铁磁材料居里点的测量大物论
铁磁材料居里点的测量
辽宁科技大学 机械工程与自动化学院 机械设计11-A1 毕帅
[摘要]：本文利用居里点测量仪对温敏铁磁样品的居里点温度进行定性测量和定量测量，通过对测量结果的对比发现，采用定性测量和定量测量得到的居里点温度存在一定的差异，并对产生差异的原因进行了简要的分析。
[关键词]：铁磁材料；居里点；测量方法
引言；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，以T c 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。本项研究利用居里点测量仪对温敏铁磁样品的居里点温度进行定性测量和定量测量，并对测量结果产生差异的原因进行了简要的分析。
一、实验原理
1.1基本理论
在铁磁物质中，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10-8m 3
,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。
铁磁物质被磁化后具有很强的磁性，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磁矩的有序排列，但在未达到一定温度时，热运动不足以破坏磁畴磁矩基本平行排列，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k T （k 是玻尔兹曼常数，T 绝对温度）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列铁磁性
图 1 无外磁场作用的磁畴 图 2 在外磁场作用下的磁畴
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 s表示。
同物质的熔点温度一样，对不同的材料其居里温度是不同的，有些高达1000K以上，有些则只有几十到几百开左右。例如钴、铁、镍的居里温度分别为1393K、1043K和631K，而铁氧化体的居里温度则在几十到几百开范围不等。本实验分别采用温区不同的两种装置来测定低、高温铁磁材料的居里温度。1.2磁滞回线
当H增加到一定值时，B的增加十分缓慢，磁化
接近饱和。以H m和H m表示饱和值，H从H m减小时，B
随之减小，但不沿原曲线返回，而沿ab变化。当H减
小为零时，铁磁材料中仍有一定剩磁B r，使磁场反向
增加到-Hc时，B下降为零。继续增加反向磁场到-H m，
B达到负向最大值-B m，使磁场从-B m减小到零，铁磁质
中有负向剩磁- B r，再正向增大磁场到饱和值H m，则
得到闭合曲线abcdefa，称为磁滞回线。铁磁质磁化
状态的变化总是落后于外加磁场变化的性质称为磁
滞。图3 磁滞回线曲线图
1.3磁化性质
一切可被磁化的物质叫作磁介质。磁介质的磁化规律可用磁感应强度B、磁化强度M、磁场强度H来描述，它们满足一定的关系
（1）
式中：x m是磁化率，M为磁化强度，H为磁场强度，B为磁感应强度，μ为磁导率，μ0为真空中磁导率。
磁介质大体可以分为顺磁质、抗磁质和铁磁质三类。但对于不同类型的磁介质，x m和μ的情况很不一样。对于顺磁质，x m＞0，μ＞μ0；对于抗磁质，x m＜0，μ＜μ0。这两类磁介质的磁性都很弱，它们的|x m|＜＜1，μ μ0，而且都是与H无关的常数。而铁磁质的情况要复杂一些，一般说来M与H不成比例，甚至没有单值关系，即M的值不能由H的值唯一确定，它还与磁化的历史有关，所以x m和μ不再为常数。而是H的函数，即x m=x m(H)，μ=μ(H)。铁磁质的x m和μ一般都很大，所以铁磁质属于强磁性介质。
1.4 用示波器测量动态磁化曲线和磁滞回线
图4 测量磁化曲线和磁滞回线电路图
本实验研究的是闭合状的铁磁圆环样品，平均周长为L，励磁线圈的匝数为N1，若磁电流为i1时，在样品内满足安培环路定律HL=N1i1
在示波器横轴的偏转板的输入电压为
这表明横轴输入的u R1大小与磁场强度H成正比。
设样品的截面积为S，匝数为N2的次级线圈中根据电磁感应定律，同样可分析得到电容两端的电压与磁感应强度的关系。
上式表明Y轴输入的大小u C与磁感应强度B成正比。
1.5通过测定磁感应强度随温度变化的曲线来推断样品的居里温度
一般自发磁化强度M S（任何区域的平均磁矩）称为自发磁化强度，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5。
图5 感应电动势~温度曲线
二、实验仪器
JLD-Ⅱ居里点测试仪，ST16型示波器，加热炉和铁磁材料样品。实验装置如图6。
2.1JLD-II型居里点测试仪
它供给了比较多的电压。大致说来有供给示波管里阳极高压及栅极中压，还有放大器的比较低的工作电压及电路里其它部分的所需电压。还有供给加热炉功率较大的电压以及风扇电压。
2.2加热炉
加热炉的作用是给铁磁样品加热，它们结构外形是一个长圆柱形，外壳是不锈钢做的。在炉子上方中间位置开有一个较大的圆形孔，孔的下方（炉子内）有温度传感器把样品环套在传感器上的炉内。
2.3铁磁材料样品
这些样品叫温敏磁环。一共有五种，我们只作三种，每种的居里点不同。它们都做成一个个圆环。圆环上绕有初、次级线圈。圆环尺寸为φ18×8×4（mm）。
图6 实验装置图
三、实验方法
3.1定性观测铁磁质的磁化现象当温度到某一温度磁滞回线消失T c—居里点
（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。
3.2定量测量：测感应电动势（ε）随温度（t/℃）变化的曲线
通过以上分析可知, 当取R 2很大且C 也很大时, M 与ε成正比。居里点就是ε刚好为零时所对应的温度点。通过对ε的测量, 即可定量测出居里点。实验数据如表1所示, 绘出ε~ t 关系如图7所示。从表和图中都可看出, ε随着t 的增大而减小, 到一定温度后趋于稳定, 并不为零。分析其原因, 在实际样品中, 主、副线圈相互绕合在一起, 由于有互感的存在, 即使M= 0, 但感生电动势ε不为零。随着温度的升高, M会逐步减小, ε也会逐步降低, 并最终稳定在一个数值, 从而ε也稳定在一个数值。然而居里点是ε刚好为零时所对应的温度点, 单凭所测数据是无法找到居里点的。但可以在ε~ t 关系图中按照ε的变化趋势找到居里点。在温度达到一定温度以后,ε急剧下降, 按照这个趋势把这段曲线延长到与横轴相交, 此交点就是假定ε刚好降为零所对应的温度点, 即居里点。根据图7所示, 可以判断样品的居里点。
3.3 实验结果分析
经定性测量，当示波器显示屏上磁滞回线变成一条直线时，得到的居里点温度为：
样品一：
样品二：
当定量测量，得到的次级线圈的感应电动势ε与温度T之间的函数关系曲线图（图7）
[参考文献]
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