居里溫度測定

鈣鈦礦錳氧化物居里溫度的測定摘要：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不同的。本次實驗是通過測定弱交變磁場下磁化強度隨溫度變化來測定樣品的居里溫度。本文闡述了居里溫度的物理意義及測量方法，測定了鈣鈦礦錳氧化物樣品在實驗條件下的居里溫度，最后對本實驗進(jìn)行了討論關(guān)鍵詞：居里溫度、鈣鈦礦錳氧化物、磁化強度M-T曲線。一、引言磁性材料的自發(fā)磁化來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，原子熱運動能量增大，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，熱運動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，深入研究和測定材料的居里溫度有著重要意義。二、實驗?zāi)康?．了解磁性材料居里溫度的物理意義。2．測定鈣鈦氧錳氧化物樣品的居里溫度。三、實驗原理1.居里點物體在外磁場下產(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)的磁特性會隨溫度的變化而改變。當(dāng)溫度上升到某一溫度時，鐵磁性材料會由鐵磁狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾艩顟B(tài)，這個溫度稱之為居里溫度，以2.居里溫度的測量方法通過測定材料的飽和磁化強度和溫度依賴性得到Ms—T曲線，從而得打Ms降為零時所對應(yīng)的居里溫度。這種方法適用于那些可以用來在變溫條件下直接測量樣品飽和磁化強度的裝置，例如磁天平、振動樣品磁強計以及SQUID等。圖1示出了純Ni的飽和磁化強度的度依賴性。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是二價稀土金屬離子，QUOTEA為一價堿土金屬離子)的一大類具有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，則QUOTEMn離子和QUOTEO離子分別處在體心和面心的位置，同時，QUOTEMn離子又位于六個氧離子組成的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QUOTEA位，而QUOTEMn離子占據(jù)的晶位稱為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，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)，如果用二價堿土金屬離子(Sr、Ca、Pb等)部分取代三價稀土離子，Mn離子將處于/混合價狀態(tài)，于是，通過和離子之間的雙交換作用，在一定溫度(Tp)以下、將同時出現(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、實驗儀器描述圖3示出了樣品和測試線圈支架示意圖。測試線圈由匝數(shù)和形狀相同的探測線圈組A和補償線圈組B組成。樣品和熱電偶置于其中一個石英管A中，另一個線圈組是作為補償線圈引入的，以消除變溫過程中因線圈阻抗發(fā)生的變化而造成測試誤差。由于兩個線圈組的次級是反串聯(lián)相接的，因此其感生電動勢是相互抵消的。在溫度低于Tc時，位于探測線圈A中的鈣鈦礦樣品呈鐵磁性，而補償線圈B中無樣品，反串聯(lián)的次級線圈感應(yīng)輸出信號強度正比于鐵磁樣品的磁化強度；當(dāng)溫度升到Tc以上時，探測線圈A中的鈣鈦礦樣品呈順磁性，和補償線圈中空氣的磁性相差無幾，反串聯(lián)的次級線圈感應(yīng)輸出信號強度幾乎變?yōu)榱?。因此，在樣品溫度升高時，在Tc附近隨著磁性的突然變化鎖定放大器的輸出信號強度應(yīng)有一個比較陡峭的下降過程，由此可以測定居里溫度Tc。圖3

圖4測試系統(tǒng)如圖4所示。通過測定1、1’兩點間電動勢的平均值，即可求出樣品的磁化強度，理由如下：對于線圈A有對于線圈B有根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律分別對線圈A和線圈B有ε其中A是次級螺線管的橫截面積，則在1與1’兩端的電勢差為U=ε所以U=-而在測量時會對1與1’兩端的電壓求平均，即因此對1與1`兩端電壓平均值的測量值，即可反映所測樣品中磁化強度M的值。六、實驗內(nèi)容（1）開啟測試儀器開關(guān)（2）調(diào)節(jié)低頻信號器的頻率選擇為“*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）開啟攪拌器，同時開始對樣品加熱，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度為計量間隔，開始逐點測量溫度和所對應(yīng)的信號電壓。（6）以磁化強度為縱坐標(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所應(yīng)的溫度，即為該樣品的居里溫度。七、實驗數(shù)據(jù)處理因為相關(guān)參數(shù)我們并不清楚，因此本實驗不將電壓轉(zhuǎn)化為磁化強度，而直接以輸出信號電壓為縱坐標(biāo)、溫度為橫坐標(biāo)作圖。因為磁化強度和輸出信號電壓成正比，因此這樣并不影響居里溫度的測定。按照慣例，錳氧化物的居里溫度被定義為M-T（U-T）曲線上斜率絕對值最大點所對應(yīng)的溫度。以下表格為實驗數(shù)據(jù)，f用5階多項式擬合后圖像為dU/dT-T曲線：擬合的得到,倒數(shù)最大點處Tc=28.9℃。八、實驗討論本實驗測量精度一方面取決于系統(tǒng)的弛豫時間，實驗時用于升溫的水的溫度增長速度不宜過快，實驗時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。因為居里溫度測量要求在平衡態(tài)測量，因此水溫升高越慢越接近準(zhǔn)靜態(tài)，測量結(jié)果越準(zhǔn)確，實驗中也發(fā)現(xiàn)溫度升高較慢時讀數(shù)波動較小，更穩(wěn)定。另外本實驗采用環(huán)形熱電偶對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)。本實驗精度還受到線圈A和B的影響：由五中的計算可知如果探測線圈A和補償線圈B在繞制時不完全相同，則激勵磁場H產(chǎn)生的電動勢不能完全抵消即：在測量的結(jié)果中疊加上一個常量（HA-HB），理論上對求導(dǎo)獲得居里溫度沒有影響，但是由于激勵磁場遠(yuǎn)大于M，結(jié)果會使M導(dǎo)致的電壓變化被淹沒在激勵磁場H的變化中，使得結(jié)果精確度大大降低。九、思考題如果探測線圈A和補償線圈B在繞制時不完全相同，會對測到的M-T（U-T）曲線以及Tc答：計算可知，當(dāng)繞制不同時μ0HA得到的電勢差平均值為:即在原有測量結(jié)果的電壓值上疊加了一個常數(shù)，即原有實驗U-T圖形沿縱坐標(biāo)平移了一段距離，顯然，理論上這對于求導(dǎo)獲得的居里溫度不會產(chǎn)生任何影響，但實際需分情況討論，當(dāng)時，居里點附近的磁場躍變相對于線圈本身的激勵磁場為小量，這在實際實驗測量中會使得測量到的電壓變化（居里點附近）不顯著，從而降低了實驗精度。而當(dāng)或兩者相差不大時，這種影響便可忽略不計。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