铁磁材料居里温度测试实验

铁磁材料居里温度测试实验

【实验目的】

1．了解铁磁物质由铁磁性转变为顺磁性的微观机理。

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。

【实验仪器】

FD-FMCT-A铁磁材料居里温度测试实验仪，示波器检

【实验原理】

一、概述：磁性材料在电力、通讯、电子仪器、汽车、计算机和信息存储等领域有着十分广泛的应用，近年来已成为促进高新技术发展和当代文明进步不可替代的材料，因此在大学物理实验开设关于磁性材料的基本性质的研究显得尤为重要。

铁磁性物质的磁特性随温度的变化而改变，当温度上升至某一温度时，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，这个温度称为居里温度，居里温度是表征磁性材料基本特性的物理量，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。

本实验仪根据铁磁物质磁矩随温度变化的特性，采用交流电桥法测量铁磁物质自发磁化消失时的温度，该方法具有系统结构简单，性能稳定可靠等优点，通过对软磁铁氧体材料居里温度的测量，加深对这一磁性材料基本特性的理解。仪器配有自动采集系统，可以通过计算机自动扫描分析，

二、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“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 2O 3为主要成分的氧化物软磁性材料，其一般分子式可表示为MO ·Fe 2O 3(尖晶石型铁氧体)，其中M 为2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

H H H )1()M H (B 000μμμμχμ==+=+=r m （1）

式中，μ0 = 4π⋅10-7H/m 为真空磁导率，m χ为磁化率，r μ为相对磁导率，是一个无量纲的系数．μ

为绝对磁导率。对于顺磁性介质，磁化率0>m χ，r μ略大于1；对于抗磁性介质，0

m χ的绝对值在410-～510-之间，r μ略小于1；而铁磁性介质的1>>m χ，所以，1>>r μ。

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:H B μ=，而铁磁性介质的μ、

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，开始时B 缓慢的增加，此时μ较小；而后便随H 的增加B 急剧增大，μ也迅速增加；最后随H 增加，B 趋向于饱和，而此时的μ值在到达最大值后又急剧减小．图3表明了磁导率μ是磁场H 的函数．从图4中可看到，磁导率μ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C T 。

图3 磁化曲线和H ~μ曲线 图4 T ~μ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CD 两点间的电位差为零，电桥达到平衡，则有

4

3

21Z Z Z Z = （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

4

32

1Z Z Z Z =

（3）

3241ϕϕϕϕ+=+ （4）

由此可见，交流电桥平衡时，除了阻抗大小满足（3）式外，阻抗的相角还要满足（4）式，这是它和直流电桥的主要区别。