铁磁性材料居里温度的测试
铁磁材料的居里点的测定
铁磁材料的居里点的测定铁磁材料居里点的测定铁磁材料（又称铁氧体）是铁和其它一种或多种适当的金属元素的复合氧化物。
按磁滞回线的形状来分，有软磁材料，硬磁（又叫永久磁性）材料。
铁磁材料在工业上，尤其在电力工业上应用最为广泛，如制造发电机、电动机及电力输送变压器上的永久磁铁和硅钢片。
我们日常用的家电里有收音机中的天线棒，中周变压器，电视机中的回扫变压器，录象机中的磁头、磁鼓。
计算机中的记忆元件、逻辑元件、扬声器以及电话机中都有磁性材料。
铁磁材料在尖端技术和国防科技中应用也很多，如雷达、微波多路通讯、自动控制、射电天文望远镜、远程操纵等。
图1铁磁材料居里点（又称居里温度）是铁磁材料的一个重要的物理性质。
根据电磁学，我们知道：xm?M （1）HB （2）H????(1?xm)?0 （3）上面三式里的xm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，xm和μ的情况很不一样。
对于顺磁质，xm＞0，μ＞μ0；对于抗磁质，xm＜0，μ＜μ0。
这两类磁介质的磁性都很弱，它们的|xm|＜＜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xm和μ不再为常数。
而是H的函数，即xm=xm(H)，μ=μ(H)。
铁磁质的xm和μ一般都很大，所以铁磁质属于强磁性介质。
以铁为代表的一类磁性很强的物质叫铁磁质。
在纯化学元素中，除铁之外，还有过渡族中的其它元素，如钴、镍和某些稀土族元素如钆、镝、钬都具有铁磁性。
但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）。
当磁化场H=0的时候处于未磁化状态。
这相当于坐标原点。
在逐渐增加磁化场H的过程中，B随之增加。
开始B增加得较慢一些，然后经过一段急剧增加的过程，又慢下来，再继续增大磁化场时。
铁磁性材料居里温度的测试
实验九铁磁性材料居里温度的测试铁磁性物质的磁性随温度的变化而改变。
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表示。
居里温度是磁性材料的本征参量之一，它仅与材料的化学成分和晶体结温度，以Tc构有关，几乎与晶粒的大小、取向以及应力分布等组织结构因素无关，为组织和结构不敏感参量。
测定铁磁性材料的居里温度不仅对磁性材料、磁性器件的研究和研制，而且对工程技术应用都具有十分重要的意义。
一、数据记录、处理及误差分析1、实验前应列出记录数据的表格（参见表9—1、9—2），记录时准确定出有效数字位数。
注意：要求记录不同样品的（室温）初始（输出）感应电压值。
表9-1磁滞回线消失时所对应的温度值及初始（输出）感应电压值表9-2感应电动势积分值ε'及其对应的温度T值样品编号1 (室温)初始(输出)感应电压325 mV，磁滞回线消失时所对应的温度值65.9 ℃样品编号2 (室温)初始(输出)感应电压327mV，磁滞回线消失时所对应的温度值104.7 ℃样品编号3 (室温)初始(输出)感应电压332 mV，磁滞回线消失时所对应的温度值104.6 ℃T（℃）32 37 42 47 52 57 62 67 72 77 80 ε'（mV）332 331 329 324 318 310 299 287 273 256 245 T（℃）82 84 86 88 90 91 92 93 94 95 96 ε'（mV）237 228 220 210 199 194 187 180 173 165 157T（℃）97 98 99 100 101 102 103 104 104.6105 106ε'（mV）147 136 123 104 72 31 12 6 4 4 2T（℃）109 110 111 112 112.8ε'（mV） 1 1 1 1 02、绘出每个样品的U~T曲线，按照图9—5的方法确定各自的居里点Tc，并与通过示波器观察样品磁滞回线消失温度来确定居里点Tc方法得到的结果进行比较，并加以分析讨论。
铁磁材料居里温度测试
铁磁材料居里温度的测试1．实验数据表格表9-1磁滞回线消失时所对应的温度值：表9-2感应电动势积分值ε'及其对应的温度T值：样品编号1(室温)初始(输出)感应电压328mV，磁滞回线消失时所对应的温度值63.2℃样品编号2 (室温)初始(输出)感应电压425mV，磁滞回线消失时所对应的温度值91.7℃2.各样品的U~T曲线图1 样品1的U—T曲线I n d u c e d v o l t a g e (m v )示波器法测得Tc=图2 样品2的U —T I n d u c e d v o l t a g e (m V )示波器法测得Tc=91.7℃（室温25℃）；U~T 曲线用切线法测得Tc=92.8℃3.实验结果分析：从数据处理的结果可以看出，用示波器观察样品磁滞回线消失温度来确定的居里点Tc 和通过感应电动势随温度变化的曲线来推断居里点温度略有出入，但基本上相等。
4.思考题：（1）、样品的磁化强度在温度达到居里点时发生的微观机理是什么？答：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。
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。
（2）、通过测定感应电动势随温度变化的曲线来推断居里点温度时，为什么要由曲线上斜率最大处的切线与温度轴的交点来确定T C，而不是由曲线与温度轴的交点来确定T C？答：因为温度升高到居里点时，铁磁性材料的磁性才发生突变，所以要在斜率最大处作切线；又因为在居里点附近时，铁磁性已基本转化为顺磁性，故曲线不可能与横坐标相交。
铁磁性材料居里温度的测定
铁磁材料居里温度的测定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Tｃ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。
一、实验目的1.初步了解铁磁性转变为顺磁性的微观机理；2.学习高、低温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.二、仪器用具低温居里点:JLD—Ⅱ型居里温度测试仪,ＧOＳ—6２0型电子射线示波器高温居里点:自制仪器三、实验原理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，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—8m３,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．图1无外磁场作用的磁畴图2在外磁场作用下的磁畴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。
铁磁材料居里点的测定
并求出其居里点。
.
二 、 原理
（一）．基本物理原理 1. 根据磁化的效果，磁介质可划分为三类
（1）顺磁质，这类磁介质磁化后，在介质内的磁场稍有增 强，表明磁化后具有微弱的附加磁场，并与外磁场同方向。
（2）抗磁质，这类磁介质磁化后，在介质内磁场稍有削弱， 表明磁化后具有微弱的附加磁场但与外磁场方向相反。
eff ( B )
的一点即为居里温度TC 。如图19-3
所示。这是因为在居里点，铁磁材
料的磁性发生突变，所以要在斜率
最大处作切线。 又因为在居里点
以上时， 铁磁性己转化为顺磁性 ， 0 且本实验的交变磁场较弱，所以对
ห้องสมุดไป่ตู้
Tc 图19-3
T
顺磁性物质引起的磁化是很弱的,
但有一个很小的值,故无论如何升
高温度，εeff（B）都不会为零。 .
.
如 图 19-l ， 其 中 图 19-l(a) 为 单 晶 磁 畴 结 构 示 意 图 ， 图 19-l(b)为多晶磁畴结构示意图。由图可见在没有外磁场作用 时，在每个磁畴中，原子磁矩已经取向同一方位，但对不同 的磁畴其分子磁矩的取向各不相同，磁畴的这种排列方式 , 使磁体处于最小能量的稳定状态.因此对整个铁磁体来说，任 何宏观区域的总磁矩仍然为零，整个磁体不显磁性。线条为 畴界，箭头为磁畴的磁化方向。
εeff(B)
当 0 ， ef(B f) 0 ,此时温度Tc称居里点。
注意：µ为介质的磁导率，是. 个反映介质磁化特性的物理量。
显然，我们完全可用测出的εeff （B）～T 曲线来确定温度TC 。具体 作法是，先根据实验数据做出εeff
铁磁材料居里温度的测量
四川大学教案
【理、工、医科】
以在小范围内“自发地”排列形成磁畴，不同磁畴内的自发磁化方向各不相同，因
而在宏观上不显磁性。
随着外部磁场加入及不断加大，磁化方向接近磁化场方向的
磁畴增多，介质逐渐显示出宏观磁性；当所有磁畴都按磁化场方向排列时，介质的
铁磁材料受热时，剧烈的热运动会使铁磁质内的磁畴逐渐瓦解，当温度达到居里
点时，磁畴全部瓦解，铁磁性消失变为顺磁性。
型居里点测试仪通过观察铁磁材料磁滞回线的存在与否来测量样品的居里
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由欧姆定律和安培环路定律可导得U H
积分电路知识可导得U B∝B。
这样将磁化电路采
注：教案按授课次数填写，每次授课应填写一份。
重复班授课可不另填写教案。
第2 页。
铁磁性材料居里点的测定
2.实验原理
在磁环上分别绕线圈A，B，并在A线圈上通激励电流，则B线圈上感应电动势的有效值为：
=4.44fNφm(1)
f为频率，N为线圈的匝数，φm为最大磁通。
四、实验装置
1.耐高温绝缘玻璃管2.加热电炉丝3.集成温度传感器4.铁氧铁（被测样品）5.固定架6.印刷板7.提供加热电流的电源部分8.测温显示部分9.激励电源10、感应电流测量部分
实验仪分测量部分和实验部分。
（1）实验部分：如上图所示，包括①被测样品和加热电炉丝；②集成温度传感器；③激励线圈和感应线圈，以上各部分都要装在一个底座上。
（3）集成温度传感器的手枪插头接到面板温度测量的接线柱上。
五、实验内容
对样品逐点测出 —T曲线，并从中求出居里温度TC。
六、实验步骤
1、参照仪器安装步骤，连好实验部分和测量部分。（加温电流暂不接）
2、 —T曲线的测量：
（1）合上测量部分的电源开关，“温度显示”显示出室温温度。“电压显示”显示激励电压或感应电压值。
铁磁性物质的磁化与温度有关，存在一临界温度TC称为居里温度（也称居里点）（如图3）。当温度增加时，由于热扰动影响磁畴内磁矩的有序排列，但在未达到居里温度TC时，铁磁体中分子热运动不足以破坏磁畴内磁矩基本的平行排列，此时物质仍具有铁磁性，仅其自发磁化强度随温度升高而降低。如果温度继续升高达居里点时，物质的磁性发生突变，磁化强度M（实为自发磁化强度）剧烈下降！因为这时分子热运动足以使相邻原子（或分子）之间的交换耦合作用突然消失，从而瓦解了磁畴内磁矩有规律的排列。此时磁畴消失，铁磁性变为顺磁性。
铁磁材料居里点的测定
实验5-8 铁磁材料居里点的测定铁磁材料的居里温度特性在工程技术、家用电器上的应用比较广泛。
测量铁磁材料居里温度的方法很多，例如磁称法、感应法、电桥法和差值补偿法等。
它们都是利用铁磁物质磁矩随温度变化的特性，测量自发磁化消失时的温度。
本实验采用感应法，来测量感应电动势值随温度变化的规律，从而得到居里点T C 。
【实验目的】l ．通过对磁性材料感应电动势随温度升高而下降的现象的观察，初步熟悉铁磁性材料在居里点时由铁磁性变为顺磁性的过程，从而了解磁性材料参数变化的微观机理。
2．用感应法测定磁性材料的εeff(B)～T 曲线，并求出其居里点。
【实验原理】l ．基本物理原理根据磁化的效果，磁介质可划分为三类（1）顺磁质，这类磁介质磁化后，在介质内的磁场稍有增强，表明磁化后具有微弱的附加磁场，并与外磁场同方向。
（2）抗磁质，这类磁介质磁化后，在介质内磁场稍有削弱，表明磁化后具有微弱的附加磁场但与外磁场方向相反。
（3）铁磁质，这类磁介质磁化后，在介质内的磁场显著增强，即磁化后具有很强的与外磁场同方向的附加磁场。
铁、镍、钴、钆、镝及其合金和一些非金属的铁氧体都属于这一类。
铁磁质有广泛的用途，所以它是最重要的一类磁介质。
本实验将对铁磁质的磁化规律及其微观机制进行研究。
在弱磁化场及室温的条件下，顺磁质显示弱磁性。
然而，铁磁质在相同条件下却表现强磁性。
铁磁质的特性不能用一般顺磁质的磁化理论来解释。
因为铁磁性元素的单个原子并不具有任何特殊的磁性。
例如铁原子与铬原子的结构大致相同，但铁是典型的铁磁质，而铬是普通的顺磁质，甚至还可用非铁磁性物质来制成铁磁性的合金。
另一方面，还应注意到铁磁质总是固相的。
这些事实说明了铁磁性与固体的结构状态有关。
铁磁质特殊磁性的现代理论是：在铁磁质中，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。
自发磁化只发生在微小的区域（体积约为10 -8 m 3，其中含有1017～1021个原子）内，这些区域叫做磁畴。
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实验九铁磁性材料居里温度的测试
铁磁性物质的磁性随温度的变化而改变。
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
表示。
居里温度是磁性材料的本征参量之一，它仅与材料的化学成分和晶体结温度，以T
c
构有关，几乎与晶粒的大小、取向以及应力分布等组织结构因素无关，为组织和结构不敏感参量。
测定铁磁性材料的居里温度不仅对磁性材料、磁性器件的研究和研制，而且对工程技术应用都具有十分重要的意义。
一、数据记录、处理及误差分析
1、实验前应列出记录数据的表格（参见表9—1、9—2），记录时准确定出有效数字位数。
注意：要求记录不同样品的（室温）初始（输出）感应电压值。
表9-1磁滞回线消失时所对应的温度值及初始（输出）感应电压值
表9-2感应电动势积分值ε'及其对应的温度T值
样品编号3 (室温)初始(输出)感应电压332 mV，磁滞回线消失时所对应的温度值104.6 ℃
2、绘出每个样品的U~T曲线，按照图9—5的方法确定各自的居里点Tc，并与通过示波器观察样品磁滞回线消失温度来确定居里点Tc方法得到的结果进行比较，并加以分析讨论。
图1-1 试样一的U~T曲线
示波器法测得Tc=65.9℃(室温25℃)
U~T曲线用切线法测得Tc=65.2℃
图1-2 试样二的U~T曲线示波器法测得Tc=104.7℃(室温25℃)
U~T曲线用切线法测得Tc=103.2℃
图1-3 试样三的U~T曲线
示波器法测得Tc=104.6℃(室温25℃)
U~T曲线用切线法测得Tc=103.5℃
答：从数据处理的结果我们可以看出，用示波器观察样品磁滞回线消失温度来确定的居里点Tc比通过感应电动势随温度变化的曲线来推断居里点温度略大，但基本上相等。
影响示波器测量结果的因素有（1）待测样品上的线圈L1、L2互绕在一起有一定的互感，始终存在一定感应电压，使示波器显示的磁滞回线不能准确地反映待测样品的真实磁滞回线的情况。
（2）由于人眼的分辨率的影响，当磁滞回线变为一直线时，人们对形成直线的判断不同，因此在读取磁滞回线消失时的温度时造成误差。
影响通过感应电动势随温度变化的曲线推断居里点温度结果的因素有（1）由于磁芯有温度滞后效应，所以加热速率的快慢对居里点Tc测试结果会略有影响。
（2）在绘制U~T曲线后，切线作图的准确性和坐标点的读取也会对测试结果产生影响。
3、实验数据点在图中要明显点出，画曲线要求做到一笔落成，曲线要光滑、粗细要均匀。
答：请见图1—1、1—2、1—3。
4、对实验现象和误差进行分析讨论。
答：在实验开始时，通过调节示波器，我们可以观察到B~H曲线为一闭合曲线，即磁滞回线。
这是因为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H 的关系不是非线性的，也不是单值的，而且磁化情况还与它以前的磁化历史有关。
开始时，随着温度的升高，感应电动势缓慢降低，在50℃或60℃以后，感应电动势迅速降低，直至为0mV；而磁滞回线随温度的升高逐渐变扁变宽，在某一温度（居里温度）时，磁滞回线消失变成一条直线，这是因为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，这个温度就是居里温度。
在实验数据处理后，用磁滞回线和U~T曲线做切线方法所得到的居里温度Tc不同，所造成的误差可能有，磁滞回线法：（1）待测样品上的线圈L1、L2互绕在一起有一定的互感，始终存在一定感应电压，使示波器显示的磁滞回线不能准确地反映待测样品的真实磁滞回线的情况。
（2）由于人眼的分辨率的影响，当磁滞回线变为一直线时，人们对形成直线的判断不同，因此在读取磁滞回线消失时的温度时造成误差。
U~T曲线做切线法：（1）由于磁芯有温度滞后效应，所以加热速率的快慢对居里点Tc测试结果会略有影响。
（2）在绘制U~T曲线后，切线作图的准确性和坐标点的读取也会对测试结果产生影响。
二、思考题
1.样品的磁化强度在温度达到居里点时发生突变的微观机理是什么？试用磁畴理论进行解释。
答：样品的磁化强度在温度达到居里点时发生突变的微观机理是，铁磁性物质的磁化与温度有关，存在一临界温度Tc称为居里温度（也称为居里点）。
当温度增加时，由于热扰动影响磁畴内磁矩的有序排列，但在未达到居里温度Tc时，铁磁体中分子热运动不足以破坏磁畴内磁矩基本的平行排列，此时物质仍具有铁磁性，仅其自发磁化强度随温度升高而降低。
如果温度继续升高达居里点时，物质的磁性发生突变，磁化强度M（实为自发磁化强度）剧烈下降，因为这时分子热运动足以使相邻原子（或分子）之间的交换耦合作用突然消失，从而瓦解了磁畴内磁矩有规律的排列，此时磁畴消失，铁磁性变为顺磁性。
2.通过测定感应电动势随温度变化的曲线来推断居里点温度时，为什么要由曲线上斜率最大处的切线与温度轴的交点来确定Tc，而不是由曲线与温度轴的交点来确定Tc？
答：在εeff(B)～T曲线斜率最大处作切线，与横坐标轴（温度）相交的一点即为居里温度Tc，
这是因为温度升高到居里点时，铁磁材料的磁性才发生突变，所以要在斜率最大处作切线。
又因为在居里点附近时，铁磁性已基本转化为顺磁性（虽然μ值较小，但仍大于0），故εeff(B)～T曲线不可能与横坐标相交，所以不是由曲线与温度轴的交点来确定Tc。
3.为什么尽可能选择高的“激励电压”，以得到尽可能高的（室温）初始（输出）感应电压（“电压测量”框中显示的数值），可以提高测试结果的精度？
答：因为高的“激励电压”有利于抵抗由互感引起的感应电压的影响，提高测试结果的精度。
另外，由于随温度的升高，感应电动势是减小的，如果初始电压小，则不易观察到温度升高时，电压降低的幅度变化，影响居里温度的确定，因此选择高的“激励电压”有利于获得全面准确的数据，并在绘制U~T曲线时易观察到随温度的降低，感应电动势降低的幅度的变化，有利于作图的准确性和确定居里温度以提高测试结果的精度。
4. 温度升高过程中磁滞回线的变化。
答：随温度升高，磁滞回线逐渐变扁变宽，当达到居里温度时，饱和磁化强度Ms下降到0，铁磁性转变为顺磁性。
温度升高使饱和磁感应强度Bs、剩余磁感应强度Br、矫顽力Hc减小，最终磁滞回线变为一条水平直线。
三、实验感想与体会
通过铁磁性材料居里温度的测试，我们通过示波器观察到了铁磁性材料的磁滞回线，并看到了磁滞回线随温度降低逐渐变扁变宽的趋势，在到达居里温度时，磁滞回线变成一条直线。
在用感应法测定铁磁性材料的εeff(B)～T曲线，观察到感应电动势随温度升高而下降的现象，开始时感应电动势的下降速度较慢，在居里温度附近下降迅速。
我掌握了如何用示波法和感应法测定铁磁性材料的居里温度，并初步了解了铁磁性材料在居里温度有铁磁性转变为顺磁性的微观机理。
在试验过程中熟悉了JLD-III型居里点测试仪的操作。
在实验过程中，我体会到了小组成员相互配合的重要性，一位负责观察，一位负责记录，并在为加热炉的冷却共同作出贡献，既提高了我们的动手和观察的能力，又提高了相互的默契程度。