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1、为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划实验报告居里温度钙钛矿锰氧化物居里温度的测定物理学院1111XX0徐聪摘要：本文阐述了居里温度的物理意义及测量方法，测定了钙钛矿锰氧化物样品在不同实验条件下的居里温度，最后对本实验进行了讨论。关键词：居里温度，钙钛矿锰氧化物，磁化强度，交换作用1.引言磁性材料的自发磁化来自磁性电子间的交换作用。在磁性材料内部，交换作用总是力图使原子磁矩呈有序排列：平行取向或反平行取向。但是随着温度升高，原子热运动能量增大，逐步破坏磁性材料内部的原子磁矩的有序排列，当升高到一定温度时，热运动能和交换作
2、用能量相等，原子磁矩的有序排列不复存在，强磁性消失，材料呈现顺磁性，此即居里温度。不同材料的居里温度是不同的。材料居里温度的高低反映了材料内部磁性原子之间的直接交换作用、超交换作用、双交换作用。因此，深入研究和测定材料的居里温度有着重要意义。2.居里温度的测量方法测量材料的居里温度可以采用许多方法。常用的测量方法有：通过测量材料的饱和磁化强度的温度依赖性得到曲线，从而得到降为零时对应的居里温度。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等。通过测定样品材料在弱磁场下的初始磁导率的温度依赖性，利用霍普金森效应，确定居里温度。通过测量其他磁
3、学量的温度依赖性求得居里温度。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。3.钙钛矿锰氧化物钙钛矿锰氧化物指的是成分为(R是二价稀土金属离子，为一价碱土金属离子)的一大类具有型钙钛矿结构的锰氧化物。理想的型(为稀土或碱土金属离子，为离子)钙钛矿具有空间群为的立方结构，如以稀土离子作为立方晶格的顶点，则离子和离子分别处在体心和面心的位置，同时，离子又位于六个氧离子组成的八面体的重心，如图1(a)所示。图1(b)则是以离子为立方晶格顶点的结构图。一般，把稀土离子和碱土金属离子占据的晶位称为位，而离子占据的晶位称为位。
4、图1钙钛矿结构这些钙钛矿锰氧化物的母本氧化物是La，Mn离子为正二价，这是一种显示反铁磁性的绝缘体，呈理想的钙钛矿结构。早在20世纪5060年代，人们已经发现，如果用二价碱土金属离子(Sr、Ca、Pb等)部分取代三价稀土离子，Mn离子将处于/混合价状态，于是，通过和离子之间的双交换作用，在一定温度(Tp)以下、将同时出现绝缘体金属转变和顺磁性铁磁性转变。随着含Sr量的增加，锰氧化物的RT曲线形状发生明显变化。4.实验仪器描述图2示出了样品和测试线圈支架示意图。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，以消除变
5、温过程中因线圈阻抗发生的变化而造成测试误差。由于两个线圈组的次级是反图2串联相接的，因此其感生电动势是相互抵消的。在温度低于时，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；当温度升到以上时，探测线圈A中的钙钛矿样品呈顺磁性，和补偿线圈中空气的磁性相差无几，反串联的次级线圈感应输出信号强度几乎变为零。因此，在样品温度升高时，在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，由此可以测定居里温度。图3测试系统如图3所示。通过测定1、1两点间电动势的平均值，即可求出样品的磁化强度，理由如下：对于线圈A
6、有B?0H?M对于线圈B有?B?0H根据法拉第电磁感应定律?d?dt分别对线圈A和线圈B有?dHdM?A?0A?dt?dt?其中A是次级螺线管的横截面积，则在1与1两端的电势差为所以而在测量时会对1与1两端的电压求平均，即U?1T?TUdt?0AMT因此对1与1两端电压平均值的测量值，即可反映所测样品中磁化强度M的值。5.实验步骤将上述样品室置于有温控装置的水槽中。按图3连接好相应的线路，并设置锁定放大器的参数：积分时间10ms，放大倍数P=10，A=6，模式为“模值”。开启搅拌器，不断调节水槽的加热温度，保持水与样品室温差为8左右。以每隔为步长，调节频率为1KHz，记录积分电压和对应时刻样品
7、的温度。待超过居里温度后，数据变化平缓后停止实验。6.数据处理与分析按照惯例，将M-T曲线上斜率最大点对应的温度作为居里温度。以下分别作出信号发生器输出频率为时的U-T曲线，并进行多项式拟合。进而求出各点导数，作dU/dT-T图。最后确定导数的极值点。f=1kHzU-T图像为B152025303540A用五次曲线拟合出U-T图像，方程各参数如图，做出曲线的导数图dU/dT-T数据记录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么？试用磁畴理论进行解释。微观机理：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.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
8、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剧烈下降,因为这时分子热运动足以使相邻原子之间的交换耦合作用突然消失,从而瓦解了磁畴内磁矩有规律的排列,此时磁畴消失,铁磁性变为顺磁性.2.铁磁物质的三个特性是什么？铁磁性，顺磁性，和抗磁性3.用磁畴理论解释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么？高温时，铁磁质中自发磁化区域因剧烈的分子热运动而遭到破坏，磁畴随之瓦解，铁磁质的磁性就消失了，过度到顺磁质。4.测出V-T线，为什么与横坐标没有交点？
9、在距离点附近,铁磁性已基本转化为顺磁性,故V-T曲线不可能与横坐标有交点.钙钛矿锰氧化物居里温度的测定摘要：本文阐述了居里温度的物理意义及测量方法，测定了钙钛矿锰氧化物样品在不同实验条件下的居里温度，最后对本实验进行了讨论。关键词：居里温度，钙钛矿锰氧化物，磁化强度，交换作用1.引言磁性材料的自发磁化来自磁性电子间的交换作用。在磁性材料内部，交换作用总是力图使原子磁矩呈有序排列：平行取向或反平行取向。但是随着温度升高，原子热运动能量增大，逐步破坏磁性材料内部的原子磁矩的有序排列，当升高到一定温度时，热运动能和交换作用能量相等，原子磁矩的有序排列不复存在，强磁性消失，材料呈现顺磁性，此即居里温度
10、。不同材料的居里温度是不同的。材料居里温度的高低反映了材料内部磁性原子之间的直接交换作用、超交换作用、双交换作用。因此，深入研究和测定材料的居里温度有着重要意义。2.居里温度的测量方法测量材料的居里温度可以采用许多方法。常用的测量方法有：通过测量材料的饱和磁化强度的温度依赖性得到Ms?T曲线，从而得到Ms降为零时对应的居里温度。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(来自:写论文网:实验报告居里温度)磁化强度的装置，例如磁天平、振动样品磁强计以及SQUID等。通过测定样品材料在弱磁场下的初始磁导率i的温度依赖性，利用霍普金森效应，确定居里温度。通过测量其他磁学量的温度依赖性求得
11、居里温度。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。3.钙钛矿锰氧化物钙钛矿锰氧化物指的是成分为?1?3(R是二价稀土金属离子，A为一价碱土金属离子)的一大类具有ABO3型钙钛矿结构的锰氧化物。理想的ABO3型(A为稀土或碱土金属离子，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Mn06八面体的重心，如图1(a)所示。图1(b)则是以Mn离子为立方晶格顶点的结构图。一般，把稀土离子和碱土金属
12、离子占据的晶位称为A位，而Mn离子占据的晶位称为B位。图1ABO3钙钛矿结构这些钙钛矿锰氧化物的母本氧化物是LaMnO3，Mn离子为正二价，这是一种显示反铁磁性的绝缘体，呈理想的钙钛矿结构。早在20世纪5060年代，人们已经发现，如果用二价碱土金属离子(Sr、Ca、Pb等)部分取代三价稀土离子，Mn离子将处于Mn3+/Mn4+混合价状态，于是，通过和离子之间的双交换作用，在一定温度(Tp)以下、将同时出现绝缘体金属转变和顺磁性铁磁性转变。随着含Sr量的增加，锰氧化物La1?Sr?MnO3的RT曲线形状发生明显变化。4.实验仪器描述图2示出了样品和测试线圈支架示意图。测试线圈由匝数和形状相同的探
13、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，以消除变温过程中因线圈阻抗发生的变化而造成测试误差。由于两个线圈组的次级是反图2串联相接的，因此其感生电动势是相互抵消的。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；当温度升到Tc以上时，探测线圈A中的钙钛矿样品呈顺磁性，和补偿线圈中空气的磁性相差无几，反串联的次级线圈感应输出信号强度几乎变为零。因此，在样品温度升高时，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
14、以测定居里温度Tc。图3测试系统如图3所示。通过测定1、1两点间电动势的平均值，即可求出样品的磁化强度，理由如下：对于线圈A有?B?0H?M?对于线圈B有?B?0H根据法拉第电磁感应定律?d?dt分别对线圈A和线圈B有?dHdM?A?0A?dt?dt?=?0?其中A是次级螺线管的横截面积，则在1与1两端的电势差为U=?所以U=?0?而在测量时会对1与1两端的电压求平均，即U?1T?TUdt?0AMT因此对1与1两端电压平均值的测量值，即可反映所测样品中磁化强度M的值。5.实验步骤将上述样品室置于有温控装置的水槽中。按图3连接好相应的线路，并设置锁定放大器的参数：积分时间10ms，放大倍数P=10，A=6，模式为“模值”。开启搅拌器，不断调节水槽的加热温度，保持水与样品室温差为5左右。以每隔为步长，调节频率分别为1KHz，2KHz，3KHz，记录积分电压和对应时刻样品的温度。待超过居里温度后，数据变化平缓后停止实验。6.数据处理与分析按照惯例，将M-T曲线上斜率最大点对应的温度作为居里温度。以下分别作出信号发生器输出频率为f1=1kHz，f2=2kHz，
