铁磁材料居里温度测量

1、铁磁材料居里温度测量1、实验目的1. 了解铁磁物质由铁磁性转变为顺磁性的围观机理。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.2、实验仪器1.FD-FMCT-A铁磁材料居里温度测试实验仪；2. 多种居里温度点的铁氧体样品。3.JLD-型居里温度测试仪4.10M 或 20M 示波器3、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”

2、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。 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

3、的磁化就达到饱和。图 1 未加磁场多晶磁畴结构图 2 加磁场时多晶磁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

4、强的物质，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 2 3 为主要成分的氧化物O软磁性材料，其一般分子式可表示为 MO·Fe23尖晶石型铁氧体)，其中M为2O (价金属元素。其自发磁化为亚铁磁性。现在以Ni Zn 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 和磁场强度 H 来描述，它们满足以下关系B0 ( H

5、M ) ( m 1) 0 Hr 0 HH（ 1）式中，H/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m0 ，r 略大于 1；对于抗磁性介质，m 0 ，一般m 的绝对值在 10 4 105 之间，r 略小于 1；而铁磁性介质的 m1 ，所以，r1 。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 : BH ，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），它反映了铁磁质的共同磁化特点：随着H 的增加，开

6、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 TC 。图3 磁化曲线和H曲线图4T曲线2用交流电桥测量居里温度铁磁材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、欧文电桥等，但大多数电桥可归结为如图 5 所示的四臂阻抗电桥，电桥的四个臂可以是电阻、 电容、电感的串联或并联的组合 调节电桥的桥臂参数，使得 C

7、D两点间的电位差为零，电桥达到平衡，则有Z1Z3Z2Z4（ 2）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Z1Z3（ 3）Z2Z41423（4）由此可见，交流电桥平衡时，除了阻抗大小满足（3）式外，阻抗的相角还CCr1Z1Z3R1L1ABABmVmVZ4L 2Z2R2KKr2DD要满足（ 4）式，这是它和直流电桥的主要区别。本实验采用如图6 所示的 RL交流电桥，在电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 Z1 和Z2 为纯电阻， Z 3 和 Z4 为电感（包括电感的线性电阻r1 和 r2 ，FD-FMCT-A型铁磁材料居里温度

8、测试实验仪中还接入了一个可调电阻R3 ），其复阻抗为Z1R1，Z 2R2，Z3r1jL1， Z4r 2jL2（ 5）当电桥平衡时有R1 (r2 j L2 ) R2 (r1 j L1 )（ 6）实部与虚部分别相等，得r2R2r1， L2R2L1（ 7）R1R1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

9、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确等于居里温度。实验内容及主要步骤图 71. 用交流电桥测量空心线圈电感，按图 7 连接导线。2. 将“加热选择”开关置于“断”位置，右侧空心电感线圈中不要插入铁氧体待测样品。3. 接通电源，“频率调节”至 1000Hz ，“量程选择”按钮按下至“ 2000 ”mV档，“幅度调节”旋钮处于约中间位置。4. 调节测量盘使交流电压

10、表显示为 0.25mV 左右，表示电桥平衡。5. 将待测样品涂上导热硅脂插入加热架右侧空心线圈中间的加热铜管中， 此时电桥不平衡电流电压表示值变化，应记录该示值。6. 将“加热选择”开关置于“低”档位置，加热器开始加热，根据但是的室温，设置一个其实加热温度，然后观察温度控制仪数字显示窗口，加热过程中，温度每升高 5 ，记录电压表的读书，这个过程中要仔细观察电压表的读数，直到将就爱热气的温度升高到100 左右为止，关断加热器开关。7.根据记录的数据作V-T 图，计算样品的居里温度。8.测量不同样品或者分别用加温和降温的方法测量，分析实验数据。实验数据及处理1. 实验数据记录(1)室温 25.7(

11、2)信号频率1000 Hz(3) 测试样品：铁氧体样品，居里温度参考值 65 表 1铁氧体样品交流电桥输出电压与加热温度关系T( )4550556061626364656667V(mV)172172172120111907969605346T( )686970758085V(mV)41363217952 作出铁氧体样品的居里温度测量TU 曲线180160140120v100m/U806040200505560657075808545T/ 图 8 铁氧体样品居里温度TU 曲线3. 居里温度判断图 9 居里点判断表 2 铁氧体样品交流电桥输出电压与加热温度关系T( )6065707576777879808182V(mV)177178179179179179177172159137112T( )8384859095100V(mV)907454911作出铁氧体样品的居里温度测量TU 曲线180160140120v100m/U8060402006065707580859095100T/ 分析讨论：1当样品放入炉内加热的过程中，随着炉温的升高，N 的电感量在不断的减少，从电阻 R1 上取出的 H 信号相对的在不断的升高，所以在实验过程中应适当调节 X 轴衰减，使其在示波器上显现出比较理想的磁滞回线。2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测量，