居里溫度的測量

居里溫度的測量

1實驗方法.在設(shè)計背景和設(shè)備內(nèi)溫度是鐵磁性材料的一個重要特征之一。它的值取決于材料本身的成分和結(jié)構(gòu)，這與外部環(huán)境無關(guān)。通過內(nèi)溫度確定磁材料的溫度范圍，分析材料的組成和微觀結(jié)構(gòu)。內(nèi)溫度是磁材料的重要磁特性的參量。然而，由于設(shè)備的復雜性，成本高，加熱和加熱的問題，或測量結(jié)果過于粗糙，因此學生的實驗有限。在這項工作中，我們介紹了一種更簡單、更實用的設(shè)備和實驗方法，這些設(shè)備是簡單的、實用的，其原理是明確的。學生可以在實驗測量中接受適當?shù)挠柧殹?確定磁芯材料的溫度將所測鐵磁材料制成截面為矩形的環(huán)形磁芯,在其上繞有若干匝線圈,形成一個帶磁芯的螺繞環(huán),即一個帶磁芯的電感.嚴格講截面內(nèi)的磁場強度與磁感應(yīng)強度不是均勻的,但如果截面的徑向尺度與螺繞環(huán)的半徑相比小得多時,則在環(huán)中的磁感應(yīng)強度可看成是均勻的.這時容易利用安培環(huán)路定律計算出螺繞環(huán)的電感值為L=μ0μrN2lS=μ0N2lS+μ0χN2lS(1)L=μ0μrΝ2lS=μ0Ν2lS+μ0χΝ2lS(1)式中,μ0為真空磁導率,N為繞線的總匝數(shù),l為螺繞環(huán)的平均周長,S為螺繞環(huán)的截面積,μr和χ分別為螺繞環(huán)磁芯的磁導率和磁化率.(1)式中右邊的第一項實質(zhì)上是螺繞環(huán)繞組線圈的電感L0,其值與樣品無關(guān),由螺繞環(huán)尺寸和繞組確定,而且不隨溫度變化.第二項是螺繞環(huán)中與磁芯有關(guān)的電感值,其值與磁芯材料的磁化率χ成正比,而且隨磁芯的溫度變化.一般鐵磁體的磁化率隨外加磁場大小變化,但由于測量時通入線圈中的交變電流很小,即加在磁芯上的磁場很小,此時磁芯的磁化率χ即初始磁化率χi,其大小在這樣的磁場范圍內(nèi)不隨磁場變化,而是與自發(fā)磁化強度Ms的平方成正比,與磁各向異性常量K成反比,即χi∝M2s/K(2)因為自發(fā)磁化強度Ms隨溫度的提高而減小,自發(fā)磁化強度等于零即鐵磁性消失的溫度就是居里溫度.也就是說,磁芯的初始磁化率隨溫度變化,居里溫度對應(yīng)的磁化率值為零.從(1)式可看出,螺繞環(huán)的電感大小隨溫度變化,當溫度達到居里溫度時,此時測得螺繞環(huán)的電感值只是L0.若測量出不同溫度下螺繞環(huán)的電感值L,再由樣品的數(shù)據(jù)計算出螺繞環(huán)繞組線圈的電感值L0,將差值L-L0作為溫度的函數(shù)作圖線,其值為零時對應(yīng)的溫度即是所測得的磁芯材料的居里溫度.由于一般鐵磁材料的磁化率較大,即L與L0相比時,L0的大小可被忽略.因此常用L-T函數(shù)曲線代替(L-L0)-T函數(shù)曲線.但是,由于測量中線圈存在電流,即測量是在有外加磁場的條件下進行,當磁芯材料在居里溫度或超過居里溫度時,鐵磁材料轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾判?有外加磁場時其磁化率并不為零,螺繞環(huán)磁芯的電感值不可能下降到零,即無法按上述方法定出居里溫度.因此可以利用下述方法來確定,當溫度接近居里溫度時,鐵磁性要變?yōu)轫槾判?自發(fā)磁化強度消失,即磁化強度迅速要變?yōu)榱?因此初始磁化率也就是螺繞環(huán)的電感值將急劇下降,沿函數(shù)曲線下降斜率最大部分外推到電感為零時的溫度,就應(yīng)該是所測磁性材料的居里溫度.一般實驗測得鐵氧體的L-T函數(shù)曲線,如圖1所示.在溫度低于TC時,基本為稍有上升的直線;在接近居里溫度時,因為初始磁化率的大小還與磁各向異性成反比關(guān)系,這時磁各向異性比自發(fā)磁化強度的變化更快,使得L-T曲線會出現(xiàn)略微凸出的肩頭;當接近居里溫度時,電感值急劇下降達到一較數(shù)值;當溫度高于居里溫度后,電感值又由較小的值緩慢增大.因此斜率最大部分外推到電感為零時的溫度為所測磁性材料的TC.而電感緩慢變化的區(qū)間鐵磁體已是順磁性.綜上所述,把被測材料作為一個螺繞環(huán)的磁芯,使用電感測量儀(L-C儀)測量出螺繞環(huán)在不同溫度下的電感值,獲得L-T函數(shù)曲線,可反映所測鐵磁材料隨溫度變化的特性.由電感值急劇變化的部分外延可確定鐵磁材料的居里溫度.3試驗2:溫度測量和加熱實驗裝置見圖2,由爐絲加熱的樣品室和帶有接線柱的接線架以及控溫儀、電感測量儀組成.使用低居里點的鐵氧體磁性材料作為測量樣品,可使加熱裝置簡化,如以居里溫度處在室溫至200℃的材料為測量對象,只需小功率的電爐,就能得到恒溫區(qū)較大且穩(wěn)定的樣品室.且在低于200℃的溫度下測量,不會對繞制樣品線圈的漆包線造成破壞.這樣方便樣品溫度的控制和測量.把待測鐵氧體磁性材料為磁芯的螺繞環(huán)放入樣品室,繞線端接在接線架的接線柱上,以便和電感測量儀的測量端相接.設(shè)置控制溫度預定值,啟動電爐絲加熱樣品室.當溫度穩(wěn)定時,用電感測量儀測量螺繞環(huán)的電感值.改變樣品室的溫度,測量螺繞環(huán)的電感值,做出電感(或初始磁化率)隨溫度變化的曲線,用斜率最大部分外推得到TC.溫度的精度與控溫儀的精度相關(guān).使用控溫儀控制溫度,精度易達到±1℃,普通電感測量儀測量電感可達到1nH,所以也能精確地測量磁性材料的溫度曲線.由于控溫儀的取樣溫度為樣品周圍空氣的溫度,樣品內(nèi)外都被加熱至某一溫度時,需要一定時間,應(yīng)等待控溫儀控溫變化1~2個周期后再讀取該溫度下的電感數(shù)值.否則測量的溫度只是樣品表面的溫度.具體遲滯時間要看樣品大小和厚度而定.一般樣品較小時變化2個周期即可,如果要求更精確,可適當加長.樣品被均勻加熱還與樣品室的升溫快慢有關(guān),如果加熱升溫速率小于1℃/min,可不用等待.使用空氣加熱方式,要求樣品室的恒溫區(qū)要比樣品的尺度大得多,否則樣品對溫場影響較大,會使樣品的加熱不均勻,導致樣品各部分的溫度不同,這會引起較大的測量誤差.由于空氣流動對加熱和溫度測定影響大,溫度易受到周圍環(huán)境的影響,如樣品不同部分離樣品室壁距離不同,使放熱快慢不一致而造成空氣與樣品溫度有較大的差別.而且不易做到整個樣品溫度一致,從而不能反映樣品的真實性能.這可以用給樣品室加蓋來改善.當然本文介紹的方法有局限之處,測量的居里溫度局限在室溫到200℃,實驗只能選擇低居里點的Mn-Zn鐵氧體為樣品.4實驗測量結(jié)果爐絲加熱的樣品室和帶有接線柱的接線架制做很容易,但要得到較高精度的恒溫區(qū)并不容易.沒有樣品時測量,在2cm的空間區(qū)域內(nèi)樣品室內(nèi)軸向偏差和徑向偏差小于2℃.有樣品時測量,由于熱的輻射和傳導空間的變化,實際精度要好于該值.控溫儀為WMK-02型溫度控制器,為提高溫度的測量精度,還可用水銀溫度計校準溫度.電感測量儀為ZL7型自動LCR測量儀.樣品螺繞環(huán)的內(nèi)外半徑分別為10mm和20mm、厚度為6mm,在同一溫度下,重復控溫2個周期保溫測量與重復3~5個周期保溫,測得的電感值基本一致.說明經(jīng)過2個周期保溫時,樣品各處溫度的差別對測量結(jié)果的影響可不計.使用某鐵氧體樣品測量得到的結(jié)果見表1,由此畫出的L-T函數(shù)圖線見圖3,得到居里溫度為64℃.學生實驗除保證一定精度外,更重要的是測量的重復性,對此用同一樣品進行多次實驗,數(shù)據(jù)基本一致.改用不同樣品測量L-T曲線形狀基本相似,只是相應(yīng)的居里溫度值不同而已.實驗測量結(jié)果表明,對同種材料,不同的測量方法有不同的結(jié)果,即測量原理和測量條件不同而引入的原理性誤差不同.例如,用振動樣品磁強計測量要比測量電感的方法得到的居里溫度高出5~14K.其原因是需要給樣品施加的磁場不同造成的.鑒于此,用測電感的方法時,只考慮測量得到居里溫度的儀器誤差,這主要取決于所用控溫儀的精度和電感測量儀的精度.若所測量的材料作為電感磁芯使用,作為傳感器控制溫度