实验八 居里点实验

实验八  居里点实验 目前被高校普遍采用的大学物理教材中(如哈里德、珀塞尔或程守株等编著的)都较详细地介绍了铁磁材料的一些特殊性质，如存在居里温度等。并用较成熟的磁畴理论来说明铁磁材料磁化特性的内在根据。在科技时代，铁磁材料的居里温度特性在技术，家用电器上的应用愈来愈广泛。 测量铁磁材料居里温度的方法很多，例如磁称法、感应法、电桥法和差值补偿法等。它们都是利用铁磁物质磁矩随温度变化的特性，测量自发磁化消失时的温度。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，此外测温采用集成温度传感器AD590，测温灵敏度高(dV／dT约-2MV／K，而热电偶为约0.03MV／K)，线性度好，热响应快，温度、电压测量全采用数字显示。 一、实验目的和要求 1．通过实验，对感应电压输出随温度升高而下降的现象进行观察，初步了解铁磁性材料在居里温度点由铁磁性变为顺磁性，从而使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  erf(B)-T曲线并求出其居里温度。 二、实验设备 1．居里点实验仪 三、实验原理 1．基本原理 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)、钻(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10-8m3，其中含有1017-1021 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，其中图1(a)为单晶磁畴结构示意图，图1(b)为多晶磁畴结构示意图。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。 图1 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体积逐渐缩小。随着外磁场的不断增强，取向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，图2是某单晶结构磁体磁化过程的示意图。 图2                            图3 铁磁性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矩的有序排列，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矩基本的平行排列，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。 2．实验原理 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： εeff（B）=4.44fNфm…………………………（1） f为频率，N为线圈的匝数，中фm为最大磁通。 фm=Bm·S……………………………………（2） S是磁环的截面积，Bm是最大磁感应强度，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： εeff（B）=4.44fNSμHm Hm是磁场强度的幅值，当激励电流稳定成正弦变化，则Hm恒定，即得 εeff（B）∝μ 即当μ=0时，感应电势εeff（B）=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εeff（B）~T曲线来确定温度Tc。具体地说 ，在 εeff（B）~T曲线斜率最大处作其切线，并与横坐标轴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，所以要在斜率最大处作切线。又因为在居里点以上时，铁磁性已转化为顺磁性。因本实验交变磁场较弱，所以对顺磁性物质引起的磁化是很弱的，但是有一个很小的值，故 εeff（B）~T曲线不能与横坐标相交。 图4 四、实验装置 1、耐高温绝缘玻璃管                2、加热电炉丝 3、集成温度传感器AD590            4、铁氧铁（被测样品） 5、固定架                          6、印刷板 7、提供加热电流的电源部分          8、测温显示部分 9、激励电源                        10、感应电流测量部分 实验仪分测量部分和实验部分。 （1）实验部分：如上图所示。包括①被测样品和加热电炉丝；②集成温度传感器；③激励线圈和感应线圈，以上各部分都要装在一个底座上。 （2）测量部分：（面板图）如下图所示。 接线柱“接激励线圈”为线圈A提供激励电源，为使Hm稳定，激励电源的输出电流应稳定；接线柱“接点热丝”为电炉丝提供加热直流电流；B线圈的感应感应电动势从接线柱“接感应线圈”一端输入；接线柱“接温度传感器”接的是集成温度传感器AD590的输入，通过内部电路的补偿、放大，在“温度显示”框中显示当前温度值：切换开关打到“接感应线圈”一边时，“电压显示”框中显示的是串在线圈A上的取样电阻(51Ω)上的电压。利用面板上的两个调节位器可分别调节“加温控制”电流大小和加在线圈A上的激励电压的大小。温度定标在出厂前已经完成。 仪器的安装 (1)把装有被测样品的实验部分固定在箱子的底座上 (2)对照接线柱的颜色，把实验部分中加热电流的手枪插头插到面板对应的接线柱上。 (3)再参照颜色把实验部分的感应电压，激励电压的手枪插头接到面板对应的接线柱上 (4)集成温度传感器的手枪插头接到面板温度测量的接线柱上。 五、实验内容 对样品逐点测出εeff（B）~T曲线，并从中求出居里温度Tc. 六、实验步骤 ]．参照仪器安装步骥，连好实验部分和测量部分。（加温电流暂不接） 2．εeff（B）~T曲线的测量： (1)合上测量部分的电塬开关，“温度显示”显示出室温温度。“电压显示”显示激励电压或感应电压值。 (2)接上加温电流，把电流调到较小(看发光二极管明暗指示)。 (3)温度每升高5℃记下对应的εeff（B）的值，直到其显示值接近零。 (4)停止电炉加热(把连接线去掉)，让其自然冷却，井εeff（B）值直到炉温接近室温。 七、数据记录和误差 1、实验前应列出记录数据的格，记录时准确定出有效数字位． 2、作图大小约为8X12平方厘米，横坐标和纵坐标的参数数据比例要适当，使曲线接近布满所用的毫米方格纸的面积。 3、实验数据的点在图中要明显点出，例如XXX或000等，画曲线要求做到一笔落，曲线要圆滑、粗细要均匀。 4．对实验数据要处理、实验现象和误差要进行分析讨论。 八、思考题 1、样品的磁化强度在温度达到居里点时发生突变的微观机理是什？试用磁畴理论进行解释。 2、测出的εeff（B）~T曲线，为什么与横坐标没有交点?