铁磁材料居里点的测定课件.ppt

1、铁磁材料居里点的测定铁磁材料居里点的测定 目前高校所使用的大学物理教材中都较详细地目前高校所使用的大学物理教材中都较详细地介绍了铁磁材料的一些特殊性质，如存在介绍了铁磁材料的一些特殊性质，如存在居里温度居里温度等。并用较成熟的等。并用较成熟的磁畴磁畴理论来说明铁磁材料磁化特理论来说明铁磁材料磁化特性的内在根据。在科技时代，铁磁材料的居里温度性的内在根据。在科技时代，铁磁材料的居里温度特性在工程技术，家用电器上的应用越来越广泛。特性在工程技术，家用电器上的应用越来越广泛。测量铁磁材料居里温度的方法很多，例如磁称法、测量铁磁材料居里温度的方法很多，例如磁称法、感应法、电桥法和差值补偿法等。感应法、

2、电桥法和差值补偿法等。它们都是利用铁它们都是利用铁磁物质磁矩随温度变化的特性，测量自发磁化消失磁物质磁矩随温度变化的特性，测量自发磁化消失时的温度。本实验采用感应法，来测量感应电动势时的温度。本实验采用感应法，来测量感应电动势值随温度变化的规律，从而得到居里点值随温度变化的规律，从而得到居里点TC。1 一、一、目的目的 l l通过实验中对磁性材料感应电动势随温通过实验中对磁性材料感应电动势随温度升高而下降的现象的观察，初步熟悉铁磁性度升高而下降的现象的观察，初步熟悉铁磁性材料在居里点时由铁磁性变为顺磁性的过程，材料在居里点时由铁磁性变为顺磁性的过程，从而了解磁性材料参数变化的微观机理。从而了解

3、磁性材料参数变化的微观机理。2 2用感应法测定磁性材料的用感应法测定磁性材料的eff(B)eff(B)T T 曲线，曲线，并求出其居里点。并求出其居里点。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，磁介质可划分为三类根据磁化的效果，磁介质可划分为三类 （1 1）顺磁质，）顺磁质，这类磁介质磁化后，在介质内的磁场稍有增这类磁介质磁化后，在介质内的磁场稍有增强，表明磁化后具有微弱的附加磁场，并与外磁场同方向。强，表明磁化后具有微弱的附加磁场，并与外磁场同方向。（2 2）抗磁质）抗磁质，这类磁介质磁化后，在介质内磁场稍有削弱，这类磁介质磁化后，在介质内磁场稍有

4、削弱，表明磁化后具有微弱的附加磁场但与外磁场方向相反。表明磁化后具有微弱的附加磁场但与外磁场方向相反。（3 3）铁磁质）铁磁质，这类磁介质磁化后，在介质内的磁场显著增，这类磁介质磁化后，在介质内的磁场显著增强，即磁化后具有很强的与外磁场同方向的附加磁场。铁、镍、强，即磁化后具有很强的与外磁场同方向的附加磁场。铁、镍、钴、钆、镝及其合金和一些非金属的铁氧体都属于这一类。铁钴、钆、镝及其合金和一些非金属的铁氧体都属于这一类。铁磁质有广泛的用途，所以它是最重要的一类磁介质。本实验将磁质有广泛的用途，所以它是最重要的一类磁介质。本实验将对铁磁质的磁化规律及其微观机制进行研究。对铁磁质的磁化规律及其微观

5、机制进行研究。3 在弱磁化场及室温的条件下，顺磁质显示弱磁在弱磁化场及室温的条件下，顺磁质显示弱磁性。然而，铁磁质在相同条件下却表现强磁性。铁性。然而，铁磁质在相同条件下却表现强磁性。铁磁质的特性不能用一般顺磁质的磁化理论来解释。磁质的特性不能用一般顺磁质的磁化理论来解释。因为铁磁性元素的单个原子并不具有任何特殊的磁因为铁磁性元素的单个原子并不具有任何特殊的磁性。例如铁原子与铬原子的结构大致相同，但铁是性。例如铁原子与铬原子的结构大致相同，但铁是典型的铁磁质，而铬是普通的顺磁质，甚至还可用典型的铁磁质，而铬是普通的顺磁质，甚至还可用非铁磁性物质来制成铁磁性的合金。另一方面，还非铁磁性物质来制成

6、铁磁性的合金。另一方面，还应注意到铁磁质总是固相的。这些事实说明了铁磁应注意到铁磁质总是固相的。这些事实说明了铁磁性与固体的结构状态有关。性与固体的结构状态有关。4 2.2.铁磁材料的微观机制：铁磁材料的微观机制：磁畴：磁畴：铁磁质特殊磁性的现代理论是铁磁质特殊磁性的现代理论是:在在铁磁质中，相邻原子间存在着非常强的交换耦铁磁质中，相邻原子间存在着非常强的交换耦合作用，这个相互作用促使相邻原子的磁矩平合作用，这个相互作用促使相邻原子的磁矩平行排列起来，形成一个小的自发磁化达到饱和行排列起来，形成一个小的自发磁化达到饱和状态的区域。状态的区域。自发磁化只发生在微小的区域自发磁化只发生在微小的区域

7、(体积约为体积约为1010-8 -8 m m 3 3，其中含有，其中含有10101717一一10102121个原子个原子)内，这些区域叫做磁畴。内，这些区域叫做磁畴。5 图19 1 如图如图19-l19-l，其中图，其中图19-l(a)19-l(a)为单晶磁畴结构示意图，图为单晶磁畴结构示意图，图19-l(b)19-l(b)为多晶磁畴结构示意图。由图可见在没有外磁场作用为多晶磁畴结构示意图。由图可见在没有外磁场作用时，在每个磁畴中，原子磁矩已经取向同一方位，但对不同时，在每个磁畴中，原子磁矩已经取向同一方位，但对不同的磁畴其分子磁矩的取向各不相同，磁畴的这种排列方式的磁畴其分子磁矩的取向各不相

8、同，磁畴的这种排列方式,使磁体处于最小能量的稳定状态使磁体处于最小能量的稳定状态.因此对整个铁磁体来说，任因此对整个铁磁体来说，任何宏观区域的总磁矩仍然为零，整个磁体不显磁性。何宏观区域的总磁矩仍然为零，整个磁体不显磁性。线条为线条为畴界，箭头为磁畴的磁化方向。畴界，箭头为磁畴的磁化方向。6 在外磁场作用下，磁矩与外磁场同方向排列的磁畴的磁在外磁场作用下，磁矩与外磁场同方向排列的磁畴的磁能低于磁矩与外磁场反向排列的磁畴的磁能。结果是自发能低于磁矩与外磁场反向排列的磁畴的磁能。结果是自发磁化磁矩与外磁场成小角度的磁畴体积不断扩大；自发磁磁化磁矩与外磁场成小角度的磁畴体积不断扩大；自发磁化磁矩与外

9、磁场成大角度的磁畴体积不断缩小。随着外磁化磁矩与外磁场成大角度的磁畴体积不断缩小。随着外磁场的不断增强，取向与外磁场成大角度的磁畴全部消失，场的不断增强，取向与外磁场成大角度的磁畴全部消失，留存的磁畴将不同程度地转向外磁场方向。以后再继续增留存的磁畴将不同程度地转向外磁场方向。以后再继续增加外磁场，磁矩继续转向外磁场，最后使所有磁畴全部沿加外磁场，磁矩继续转向外磁场，最后使所有磁畴全部沿外磁场排列，这时磁化达到饱和，图外磁场排列，这时磁化达到饱和，图19-219-2是某单晶磁化过是某单晶磁化过程的示意图。可见饱和时，介质的磁化强度等于每个磁畴程的示意图。可见饱和时，介质的磁化强度等于每个磁畴中

10、原来的磁化强度，铁磁质的磁化强度是非常大的，外磁中原来的磁化强度，铁磁质的磁化强度是非常大的，外磁场不是像对顺磁质那样，只是使单个原子、分子转向；而场不是像对顺磁质那样，只是使单个原子、分子转向；而是使整个磁畴转向。这就是为什么铁磁质磁化后的磁场要是使整个磁畴转向。这就是为什么铁磁质磁化后的磁场要比一般的顺磁质强得多的原因。比一般的顺磁质强得多的原因。图图19-2 19-2 铁磁质磁化时磁畴的变化铁磁质磁化时磁畴的变化73.铁磁质的铁磁质的磁化磁化规律规律(B(B和和H H之间的依赖关系之间的依赖关系)（1 1）起始磁化曲线：起始磁化曲线：BHoabcd 从未磁化到饱和磁化的这从未磁化到饱和磁

11、化的这段曲线段曲线 O a b c d，称为铁磁质称为铁磁质的起始磁化曲线，在起始磁化的起始磁化曲线，在起始磁化过程中，过程中，B和和H 的关系是非线的关系是非线性的，但是两个量的值却一一性的，但是两个量的值却一一对应。对应。8（2）磁滞回线：）磁滞回线：HcHcHrBrBBddo 由图看出：铁磁质的磁化由图看出：铁磁质的磁化曲线是一条具有方向性的闭合曲线是一条具有方向性的闭合曲线；并且曲线；并且B与与H 的值不具有的值不具有对应关系，同一个对应关系，同一个H 可对应几可对应几个不同的个不同的B 值，值，B 总是落后总是落后H的变化，此现象叫做磁滞的变化，此现象叫做磁滞;闭闭合曲线（合曲线（B

12、H 曲曲线）成为铁线）成为铁磁质的磁滞回线。磁质的磁滞回线。94.热运动热运动 居里点居里点 热运动是磁矩有序排列的破坏者。因此，强烈的振动或者温度过高造成的热运动是磁矩有序排列的破坏者。因此，强烈的振动或者温度过高造成的剧烈热运动都能造成磁畴的瓦解，从而使铁磁质变成顺磁性。剧烈热运动都能造成磁畴的瓦解，从而使铁磁质变成顺磁性。实验证明，对实验证明，对于每种铁磁质的确存在一临界温度于每种铁磁质的确存在一临界温度T TC C 称为居里温度称为居里温度(也称居里点也称居里点)。当高于这当高于这一温度时，铁磁性就将消失。比如纯铁的居里温度是一温度时，铁磁性就将消失。比如纯铁的居里温度是770770

13、o oC C，纯镍是，纯镍是350350 o oC C。当温度增加时，由于热扰动影响磁畴内磁矩的有序排列，但在未达到居里温当温度增加时，由于热扰动影响磁畴内磁矩的有序排列，但在未达到居里温度度T T C C时，铁磁体中分子热运动不足以破坏磁畴内磁矩基本的平行排列，此时，时，铁磁体中分子热运动不足以破坏磁畴内磁矩基本的平行排列，此时，物质仍具有铁磁性，而其自发磁化强度随温度升高而降低。如果温度继续升物质仍具有铁磁性，而其自发磁化强度随温度升高而降低。如果温度继续升高达居里点时，物质的磁性发生突变，磁化强度高达居里点时，物质的磁性发生突变，磁化强度M M(实为自发磁化强度实为自发磁化强度)剧烈剧烈

14、下降下降!因为这时分子热运动足以使相邻原子因为这时分子热运动足以使相邻原子(或分子或分子)之间的交换耦合作用突之间的交换耦合作用突然消失，从而瓦解了磁畴内磁矩有规律的排列，此时磁畴消失，铁磁性变为然消失，从而瓦解了磁畴内磁矩有规律的排列，此时磁畴消失，铁磁性变为顺磁性。顺磁性。使铁磁质丧失其铁磁性的临界温度。叫做居里点。使铁磁质丧失其铁磁性的临界温度。叫做居里点。磁畴的出现或消失，伴随着晶格结构的改变，所以是一个相变过程。居里点磁畴的出现或消失，伴随着晶格结构的改变，所以是一个相变过程。居里点就是发生相变的温度，它和熔点一样，因物质的不同而不同。就是发生相变的温度，它和熔点一样，因物质的不同而

15、不同。10(二二)实验原理实验原理 居里点的居里点的 测定测定 如图所示如图所示:用铁磁性材料用铁磁性材料(铁氧体铁氧体)做做成成 的的 磁环上分别绕线圈磁环上分别绕线圈 A、B，在，在A 线圈（初级线圈（初级)上通激励电流上通激励电流 ，则，则B 线线圈（次级）上产生的圈（次级）上产生的 感应电动势的感应电动势的有效值为：有效值为：mBeffHfns44.4)()(mmBH式中式中Hm是磁场强度的幅值，当激励电流稳定且按正弦变化时，是磁场强度的幅值，当激励电流稳定且按正弦变化时，则则Hm恒定，由此得：恒定，由此得：)(Beff,00)(Beff，当此时温度此时温度Tc称居里点。称居里点。注意

16、：注意：为介质的磁导率，是个反映介质磁化特性的物理量。为介质的磁导率，是个反映介质磁化特性的物理量。IB有AI11 显然，我们完全可用测出的显然，我们完全可用测出的eff（B）T 曲线来确定温度曲线来确定温度TC 。具。具体作法是，先根据实验数据做出体作法是，先根据实验数据做出eff（B）T T 曲线，然后在曲线斜率最曲线，然后在曲线斜率最大处作其切线，该切线与横轴相交大处作其切线，该切线与横轴相交的一点即为居里温度的一点即为居里温度T TC C 。如图。如图19-3 19-3 所示。这是因为在居里点，铁磁材所示。这是因为在居里点，铁磁材料的磁性发生突变，所以要在斜率料的磁性发生突变，所以要在

17、斜率最大处作切线。最大处作切线。又因为在居里点又因为在居里点以上时，以上时，铁磁性己转化为顺磁性铁磁性己转化为顺磁性 ，且本实验的交变磁场较弱，所以对且本实验的交变磁场较弱，所以对顺磁性物质引起的磁化是很弱的顺磁性物质引起的磁化是很弱的,但有一个很小的值但有一个很小的值,故无论如何升故无论如何升高温度，高温度，eff（B）都不会为零。都不会为零。图19-3TcT0)(Beff12三、实验仪器三、实验仪器居里点实验仪（参阅仪器使用说明书）居里点实验仪（参阅仪器使用说明书）1.集成温集成温度传感器；度传感器；2.被测样被测样品和加热电品和加热电 炉丝；炉丝；3.激励线激励线圈和感应线圈和感应线 圈

18、。圈。12313四、内容与步骤四、内容与步骤 1 1、熟悉居里点实验仪的基本组成和各旋钮的作用，把温控熟悉居里点实验仪的基本组成和各旋钮的作用，把温控旋钮旋至最小，电压旋钮旋至最小。旋钮旋至最小，电压旋钮旋至最小。2 2、按照面板上接线柱和连线的颜色及相应的提示符号接线，、按照面板上接线柱和连线的颜色及相应的提示符号接线，打开电源开关。打开电源开关。3 3、调节电压旋钮、调节电压旋钮 (开关应拨在感应电压一端开关应拨在感应电压一端)使感应电压使感应电压增大至增大至4OmV4OmV左右，对铁氧体加温。在加温过程中，观察感应左右，对铁氧体加温。在加温过程中，观察感应电压随温度逐渐升高所发生的变化，

19、并记录数据。电压随温度逐渐升高所发生的变化，并记录数据。注意：由于在低温（大约注意：由于在低温（大约5050度以下），感应电压随温度的升高变化的较度以下），感应电压随温度的升高变化的较慢，而当温度逐渐升高慢，而当温度逐渐升高(50(50度以上时度以上时)，随温度的变化，感应电压的变化非，随温度的变化，感应电压的变化非常灵敏。故在实验时，要密切关注温度升高对感应电压变化的影响，随时常灵敏。故在实验时，要密切关注温度升高对感应电压变化的影响，随时适当地调节升温速度，从而记录一组较为准确的数据。在初始加温时，升适当地调节升温速度，从而记录一组较为准确的数据。在初始加温时，升温速度可稍快一点，温度数据

20、的跨度亦可稍大一点，在温度较高时，可适温速度可稍快一点，温度数据的跨度亦可稍大一点，在温度较高时，可适当调节减慢升温速度，并多记录一些数据。直至到达居里点。自拟表格。当调节减慢升温速度，并多记录一些数据。直至到达居里点。自拟表格。14 4 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、第一组数据测好后使铁氧体降温，再调节电压旋钮使感应 电压为电压为80mV 80mV 左右，如左右，如 3 3 那样再记录一组数据。那样再记录一组数据。5、第二组数据测好，使铁氧体降温后，再调节电压旋钮使、第二组数据测好，使铁氧体降温后，再调节电压旋钮使 感感 应电压为应电压为120mV左右，重复左右，重

21、复3再记录一组数据。再记录一组数据。6 6、检查数据无误后，拔下连线，关闭电源。、检查数据无误后，拔下连线，关闭电源。7 7、根据记录的数据作出三条、根据记录的数据作出三条eff(B)eff(B)T TC C 曲线并求出居里点。曲线并求出居里点。8、一定要用正规坐标纸作图。曲线要圆滑、线条、一定要用正规坐标纸作图。曲线要圆滑、线条 粗细要均匀。粗细要均匀。9、对实验现象和误差要进行分析讨论。、对实验现象和误差要进行分析讨论。五、思考题：五、思考题：1 1铁氧体的磁化强度在温度达到居里点时发生突变的微观机铁氧体的磁化强度在温度达到居里点时发生突变的微观机 理是什么理是什么?试用磁畴理论进行解释。试用磁畴理论进行解释。2 2测出的测出的eff(B)eff(B)T TC C曲线曲线 ，为什么与横坐标没有交点，为什么与横坐标没有交点?15 温度温度25感应电压感应电压（mv)温度温度感应电压感应电压（mv)(C)(C1617