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1、word实验23居里点温度测定实验一、实验目的1初步了解铁磁物质由铁磁性转变为顺磁性的微观机理；2学习JLDII型居里温度测试仪测定居里温度的原理和方法；3测定铁磁样品的居里温度。二、实验仪器JLDII型居里温度测试仪，25M数字存储示波器。三、实验原理在磁场作用下能被磁化并反过来影响磁场的物质称为磁介质。设真空中原来磁场的磁感应强度为，引入磁介质后，磁介质因磁化而产生附加的磁场，其磁感应强度为，在磁介质中总的磁感应强度是和的矢量和，即。设,称为介质的相对磁导率。根据实验分析，磁介质可分为：1顺磁质 ，如铝、铬、铀等2抗磁质 ，如金、银、铜等3铁磁质 ，如铁、钴、镍等铁磁性物质的磁性随温度的变
2、化而改变。当温度上升到某一温度时，铁磁性材料就由铁磁状态转变为顺磁状态，即失去铁磁性物质的特性，这个温度称之为居里温度，以Tc表示。居里温度是磁性材料的本征参数之一，它仅与材料的化学成分和晶体结构有关，而与晶粒的大小、取向以与应力分布等结构因素无关，因此又称它为结构不灵敏参数。测定铁磁材料的居里温度不仅对磁材料、磁性器件的研究和研制；对工程技术的应用都具有十分重要的意义。2铁磁质的磁化机理 外磁场方向图23-1 无外磁场作用的磁畴 图23-2 在外磁场作用下的磁畴铁磁质的磁性主要来源于自由电子的自旋磁矩，在铁磁质中，相邻原子间存在着非常强的“交换耦合作用，使得在没有外加磁场的情况下，它们的自旋
3、磁矩能在一个个微小的区域内“自发地整齐排列起来，这样形成的自发磁化小区域称之为磁畴。实验证明，磁畴的大小约为，包含有个原子。在没有外磁场作用时，不同磁畴的取向各不一样，如图23-1所示。因此，对整个铁磁物质来说，任何宏观区域的平均磁矩为零，铁磁物质不显示磁性。当有外磁场作用时，不同磁畴的取向趋于外磁场的方向，任何宏观区域的平均磁矩不再为零。当外磁场增大到一定值时，所有磁畴沿外磁场方向整齐排列，此时铁磁质达到磁化饱和，如图23-2所示。由于在每磁畴已排列整齐，因此，磁化后的铁磁质具有很强的磁性。铁磁物质被磁化后具很强的磁性，但这种强磁性是与温度有关的，随着铁磁物质温度的升高、金属点阵热运动加剧，
4、会影响磁畴的有序排列。但在未达到一定温度时，热运动不足以破坏磁畴的平行排列，此时任何宏观区域的平均磁矩仍不为零，物质仍具有磁性，只是平均磁矩随温度升高而减小。当温度达到一定时由于分子剧烈的热运动，磁畴便会瓦解，平均磁矩降为零，铁磁物质的磁性消失而转变为顺磁物质，与磁畴相联系的一系列铁磁性质如高磁导率、磁致伸缩等全部消失，磁滞回线消失，变成直线，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即为居里温度。3实验装置与测量原理信号输入图23-3 JLDII居里温度测试仪原理图由居里温度的定义知，要测定铁磁材料的居里温度，从测量原理上来讲，其测定装置必须具备四个功能：提供使
5、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。JLDII居里点温度测试仪是通过如图23-3所示的系统装置来实现以上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，给其中通入交变电流，提供使环形样品磁化的磁场。将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。图23-4 磁滞回线示意图该装置可通过两种途径来判断样品的铁磁性消失：1通过观察样品的磁滞回线是否消失来判断。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
6、强度H的关系是非线性的，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BH曲线为闭合曲线，称之为磁滞回线，如图23-4所示。当铁磁性消失时，相应的磁滞回线也就消失变成一条直线。因此，测出对应于磁滞回线消失时的温度，就是居里温度。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，因此可用U代表磁场强度H，将其放大后送入示波器的X轴。样品上的线圈L2中会产生感应电动势，由法拉第电磁感应定律知， 感应电动势的大小为： 23-1 式中k为比例系数，与线圈的匝数和截面积有关。将式23-1积分得：
7、 23-2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上感应电动势经过R1C积分电路积分并加以放大处理后送入示波器的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示波器用XY工作方式。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任何区域的平均磁矩称为自发磁化强度，与饱和磁化强度图23-5 感应电动势温度曲线M不随外磁场变化时的磁化强度很接近，可用饱和磁化强度近似代替自发磁化强度，并根据饱和磁化强度随温度变化的特性来判断居里温度。用JLDII装置无法直接测定M，但由电磁学理论知道，当铁磁性物质的温度达到居里温度时，其MT的变化曲线与BT曲线很相似
8、，因此在测量精度要求不高的情况下，可通过测定BT曲线来推断居里温度。即测出感应电动势随温度T变化的曲线，并在其斜率最大处作切线，切线与横坐标温度的交点即为样品的居里温度，如图23-5。四、实验内容与操作方法： 1通过测定磁滞回线消失时的温度测定居里温度1用连线将加热炉与电源箱前面板上的“加热炉相连接；将铁磁材料样品与电源箱前面板上的“样品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上的“传感器接插件对应相接；将电源箱前面板上的“B输出、“H输出分别与示波器上的Y输入、X输入用专用线相连接。2将“升温一降温开关打向“降温。接通电源箱前面板上的电源开关
9、，调节电源箱前面板上的“H调节旋钮，使H较大，调节示波器(工作方式取X-Y模式)，其荧光屏上就显示出磁滞回线。3关闭加热炉上的两风门旋纽方向和加热炉的轴线方向垂直，将温度“测量一设置开关打向“设置，适当设定炉子能达到的最大温度。4将“测量设置开关打向“测量，将“升温一降温开关打向“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，记下磁滞回线变成近似水平的直线时显示的温度值，即测得了居里点温度注意电动势变化较快所对应的温度X围。5将“升温降温开关打向“降温，并打开加热炉上的两风门旋纽方向和加热炉的轴线方向平行，使加热炉降温。2测量感应电动势随温度变化的关系1根据步骤1所测得的居里温
10、度值来设置炉温，其设定值应比步骤1所测得的TC值低2左右。2将“测量设置开关打向“测量，“升温一降温开关打向“升温，这时炉子开始升温，在表中记录感应电动势值随炉温的变化关系。测量时温度从40度开始直至不变为止；感应电动势变化较快时，温度间隔要取小些。反之，如此可以取大些。五、原始数据记录表1 磁滞回线消失时所对应的温度值样品编号TC 表2 感应电动势随温度的变化关系 样品编号：TmVTmV表3 感应电动势与温度的变化关系 样品编号：TmVTmV表4 感应电动势与温度的变化关系 样品编号：TmVTmV六、须知事项：1测量样品的居里点时，一定要让炉温从低温开始升高，即每次要让加热炉降温后再放入样品，这样可防止由于样品和温度传感器响应时间的不同而引起的居里点每次测量值的不同。2在测80以上样品时，温度很高，小心烫伤。七、数据处理1用坐标纸画出T曲线，并在其斜率最大处作切线，切线与横坐标温度的交点即为样品的居里温度Tc。2计算各样品两次测量结果的相对误差。八、问题讨论1什么是居里点温度？在从T曲线上，怎样确定居里温度?2什么是磁滞回线？磁滞回线的面积代表什么？185 / 8
