南京理工大學材料科學與工程系

1、南京理工大學材料科學與工程系磁性材料實驗 實驗二實驗二 鐵磁相變和居里溫度的直接觀測鐵磁相變和居里溫度的直接觀測1實驗目的實驗目的v1) 了解鐵磁物質在居里溫度點由鐵磁物質（鐵了解鐵磁物質在居里溫度點由鐵磁物質（鐵磁相）轉變?yōu)轫槾盼镔|（順鐵磁相）的相變過程磁相）轉變?yōu)轫槾盼镔|（順鐵磁相）的相變過程微觀機理。微觀機理。v2) 測定鐵磁材料樣品的居里溫度。測定鐵磁材料樣品的居里溫度。南京理工大學材料科學與工程系磁性材料實驗 2實驗原理實驗原理v由于外加磁場的作用，物質中狀態(tài)發(fā)生變化，產生由于外加磁場的作用，物質中狀態(tài)發(fā)生變化，產生新的磁場的現象稱為新的磁場的現象稱為磁性磁性。v物質的磁性可分為反鐵

2、磁性（抗磁性）、順磁性和物質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叫做磁介質，在鐵磁性三種，一切可被磁化的物質叫做磁介質，在鐵磁質中相鄰電子之間存在著一種很強的鐵磁質中相鄰電子之間存在著一種很強的“交換耦交換耦合合”作用，在無外磁場的情況下，它們的自旋磁矩作用，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)域內能在一個個微小區(qū)域內“自發(fā)地自發(fā)地”整齊排列起來而整齊排列起來而形成自發(fā)磁化小區(qū)域，稱為形成自發(fā)磁化小區(qū)域，稱為磁疇磁疇。v在未經磁化的鐵磁質中，雖然每一磁疇內部都有確在未經磁化的鐵磁質中，雖然每一磁疇內部都有確定的自發(fā)磁化方向，有很大的磁性，但大量磁

3、疇的定的自發(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不顯磁性。磁化方向各不相同因而整個鐵磁質不顯磁性。v圖圖1和圖和圖2分別是加磁場前后的多晶磁疇結構。分別是加磁場前后的多晶磁疇結構。 南京理工大學材料科學與工程系磁性材料實驗 圖圖1 未加磁場多晶磁疇結構未加磁場多晶磁疇結構圖圖2 加磁場時多晶磁疇結構加磁場時多晶磁疇結構南京理工大學材料科學與工程系磁性材料實驗 v當鐵磁質處于外磁場中時，那些自發(fā)磁化方向和當鐵磁質處于外磁場中時，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大并使磁疇的磁化方向進一步轉

4、向外的增大而擴大并使磁疇的磁化方向進一步轉向外磁場方向；另一些自發(fā)磁化方向和外磁場方向成磁場方向；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，這時鐵磁質對大角度的磁疇其體積則逐漸縮小，這時鐵磁質對外呈現宏觀磁性。當外磁場增大時，上述效應相外呈現宏觀磁性。當外磁場增大時，上述效應相應增大，直到所有磁疇都沿外磁場排列好，介質應增大，直到所有磁疇都沿外磁場排列好，介質的的磁化就達到飽和磁化就達到飽和。 v由于在每個磁疇中元磁矩已完全排列整齊，因此由于在每個磁疇中元磁矩已完全排列整齊，因此具有很強的磁性，這就是為什么具有很強的磁性，這就是為什么鐵磁質的磁性比鐵磁質的磁性比順磁質強得多

5、的原因順磁質強得多的原因。v介質里的摻雜和內應力在磁化場去掉后阻礙磁疇介質里的摻雜和內應力在磁化場去掉后阻礙磁疇恢復到原來的退磁狀態(tài)，從而恢復到原來的退磁狀態(tài)，從而造成磁滯現象造成磁滯現象。 南京理工大學材料科學與工程系磁性材料實驗 v鐵磁性是與磁疇結構分不開的。當鐵磁體受到強鐵磁性是與磁疇結構分不開的。當鐵磁體受到強烈的震動，或在高溫下由于劇烈運動的影響，磁烈的震動，或在高溫下由于劇烈運動的影響，磁疇便會瓦解，這時與磁疇聯系的一系列鐵磁性質疇便會瓦解，這時與磁疇聯系的一系列鐵磁性質（如高磁導率、磁滯等）全部消失。對于任何鐵（如高磁導率、磁滯等）全部消失。對于任何鐵磁物質都有這樣一個臨界溫度，

6、高過這個溫度鐵磁物質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?，這個臨界溫度叫做磁性就消失，變?yōu)轫槾判?，這個臨界溫度叫做鐵鐵磁質的居里點磁質的居里點Tc。v磁疇的出現或消失，伴隨著晶格結構的改變，所磁疇的出現或消失，伴隨著晶格結構的改變，所以是一個相變過程。以是一個相變過程。v居里點和熔點一樣，因物質不同而不同，如鐵、居里點和熔點一樣，因物質不同而不同，如鐵、鎳、鈷的居里點分別為鎳、鈷的居里點分別為1043K、631K、1393K。 南京理工大學材料科學與工程系磁性材料實驗 磁介質的磁化規(guī)律可用磁感應強度磁介質的磁化規(guī)律可用磁感應強度B、磁化強度、磁化強度M和磁場強度和磁場強度

7、H來描述，它們滿足以下關系：來描述，它們滿足以下關系：B = 0 (H+M)= ( Xm+1) 0H= r 0H = H式中，式中， 0410-7亨利亨利/米為真空磁導率，米為真空磁導率，Xm為磁化為磁化率，率， r為相對磁導率，是一個無量綱的系數，為相對磁導率，是一個無量綱的系數， 為絕對為絕對磁導率。磁導率。v對于順磁性介質，磁化率對于順磁性介質，磁化率Xm0， r略大于略大于1；v對于抗磁性介質，對于抗磁性介質，Xm1，所以，所以 r 1。南京理工大學材料科學與工程系磁性材料實驗 圖圖3 磁化曲線和磁化曲線和-H曲線曲線 圖圖4 -T曲線曲線南京理工大學材料科學與工程系磁性材料實驗 v圖

8、圖3是典型的磁化曲線（是典型的磁化曲線（B-H曲線），它反映了鐵磁曲線），它反映了鐵磁質的共同磁化特點：隨著質的共同磁化特點：隨著H的增加，開始時的增加，開始時B緩慢緩慢的增加，此時的增加，此時 較??；而后隨較?。欢箅SH的增加的增加B急劇增大，急劇增大， 也迅速增加；最后隨也迅速增加；最后隨H增加，增加，B趨向于飽和，而此趨向于飽和，而此時的時的 值在到達最大值后又急劇減小。圖值在到達最大值后又急劇減小。圖3表明了磁表明了磁導率導率 是磁場是磁場H的函數。的函數。v從圖從圖4中可看到，磁導率中可看到，磁導率 還是溫度的函數，當溫度還是溫度的函數，當溫度升高到某個值時，鐵磁質由鐵磁狀態(tài)轉變成順

9、磁狀升高到某個值時，鐵磁質由鐵磁狀態(tài)轉變成順磁狀態(tài)，在曲線突變點所對應的溫度就是居里溫度態(tài)，在曲線突變點所對應的溫度就是居里溫度Tc。 南京理工大學材料科學與工程系磁性材料實驗 v在居里溫度在居里溫度Tc以下，對鐵磁材料磁化可得到磁滯回以下，對鐵磁材料磁化可得到磁滯回線。對磁體加熱，磁滯回線收縮。當溫度達到線。對磁體加熱，磁滯回線收縮。當溫度達到Tc時，時，磁滯回線消失，鐵磁相轉變?yōu)轫槾畔?。在磁滯回線消失，鐵磁相轉變?yōu)轫槾畔?。在Tc附近，附近，磁化強度磁化強度M和溫度和溫度T的關系可用下式描述：的關系可用下式描述：M (T) = K (Tc-T)lnM=lnK+ln(Tc-T)其中其中的典型值

10、在的典型值在0.3-0.4之間。之間。南京理工大學材料科學與工程系磁性材料實驗 v3實驗儀器實驗儀器磁滯回線實驗儀、數字萬用表、示波器、加熱爐、磁滯回線實驗儀、數字萬用表、示波器、加熱爐、水銀溫度計等。水銀溫度計等。v4實驗內容及步驟實驗內容及步驟1) 電路連接：選擇樣品，按實驗儀上所給的電路電路連接：選擇樣品，按實驗儀上所給的電路接線圖連接好線路。令接線圖連接好線路。令R12.5，置勵磁電壓，置勵磁電壓U于于0位。位。UH和和UB分別接示波器的分別接示波器的“X輸入輸入”和和“Y輸輸入入”，插孔，插孔“”為接地公共端。為接地公共端。2) 樣品退磁：開啟儀器電源開關，對樣品進行退樣品退磁：開啟

11、儀器電源開關，對樣品進行退磁，順時針方向轉動電壓磁，順時針方向轉動電壓U的調節(jié)旋鈕，觀察數字的調節(jié)旋鈕，觀察數字電壓表可看到電壓表可看到U從從0逐漸增加增至最大，然后逆時針逐漸增加增至最大，然后逆時針方向轉動電壓方向轉動電壓U的調節(jié)旋鈕，將的調節(jié)旋鈕，將U逐漸從最大值調逐漸從最大值調為為0，這樣做的目的是消除剩磁，確保樣品處于磁，這樣做的目的是消除剩磁，確保樣品處于磁中性狀態(tài)，即中性狀態(tài)，即BH0。南京理工大學材料科學與工程系磁性材料實驗 v3) 退磁后，令退磁后，令R12.5，觀察樣品的在，觀察樣品的在50HZ交流交流信號下的磁滯回線：開啟示波器電源，調節(jié)示波器信號下的磁滯回線：開啟示波器電

12、源，調節(jié)示波器上上“X”、“Y”位移旋鈕，使光點位于坐標網格中心，位移旋鈕，使光點位于坐標網格中心，調節(jié)勵磁電壓調節(jié)勵磁電壓U和示波器的和示波器的X和和Y軸靈敏度，使顯示軸靈敏度，使顯示屏上出現大小合適、美觀的磁滯回線圖形（若圖形屏上出現大小合適、美觀的磁滯回線圖形（若圖形頂部出現編織狀的小環(huán)，這時可降低頂部出現編織狀的小環(huán)，這時可降低U予以消除），予以消除），從已標定好的示波器上讀取從已標定好的示波器上讀取UX(UH)、UY(UB)值（峰值（峰值），計算相應的值），計算相應的H、B和和M。v4) 用電爐加熱樣品，并用水銀溫度計測量溫度。用電爐加熱樣品，并用水銀溫度計測量溫度。磁滯回線隨著溫度的升高而縮小，在居里溫度時，磁滯回線隨著溫度的升高而縮小，在居里溫度時，磁滯回線消失，至此直觀而清楚的觀測了鐵磁到順磁滯回線消失，至此直觀而清楚的觀測了鐵磁到順磁的相變全過程，并測得鐵磁材料樣品的居里溫度磁的相變全過程，并測得鐵磁材料樣品的居里溫度Tc。觀測。觀測5個溫度（包括居里溫度，此時個溫度（包括居里溫度，此時M0）下）下的磁滯回線，計算相應的的磁滯回線，計算相應的B、H和和M，逐點描繪作，逐點描繪作M-