铁磁材料居里温度测量

铁磁材料居里温度测量1、实验目的1.了解铁磁物质由铁磁性转变为顺磁性的围观机理。2.利用交流电桥法测定铁磁材料样品的居里温度。3.分析实验时加热速率和交流电桥输入信号频率对居里温度测试结果的影响.2、实验仪器1.FD-FMCT-A铁磁材料居里温度测试实验仪；2.多种居里温度点的铁氧体样品。3.JLD-Ⅱ型居里温度测试仪4.10M或20M示波器3、实验原理1．铁磁质的磁化规律由于外加磁场的作用，物质中的状态发生变化，产生新的磁场的现象称为磁性，物质的磁性可分为反铁磁性（抗磁性）、顺磁性和铁磁性三种，一切可被磁化的物质叫做磁介质，在铁磁质中相邻电子之间存在着一种很强的“交换耦合”作用,在无外磁场的情况下，它们的自旋磁矩能在一个个微小区域内“自发地”整齐排列起来而形成自发磁化小区域，称为磁畴。在未经磁化的铁磁质中，虽然每一磁畴内部都有确定的自发磁化方向，有很大的磁性，但大量磁畴的磁化方向各不相同因而整个铁磁质不显磁性。如图1所示，给出了多晶磁畴结构示意图。当铁磁质处于外磁场中时，那些自发磁化方向和外磁场方向成小角度的磁畴其体积随着外加磁场的增大而扩大并使磁畴的磁化方向进一步转向外磁场方向。另一些自发磁化方向和外磁场方向成大角度的磁畴其体积则逐渐缩小，这时铁磁质对外呈现宏观磁性。当外磁场增大时，上述效应相应增大，直到所有磁畴都沿外磁场排列好，介质的磁化就达到饱和。图1未加磁场多晶磁畴结构图2加磁场时多晶磁畴结构由于在每个磁畴中元磁矩已完全排列整齐，因此具有很强的磁性。这就是为什么铁磁质的磁性比顺磁质强得多的原因。介质里的掺杂和内应力在磁化场去掉后阻碍着磁畴恢复到原来的退磁状态，这是造成磁滞现象的主要原因。铁磁性是与磁畴结构分不开的。当铁磁体受到强烈的震动，或在高温下由于剧烈运动的影响，磁畴便会瓦解，这时与磁畴联系的一系列铁磁性质（如高磁导率、磁滞等）全部消失。对于任何铁磁物质都有这样一个临界温度，高过这个温度铁磁性就消失，变为顺磁性，这个临界温度叫做铁磁质的居里点。在各种磁介质中最重要的是以铁为代表的一类磁性很强的物质，在化学元素中，除铁之外，还有过度族中的其它元素（钴、镍）和某些稀土族元素（如镝、钬）具有铁磁性。然而常用的铁磁质多数是铁和其它金属或非金属组成的合金，以及某些包含铁的氧化物（铁氧体），铁氧体具有适于更高频率下工作，电阻率高，涡流损耗更低的特性。软磁铁氧体中的一种是以Fe2O3为主要成分的氧化物软磁性材料，其一般分子式可表示为MO·Fe2O3(尖晶石型铁氧体)，其中M为2价金属元素。其自发磁化为亚铁磁性。现在以Ni—Zn铁氧体等为中心，主要作为磁芯材料。磁介质的磁化规律可用磁感应强度B、磁化强度M和磁场强度H来描述，它们满足以下关系HHH)1()MH(B000rm（1）式中，H/m为真空磁导率，m为磁化率，r为相对磁导率，是一个无量纲的系数．为绝对磁导率。对于顺磁性介质，磁化率0m，r略大于1；对于抗磁性介质，0m，一般m的绝对值在410～510之间，r略小于1；而铁磁性介质的1m，所以，1r。对非铁磁性的各向同性的磁介质，H和B之间满足线性关系:HB，而铁磁性介质的、B与H之间有着复杂的非线性关系．一般情况下，铁磁质内部存在自发的磁化强度，当温度越低自发磁化强度越大．图3是典型的磁化曲线（B-H曲线），它反映了铁磁质的共同磁化特点：随着H的增加，开始时B缓慢的增加，此时较小；而后便随H的增加B急剧增大，也迅速增加；最后随H增加，B趋向于饱和，而此时的值在到达最大值后又急剧减小．图3表明了磁导率是磁场H的函数．从图4中可看到，磁导率还是温度的函数，当温度升高到某个值时，铁磁质由铁磁状态转变成顺磁状态，在曲线突变点所对应的温度就是居里温度CT。图3磁化曲线和H~曲线图4T~曲线2．用交流电桥测量居里温度铁磁材料的居里温度可用任何一种交流电桥测量．交流电桥种类很多，如麦克斯韦电桥、欧文电桥等，但大多数电桥可归结为如图5所示的四臂阻抗电桥，电桥的四个臂可以是电阻、电容、电感的串联或并联的组合．调节电桥的桥臂参数，使得CD两点间的电位差为零，电桥达到平衡，则有4321ZZZZ（2）若要上式成立，必须使复数等式的模量和辐角分别相等，于是有4321ZZZZ（3）3241（4）由此可见，交流电桥平衡时，除了阻抗大小满足（3）式外，阻抗的相角还要满足（4）式，这是它和直流电桥的主要区别。本实验采用如图6所示的RL交流电桥，在电桥中输入电源由信号发生器提供，在实验中应适当选择较高的输出频率，为信号发生器的角频率．其中1Z和2Z为纯电阻，3Z和4Z为电感（包括电感的线性电阻1r和2r，FD-FMCT-A型铁磁材料居里温度测试实验仪中还接入了一个可调电阻3R），其复阻抗为2241132211LjrZLjrZRZRZ，，，（5）当电桥平衡时有)()(112221LjrRLjrR（6）图5交流电桥的基本电路图6RL交流电桥实部与虚部分别相等，得11221122LRRLrRRr，（7）选择合适的电子元件相匹配，在未放入铁氧体时，可直接使电桥平衡，但当其中一个电感放入铁氧体后，电感大小发生了变化，引起电桥不平衡．随着温度的上升到某一个值时，铁氧体的铁磁性转变为顺磁性，CD两点间的电位差发生突变并趋于零，电桥又趋向于平衡，这个突变的点对应的温度就是居里温度．可通过桥路电压与温度的关系曲线，求其曲线突变处的温度，并分析研究在升温与降温时的速率对实验结果的影响．由于被研究的对象铁氧体置于电感的绕组中，被线圈包围，如果加温速度过快，则传感器测试温度将与铁氧体实际温度不同（加温时，铁氧体样品温度可能低于传感器温度），这种滞后现象在实验中必须加以重视．只有在动态平衡的条件下，磁性突变的温度才精确等于居里温度。实验内容及主要步骤图71.用交流电桥测量空心线圈电感，按图7连接导线。2.将“加热选择”开关置于“断”位置，右侧空心电感线圈中不要插入铁氧体待测样品。3.接通电源，“频率调节”至1000Hz，“量程选择”按钮按下至“2000”mV档，“幅度调节”旋钮处于约中间位置。4.调节测量盘使交流电压表显示为0.25mV左右，表示电桥平衡。5.将待测样品涂上导热硅脂插入加热架右侧空心线圈中间的加热铜管中，此时电桥不平衡电流电压表示值变化，应记录该示值。6.将“加热选择”开关置于“低”档位置，加热器开始加热，根据但是的室温，设置一个其实加热温度，然后观察温度控制仪数字显示窗口，加热过程中，温度每升高5℃，记录电压表的读书，这个过程中要仔细观察电压表的读数，直到将就爱热气的温度升高到100℃左右为止，关断加热器开关。7.根据记录的数据作V-T图，计算样品的居里温度。8.测量不同样品或者分别用加温和降温的方法测量，分析实验数据。实验数据及处理1.实验数据记录(1)室温25.7℃(2)信号频率1000Hz(3)测试样品：铁氧体样品，居里温度参考值65℃表1铁氧体样品交流电桥输出电压与加热温度关系T(℃)4550556061626364656667V(mV)172172172120111907969605346T(℃)686970758085V(mV)41363217952．作出铁氧体样品的居里温度测量TU曲线图8铁氧体样品居里温度TU曲线3.居里温度判断图9居里点判断表2铁氧体样品交流电桥输出电压与加热温度关系T(℃)6065707576777879808182V(mV)177178179179179179177172159137112T(℃)8384859095100V(mV)907454911作出铁氧体样品的居里温度测量TU曲线455055606570758085020406080100120140160180T/℃U/mv分析讨论：1．当样品放入炉内加热的过程中，随着炉温的升高，N的电感量在不断的减少，从电阻R1上取出的H信号相对的在不断的升高，所以在实验过程中应适当调节X轴衰减，使其在示波器上显现出比较理想的磁滞回线。2．测量样品的居里点时，一定要让炉温从低温开始升高，即每次要让加热炉降温后再放入样品测量，这样可避免由于样品和温度传感器响应时间的不同而引起的居里点每次测量值的不同。3．温度传感器可以调整，样品磁环套在温度传感器边缘与传感器接触，采集温度最佳。4．在测80℃以上样品时，温度很高，小心烫伤。5．从定性的观察磁滞回线的存在与否来判定居里点时，由于线圈N、n互绕在一起，有一定的互感，始终有一定感应电压，因此当磁滞回线变为一直线时，不能将示波器的Y轴衰减无限制的减小。6065707580859095100020406080100120140160180T/℃U/mv