居里温度的测量.doc

实验十一 居里温度的测量
居里温度是表征磁性材料性质和特征的重要参量，测量磁导率和居里温度的仪器很多，例如磁天平、振动样品磁强计、磁化强度和居里温度测试仪等，测量方法有感应法、谐振法、电桥法等．

【实验目的】

1. 初步了解铁磁性物质由铁磁性转变为顺磁性的微观机理．
2. 学习JZB-1型居里温度测试仪测定居里温度的原理和方法．
3. 学会测量不同铁磁样品居里点的方法．

【实验原理】

磁性是物质的一种基本属性，从微观粒子到宏观物体，以至宇宙天体，无不具有某种程度的磁性，只是其强弱程度不同而已，这里说的磁性是指物质在磁场中可以受到力或力矩作用的一种物理性质。使物质具有磁性的物理过程叫做磁化，一切可以被磁化的物质都叫做磁介质．磁介质的磁化规律可用磁感应强度、磁化强度、磁场强度来描述，当介质为各向同性时，它们满足下列关系：
（1）
其中，称为相对磁导率，是个无量纲的量．为了简便，常把简称为介质磁导率，称为磁化率，称为真空磁导率，称为绝对磁导率．．
在真空中时，和中只需一个便可完全描述场的性质．但在介质内部，和是两个不同的量，究竟用还是用来作为描述磁场的本征量，根据磁场的性质有各种不同的表现来选择．因为和两者描述了不同情况下磁场的性质，它们都是描述磁场性质的宏观量，都是真正的物理量．在某些问题中，比如在电磁感应、霍尔效应、测量地磁水平分量等问题中，由于起作用的是磁通量的时间变化率，牵涉到的是；而如果考虑材料内部某处磁矩所受的作用时，起作用的就是，比如求退磁能及磁矩所做的功等。
从的关系看，表面上与是线性的，但实际上，由于是一个与值有关的量，而值又与温度、磁化场有关，所以是一个复杂的量，不能简单地从与的形式上来判断它们之间是线性的，或是非线性的关系．
磁体在磁性质上有很大的不同，从实用的观点，可以根据磁体的磁化率大小和符号来分为五个种类。
(1)抗磁性：是一种原子系统在外磁场作用下，获得与外磁场方向反向的磁矩的现象。某些物质当它们受到外磁场作用后，感生出与方向相反的磁化强度，其磁化率。这种物质称为抗磁性物质。
(2)顺磁性：许多物质在受到外磁场作用后，感生出与磁化磁场同方向的磁化强度，其磁化率，但数值很小，仅显示微弱磁性。这种磁性称为顺磁性。多数顺磁性物质的与温度有密切关系，服从居里定律，即
（2）
式中，为居里常数；为绝对温度。然而，更多的顺磁性物质的与温度的关系，遵守居里－外斯定律，即
（3）
式中，为临界温度，称为顺磁居里温度。
(3)反铁磁性：另有一类物质，当温度达到某个临界值(奈耳温度)以上，其磁化率与温度的关系与正常顺磁性物质的相似，服从居里－外斯定律，但是，表现出在式(3)中的常小于零。当<时，磁化率不是继续增大，而是降低，并逐渐趋于定值。所以，这类物质的磁化率在温度等于的地方存在极大值。显然，是个临界温度，它是奈耳发现的，被命名为奈耳温度。上述磁性称为反铁磁性。
(4)铁磁性：这种磁性物质和前述磁性物质大不相同，它们只要在很小的磁场作用下就能被磁化到饱和，不但磁化率，而且数值大到10~106数量级，其磁化强度与磁场强度之间的关系是非线性的复杂函数关系。反复磁化时出现磁滞现象，物质内部的原子磁矩是按区域自发平行取向的。上述类型的磁性称为铁磁性。铁磁性物质的磁特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，并服从居里－外斯定律，即

式中，仍然是居里常数。
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。
(5)亚铁磁性：除了上面四种物质具有的磁性以外，另有一类物质，它们的宏观磁性与铁磁性相同，仅仅是磁化率的数量级稍低一些，大约为1~103数量级。它们的内部磁结构却与反铁磁性的相同，但相反排列的磁矩不等量。所以，亚铁磁性是未抵消的反铁磁性结构的铁磁性。

【实验仪器】

JZB-1型居里温度测试仪包括加热装置、控温及测温装置、磁化及测试装置。

【实验内容】

1. 仔细阅读仪器使用说明，熟悉仪器各部分功能。
2. 测量Nd-Fe-B样品的居里温度。
3. 测量Ni升温过程和降温过程的M-T曲线。

【数据处理】

描绘磁化强度M－温度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。

【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人样品，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℃以上样品时，温度很高，小心烫伤。
3. 注意控制升温速率

【思考题】

1. 如何测量居里温度？
2. 在本实验中有哪些因素会影响测量结果?
3．为什么样品温度达到了以上，而磁化强度测量仍然不是零？

【仪器描述】

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。但由于有些永磁材料的饱和磁化需要很强的外磁场（如钕铁硼永磁材料，其饱和磁化的外场达4~5T以上），室温下的直流磁场在4T以上是很难实现的，设备庞大，造价昂贵，测量饱和磁化强度与温度的关系曲线就变得非常困难，可以利用样品在某一外场作用下的磁化强度与温度的关系曲线来替代，通过大量的实验证明，其与饱和磁化强度与温度的关系曲线基本一致。因此，在测量精度要求不高的情况下，可通过测定样品在某一场磁化下的磁化强度随温度变化曲线来确定居里温度。
测量装置图：

一、 磁化强度M的测量
将样品放在永磁铁构成的磁场中央，在其样品附近放置一对轴线与磁场平行的探测线圈，如上图，样品在磁场中被磁化，即有一磁矩，当样品被突然抽走后，将在探测线圈中感应一个电压，此电压与样品磁矩的微分成正比，即，经过电子积分器积分后，就可获得与样品的磁化强度M成正比的电压了。
二、 温度的测量
温度的测量和显示由控温仪来完成，它可以完成加温、控温、温度的测量和显示以及温度的预置。
控温仪面板图：

温度测量的传感器是由镍铬－康铜材料做成的热电偶。它的温度测量范围在-270~1000℃，它的非线性校正是由控温仪内的单片机来完成的。
仪器的各部分功能及使用方法：
本实验仪器共计两部分：一部分为磁化强度的测量（电子积分器），另一部分为温度控制和测量（温度控制器）。
电子积分器的使用方法：仪器面板上是由信号输入端子、调零旋钮、复位开关、量程开关和显示表头组成，信号输入端将由探测线圈接收到的信号送入仪器内，调零旋钮主要是在无信号输入时，将电子积分器调到漂移最小的工作状态（通过与复位开关互相配合），复位开关主要作用为清零。量程开关是由四组按键开关组成，共分为四档，根据信号的大小选择合适的量程，显示表头是一个三位半的数字电压表，用来显示与磁化强度成正比的电压值。
温度控制器的使用方法：控温仪的功能非常多，我们经常使用的主要是两个功能：温度的预置、温度的显示和测量。
温度预置：通过数据增加和减少键来实现温度的预置，在没有低温的条件下，一般只能预置室温以上的温度，预置的温度值由SV来显示，PV显示的为实测的温度值。
实验操作：
1． 先将测试仪器前面板上的信号输入、温度输入和后面板的加温输出正确与实验台的三对接线端子连接，切不可将温度输入端子与加温端子接反，否则将烧坏测温传感器。
2． 将样品杆从炉体中拉出，将待测样品装上，再送入炉体内，使其定位销准确进入定位孔，并将其推靠。
3． 打开电源开关，预热数分钟，可进行实验。
4． 首先将清零、测量开关打到测量，通过调节调零电位器先对积分器进行调零，调好后再将开关打到清零等待测量。
5． 控温仪进行温度预置，通过观察给定值显示窗和数据增减键的调整，把温度设置在我们想要到达的温度，温度预置完成后，内部加热电路将自动对炉子加热，直至达到预置温度后即稳定在这一温度值。
6． 当温度平衡1~2分钟后，将清零和测量开关打开，将样品从炉体中央拉出，这时积分器的数字表头示数即为样品在这一温度下的与该样品磁化强度成正比的电压值，记录下温度值、电压值，将开关打到清零，改变温度预置值，达到平衡后，重复上述过程，可以记录下在新的温度下的温度值和电压值，一直测到转变温度以上。

测量要求：
对于Ni样品从室温开始，每隔20℃测量一点，当温度达到300℃时，每隔10℃测量一点，达到340℃时，每隔5℃测量一点，测至380℃止。对于Nd-Fe-B样品，由于此样品为永磁材料，它的矫顽力非常高，几乎无法在饱和磁化状态下进行居里温度的测量，本实验是采取热退磁后，低场下的测量，测量的居里温度和曲线与理论曲线没有什么差别。所以，实验之前，已将样品经过热退磁了（即将样品加热至居里温度以上，使其失去磁性）。Nd-Fe-B样品从室温开始，每隔20℃测量一点，当温度达到260℃时，每隔10℃测量一点，测量至380℃为止。

参考文献
[1]赵凯华，陈熙谋著．电磁学，下，第二版．高等教育出版社．1992
[2]沙振舜，黄润生主编．新编近代物理实验．南大出版社．2002
[3]铁磁学．南京大学物理系．1995

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