南京大學(xué)_居里溫度的測(cè)量

1、鐵磁性材料居里溫度的測(cè)量近代物理實(shí)驗(yàn)報(bào)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(shí)不同的。本次實(shí)驗(yàn)通過測(cè)定磁化強(qiáng)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(cè)定樣品的居里溫度，最后對(duì)本實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了討論。【關(guān)鍵詞】鈣鈦礦錳氧化物；居里溫度；實(shí)部；擬合；斜率一實(shí)驗(yàn)?zāi)康?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(jī)理。2學(xué)習(xí)jzb-1型居里溫度測(cè)試儀測(cè)定居里溫度的原理和方法。二實(shí)驗(yàn)原理1居里溫度磁性材料的自發(fā)磁化來(lái)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

2、取向或反平行取向。但是隨著溫度升高，原子熱運(yùn)動(dòng)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(dāng)材料達(dá)到一定溫度時(shí)，熱運(yùn)動(dòng)能和交換作用能量相等，原子磁矩的有序排列不復(fù)存在，強(qiáng)磁性消失，材料呈現(xiàn)順磁性，這時(shí)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(jí)，所以在轉(zhuǎn)變點(diǎn)附近，材料磁性很弱，因此，在要求不太嚴(yán)格的情況下，常常把強(qiáng)磁性材料的磁化率強(qiáng)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(duì)于鈣鈦

3、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(qiáng)弱。因此，深入研究和測(cè)定材料的居里溫度有著重要的意義。2居里溫度的測(cè)量方法測(cè)量材料的居里溫度可以采用許多方法。（1）通過測(cè)量材料的飽和磁化強(qiáng)度的溫度依賴性得到曲線，從而得到降為零時(shí)對(duì)應(yīng)的居里溫度。這種方法適用于那些可以用來(lái)在變溫條件下直接測(cè)量樣品飽和磁化強(qiáng)度的裝置。圖1示出了純的飽和磁化強(qiáng)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(qiáng)度的溫度依賴性（2）通過測(cè)定樣品材料在弱磁場(chǎng)下的初始磁導(dǎo)率的溫度依賴性，利用霍普金森效應(yīng)，確定居里溫度。（3）通過測(cè)量其他磁學(xué)

4、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(cè)定一些非磁學(xué)量如比熱、電阻溫度系數(shù)、熱電勢(shì)等隨溫度的變化，隨后根據(jù)這些非磁學(xué)量在居里溫度附近的反常轉(zhuǎn)折點(diǎn)來(lái)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(jià)稀土金屬離子，為一價(jià)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(diǎn)，則離子和離子分別處在體心和面心的位置，同時(shí)，離子又位于六個(gè)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(diǎn)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

5、.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(jià)，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(jì)年代，人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，如果用二價(jià)堿土金屬離子部分取代三價(jià)稀土離子，離子將處于混合價(jià)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(shí)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(gè)重要因素。許多實(shí)驗(yàn)結(jié)果已經(jīng)證實(shí)，隨著的增大而增大。三實(shí)驗(yàn)儀器jzb-1型居里溫度測(cè)試儀包括加熱裝置、控溫及測(cè)溫裝置、磁化及測(cè)試裝置。實(shí)驗(yàn)儀器示意圖如下：圖3.1 實(shí)驗(yàn)儀器示意圖四實(shí)驗(yàn)

6、步驟1開啟測(cè)試儀器開關(guān)。2調(diào)節(jié)低頻信號(hào)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(shí)對(duì)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(jì)量間隔，開始逐點(diǎn)測(cè)量溫度和所對(duì)應(yīng)的信號(hào)電壓。6以磁化強(qiáng)度為縱坐標(biāo)，溫度為橫坐標(biāo)作圖。從圖中求出曲線上斜率最大的點(diǎn)所應(yīng)的溫度，即為該樣品的居里溫度。五數(shù)據(jù)處理（1）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖像根據(jù)附錄中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)畫出溫度（正比于磁化強(qiáng)度）與電壓（實(shí)部）的關(guān)系圖像圖5.1 關(guān)系圖像（2） 數(shù)據(jù)擬合用高次高斯函數(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，函數(shù)中的個(gè)參數(shù)的擬合結(jié)果為參數(shù)的單位：的單位為，的單

7、位為，的單位為，擬合得到的曲線與原始數(shù)據(jù)點(diǎn)的圖像如下：（實(shí)線為擬合結(jié)果）圖5.2 關(guān)系實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與擬合曲線圖像（3）確定居里溫度對(duì)函數(shù)求導(dǎo)得到，由做出在對(duì)應(yīng)區(qū)間的圖像如下：圖5.3 關(guān)系圖像可見在時(shí)的電壓（即磁化強(qiáng)度）的變化最快故該樣品的居里溫度為六誤差分析本次實(shí)驗(yàn)通過測(cè)量鈣鈦礦錳氧化溫度與磁化強(qiáng)度的關(guān)系，求出曲線變化率最大的點(diǎn)來(lái)確定居里溫度，由于磁化強(qiáng)度的變化不是很明顯，所以在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生較大的誤差，但單純從數(shù)據(jù)的離散變化率來(lái)看，實(shí)驗(yàn)結(jié)果應(yīng)該還是比較精確的。在實(shí)驗(yàn)中設(shè)定溫度很重要，一般設(shè)定溫度比當(dāng)前高左右，過大會(huì)導(dǎo)致測(cè)量數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，過小又使得實(shí)驗(yàn)時(shí)間過長(zhǎng)，所以要準(zhǔn)確把握。對(duì)于該實(shí)

8、驗(yàn)來(lái)說，攪拌槳的速度當(dāng)然越快越好，這樣可以使得熱量分布更加均勻，測(cè)得的溫度更準(zhǔn)確，但是從保護(hù)儀器的角度來(lái)說還是不能把轉(zhuǎn)速設(shè)置太高。對(duì)于數(shù)據(jù)的擬合，也可以用多項(xiàng)式進(jìn)行擬合，但是高次多項(xiàng)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(gè)參數(shù)，可以充分反映出數(shù)據(jù)的特點(diǎn)。七思考題如果探測(cè)線圈和補(bǔ)償線圈在繞制時(shí)不完全相同，會(huì)對(duì)測(cè)到的曲線及的值產(chǎn)生什么影響？答：補(bǔ)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(cè)試誤差。由于兩個(gè)線圈組的次級(jí)是反串聯(lián)相接的，因此其感生電動(dòng)勢(shì)相互抵消。如若線圈和的繞制不完全相同，則會(huì)導(dǎo)致輸出信號(hào)強(qiáng)度中包含著一部分來(lái)自于線圈產(chǎn)生的感生電動(dòng)勢(shì)。在溫度低于時(shí)，位于探測(cè)線圈中的鈣鈦礦樣品呈鐵磁性，