居里溫度測(cè)定

鈣鈦礦錳氧化物居里溫度的測(cè)定摘要：居里溫度是指材料可以在鐵磁體（亞鐵磁體）和順磁體之間改變的溫度，即鐵電體從鐵磁性（亞鐵磁性）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)是通過(guò)測(cè)定弱交變磁場(chǎng)下磁化強(qiáng)度隨溫度變化來(lái)測(cè)定樣品的居里溫度。本文闡述了居里溫度的物理意義及測(cè)量方法，測(cè)定了鈣鈦礦錳氧化物樣品在實(shí)驗(yàn)條件下的居里溫度，最后對(duì)本實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了討論關(guān)鍵詞：居里溫度、鈣鈦礦錳氧化物、磁化強(qiáng)度M-T曲線。一、引言磁性材料的自發(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)升高到一定溫度時(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，此即居里溫度。不同材料的居里溫度是不同的。材料居里溫度的高低反映了材料內(nèi)部磁性原子之間的直接交換作用、超交換作用、雙交換作用。因此，深入研究和測(cè)定材料的居里溫度有著重要意義。二、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?．了解磁性材料居里溫度的物理意義。2．測(cè)定鈣鈦氧錳氧化物樣品的居里溫度。三、實(shí)驗(yàn)原理1.居里點(diǎn)物體在外磁場(chǎng)下產(chǎn)生不同的磁矩，M=(1+χm)。根據(jù)其性質(zhì)不同可分為抗磁性（χm<0），順磁性（χm>0），鐵磁性（χm～10-106，自發(fā)磁化）等。此外還有反鐵磁性和亞鐵磁性等其他性質(zhì)復(fù)雜的磁性物質(zhì)。其中鐵磁性物質(zhì)的磁特性會(huì)隨溫度的變化而改變。當(dāng)溫度上升到某一溫度時(shí)，鐵磁性材料會(huì)由鐵磁狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾艩顟B(tài)，這個(gè)溫度稱(chēng)之為居里溫度，以2.居里溫度的測(cè)量方法通過(guò)測(cè)定材料的飽和磁化強(qiáng)度和溫度依賴(lài)性得到Ms—T曲線，從而得打Ms降為零時(shí)所對(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，例如磁天平、振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)以及SQUID等。圖1示出了純Ni的飽和磁化強(qiáng)度的度依賴(lài)性。由圖(1)可以確定Ni的居里溫度。圖(1)，Ni的Ms—T曲線四、鈣鈦礦錳氧化物鈣鈦礦錳氧化物指的是成分為R1-xAxMnO3(R是二價(jià)稀土金屬離子，QUOTEA為一價(jià)堿土金屬離子)的一大類(lèi)具有QUOTEABO3型鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的錳氧化物。理想的QUOTE型QUOTEABO3(AQUOTE為稀土或堿土金屬離子，QUOTEB為QUOTEMn離子)鈣鈦礦具有空間群為立方結(jié)構(gòu)，如以稀土離子A作為立方晶格的頂點(diǎn)，則QUOTEMn離子和QUOTEO離子分別處在體心和面心的位置，同時(shí)，QUOTEMn離子又位于六個(gè)氧離子組成的QUOTEMnO6八面體的重心，如圖(2)(a)所示。圖(3)(b)則是以QUOTEMn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(chēng)為QUOTEA位，而QUOTEMn離子占據(jù)的晶位稱(chēng)為B位。圖(2)QUOTEABO3QUOTE鈣鈦礦結(jié)構(gòu)這些鈣鈦礦錳氧化物的母本氧化物是LaMnO3，Mn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20世紀(jì)50—60年代，人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，如果用二價(jià)堿土金屬離子(Sr、Ca、Pb等)部分取代三價(jià)稀土離子，Mn離子將處于/混合價(jià)狀態(tài)，于是，通過(guò)和離子之間的雙交換作用，在一定溫度(Tp)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Sr量的增加，錳氧化物的五、實(shí)驗(yàn)儀器描述圖3示出了樣品和測(cè)試線圈支架示意圖。測(cè)試線圈由匝數(shù)和形狀相同的探測(cè)線圈組A和補(bǔ)償線圈組B組成。樣品和熱電偶置于其中一個(gè)石英管A中，另一個(gè)線圈組是作為補(bǔ)償線圈引入的，以消除變溫過(guò)程中因線圈阻抗發(fā)生的變化而造成測(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)是相互抵消的。在溫度低于Tc時(shí)，位于探測(cè)線圈A中的鈣鈦礦樣品呈鐵磁性，而補(bǔ)償線圈B中無(wú)樣品，反串聯(lián)的次級(jí)線圈感應(yīng)輸出信號(hào)強(qiáng)度正比于鐵磁樣品的磁化強(qiáng)度；當(dāng)溫度升到Tc以上時(shí)，探測(cè)線圈A中的鈣鈦礦樣品呈順磁性，和補(bǔ)償線圈中空氣的磁性相差無(wú)幾，反串聯(lián)的次級(jí)線圈感應(yīng)輸出信號(hào)強(qiáng)度幾乎變?yōu)榱恪Ｒ虼?，在樣品溫度升高時(shí)，在Tc附近隨著磁性的突然變化鎖定放大器的輸出信號(hào)強(qiáng)度應(yīng)有一個(gè)比較陡峭的下降過(guò)程，由此可以測(cè)定居里溫度Tc。圖3

圖4測(cè)試系統(tǒng)如圖4所示。通過(guò)測(cè)定1、1’兩點(diǎn)間電動(dòng)勢(shì)的平均值，即可求出樣品的磁化強(qiáng)度，理由如下：對(duì)于線圈A有對(duì)于線圈B有根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律分別對(duì)線圈A和線圈B有ε其中A是次級(jí)螺線管的橫截面積，則在1與1’兩端的電勢(shì)差為U=ε所以U=-而在測(cè)量時(shí)會(huì)對(duì)1與1’兩端的電壓求平均，即因此對(duì)1與1`兩端電壓平均值的測(cè)量值，即可反映所測(cè)樣品中磁化強(qiáng)度M的值。六、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容（1）開(kāi)啟測(cè)試儀器開(kāi)關(guān)（2）調(diào)節(jié)低頻信號(hào)器的頻率選擇為“*1k”檔，用衰減調(diào)節(jié)旋鈕調(diào)節(jié)幅度，調(diào)節(jié)頻率到1.5KHZ左右穩(wěn)定。（3）設(shè)置鎖定放大器的參數(shù)：放大倍數(shù)P=10，A=6，模式為“模值”。（4）開(kāi)啟攪拌器，同時(shí)開(kāi)始對(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10℃左右（5）以0.5度為計(jì)量間隔，開(kāi)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M-T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。七、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理因?yàn)橄嚓P(guān)參數(shù)我們并不清楚，因此本實(shí)驗(yàn)不將電壓轉(zhuǎn)化為磁化強(qiáng)度，而直接以輸出信號(hào)電壓為縱坐標(biāo)、溫度為橫坐標(biāo)作圖。因?yàn)榇呕瘡?qiáng)度和輸出信號(hào)電壓成正比，因此這樣并不影響居里溫度的測(cè)定。按照慣例，錳氧化物的居里溫度被定義為M-T（U-T）曲線上斜率絕對(duì)值最大點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的溫度。以下表格為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，f用5階多項(xiàng)式擬合后圖像為dU/dT-T曲線：擬合的得到,倒數(shù)最大點(diǎn)處Tc=28.9℃。八、實(shí)驗(yàn)討論本實(shí)驗(yàn)測(cè)量精度一方面取決于系統(tǒng)的弛豫時(shí)間，實(shí)驗(yàn)時(shí)用于升溫的水的溫度增長(zhǎng)速度不宜過(guò)快，實(shí)驗(yàn)時(shí)采取的方法是先讓初始水溫升高5度，在樣品升溫3度以后再讓水升溫3度，如此往復(fù)直至樣品溫度到達(dá)40度。因?yàn)榫永餃囟葴y(cè)量要求在平衡態(tài)測(cè)量，因此水溫升高越慢越接近準(zhǔn)靜態(tài)，測(cè)量結(jié)果越準(zhǔn)確，實(shí)驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)溫度升高較慢時(shí)讀數(shù)波動(dòng)較小，更穩(wěn)定。另外本實(shí)驗(yàn)采用環(huán)形熱電偶對(duì)水加熱并用小型螺旋槳攪拌使得水溫均勻，盡量減小溫度梯度，是樣品處于準(zhǔn)靜態(tài)。本實(shí)驗(yàn)精度還受到線圈A和B的影響：由五中的計(jì)算可知如果探測(cè)線圈A和補(bǔ)償線圈B在繞制時(shí)不完全相同，則激勵(lì)磁場(chǎng)H產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)不能完全抵消即：在測(cè)量的結(jié)果中疊加上一個(gè)常量（HA-HB），理論上對(duì)求導(dǎo)獲得居里溫度沒(méi)有影響，但是由于激勵(lì)磁場(chǎng)遠(yuǎn)大于M，結(jié)果會(huì)使M導(dǎo)致的電壓變化被淹沒(méi)在激勵(lì)磁場(chǎng)H的變化中，使得結(jié)果精確度大大降低。九、思考題如果探測(cè)線圈A和補(bǔ)償線圈B在繞制時(shí)不完全相同，會(huì)對(duì)測(cè)到的M-T（U-T）曲線以及Tc答：計(jì)算可知，當(dāng)繞制不同時(shí)μ0HA得到的電勢(shì)差平均值為:即在原有測(cè)量結(jié)果的電壓值上疊加了一個(gè)常數(shù)，即原有實(shí)驗(yàn)U-T圖形沿縱坐標(biāo)平移了一段距離，顯然，理論上這對(duì)于求導(dǎo)獲得的居里溫度不會(huì)產(chǎn)生任何影響，但實(shí)際需分情況討論，當(dāng)時(shí)，居里點(diǎn)附近的磁場(chǎng)躍變相對(duì)于線圈本身的激勵(lì)磁場(chǎng)為小量，這在實(shí)際實(shí)驗(yàn)測(cè)量中會(huì)使得測(cè)量到的電壓變化（居里點(diǎn)附近）不顯著，從而降低了實(shí)驗(yàn)精度。而當(dāng)或兩者相差不大時(shí)，這種影響便可忽略不計(jì)。參考文獻(xiàn)：【1】G.H.JonkerandJ.HVanStanten,physica.16,337(1950)【2】J.HVanStantenandG.H.Jonker,physica(Amsterdam)16,559(1950)【3】C.Zenner,Phys.Rev.82,403(1951)【4】P.W.Andersen,Hasegawa,Phys.Rev.100,675(1955)【5】S.Jin,H.Tiefel,M.Mecorma