居里温度

居里温度 钙钛矿锰氧化物居里温度的测定 陈磊 (南京大学，物理学系07级，学号071120014) 摘要:居里温度(也称居里点)是指材料可以在铁磁体(亚铁磁体)和顺磁体之间改变的温度，即铁电体从铁磁性(亚铁磁性)转变成顺磁性的相变温度。不同材料的居里温度时不同的，本文包含了一些测量居里温度的常用方法。本次实验是通过测定弱交变磁场下磁化强度随温度变化来测定样品的居里温度。 关键词:居里温度(居里点)、钙钛矿锰氧化物、铁磁性、顺磁性、磁化率、磁化强度、热电偶、热电势、交变磁场、M-T曲线。 在铁磁材料中的原子(或离子)具有固有磁矩，这些固有磁矩间的正的交换作用使它们形成长程平行排列，从而在外磁场不存在时也呈现出自发磁化，只不过在静磁能作用下大块铁磁材料中形成许多细小的磁畴，各畴内材料呈现自发磁化，但各个磁畴的磁化方向混乱排列，导致材料的总磁化强度为零，因而往往不呈现出表观的磁性。在外磁场作用下，通过磁畴位移和磁畴转动而很快使大块材料在磁场方向上呈现很大的磁化强度，因而其低场的磁化率很 06大，可达10~10 。铁磁材料的一个特点是，当温度升高时，其自发磁化强度Ms减小，到居里温度Tc时降为零。当T>Tc时，呈现顺磁性，其磁化率遵从居里外斯定律。 图1画出了铁磁体的特征: (Θ称为顺磁居里温度) p 1. 测量居里温度的常用方法: (1) 通过测定材料的饱和磁化强度和温度依赖性得到Ms—T曲线，从而得打Ms降为零 时所对应的居里温度。这种方法适用于那些可以用来在变温条件下直接测量样品饱 和磁化强度的装置，例如磁天平、振动样品磁强计以及SQUID等。图2示出了纯 Ni的饱和磁化强度的温度依赖性。 Ms 3 (?10 A/m) T(K) 图2 (2) 通过测定材料在弱磁场下的初始磁导率μ的温度依赖性，利用霍普金森效应，确定i 居里温度。霍普金森效应指的是一些软磁材料的初始磁导率在居里点附近，由于磁 晶各向异性常数K随温度升高而趋于零的速度远快于饱和磁化强度随温度的变化，1 2而初始磁导率μ?Ms/K，因此在局里温度附近，μ会显示一最大值，随后快速趋i1i 于零的现象。 图3示出了不同成分的镍锌铁氧体的初始磁导率随温度的变化，这些 材料的霍普金森效应十分明显。 μ i o T(C) 图3 (3) 通过测量其他磁学量(如磁致伸缩系数等)的温度依赖性求得居里温度。 (4) 通过测定一些非磁学量如比热、电阻温度系数、热电势等随温度的变化，随后根据 这些非磁学量在居里温度附近的反常转折点来确定居里温度。 2. 钙钛矿锰氧化物 钙钛矿锰氧化物指的是成分为RAMnO(R是三价稀土金属离子，A为二价碱土金属离1-xx3 子)的一大类具有ABO型钙钛矿结构的锰氧化物。理想的ABO型(A为碱土金属离子、33 B为Mn离子)钙钛矿具有空间群为Pm3m的立方结构，如以稀土离子A作为立方晶格的顶点，则Mn离子和O离子分别处在体心和面心的位置，同时，Mn离子又位于六个氧离子组成的MnO6八面体的重心。 这些钙钛矿锰氧化物的母本氧化物是LaMnO，Mn离子为正三价，是一种显示反铁磁性的3 绝缘体，呈理想的钙钛矿结构。人们陆续观察到一些不同成分的钙钛矿锰氧化物块体和薄膜，具有较大的负磁电阻效应，即在磁场中测得的电阻(电阻率)明显低于零场电阻(电阻率)。 3. 实验原理 本实验通过测定弱交变磁场下磁化强度随温度的变化来测定样品的居里温度。由于所测样品的居里温度位于285K到310K之间，因此我们了特有的样品和测量线圈支架。测量居里温度前，将包含这一支架的铜罐放入水中，使样品温度降至285K，依靠对水的加热，铜罐和样品温度逐渐升高，同时测量并相应于磁化强度的输出信号电压和热电偶的热电势值。以磁化强度委纵坐标、温度为横坐标作图。按照惯例，锰氧化物的居里温度被定义为M~T曲线上斜率最大点所对应的温度。 测试线圈由匝数和形状相同的探测线圈组A和补偿线圈组B组成，样品和热电偶置于其中一个石英管A中，另一个线圈组是作为补偿线圈引入的，用来消除变温过程中因线圈阻抗发生的变化而造成的测试误差。要注意的是，两个线圈组的初级线圈应串联相接，而次级线圈则应反串联相接。在温度低于Tc时，A中的样品呈铁磁性，而补偿线圈B中无样品，反串联的次级线圈感应输出信号强度正比于铁磁样品的磁化强度;当温度大于Tc时，A中样品呈顺磁性，和补偿线圈中空气磁性差不多，反串联的次级线圈感应输出信号强度几乎变为0。故在温度从285K逐渐升高时，在Tc附近随着磁性的突然变化锁定放大器的输出信号强度应有一个比较陡峭的下降过程，由此可测定Tc。 4. 实验内容 1) 将铜罐密封螺丝拧开，将所测样品放入探测线圈A所在的细石英管的中间位置，再拧 紧螺丝。 2) 开启测试仪器开关 3) 调节低频信号器的频率选择为“*1k”档，调节频率到1.5KHZ，用衰减调节旋钮调节幅 度，一般定在20即可。 4) 锁定放大器设置参数。 5) 将低频信号发生器的频率选择开关打开，开始逐点测量温度和所对应的信号电压。 6) 以磁化强度为纵坐标，温度为横坐标作图。从图中求出M-T曲线上斜率最大的点所对 应的温度，即为该样品的居里温度。 温度位于Tc附近时的M-T变化段: T/? 24.00 24.25 24.50 24.75 25.00 25.25 25.50 25.75 26.00 M/v 1.27 1.26 1.25 1.22 1.19 1.19 1.18 1.14 1.13 T/? 26.25 26.50 26.75 27.00 27.25 27.50 27.75 28.00 28.25 M/v 1.09 1.07 1.06 1.04 1.04 1.00 0.97 0.95 0.92 T/? 28.50 28.75 29.00 29.25 29.50 29.75 30.00 30.25 30.50 M/v 0.87 0.86 0.83 0.81 0.77 0.75 0.70 0.68 0.65 T/? 30.75 31.00 31.25 31.50 31.75 32.00 32.25 32.50 32.75 M/v 0.62 0.58 0.57 0.53 0.50 0.48 0.43 0.41 0.39 此上曲线就是我们所测得到得样品磁化强度随温度的变化图形。 图中曲线显示出当温度小于Tc时，M随着温度T的变化较为平缓，随着温度逐渐接近Tc点，M随着T的变化就显得十分剧烈，我们知道这是由于样品的铁磁性质发生改变，变为顺磁性所致，其中变化最剧烈的点随对应的温度即为我们所要测量的居里温度。这之后M随温度的改变再次趋于平缓，远小于Tc之前温度的磁化强度M。 o由图中可以看出图线中斜率最大的一点所对应的温度就是居里温度，Tc=31.25C(304.40K)。 讨论: 本实验由于并未采取将样品置于液氮杜瓦中冷却技术，而是用水替代了液氮，用水来使样品升温带来的主要问题就是温度升高的快慢以及水中温度的不均匀性。因而，在实际试验中，我们所测得当温度小于Tc点时，M-T对应值并不是严格的平滑曲线，而是有些许的波动，个别点出现反常的升高现象，据我们分析，这应该就是属于水中温度不均匀导致的结果，属于实验仪器本身所带来的误差;实验中我们用热电偶对水以及水中的样品加热，并伴有搅拌棒来平衡水温，这就涉及到另外一个问题:搅拌的快慢和水温升高的速度搭配问题。如果温度升高过快，而搅拌不够快致使水中温度长期不均匀，这就带来严重的误差，如果升高的过慢，并且搅拌的均匀的话，这又不方便测量，使得实验测量繁杂冗长，故找到好的搅拌频率 和水温升高速度的耦合点是很有必要的。 思考: 如果探测线圈A和补偿线圈B在绕制时不完全相同，会对测到得M-T曲线以及Tc产生什么影响, 补偿线圈B的引入时为了消除变温过程中因线圈阻抗发生的变化而造成的测试误差。由于两个线圈组的次级是反串联相接的，因此其感生电动势相互抵消。如若线圈A和B的绕制不完全相同，则会导致输出信号强度中包含着一部分来自于线圈产生的感生电动势。在温度低于Tc时，位于探测线圈A中的钙钛矿样品呈铁磁性，而补偿线圈B中无样品，反串联的次级线圈感应输出信号强度正比于铁磁样品的磁化强度，此时的M-T曲线中M值将会整体上移。但是M随温度的变化率只来源于铁磁样品磁化强度的变化，而不受线圈绕制因素的影响，所以在测量斜率时结果保持不变，即居里温度的测量值不变。 参考文献: 南京大学物理学，《铁磁学(上)》.2.1.3，24(2002). G.H.Jonker and J.H. Van Stanten, Physica.16,337(1950) J.H.van Santen and G.H. Jonker, Physica(Amsterdam)16,559(1950) C.Zenner, Phys.Rev 82,403(1951) P.W.Anderson, H. Hasegawa, Phys. Rev. 100,675(1955) 磁场平行于电场 磁场垂直于电场