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JLD—II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JLD—II型居里温度测试仪，25M数字存储示波器三、 实验原理1. 磁介质的分类 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B，引入磁介质后，磁介质因磁化而产生附加的磁0场，其磁感应强度为B',在磁介质中总的磁感应强度是B和B'的矢量和，即 0BB = B + B'设卩二,卩称为介质的相对磁导率根据实验分析，磁介质可分为：0 r B r0(1) 顺磁质卩＞ 1，如铝、铬、铀等r(2) 抗磁质 卩＜ 1，如金、银、铜等r(3) 铁磁质卩＞＞ 1，如铁、钻、镍等r铁磁性物质的磁性随温度的变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；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10-12〜10一8m -3，包含有1017〜1021个原子在没有外磁场作用时，不同图23-1无外磁场作用的磁畴 图23-2在外磁场作用下磁畴的取向各不相同，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，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．实验装置及测量原理合曲线，称之为磁滞回线，如图23-4所示当图23-4磁滞回线示意图图23-3 JLD—II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JLD—II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-和L2,其中-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B~H曲线为一闭 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：d6 7 dB匕=— =_k （23-1）dt dt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：1B = ——〕£ dt （23-2）k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X—Y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JLD—II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M (T)的变化曲线与B (T)曲线很相似，因此在测量精度要求不高的情况下，可通过测定B (T)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、实验内容及操作方法：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，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范围)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所测得的居里温度值来设置炉温，其设定值应比步骤1所测得的TC值低2°C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，则可以取大 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 (C)表2感应电动势£随温度的变化关系 样品编号:T (C)£' (mV)T (C)£' (mV)表3感应电动势£与温度的变化关系 样品编号:T (C)£ ' (mV)T (C)£ ' (mV)六、注意事项：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，这样可避免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°C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TC2. 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？。