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1、铁磁材料居里温度测试实验 【 实 验 目的】 1了解铁磁 物质由铁磁性转变为顺磁性的微观机理。 2利用交流 电桥法测定铁磁材料样品的居里温度。 3分析实验 时加热速率和交流电桥输入信号频率对居里温度测试结果的影响。 【实验仪 器 】 FD-FMCT-A 铁 磁材料居里温度测试实验仪，示波器检 【实验原 理 】 一、概述： 磁性材料在 电力、通讯 、电子仪器 、汽车、计 算机和信息 存储等领域 有着十分 广泛的应用， 近年来已成为促进高新技术发展和当代文明进步不可替代的材料， 因 此在大学物理实验开设关于磁性材料的基本性质的研究显得尤为重要。 铁磁性 物质 的磁特 性随 温度的 变化 而改变 ，
2、当 温度上 升至 某一温 度时 ，铁磁 性材 料就由 铁磁状态转变为顺磁状态， 即失掉铁磁性物质的特性而转变为顺磁性物质， 这个温度称为居里温度， 居里温度是表征磁性材料基本特性的物理量， 它 仅与材料的化学成分和晶体结构有关， 几乎与 晶粒的大小、 取向以及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，而且对工程技术的应用都具有十分重要的意义。 本实验 仪根 据铁磁 物质 磁矩随 温度 变化的 特性 ，采用 交流 电桥法 测量 铁磁物 质自 发磁化 消失时的温度， 该方法具有系统结构简单， 性能稳定可靠等优点， 通过对软磁铁
3、氧体材料居里温度的测量， 加深对这 一磁性材料基本特性的理解。 仪器配 有自动采集系统， 可以通 过计算机自动扫描分析 ， 二 、 实 验原理 1铁磁质的 磁化规律 由于外 加磁 场的作 用， 物质中 的状 态发生 变化 ，产生 新的 磁场的 现象 称为磁 性， 物质的 磁性可分为 反铁 磁性（ 抗磁 性） 、顺 磁性 和铁磁 性三 种，一 切可 被磁化 的物 质叫做 磁介 质，在 铁 磁 质 中相邻电 子之 间存在 着一 种很强 的” 交换耦 合“ 作用,在 无 外 磁场的 情况 下，它 们的 自旋磁 矩 能 在 一个个微小区域内 “自发地” 整齐排列起来而形成自发磁化小区域， 称为磁畴。
4、在未经磁化的铁磁质中， 虽然每一磁畴内部都有确定的自发磁化方向， 有很大的磁性， 但大量磁畴的磁化方向各不相同因而整个铁磁质不显磁性。如图 1 所示，给出了多晶磁畴结构示意图。当铁磁质处于外磁场中时，那些自发 磁 化方向和 外 磁场方向 成 小角度的 磁 畴其体积 随 着外加磁 场 的增大而 扩 大并使磁 畴 的 磁化方向进一步转向外磁场方向。 另一些自发磁化方向和外磁场方向成大角度的磁畴其体积则逐渐缩小， 这时铁磁质对外呈现宏观磁性。 当外磁场增大时， 上述效应相应增大， 直到所有磁畴都沿外磁场排列好，介质的磁化就达到饱和。 - 1 -图 1 未加磁 场多晶磁畴结构 图 2 加磁场 时多晶磁
5、畴结构 由于在 每个 磁畴中 元磁 矩已完 全排 列整齐 ，因 此具有 很强 的磁性 。这 就是为 什么 铁磁质 的磁性比顺磁质强得多的原因。 介质里的掺杂和内应力在磁化场去掉后阻碍着磁畴恢复到原来的退磁状态， 这是造成磁滞现象的主要原因。 铁磁性是与磁畴结构分不开的。 当铁磁体受到强烈的震动， 或在高温下由于剧烈运动的影响，磁畴便会瓦解，这时与磁畴联系的一系列铁磁性质（如高磁导率、磁滞等） 全部消失。 对于任何铁磁物质都有这样一个临界温度， 高过这个温度铁磁性就消失， 变为顺磁性，这个临界温度叫做铁磁质的居里点。 在各种 磁介 质中最 重要 的是以 铁为 代表的 一类 磁性很 强的 物质，
6、在化 学元素 中， 除铁之 外，还有过度族中的其它元素 （钴、 镍 ） 和某些稀土族元素 （如镝、 钬） 具有铁磁性。 然而常用的铁磁质多数 是铁 和其它 金属 或非金 属组 成的合 金， 以及某 些包 含铁的 氧化 物（铁 氧体） ， 铁 氧体具 有适于更高频率下工作， 电阻率高， 涡流损耗更低的特性。 软磁铁氧体中的一种是以Fe 2O3为主要成分的氧化物软磁性材料，其一般分子式可表示为MOFe 2O3(尖晶石型铁氧体)，其中M为 2 价金属元素。其自发磁化为亚铁磁性。现在以NiZn铁氧体 等为中心，主要作为磁芯材料。 磁介质 的磁 化规律 可用 磁感应 强度 B 、磁化 强度 M 和磁场
7、强度 H 来描述 ，它 们满足 以下 关系 HHH)1()MH(B000 =+=+=rm（ 1） 式中， 0= 4107H/m为真 空磁导率，m 为磁化率，r 为相对磁导率， 是一个无量纲的系数 为绝对磁导率。 对于顺磁性介质， 磁化率 0m ，r 略大于 1； 对于 抗磁性介质， 0m ，所以， 1r 。 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: HB = ， 而铁磁性介质的 、B 与 H 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 低自发磁化强度越大 图 3 是典型的磁 化曲线 （ B-H 曲线） ， 它
8、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 较小； 而后便随 H 的增 加 B 急剧 增大， 也迅速增加； 最后随 H 增加， B 趋向于饱和， 而此时的 值在到达最大值后又急剧减小 图 3 表明了磁导 率 是磁场H 的函数 从图 4 中可看 到， 磁导率 还是温度的函数， 当温度升高到某个值时， 铁磁质由铁磁状 态转变成顺磁状态，在曲线突变点所对应的温度就是居里温度图2用交流电铁磁材文电桥等，但大多数电桥可归结为如图电感的串联或并联的组合调节电桥的桥臂参数，使得则有 若要上式成立，必须使复数等式的模量和辐角分别相等，于是有 由此可见这是它和直流电桥的主
9、要区别。 。 CT3 磁化曲 线和 H 曲线 图 4 T 曲线 桥测量居里温度 料的 居里温 度可 用任何 一种 交流电 桥测 量交 流电 桥种类 很多 ，如麦 克斯 韦电桥 、欧5 所 示 的四臂阻抗电桥，电桥的四个臂可以是电阻、电容、CD 两点间的 电位差为零，电桥达到平衡，4321ZZZZ= （2） 4321ZZZZ= （3 ） 3241 +=+ （4） ， 交流电桥 平 衡时，除 了 阻抗大小 满 足（3）式 外 ，阻抗的 相 角还要满 足 （ 4）式 ，- 2 -图 5 交流电 桥的基本电路 图 6 RL 交流 电桥 - 3 -本实验采用如图 6 所 示 的 RL 交流电 桥， 在电
10、桥中输入电源由信号发生器提供， 在实验中应适当选择较高的输出频率， 为信号发生器的角频率其中 和 为纯电阻， 和 为电感（包括电感的线性电阻 和 ，FD-FMCT-A 型 铁磁材料居里温度测试实验仪中还接入了一个可调电阻） ，其复阻抗 为 1Z2Z3Z4Z1r2r3R2241132211LjrZLjrZRZRZ +=+=， （ 5） 当电桥平衡时有 )( )(112221LjrRLjrR +=+ （6 ） 实部与虚部分别相等，得 11221122LRRLrRRr =， （ 7） 选择合 适的 电子元 件相 匹配， 在未 放入铁 氧体 时，可 直接 使电桥 平衡 ，但当 其中 一个电 感放入铁氧
11、体后， 电感大小发生了变化， 引起电桥不平衡 随着温度的上升到某一个值时， 铁氧体的铁磁性转变为顺磁性， CD 两点间的电位差发生突变并趋于零， 电桥又趋向于平衡， 这个突变的点对应的温度就是居里温度 可通过桥路电压与温度的关系曲线， 求其曲线突变处的温度， 并分析研究在升温与降温时的速率对实验结果的影响 由于被 研究 的对象 铁氧 体置于 电感 的绕组 中， 被线圈 包围 ，如果 加温 速度过 快， 则传感 器测试温度 将与 铁氧体 实际 温度不 同（ 加温时 ，铁 氧体样 品温 度可能 低于 传感器 温度） ， 这 种滞后 现象在实验中必须加以重视只有在动态平衡的条件下，磁性突变的温度才精
12、确等于居里温度。 三 、 仪 器简介 FD-FMCT-A 铁 磁材料居里温度测试实验仪主要包括主机两台，手提实验箱壹台。 图 7 实验主 机（信号发生器和频率计） 面板说明： （ 1）数字频率 计：显示 信 号发生器 的 输出频率， “ 输入” （红黑 接线座） 可以外部接 入， 测量信 号频 率（如 正弦 波） 。 （ 2） 信 号发生 器： “ 输出” 正弦波 信号 输出端 ，用 Q9连接线连接实验箱， “频 率调节” 调节正弦波频率， 右旋增大。 “幅 度调节” 调节正弦波信 - 4 -号的幅度，右旋增大。 图 8 实验主 机（交流电压表和信号采集系统） 面板说明： （ 1）交流电压 表
13、：测量 交 流电桥输 出 的电压信 号， “输入” （红 黑接线座 ） 外部信号接入， 可以测量交流电压 （如正弦波电压） 。 （ 2） 信 号采集系统： “样品温度” 将温度传感器测得的样品温度信号通过 Q9 连 接线接入信号采集系统，作为测量曲线的横坐标。 “电桥输 出”将电桥输出的交流信号接入信号采集系统， 作为测量 曲线的纵坐标， 同时将 电桥输出的交流信号接入交流电压表。 “串 口输出”通过串口连接线与电脑相连。 图 9 实验箱 （交流电桥和加热器、温度显示装置） 面板说明： “ 加热开关” 控制加热器是否开始加热， “温 度输出” 通过 Q9 连 接线与图2 实验主机中 的 “样品
14、温度” 连接， “加热速率调节” 控制加热器的加热速率， 右旋加热速率增大。 右边两个线圈和电阻以及电位器可以按照左下 “接线示意图” 接成交流电桥。 “接交流电压表”通过 Q9 线与图 2 中 “电桥输出” 相连， “接信号源” 用 Q9 线与 图 1 中信号 发生器 “输出 ”端相连。 实验仪器 相 关参数 1信号发生 器 频率调 节 500Hz1500Hz 幅度调节 2V-10V（ 峰峰值） 2数字频率 计 分辨率 1Hz - 5 -量程 0 9999Hz 3交流电压 表 分辨率 0.001V 量程 0 1.999V 4数字温度 计 量程 0oC1 50oC 分辨率 0.1oC 5铁磁样
15、品 居里温 度分别为 60oC2oC和 80oC2oC 【实验过 程 】 1、 将两个实验主机和手提实验箱按照前面的仪器说明连接起来， 并将实验箱上的交流电桥按照“接线示意图”连接，用串口连接线将实验主机与电脑连接。 2、打开实验 主机，调节交流电桥上的电位器使电桥平衡。 3、 移动电感 线圈， 露出样品槽， 将实验测试铁氧体样品放入线圈中心的加热棒中， 并均匀涂上导热脂， 重新将电感线圈移动至固定位置， 使铁氧体样品正好处于电感线圈中心， 此时电桥不平衡，记录此时交流电压表的读数。 4、 打开加热 器开关， 调节加热速率电位器至合适位置， 观察温度传感器数字显示窗口， 加热过程中， 温度每升高 ， 记录电压表的读数， 这个过程中要仔细观察电压表的读数， 当电压表的
