杭州电子科技大学：《大学物理》课程实验指导（近代物理）实验05 铁磁材料居里点测试.pdf_大学文库

近代物理实验一一物理实验教学中心实验05铁磁材料居里点测试引言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，即失掉铁磁性物质的特性而转变为顺磁性物质，这个温度称之为居里温度，以T。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品体结构有关，几乎与品粒的大小、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只有十分重要的意义。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学习几D-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。实验原理 1基本理论在铁磁性物质中，相邻原子间存在者非常强的交换耦合作用，这个相互作用促使相邻原子的磁矩平行排列起来，形成一个自发磁化达到饱和状态的区域，这个区域的体积约为 108m,称之为磁畴。在没有外场作用时，不同磁畴的取向各不相同，如图(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，且随着外磁场的增大而增大。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，如图 (2)所示。任何宏观区域的平均磁矩达到最大值，铁磁物质显示出很强的磁性，我们说铁磁物质被磁化了。铁磁物质的磁导率μ远远大于顺磁物质的磁导率。外磁场方十图1无外磁场作用的磁璃图2在外磁场作用下的磁碱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，金属点阵热运动的加刷会影响磁畴矩的有序排列。但在未达到一定温度时，热运动不

近代物理实验 —— 物理实验教学中心实验 05 铁磁材料居里点测试引言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，即失掉铁磁性物质的特性而转变为顺磁性物质，这个温度称之为居里温度，以表示。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，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。 Tc 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 Ⅱ型居里温度测试仪测定居里温度的原理和方法； JLD  3 测定铁磁样品的居里温度。实验原理 1 基本理论在铁磁性物质中，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矩平行排列起来，形成一个自发磁化达到饱和状态的区域，这个区域的体积约为，称之为磁畴。在没有外磁场作用时，不同磁畴的取向各不相同，如图（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，且随着外磁场的增大而增大。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，如图（2）所示。任何宏观区域的平均磁矩达到最大值，铁磁物质显示出很强的磁性，我们说铁磁物质被磁化了。铁磁物质的磁导率μ远远大于顺磁物质的磁导率。 8 3 10 m  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，金属点阵热运动的加剧会影响磁畴矩的有序排列。但在未达到一定温度时，热运动不

近代物理实验一一物理实验教学中心足以破环磁畴磁矩基本的平行排列，此时任何宏观区域的平均磁矩仍不为零，物质仍其有磁性，只是平均磁矩随温度升高而减小，而当与kT(k是玻耳兹曼常数，T是热力学温度) 成正比的热运动能足以破坏题畴磁矩的整齐排列时，磁畴被瓦解，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劣铁磁性质（如高磁导率、磁滞回线磁致伸缩等)全部消失，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点温度。任何区域的平均磁矩称为自发磁化强度，用M,表示。 2测量装置及原理由居里温度的定义知，任何可测定M,或可判断铁破性消失的带有温控的装置都可用来测量居里温度。要测定铁磁材料的居里点温度，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：判晰铁磁物质破性是否消失的判衡装置：测量铁磁物质磁性消失时所对应温度的测温装置。 J儿D-Ⅱ居里点温度测试仪是通过图(3)所示的系统装置来实现以上4个功能的。加热坊风J几DⅡ居里温度测试仪测试原理因待测样品为一环形铁磁材料，其上绕有两个线圈山和 L2,其中山为励磁线圈，给其中通一交变电流，提供使环形样品磁化的磁场。将其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。本装置可通过两种途径来判断样品的铁磁性消失： )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位被外磁场磁化时，其磁感应强度B和磁场强度H的关系不是非线性的，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，即其B(H)曲线为一闭合曲线，称之为磁滞回线，如图(4) 所示。当铁磁性消失时，相应的磁滞回线也就消失了。因此，测出对应于磁滞回线消失时的温度，就测得了居里点温度，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。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：

近代物理实验 —— 物理实验教学中心足以破坏磁畴磁矩基本的平行排列，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。而当与 kT （是玻耳兹曼常数，T 是热力学温度）成正比的热运动能足以破坏磁畴磁矩的整齐排列时，磁畴被瓦解，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劣铁磁性质（如高磁导率、磁滞回线、磁致伸缩等）全部消失，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点温度。任何区域的平均磁矩称为自发磁化强度，用 k Ms 表示。 2 测量装置及原理由居里温度的定义知，任何可测定 Ms 或可判断铁磁性消失的带有温控的装置都可用来测量居里温度。要测定铁磁材料的居里点温度，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图（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，其中为励磁线圈，给其中通一交变电流，提供使环形样品磁化的磁场。将其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。 L1 L2 L1 本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 和磁场强度的关系不是非线性的，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，即其 H B( ) H 曲线为一闭合曲线，称之为磁滞回线，如图（4）所示。当铁磁性消失时，相应的磁滞回线也就消失了。因此，测出对应于磁滞回线消失时的温度，就测得了居里点温度。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。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，将其放大后送入示波器的 H X 轴。样品上的线圈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： L2

近代物理实验一一物理实验教学中心 (1) 式中k为比例系数，与线圈的匝数和截面积有关。将式(1)积分得： 8=s血 (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R2C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一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M与饱和磁化强度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，并根据饱和破化强度随温度变化的特性来判断居里温度。用几D-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。即测出感应电动势的积分电压U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。实验仪器 JLD-Ⅱ型居里温度测试仪，10M或20M示波器实验内容 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，将电源箱前面板上的“H调节”旋钮调到最大，适当调节示波器，其荧光屏上就显示出了磁滞回线。 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“测量一设置”开关打向“设置”，适当设定炉温。 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，记下磁滞回线消失时数显表显示的温度值，即测得了居里点温度。 5)将“升温降温”开关打向“降温”，并打开加热炉上的两风门，使加热炉降温。 2测量感应电动势随温度变化的关系 )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T值低 10℃左右

近代物理实验 —— 物理实验教学中心 dt dB k dt d    （1）式中 k 为比例系数，与线圈的匝数和截面积有关。将式（1）积分得：   dt k B  1 （2）可见，样品的磁感应强度 B 与上的感应电动势的积分成正比。因此，将上感应电动势经过 L2 L2 R2C 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 与饱和磁化强度 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。即测出感应电动势的积分电压U 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。实验仪器 JLD  Ⅱ型居里温度测试仪，10M 或20M 示波器。实验内容 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—降温”开关打向“降温”。接通电源箱前面板上的电源开关，将电源箱前面板上的“ H 调节”旋钮调到最大，适当调节示波器，其荧光屏上就显示出了磁滞回线。 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“测量—设置”开关打向“设置”，适当设定炉温。 4) 将“测量-设置”开关打向“测量”，将“升温—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，记下磁滞回线消失时数显表显示的温度值，即测得了居里点温度。 5) 将“升温-降温”开关打向“降温”，并打开加热炉上的两风门，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 10℃左右