南京大學-居里溫度的測量

/鐵磁性材料居里溫度的測量——近代物理實驗報告2012年６月【摘要】居里溫度是指材料可以在鐵磁體和順磁體之間改變的溫度，即鐵電體從鐵磁性轉(zhuǎn)變成順磁性的相變溫度,不同材料的居里溫度時不同的。本次實驗通過測定磁化強度隨溫度變化，用函數(shù)擬合的方法找出電壓變化最快的溫度，作為測定樣品的居里溫度，最后對本實驗進行了討論.【關(guān)鍵詞】鈣鈦礦錳氧化物；居里溫度；實部；擬合;斜率一．實驗目的１．初步了解鐵磁性物質(zhì)由鐵磁性轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾判缘奈⒂^機理.2。學習JＺB—1型居里溫度測試儀測定居里溫度的原理和方法.二.實驗原理1．居里溫度磁性材料的自發(fā)磁化來自磁性電子間的交換作用。在磁性材料內(nèi)部，交換作用總是力圖使原子磁矩呈有序排列:平行取向或反平行取向。但是隨著溫度升高，原子熱運動能量增大,逐步破壞磁性材料內(nèi)部的原子磁矩的有序排列,當材料達到一定溫度時，熱運動能和交換作用能量相等，原子磁矩的有序排列不復存在,強磁性消失，材料呈現(xiàn)順磁性，這時的溫度就是居里溫度。因此，居里溫度是指鐵磁性或亞鐵磁性材料由鐵磁性或亞鐵磁性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾判誀顟B(tài)的臨界溫度。但是，由于鐵磁性或亞鐵磁性材料的磁化率大于，且數(shù)值很大，而順磁性物質(zhì)的磁化率只有數(shù)量級，所以在轉(zhuǎn)變點附近，材料磁性很弱，因此，在要求不太嚴格的情況下，常常把強磁性材料的磁化率強度隨著溫度的升高降為零的溫度看成是居里溫度.居里溫度是材料本身的特性,不同的材料有著不同的居里溫度，對于鈣鈦礦錳氧化物的居里溫度則較低,約小于。材料的居里溫度反映了材料內(nèi)部磁性原子之間的直接交換作用、超交換作用或雙交換作用的強弱.因此,深入研究和測定材料的居里溫度有著重要的意義。2．居里溫度的測量方法測量材料的居里溫度可以采用許多方法。（1)通過測量材料的飽和磁化強度的溫度依賴性得到曲線,從而得到降為零時對應的居里溫度。這種方法適用于那些可以用來在變溫條件下直接測量樣品飽和磁化強度的裝置。圖1示出了純的飽和磁化強度的溫度依賴性。由圖可以確定的居里溫度.圖2.1純的飽和磁化強度的溫度依賴性（2)通過測定樣品材料在弱磁場下的初始磁導率的溫度依賴性，利用霍普金森效應，確定居里溫度.（3）通過測量其他磁學量(如磁致伸縮系數(shù)等）的溫度依賴性求得居里溫度。(4）通過測定一些非磁學量如比熱、電阻溫度系數(shù)、熱電勢等隨溫度的變化,隨后根據(jù)這些非磁學量在居里溫度附近的反常轉(zhuǎn)折點來確定居里溫度.３．鈣鈦礦錳氧化物鈣鈦礦錳氧化物指的是成分為(是二價稀土金屬離子，為一價堿土金屬離子）的一大類具有型鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的錳氧化物。理想的型，鈣鈦礦具有空間群為的立方結(jié)構(gòu),如以稀土離子作為立方晶格的頂點，則離子和離子分別處在體心和面心的位置,同時，離子又位于六個氧離子組成的八面體的重心，如圖1（a)所示。圖1（b)則是以離子為立方晶格頂點的結(jié)構(gòu)圖。一般,把稀土離子和堿土金屬離子占據(jù)的晶位稱為位，而離子占據(jù)的晶位稱為位。圖2.2理想的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)這些鈣鈦礦錳氧化物的母本氧化物是，離子為正二價，這是一種顯示反鐵磁性的絕緣體,呈理想的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)。早在世紀年代，人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，如果用二價堿土金屬離子部分取代三價稀土離子,離子將處于混合價狀態(tài),于是,通過和離子之間的雙交換作用,在一定溫度以下,將同時出現(xiàn)絕緣體—金屬轉(zhuǎn)變和順磁性—鐵磁性轉(zhuǎn)變.隨著含量的增加，錳氧化物的曲線形狀發(fā)生明顯變化。影響鈣鈦礦錳氧化物居里溫度的因素很多，其中位平均離子半徑是一個重要因素。許多實驗結(jié)果已經(jīng)證實,隨著的增大而增大。三．實驗儀器ＪZB—1型居里溫度測試儀包括加熱裝置、控溫及測溫裝置、磁化及測試裝置.實驗儀器示意圖如下:圖3。1實驗儀器示意圖四．實驗步驟１．開啟測試儀器開關(guān)。2。調(diào)節(jié)低頻信號器的頻率選擇檔，用衰減調(diào)節(jié)旋鈕調(diào)節(jié)幅度,調(diào)節(jié)頻率到左右穩(wěn)定。3。設(shè)置鎖定放大器的參數(shù)：放大倍數(shù)，，模式為“模值".4．開啟攪拌器，同時對樣品加熱，不斷調(diào)節(jié)水槽的加熱溫度,保持水與樣品室溫差為左右。5．以為計量間隔，開始逐點測量溫度和所對應的信號電壓。6．以磁化強度為縱坐標,溫度為橫坐標作圖.從圖中求出曲線上斜率最大的點所應的溫度，即為該樣品的居里溫度。五。數(shù)據(jù)處理(1）實驗數(shù)據(jù)圖像根據(jù)附錄中的實驗數(shù)據(jù)畫出溫度(正比于磁化強度)與電壓（實部)的關(guān)系圖像圖5.1關(guān)系圖像數(shù)據(jù)擬合用高次高斯函數(shù)對實驗數(shù)據(jù)進行擬合,函數(shù)中的個參數(shù)的擬合結(jié)果為參數(shù)的單位：的單位為，的單位為，的單位為,擬合得到的曲線與原始數(shù)據(jù)點的圖像如下:（實線為擬合結(jié)果)圖5.2關(guān)系實驗數(shù)據(jù)與擬合曲線圖像(３)確定居里溫度對函數(shù)求導得到,由做出在對應區(qū)間的圖像如下:圖5。３關(guān)系圖像可見在時的電壓（即磁化強度）的變化最快故該樣品的居里溫度為六.誤差分析本次實驗通過測量鈣鈦礦錳氧化溫度與磁化強度的關(guān)系,求出曲線變化率最大的點來確定居里溫度，由于磁化強度的變化不是很明顯,所以在對數(shù)據(jù)進行擬合的時候會產(chǎn)生較大的誤差，但單純從數(shù)據(jù)的離散變化率來看,實驗結(jié)果應該還是比較精確的。在實驗中設(shè)定溫度很重要，一般設(shè)定溫度比當前高左右，過大會導致測量數(shù)據(jù)不準確,過小又使得實驗時間過長，所以要準確把握.對于該實驗來說，攪拌槳的速度當然越快越好，這樣可以使得熱量分布更加均勻,測得的溫度更準確，但是從保護儀器的角度來說還是不能把轉(zhuǎn)速設(shè)置太高。對于數(shù)據(jù)的擬合，也可以用多項式進行擬合,但是高次多項式的擬合結(jié)果不夠理想,偏差比較大，而高斯函數(shù)共有1８個參數(shù)，可以充分反映出數(shù)據(jù)的特點。七．思考題如果探測線圈和補償線圈在繞制時不完全相同,會對測到的曲線及的值產(chǎn)生什么影響?答:補償線圈的引入是為了消除變溫過程中因線圈阻抗發(fā)生的變化而造成的測試誤差。由于兩個線圈組的次級是反串聯(lián)相接的，因此其感生電動勢相互抵消。如若線圈和的繞制不完全相同，則會導致輸出信號強度中包含著一部分來自于線圈產(chǎn)生的感生電動勢。在溫度低于時,位于探測線圈中的鈣鈦礦樣品呈鐵磁性,而補償線圈中無樣品，反