鐵磁材料居里溫度測(cè)試實(shí)驗(yàn)

1、鐵磁材料居里溫度測(cè)試實(shí)驗(yàn)【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?了解鐵磁物質(zhì)由鐵磁性轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾判缘奈⒂^機(jī)理。2利用交流電橋法測(cè)定鐵磁材料樣品的居里溫度。3分析實(shí)驗(yàn)時(shí)加熱速率和交流電橋輸入信號(hào)頻率對(duì)居里溫度測(cè)試結(jié)果的影響。【實(shí)驗(yàn)儀器】FD-FMCT-A鐵磁材料居里溫度測(cè)試實(shí)驗(yàn)儀，示波器檢【實(shí)驗(yàn)原理】一、概述：磁性材料在電力、通訊、電子儀器、汽車、計(jì)算機(jī)和信息存儲(chǔ)等領(lǐng)域有著十分廣泛的應(yīng)用，近年來(lái)已成為促進(jìn)高新技術(shù)發(fā)展和當(dāng)代文明進(jìn)步不可替代的材料，因此在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)開(kāi)設(shè)關(guān)于磁性材料的基本性質(zhì)的研究顯得尤為重要。鐵磁性物質(zhì)的磁特性隨溫度的變化而改變，當(dāng)溫度上升至某一溫度時(shí)，鐵磁性材料就由鐵磁狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾艩顟B(tài)，即失掉鐵磁性物質(zhì)

2、的特性而轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾判晕镔|(zhì)，這個(gè)溫度稱為居里溫度，居里溫度是表征磁性材料基本特性的物理量，它僅與材料的化學(xué)成分和晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)，幾乎與晶粒的大小、取向以及應(yīng)力分布等結(jié)構(gòu)因素?zé)o關(guān)，因此又稱它為結(jié)構(gòu)不靈敏參數(shù)。測(cè)定鐵磁材料的居里溫度不僅對(duì)磁材料、磁性器件的研究和研制，而且對(duì)工程技術(shù)的應(yīng)用都具有十分重要的意義。本實(shí)驗(yàn)儀根據(jù)鐵磁物質(zhì)磁矩隨溫度變化的特性，采用交流電橋法測(cè)量鐵磁物質(zhì)自發(fā)磁化消失時(shí)的溫度，該方法具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)對(duì)軟磁鐵氧體材料居里溫度的測(cè)量，加深對(duì)這一磁性材料基本特性的理解。儀器配有自動(dòng)采集系統(tǒng)，可以通過(guò)計(jì)算機(jī)自動(dòng)掃描分析，二、實(shí)驗(yàn)原理1鐵磁質(zhì)的磁化規(guī)律由于外加磁場(chǎng)的

3、作用，物質(zhì)中的狀態(tài)發(fā)生變化，產(chǎn)生新的磁場(chǎng)的現(xiàn)象稱為磁性，物質(zhì)的磁性可分為反鐵磁性（抗磁性）、順磁性和鐵磁性三種，一切可被磁化的物質(zhì)叫做磁介質(zhì)，在鐵磁質(zhì)中相鄰電子之間存在著一種很強(qiáng)的”交換耦合“作用,在無(wú)外磁場(chǎng)的情況下，它們的自旋磁矩能在一個(gè)個(gè)微小區(qū)域內(nèi)“自發(fā)地”整齊排列起來(lái)而形成自發(fā)磁化小區(qū)域，稱為磁疇。在未經(jīng)磁化的鐵磁質(zhì)中，雖然每一磁疇內(nèi)部都有確定的自發(fā)磁化方向，有很大的磁性，但大量磁疇的磁化方向各不相同因而整個(gè)鐵磁質(zhì)不顯磁性。如圖1所示，給出了多晶磁疇結(jié)構(gòu)示意圖。當(dāng)鐵磁質(zhì)處于外磁場(chǎng)中時(shí)，那些自發(fā)磁化方向和外磁場(chǎng)方向成小角度的磁疇其體積隨著外加磁場(chǎng)的增大而擴(kuò)大并使磁疇的磁化方向進(jìn)一步轉(zhuǎn)向外磁

4、場(chǎng)方向。另一些自發(fā)磁化方向和外磁場(chǎng)方向成大角度的磁疇其體積則逐漸縮小，這時(shí)鐵磁質(zhì)對(duì)外呈現(xiàn)宏觀磁性。當(dāng)外磁場(chǎng)增大時(shí)，上述效應(yīng)相應(yīng)增大，直到所有磁疇都沿外磁場(chǎng)排列好，介質(zhì)的磁化就達(dá)到飽和。圖1 未加磁場(chǎng)多晶磁疇結(jié)構(gòu)圖2 加磁場(chǎng)時(shí)多晶磁疇結(jié)構(gòu)由于在每個(gè)磁疇中元磁矩已完全排列整齊，因此具有很強(qiáng)的磁性。這就是為什么鐵磁質(zhì)的磁性比順磁質(zhì)強(qiáng)得多的原因。介質(zhì)里的摻雜和內(nèi)應(yīng)力在磁化場(chǎng)去掉后阻礙著磁疇恢復(fù)到原來(lái)的退磁狀態(tài)，這是造成磁滯現(xiàn)象的主要原因。鐵磁性是與磁疇結(jié)構(gòu)分不開(kāi)的。當(dāng)鐵磁體受到強(qiáng)烈的震動(dòng)，或在高溫下由于劇烈運(yùn)動(dòng)的影響，磁疇便會(huì)瓦解，這時(shí)與磁疇聯(lián)系的一系列鐵磁性質(zhì)（如高磁導(dǎo)率、磁滯等）全部消失。對(duì)于任何

5、鐵磁物質(zhì)都有這樣一個(gè)臨界溫度，高過(guò)這個(gè)溫度鐵磁性就消失，變?yōu)轫槾判?，這個(gè)臨界溫度叫做鐵磁質(zhì)的居里點(diǎn)。在各種磁介質(zhì)中最重要的是以鐵為代表的一類磁性很強(qiáng)的物質(zhì)，在化學(xué)元素中，除鐵之外，還有過(guò)度族中的其它元素（鈷、鎳）和某些稀土族元素（如鏑、鈥）具有鐵磁性。然而常用的鐵磁質(zhì)多數(shù)是鐵和其它金屬或非金屬組成的合金，以及某些包含鐵的氧化物（鐵氧體），鐵氧體具有適于更高頻率下工作，電阻率高，渦流損耗更低的特性。軟磁鐵氧體中的一種是以Fe2O3為主要成分的氧化物軟磁性材料，其一般分子式可表示為MO·Fe2O3(尖晶石型鐵氧體)，其中M為2價(jià)金屬元素。其自發(fā)磁化為亞鐵磁性?，F(xiàn)在以NiZn鐵氧體等為中心

6、，主要作為磁芯材料。磁介質(zhì)的磁化規(guī)律可用磁感應(yīng)強(qiáng)度、磁化強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度來(lái)描述，它們滿足以下關(guān)系 （1）式中，m0 = 4p×10-7H/m為真空磁導(dǎo)率，為磁化率，為相對(duì)磁導(dǎo)率，是一個(gè)無(wú)量綱的系數(shù)為絕對(duì)磁導(dǎo)率。對(duì)于順磁性介質(zhì)，磁化率，略大于1；對(duì)于抗磁性介質(zhì)，一般的絕對(duì)值在之間，略小于1；而鐵磁性介質(zhì)的，所以，。對(duì)非鐵磁性的各向同性的磁介質(zhì)，和之間滿足線性關(guān)系:，而鐵磁性介質(zhì)的、與之間有著復(fù)雜的非線性關(guān)系一般情況下，鐵磁質(zhì)內(nèi)部存在自發(fā)的磁化強(qiáng)度，當(dāng)溫度越低自發(fā)磁化強(qiáng)度越大圖3是典型的磁化曲線（B-H曲線），它反映了鐵磁質(zhì)的共同磁化特點(diǎn)：隨著H的增加，開(kāi)始時(shí)B緩慢的增加，此時(shí)較?。欢蟊?/p>

7、隨H的增加B急劇增大，也迅速增加；最后隨H增加，B趨向于飽和，而此時(shí)的值在到達(dá)最大值后又急劇減小圖3表明了磁導(dǎo)率是磁場(chǎng)H的函數(shù)從圖4中可看到，磁導(dǎo)率還是溫度的函數(shù)，當(dāng)溫度升高到某個(gè)值時(shí)，鐵磁質(zhì)由鐵磁狀態(tài)轉(zhuǎn)變成順磁狀態(tài)，在曲線突變點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的溫度就是居里溫度。圖3 磁化曲線和曲線 圖4 曲線2用交流電橋測(cè)量居里溫度鐵磁材料的居里溫度可用任何一種交流電橋測(cè)量交流電橋種類很多，如麥克斯韋電橋、歐文電橋等，但大多數(shù)電橋可歸結(jié)為如圖5所示的四臂阻抗電橋，電橋的四個(gè)臂可以是電阻、電容、電感的串聯(lián)或并聯(lián)的組合調(diào)節(jié)電橋的橋臂參數(shù)，使得CD兩點(diǎn)間的電位差為零，電橋達(dá)到平衡，則有 （2）若要上式成立，必須使復(fù)數(shù)等式

8、的模量和輻角分別相等，于是有 （3） （4）圖5 交流電橋的基本電路 圖6 RL交流電橋由此可見(jiàn)，交流電橋平衡時(shí)，除了阻抗大小滿足（3）式外，阻抗的相角還要滿足（4）式，這是它和直流電橋的主要區(qū)別。本實(shí)驗(yàn)采用如圖6所示的RL交流電橋，在電橋中輸入電源由信號(hào)發(fā)生器提供，在實(shí)驗(yàn)中應(yīng)適當(dāng)選擇較高的輸出頻率，為信號(hào)發(fā)生器的角頻率其中和為純電阻，和為電感（包括電感的線性電阻和，F(xiàn)D-FMCT-A型鐵磁材料居里溫度測(cè)試實(shí)驗(yàn)儀中還接入了一個(gè)可調(diào)電阻），其復(fù)阻抗為 （5）當(dāng)電橋平衡時(shí)有 （6）實(shí)部與虛部分別相等，得 （7）選擇合適的電子元件相匹配，在未放入鐵氧體時(shí)，可直接使電橋平衡，但當(dāng)其中一個(gè)電感放入鐵氧體

9、后，電感大小發(fā)生了變化，引起電橋不平衡隨著溫度的上升到某一個(gè)值時(shí)，鐵氧體的鐵磁性轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾判?，CD兩點(diǎn)間的電位差發(fā)生突變并趨于零，電橋又趨向于平衡，這個(gè)突變的點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溫度就是居里溫度可通過(guò)橋路電壓與溫度的關(guān)系曲線，求其曲線突變處的溫度，并分析研究在升溫與降溫時(shí)的速率對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響由于被研究的對(duì)象鐵氧體置于電感的繞組中，被線圈包圍，如果加溫速度過(guò)快，則傳感器測(cè)試溫度將與鐵氧體實(shí)際溫度不同（加溫時(shí)，鐵氧體樣品溫度可能低于傳感器溫度），這種滯后現(xiàn)象在實(shí)驗(yàn)中必須加以重視只有在動(dòng)態(tài)平衡的條件下，磁性突變的溫度才精確等于居里溫度。三、儀器簡(jiǎn)介FD-FMCT-A鐵磁材料居里溫度測(cè)試實(shí)驗(yàn)儀主要包括主機(jī)兩臺(tái)，

10、手提實(shí)驗(yàn)箱壹臺(tái)。圖7 實(shí)驗(yàn)主機(jī)（信號(hào)發(fā)生器和頻率計(jì)）面板說(shuō)明：（1）數(shù)字頻率計(jì)：顯示信號(hào)發(fā)生器的輸出頻率，“輸入”（紅黑接線座）可以外部接入，測(cè)量信號(hào)頻率（如正弦波）。（2）信號(hào)發(fā)生器：“輸出”正弦波信號(hào)輸出端，用Q9連接線連接實(shí)驗(yàn)箱，“頻率調(diào)節(jié)”調(diào)節(jié)正弦波頻率，右旋增大?！胺日{(diào)節(jié)”調(diào)節(jié)正弦波信號(hào)的幅度，右旋增大。圖8 實(shí)驗(yàn)主機(jī)（交流電壓表和信號(hào)采集系統(tǒng)）面板說(shuō)明：（1）交流電壓表：測(cè)量交流電橋輸出的電壓信號(hào)，“輸入”（紅黑接線座）外部信號(hào)接入，可以測(cè)量交流電壓（如正弦波電壓）。（2）信號(hào)采集系統(tǒng)：“樣品溫度”將溫度傳感器測(cè)得的樣品溫度信號(hào)通過(guò)Q9連接線接入信號(hào)采集系統(tǒng)，作為測(cè)量曲線的橫坐標(biāo)

11、?！半姌蜉敵觥睂㈦姌蜉敵龅慕涣餍盘?hào)接入信號(hào)采集系統(tǒng)，作為測(cè)量曲線的縱坐標(biāo)，同時(shí)將電橋輸出的交流信號(hào)接入交流電壓表?！按谳敵觥蓖ㄟ^(guò)串口連接線與電腦相連。圖9 實(shí)驗(yàn)箱（交流電橋和加熱器、溫度顯示裝置）面板說(shuō)明：“加熱開(kāi)關(guān)”控制加熱器是否開(kāi)始加熱，“溫度輸出”通過(guò)Q9連接線與圖2實(shí)驗(yàn)主機(jī)中的“樣品溫度”連接，“加熱速率調(diào)節(jié)”控制加熱器的加熱速率，右旋加熱速率增大。右邊兩個(gè)線圈和電阻以及電位器可以按照左下“接線示意圖”接成交流電橋?！敖咏涣麟妷罕怼蓖ㄟ^(guò)Q9線與圖2中“電橋輸出”相連，“接信號(hào)源”用Q9線與圖1中信號(hào)發(fā)生器“輸出”端相連。實(shí)驗(yàn)儀器相關(guān)參數(shù)1信號(hào)發(fā)生器 頻率調(diào)節(jié) 500Hz1500Hz

12、幅度調(diào)節(jié) 2V-10V（峰峰值）2數(shù)字頻率計(jì) 分辨率 1Hz 量程 09999Hz3交流電壓表 分辨率 0.001V 量程 01.999V4數(shù)字溫度計(jì) 量程 0 oC150oC 分辨率 0.1 oC5鐵磁樣品 居里溫度分別為 60 oC±2 oC和80 oC±2 oC【實(shí)驗(yàn)過(guò)程】1、將兩個(gè)實(shí)驗(yàn)主機(jī)和手提實(shí)驗(yàn)箱按照前面的儀器說(shuō)明連接起來(lái)，并將實(shí)驗(yàn)箱上的交流電橋按照“接線示意圖”連接，用串口連接線將實(shí)驗(yàn)主機(jī)與電腦連接。2、打開(kāi)實(shí)驗(yàn)主機(jī)，調(diào)節(jié)交流電橋上的電位器使電橋平衡。3、移動(dòng)電感線圈，露出樣品槽，將實(shí)驗(yàn)測(cè)試鐵氧體樣品放入線圈中心的加熱棒中，并均勻涂上導(dǎo)熱脂，重新將電感線圈移動(dòng)

13、至固定位置，使鐵氧體樣品正好處于電感線圈中心，此時(shí)電橋不平衡，記錄此時(shí)交流電壓表的讀數(shù)。4、打開(kāi)加熱器開(kāi)關(guān)，調(diào)節(jié)加熱速率電位器至合適位置，觀察溫度傳感器數(shù)字顯示窗口，加熱過(guò)程中，溫度每升高，記錄電壓表的讀數(shù)，這個(gè)過(guò)程中要仔細(xì)觀察電壓表的讀數(shù)，當(dāng)電壓表的讀數(shù)在每變化較大時(shí)，再每隔左右記下電壓表的讀數(shù)，直到將加熱器的溫度升高到左右為止，關(guān)閉加熱器開(kāi)關(guān)。5、根據(jù)記錄的數(shù)據(jù)作VT圖，計(jì)算樣品的居里溫度。6、測(cè)量不同的樣品或者分別用加溫和降溫的辦法測(cè)量，分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。7、用計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，通過(guò)電腦自動(dòng)分析測(cè)試樣品的居里溫度，改變加熱速率和信號(hào)發(fā)生器的頻率，分析加熱速率和信號(hào)頻率對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。【實(shí)

14、驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄及處理】 按照上面實(shí)驗(yàn)過(guò)程記錄數(shù)據(jù)如下：測(cè)量條件：（1）室溫。（2）信號(hào)頻率1500Hz。（3）升溫測(cè)量。（4）測(cè)量樣品：鐵氧體樣品，居里溫度參考值80。表1 鐵氧體樣品交流電橋輸出電壓與加熱溫度關(guān)系T(0C)30354045505560657075U(V)T(0C)76777879808182838485U(V)T(0C)86878889909192939495U(V)作出鐵氧體樣品的居里溫度測(cè)量曲線，橫坐標(biāo)為溫度T，縱坐標(biāo)為電壓V。從上面的測(cè)量曲線上判斷該鐵氧體樣品的居里溫度。同樣的方法，可以測(cè)量不同的樣品在不同的信號(hào)頻率下，不同的加熱速率條件以及升溫和降溫套間下的曲線。應(yīng)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量具體操作見(jiàn)軟件使用說(shuō)明?！咀⒁馐马?xiàng)】1樣品架加熱時(shí)溫度較高，實(shí)驗(yàn)時(shí)勿用手觸碰，以免燙傷。2