铁磁材料居里点的测定课件

铁铁磁材料居里点的磁材料居里点的测测定定 目目前前高高校校所所使使用用的的大大学学物物理理教教材材中中都都较较详详细细地地介介绍绍了了铁铁磁磁材材料料的的一一些些特特殊殊性性质质，如如存存在在居居里里温温度度等等。并并用用较较成成熟熟的的磁磁畴畴理理论论来来说说明明铁铁磁磁材材料料磁磁化化特特性性的的内内在在根根据据。在在科科技技时时代代，铁铁磁磁材材料料的的居居里里温温度度特性在工程技特性在工程技术术，家用，家用电电器上的器上的应应用越来越广泛。用越来越广泛。测测量量铁铁磁磁材材料料居居里里温温度度的的方方法法很很多多，例例如如磁磁称称法法、感感应应法法、电电桥桥法法和和差差值值补补偿偿法法等等。它它们们都都是是利利用用铁铁磁磁物物质质磁磁矩矩随随温温度度变变化化的的特特性性，测测量量自自发发磁磁化化消消失失时时的的温温度度。本本实实验验采采用用感感应应法法，来来测测量量感感应应电电动动势势值值随温度随温度变变化的化的规规律，从而得到居里点律，从而得到居里点TC。-铁磁材料居里点的测定 目前高校所使用的大1 一、一、目的目的 l l通通过过实实验验中中对对磁磁性性材材料料感感应应电电动动势势随随温温度度升升高高而而下下降降的的现现象象的的观观察察，初初步步熟熟悉悉铁铁磁磁性性材材料料在在居居里里点点时时由由铁铁磁磁性性变变为为顺顺磁磁性性的的过过程程，从而了解磁性材料参数从而了解磁性材料参数变变化的微化的微观观机理。机理。2 2用用感感应应法法测测定定磁磁性性材材料料的的eff(B)eff(B)T T 曲曲线线，并求出其居里点。并求出其居里点。-一、目的-2 二二 、原理原理 （一）（一）基本物理原理基本物理原理 1.1.根据磁化的效果，磁介根据磁化的效果，磁介质质可划分可划分为为三三类类 （1 1）顺顺磁磁质质，这这类类磁磁介介质质磁磁化化后后，在在介介质质内内的的磁磁场场稍稍有有增增强强，表明磁化后具有微弱的附加磁，表明磁化后具有微弱的附加磁场场，并与外磁，并与外磁场场同方向。同方向。（2 2）抗抗磁磁质质，这这类类磁磁介介质质磁磁化化后后，在在介介质质内内磁磁场场稍稍有有削削弱弱，表明磁化后具有微弱的附加磁表明磁化后具有微弱的附加磁场场但与外磁但与外磁场场方向相反。方向相反。（3 3）铁铁磁磁质质，这这类类磁磁介介质质磁磁化化后后，在在介介质质内内的的磁磁场场显显著著增增强强，即即磁磁化化后后具具有有很很强强的的与与外外磁磁场场同同方方向向的的附附加加磁磁场场。铁铁、镍镍、钴钴、钆钆、镝镝及及其其合合金金和和一一些些非非金金属属的的铁铁氧氧体体都都属属于于这这一一类类。铁铁磁磁质质有有广广泛泛的的用用途途，所所以以它它是是最最重重要要的的一一类类磁磁介介质质。本本实实验验将将对铁对铁磁磁质质的磁化的磁化规规律及其微律及其微观观机制机制进进行研究。行研究。-二、原理-3 在在弱弱磁磁化化场场及及室室温温的的条条件件下下，顺顺磁磁质质显显示示弱弱磁磁性性。然然而而，铁铁磁磁质质在在相相同同条条件件下下却却表表现现强强磁磁性性。铁铁磁磁质质的的特特性性不不能能用用一一般般顺顺磁磁质质的的磁磁化化理理论论来来解解释释。因因为为铁铁磁磁性性元元素素的的单单个个原原子子并并不不具具有有任任何何特特殊殊的的磁磁性性。例例如如铁铁原原子子与与铬铬原原子子的的结结构构大大致致相相同同，但但铁铁是是典典型型的的铁铁磁磁质质，而而铬铬是是普普通通的的顺顺磁磁质质，甚甚至至还还可可用用非非铁铁磁磁性性物物质质来来制制成成铁铁磁磁性性的的合合金金。另另一一方方面面，还还应应注注意意到到铁铁磁磁质质总总是是固固相相的的。这这些些事事实实说说明明了了铁铁磁磁性与固体的性与固体的结结构状构状态态有关。有关。-在弱磁化场及室温的条件下，顺磁质显示弱磁性。然而，4 2.2.铁铁磁材料的微磁材料的微观观机制：机制：磁磁畴畴：铁铁磁磁质质特特殊殊磁磁性性的的现现代代理理论论是是:在在铁铁磁磁质质中中，相相邻邻原原子子间间存存在在着着非非常常强强的的交交换换耦耦合合作作用用，这这个个相相互互作作用用促促使使相相邻邻原原子子的的磁磁矩矩平平行行排排列列起起来来，形形成成一一个个小小的的自自发发磁磁化化达达到到饱饱和和状状态态的的区区域域。自自发发磁磁化化只只发发生生在在微微小小的的区区域域(体体积积约约为为1010 -8-8 m m 3 3，其其中中含含有有10101717一一10102121个个原原子子)内，内，这这些区域叫做磁畴。些区域叫做磁畴。-2.铁磁材料的微观机制：-5 图19 1 如如图图19-l19-l，其其中中图图19-l(a)19-l(a)为为单单晶晶磁磁畴畴结结构构示示意意图图，图图19-l(b)19-l(b)为为多多晶晶磁磁畴畴结结构构示示意意图图。由由图图可可见见在在没没有有外外磁磁场场作作用用时时，在在每每个个磁磁畴畴中中，原原子子磁磁矩矩已已经经取取向向同同一一方方位位，但但对对不不同同的的磁磁畴畴其其分分子子磁磁矩矩的的取取向向各各不不相相同同，磁磁畴畴的的这这种种排排列列方方式式 ,使使磁磁体体处处于于最最小小能能量量的的稳稳定定状状态态.因因此此对对整整个个铁铁磁磁体体来来说说，任任何何宏宏观观区区域域的的总总磁磁矩矩仍仍然然为为零零，整整个个磁磁体体不不显显磁磁性性。线线条条为为畴畴界，箭界，箭头为头为磁畴的磁化方向。磁畴的磁化方向。-图19 1 6 在在外外磁磁场场作作用用下下，磁磁矩矩与与外外磁磁场场同同方方向向排排列列的的磁磁畴畴的的磁磁能能低低于于磁磁矩矩与与外外磁磁场场反反向向排排列列的的磁磁畴畴的的磁磁能能。结结果果是是自自发发磁磁化化磁磁矩矩与与外外磁磁场场成成小小角角度度的的磁磁畴畴体体积积不不断断扩扩大大；自自发发磁磁化化磁磁矩矩与与外外磁磁场场成成大大角角度度的的磁磁畴畴体体积积不不断断缩缩小小。随随着着外外磁磁场场的的不不断断增增强强，取取向向与与外外磁磁场场成成大大角角度度的的磁磁畴畴全全部部消消失失，留留存存的的磁磁畴畴将将不不同同程程度度地地转转向向外外磁磁场场方方向向。以以后后再再继继续续增增加加外外磁磁场场，磁磁矩矩继继续续转转向向外外磁磁场场，最最后后使使所所有有磁磁畴畴全全部部沿沿外外磁磁场场排排列列，这这时时磁磁化化达达到到饱饱和和，图图19-219-2是是某某单单晶晶磁磁化化过过程程的的示示意意图图。可可见见饱饱和和时时，介介质质的的磁磁化化强强度度等等于于每每个个磁磁畴畴中中原原来来的的磁磁化化强强度度，铁铁磁磁质质的的磁磁化化强强度度是是非非常常大大的的，外外磁磁场场不不是是像像对对顺顺磁磁质质那那样样，只只是是使使单单个个原原子子、分分子子转转向向；而而是是使使整整个个磁磁畴畴转转向向。这这就就是是为为什什么么铁铁磁磁质质磁磁化化后后的的磁磁场场要要比一般的比一般的顺顺磁磁质质强强得多的原因。得多的原因。图图19-2 19-2 铁铁磁磁质质磁化磁化时时磁畴的磁畴的变变化化-在外磁场作用下，磁矩与外磁场同方向排列的磁畴的磁能低于磁73.铁铁磁磁质质的的磁化磁化规规律律(B(B和和H H之之间间的依的依赖赖关系关系)（1 1）起始磁化曲起始磁化曲线线：BHoabcd 从未磁化到从未磁化到饱饱和磁化的和磁化的这这段曲段曲线线 O a b c d，称称为铁为铁磁磁质质的起始磁化曲的起始磁化曲线线，在起始磁化，在起始磁化过过程中，程中，B和和H 的关系是非的关系是非线线性的，但是两个量的性的，但是两个量的值值却一一却一一对应对应。-3.铁磁质的磁化规律(B和H之间的依赖关系)BHoabcd8（2）磁滞回）磁滞回线线：Bddo 由由图图看出：看出：铁铁磁磁质质的磁化的磁化曲曲线线是一条具有方向性的是一条具有方向性的闭闭合合曲曲线线；并且；并且B与与H 的的值值不具有不具有对应对应关系，同一个关系，同一个H 可可对应对应几几个不同的个不同的B 值值，B 总总是落后是落后H的的变变化，此化，此现现象叫做磁滞象叫做磁滞;闭闭合曲合曲线线（BH 曲曲线线）成）成为铁为铁磁磁质质的磁滞回的磁滞回线线。-（2）磁滞回线：Bddo 由图看出：铁磁质的94.热热运运动动 居里点居里点 热热运运动动是是磁磁矩矩有有序序排排列列的的破破坏坏者者。因因此此，强强烈烈的的振振动动或或者者温温度度过过高高造造成成的的剧剧烈烈热热运运动动都都能能造造成成磁磁畴畴的的瓦瓦解解，从从而而使使铁铁磁磁质质变变成成顺顺磁磁性性。实实验验证证明明，对对于于每每种种铁铁磁磁质质的的确确存存在在一一临临界界温温度度T TC C 称称为为居居里里温温度度(也也称称居居里里点点)。当当高高于于这这一一温温度度时时，铁铁磁磁性性就就将将消消失失。比比如如纯纯铁铁的的居居里里温温度度是是770770 o oC C，纯纯镍镍是是350350 o oC C。当当温温度度增增加加时时，由由于于热热扰扰动动影影响响磁磁畴畴内内磁磁矩矩的的有有序序排排列列，但但在在未未达达到到居居里里温温度度T T C C时时，铁铁磁磁体体中中分分子子热热运运动动不不足足以以破破坏坏磁磁畴畴内内磁磁矩矩基基本本的的平平行行排排列列，此此时时，物物质质仍仍具具有有铁铁磁磁性性，而而其其自自发发磁磁化化强强度度随随温温度度升升高高而而降降低低。如如果果温温度度继继续续升升高高达达居居里里点点时时，物物质质的的磁磁性性发发生生突突变变，磁磁化化强强度度M M(实实为为自自发发磁磁化化强强度度)剧剧烈烈下下降降!因因为为这这时时分分子子热热运运动动足足以以使使相相邻邻原原子子(或或分分子子)之之间间的的交交换换耦耦合合作作用用突突然然消消失失，从从而而瓦瓦解解了了磁磁畴畴内内磁磁矩矩有有规规律律的的排排列列，此此时时磁磁畴畴消消失失，铁铁磁磁性性变变为为顺顺磁磁性。性。使使铁铁磁磁质丧质丧失其失其铁铁磁性的磁性的临临界温度。叫做居里点。界温度。叫做居里点。磁磁畴畴的的出出现现或或消消失失，伴伴随随着着晶晶格格结结构构的的改改变变，所所以以是是一一个个相相变变过过程程。居居里里点点就是就是发发生相生相变变的温度，它和熔点一的温度，它和熔点一样样，因物，因物质质的不同而不同。的不同而不同。-4.热运动 居里点 热运动是磁矩有序排列的破10(二二)实验实验原理原理 居里点的居里点的 测测定定 如如图图所示所示:用用铁铁磁性材料磁性材料(铁铁氧体氧体)做做成成 的的 磁磁环环上分上分别绕线别绕线圈圈 A、B，在，在A 线线圈（初圈（初级级)上通激励上通激励电电流流 ，则则B 线线圈（次圈（次级级）上）上产产生的生的 感感应电动势应电动势的有的有效效值为值为：式中式中Hm是磁是磁场场强强度的幅度的幅值值，当激励，当激励电电流流稳稳定且按正弦定且按正弦变变化化时时，则则Hm恒定，由此得：恒定，由此得：此此时时温度温度Tc称居里点。称居里点。注意：注意：为为介介质质的磁的磁导导率，是个反映介率，是个反映介质质磁化特性的物理量。磁化特性的物理量。IBAI-(二)实验原理 居里点的 测定 如图所示:用铁磁11 显显然，我然，我们们完全可用完全可用测测出的出的eff（B）T 曲曲线线来确定温度来确定温度TC 。具。具体作法是，先根据体作法是，先根据实验实验数据做出数据做出eff（B）T T 曲曲线线，然后在曲，然后在曲线线斜率斜率最大最大处处作其切作其切线线，该该切切线线与横与横轴轴相相交的一点即交的一点即为为居里温度居里温度T TC C 。如。如图图19-3 19-3 所示。所示。这这是因是因为为在居里点，在居里点，铁铁磁材料的磁性磁材料的磁性发发生突生突变变，所以要，所以要在斜率最大在斜率最大处处作切作切线线。又因又因为为在居在居里点以上里点以上时时，铁铁磁性己磁性己转转化化为顺为顺磁磁性性 ，且本，且本实验实验的交的交变变磁磁场较场较弱，弱，所以所以对顺对顺磁性物磁性物质质引起的磁化是很引起的磁化是很弱的弱的,但有一个很小的但有一个很小的值值,故无故无论论如如何升高温度，何升高温度，eff（B）都不会都不会为为零。零。图19-3TcT0-显然，我们完全可用测出的eff（B）12三、三、实验仪实验仪器器居里点居里点实验仪实验仪（参（参阅仪阅仪器使用器使用说说明明书书）1.集成温集成温度度传传感器；感器；2.被被测样测样品和加品和加热电热电 炉炉丝丝；3.激励激励线线圈和感圈和感应线应线 圈。圈。123-三、实验仪器 1.集成温度传感器；123-13四、内容与步四、内容与步骤骤 1 1、熟悉居里点熟悉居里点实验仪实验仪的基本的基本组组成和各旋成和各旋钮钮的作用，把温控的作用，把温控旋旋钮钮旋至最小，旋至最小，电压电压旋旋钮钮旋至最小。旋至最小。2 2、按照面板上接、按照面板上接线线柱和柱和连线连线的的颜颜色及相色及相应应的提示符号接的提示符号接线线，打开打开电电源开关。源开关。3 3、调节电压调节电压旋旋钮钮 (开关开关应拨应拨在感在感应电压应电压一端一端)使感使感应电压应电压增增大至大至4OmV4OmV左右，左右，对铁对铁氧体加温。在加温氧体加温。在加温过过程中，程中，观观察感察感应电应电压压随温度逐随温度逐渐渐升高所升高所发发生的生的变变化，并化，并记录记录数据。数据。注注意意：由由于于在在低低温温（大大约约5050度度以以下下），感感应应电电压压随随温温度度的的升升高高变变化化的的较较慢慢，而而当当温温度度逐逐渐渐升升高高(50(50度度以以上上时时)，随随温温度度的的变变化化，感感应应电电压压的的变变化化非非常常灵灵敏敏。故故在在实实验验时时，要要密密切切关关注注温温度度升升高高对对感感应应电电压压变变化化的的影影响响，随随时时适适当当地地调调节节升升温温速速度度，从从而而记记录录一一组组较较为为准准确确的的数数据据。在在初初始始加加温温时时，升升温温速速度度可可稍稍快快一一点点，温温度度数数据据的的跨跨度度亦亦可可稍稍大大一一点点，在在温温度度较较高高时时，可可适适当当调节调节减慢升温速度，并多减慢升温速度，并多记录记录一些数据。直至到达居里点。自一些数据。直至到达居里点。自拟拟表格。表格。-四、内容与步骤-14 4 4、第一、第一组组数据数据测测好后使好后使铁铁氧体降温，再氧体降温，再调节电压调节电压旋旋钮钮使感使感应应 电压为电压为80mV 80mV 左右，如左右，如 3 3 那那样样再再记录记录一一组组数据。数据。5、第二、第二组组数据数据测测好，使好，使铁铁氧体降温后，再氧体降温后，再调节电压调节电压旋旋钮钮使使 感感 应电压为应电压为120mV左右，重复左右，重复3再再记录记录一一组组数据。数据。6 6、检查检查数据无数据无误误后，拔下后，拔下连线连线，关，关闭电闭电源。源。7 7、根据、根据记录记录的数据作出三条的数据作出三条eff(B)eff(B)T TC C 曲曲线线并求出居里点。并求出居里点。8、一定要用正、一定要用正规规坐坐标纸标纸作作图图。曲。曲线线要要圆圆滑、滑、线线条条 粗粗细细要均匀。要均匀。9、对实验现对实验现象和象和误误差要差要进进行分析行分析讨论讨论。五、思考五、思考题题：1 1铁铁氧氧体体的的磁磁化化强强度度在在温温度度达达到到居居里里点点时时发发生生突突变变的的微微观观机机 理是什么理是什么?试试用磁畴理用磁畴理论进论进行解行解释释。2 2测测出的出的eff(B)eff(B)T TC C曲曲线线 ，为为什么与横坐什么与横坐标标没有交点没有交点?-4、第一组数据测好后使铁氧体降温，再调节电压旋钮使感应五15 温度温度25感感应电压应电压（mv)温度温度感感应电压应电压（mv)实验实验实验实验数据表格：数据表格：数据表格：数据表格：-温度25感应电压 温度感应电压实验数据表格：-16R Rr rd dR Rr rd d-RrdRrd-17