鐵磁材料居里溫度測試實(shí)驗(yàn)

1、鐵磁材料居里溫度測試實(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頻率對居里溫度測試結(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)和信息存儲等領(lǐng)域有著十分廣泛的應(yīng)用，近年來已成為促進(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)。測定鐵磁材料的居里溫度不僅對磁材料、磁性器件的研究和研制，而且對工程技術(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)簡單，性能穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)，通過對軟磁鐵氧體材料居里溫度的測量，加深對這一磁性材料基本特性的理解。儀器配有自動采集系統(tǒng)，可以通過計(jì)算機(jī)自動掃描分析，二、實(shí)驗(yàn)原理1鐵磁質(zhì)的磁化規(guī)律由于外加磁場的

3、作用，物質(zhì)中的狀態(tài)發(fā)生變化，產(chǎn)生新的磁場的現(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,在無外磁場的情況下，它們的自旋磁矩能在一個個微小區(qū)域內(nèi)“自發(fā)地”整齊排列起來而形成自發(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)處于外磁場中時(shí)，那些自發(fā)磁化方向和外磁場方向成小角度的磁疇其體積隨著外加磁場的增大而擴(kuò)大并使磁疇的磁化方向進(jìn)一步轉(zhuǎn)向外磁

4、場方向。另一些自發(fā)磁化方向和外磁場方向成大角度的磁疇其體積則逐漸縮小，這時(shí)鐵磁質(zhì)對外呈現(xiàn)宏觀磁性。當(dāng)外磁場增大時(shí)，上述效應(yīng)相應(yīng)增大，直到所有磁疇都沿外磁場排列好，介質(zhì)的磁化就達(dá)到飽和。圖1 未加磁場多晶磁疇結(jié)構(gòu)圖2 加磁場時(shí)多晶磁疇結(jié)構(gòu)由于在每個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)力在磁化場去掉后阻礙著磁疇恢復(fù)到原來的退磁狀態(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)分不開的。當(dāng)鐵磁體受到強(qiáng)烈的震動，或在高溫下由于劇烈運(yùn)動的影響，磁疇便會瓦解，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。對于任何

5、鐵磁物質(zhì)都有這樣一個臨界溫度，高過這個溫度鐵磁性就消失，變?yōu)轫槾判?，這個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MOFe2O3(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。現(xiàn)在以NiZn鐵氧體等為中心，主要作為磁

6、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)度和磁場強(qiáng)度來描述，它們滿足以下關(guān)系（1）式中，m0 = 4p10-7H/m為真空磁導(dǎo)率，為磁化率，為相對磁導(dǎo)率，是一個無量綱的系數(shù)為絕對磁導(dǎo)率。對于順磁性介質(zhì)，磁化率，略大于1；對于抗磁性介質(zhì)，一般的絕對值在之間，略小于1；而鐵磁性介質(zhì)的，所以，。對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，開始時(shí)B緩慢的增加，此時(shí)較?。欢蟊汶SH的增加B急劇增大，也迅

7、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)等式的模量和輻角分別相等，于是有

8、（3）（4）圖5 交流電橋的基本電路 圖6 RL交流電橋由此可見，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試實(shí)驗(yàn)儀中還接入了一個可調(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)其中一個電感放入鐵氧體后，電感大小發(fā)生了變化，引起電橋不平衡

9、隨著溫度的上升到某一個值時(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，這個突變的點(diǎn)對應(yīng)的溫度就是居里溫度可通過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)的速率對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響由于被研究的對象鐵氧體置于電感的繞組中，被線圈包圍，如果加溫速度過快，則傳感器測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、儀器簡介FD-FMCT-A鐵磁材料居里溫度測試實(shí)驗(yàn)儀主要包括主機(jī)兩臺，手提實(shí)驗(yàn)箱壹臺。圖7 實(shí)驗(yàn)主機(jī)（信號發(fā)

10、生器和頻率計(jì)）面板說明：（1）數(shù)字頻率計(jì)：顯示信號發(fā)生器的輸出頻率，“輸入”（紅黑接線座）可以外部接入，測量信號頻率（如正弦波）。（2）信號發(fā)生器：“輸出”正弦波信號輸出端，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)正弦波信號的幅度，右旋增大。圖8 實(shí)驗(yàn)主機(jī)（交流電壓表和信號采集系統(tǒng)）面板說明：（1）交流電壓表：測量交流電橋輸出的電壓信號，“輸入”（紅黑接線座）外部信號接入，可以測量交流電壓（如正弦波電壓）。（2）信號采集系統(tǒng)：“樣品溫度”將溫度傳感器測得的樣品溫度信號通過Q9連接線接入信號采集系統(tǒng)，作為測量曲線的橫坐標(biāo)。“電橋輸出”將電橋輸出的交流信號接入

11、信號采集系統(tǒng)，作為測量曲線的縱坐標(biāo)，同時(shí)將電橋輸出的交流信號接入交流電壓表?！按谳敵觥蓖ㄟ^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）面板說明：“加熱開關(guān)”控制加熱器是否開始加熱，“溫度輸出”通過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^Q9線與圖2中“電橋輸出”相連，“接信號源”用Q9線與圖1中信號發(fā)生器“輸出”端相連。實(shí)驗(yàn)儀器相關(guān)參數(shù)1信號發(fā)生器 頻率調(diào)節(jié) 500Hz1500Hz幅度調(diào)節(jié) 2V-10V（峰峰值）2數(shù)字頻

12、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 oC2 oC和80 oC2 oC【實(shí)驗(yàn)過程】1、將兩個實(shí)驗(yàn)主機(jī)和手提實(shí)驗(yàn)箱按照前面的儀器說明連接起來，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、移動電感線圈，露出樣品槽，將實(shí)驗(yàn)測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

13、流電壓表的讀數(shù)。4、打開加熱器開關(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，加熱過程中，溫度每升高，記錄電壓表的讀數(shù)，這個過程中要仔細(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、測量不同的樣品或者分別用加溫和降溫的辦法測量，分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。7、用計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)測量，通過電腦自動分析測試樣品的居里溫度，改變加熱速率和信號發(fā)生器的頻率，分析加熱速率和信號頻率對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。【實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄及處理】按照上面實(shí)驗(yàn)過程記錄數(shù)據(jù)如下：測量條件：（1）室溫。（

14、2）信號頻率1500Hz。（3）升溫測量。（4）測量樣品：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量曲線，橫坐標(biāo)為溫度T，縱坐標(biāo)為電壓V。從上面的測量曲線上判斷該鐵氧體樣品的居里溫度。同樣的方法，可以測量不同的樣品在不同的信號頻率下，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)測量具體操作見軟件使用說明?！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放入