīng)能觀察到如圖6所示的圖形。4．接通冷卻水。將溫控器的溫度設(shè)置到600度左右，調(diào)節(jié)B3使加熱電流為2A左右，使感應(yīng)爐升溫，恒溫。再依次調(diào)節(jié)溫控器設(shè)置溫度點為650、700、750、800度，使感應(yīng)爐處于升溫、恒溫狀態(tài)，仔細(xì)觀察示波器上所顯示的圖像變化過程，確定樣品（鐵棒）達到居里溫度時溫控器所顯示的數(shù)值。調(diào)節(jié)變壓器B3使加熱電流降到零，爐子開始降溫，當(dāng)溫度降到低于居里溫度時，再增加加熱電流，重復(fù)測量樣品的居里溫度3?4次。調(diào)節(jié)變壓器B3使加熱電流降為零，待爐溫降到低于200時關(guān)閉冷卻水，關(guān)閉電源開關(guān)。五、數(shù)據(jù)處理將各次測量所得的居里溫度求平均值，并與標(biāo)準(zhǔn)值進行比較，求出其相對百分誤差。六、注意事項爐溫高于2