FD-FMCT-A铁磁材料居里温度测试实验
一、概述
磁性材料在电力、通讯、电子仪器、汽车、计算机和信息存储等领域有着十分广泛的应用，近年来已成为促进高新技术发展和当代文明进步不可替代的材料，因此在大学物理实验开设关于磁性材料的基本性质的研究显得尤为重要。
铁磁性物质的磁特性随温度的变化而改变，当温度上升至某一温度时，铁磁性材料就由铁磁状态转变为顺磁状态，即失掉铁磁性物质的特性而转变为顺磁性物质，这个温度称为居里温度，居里温度是表征磁性材料基本特性的物理量，它仅与材料的化学成分和晶体结构有关，几乎与晶粒的大小、取向以及应力分布等结构因素无关，因此又称它为结构不灵敏参数。测定铁磁材料的居里温度不仅对磁材料、磁性器件的研究和研制，而且对工程技术的应用都具有十分重要的意义。
本实验仪根据铁磁物质磁矩随温度变化的特性，采用交流电桥法测量铁磁物质自发磁化消失时的温度，该方法具有系统结构简单，性能稳定可靠等优点，通过对软磁铁氧体材料居里温度的测量，加深对这一磁性材料基本特性的理解。仪器配有自动采集系统，可以通过计算机自动扫描分析，该仪器可以用于普通物理电磁学实验或者近代物理实验。
二、仪器简介
FD-FMCT-A型铁磁材料居里温度测试实验仪主要包括实验主机两台、手提实验箱一个，如下所示：
图1 实验主机（信号发生器和频率计）
图2 实验主机（交流电压表和信号采集系统）
图3 实验箱（交流电桥和加热器、温度显示装置）
(1) 数字频率计：显示“信号发生器”输出的波形的频率。
(2) 信号输出Q9座：“信号发生器”输出波形的输出端。
(3) 频率调节旋钮：调节“信号发生器”输出的波形的频率。
(4) 幅度调节旋钮：调节“信号发生器”输出的波形的幅度。
(5) 交流电压表：显示电桥输出波形的电压有效值。
(6) 样品温度Q9座：样品温度信号由此经端口送往进行A/D转换。
(7) 电桥输出Q9座：电桥输出信号由此经端口送往进行A/D转换。
(8) 串行通讯端口：实验通过此端口连接电脑，进行通讯。
(9) 加温开关：按下此开关，对紫铜棒（内置样品）通电加热。
(10)样品温度Q9座：温度传感器PT100测得紫铜棒的温度后，在此输出对应的电压信号。
(11)加热速率调节旋钮：调节对紫铜棒通电加热的速率。
(12)电桥平衡调节旋钮：通过这两个旋钮，调节电桥平衡。平衡时，输出电压接近0.000V。
(13)紫铜棒：该紫铜棒有样品槽，通电后，可以对内置的样品加热。
(14)电感线圈：电桥的重要组成部分。
(15)电源开关：实验箱的电源总开关。
三、技术指标
1．信号发生器 频率调节 500Hz－1500Hz
幅度调节 2V-10V（峰－峰值）
2．数字频率计 分辨率 1Hz
量程 0－9999Hz
3．交流电压表 分辨率 0.001V
量程 0－1.999V
4．数字温度计 量程 0 oC－150oC
分辨率 0.1 oC
5．铁磁样品 居里温度分别为 60 oC±2 oC和80 oC±2 oC
四、实验项目
1．了解铁磁物质由铁磁性转变为顺磁性的微观机理。
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。
五．注意事项
1．样品架加热时温度较高，实验时勿用手触碰，以免烫伤。
2．放入样品时需要在铁氧体样品棒上涂上导热脂，以防止受热不均。
3．实验时应该将输出信号频率调节在500Hz以上，否则电桥输出太小，不容易测量。
4．加热器加热时注意观察温度变化，不允许超过120 oC，否则容易损坏其他器件。
5．实验测试过程中，不允许调节信号发生器的幅度，不允许改变电感线圈的位置。
铁磁材料居里温度测试实验讲义
【实验目的】
1．了解铁磁物质由铁磁性转变为顺磁性的微观机理。
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。
【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
、磁化强度
和磁场强度
来描述，它们满足以下关系
（1）
式中，m0 = 4p×10-7H/m为真空磁导率，
为磁化率，
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
，略大于1；对于抗磁性介质，
，一般的绝对值在
～
之间，略小于1；而铁磁性介质的
，所以，
。
对非铁磁性的各向同性的磁介质，和之间满足线性关系:
，而铁磁性介质的、与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
。
图3 磁化曲线和
曲线 图4 
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
（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
（3）
（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 
和 
为纯电阻， 
和 
为电感（包括电感的线性电阻 
和 
，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 
），其复阻抗为
（5）
当电桥平衡时有
（6）
实部与虚部分别相等，得
（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。
【实验仪器】
实验仪器主要包括FD-FMCT-A铁磁材料居里温度测试实验仪主机两台，手提实验箱壹台，必要时还可以借用示波器检查交流信号输出。
图7 实验主机（信号发生器和频率计）
说明：（1）数字频率计：显示信号发生器的输出频率，“输入”（红黑接线座）——可以外部接入，测量信号频率（如正弦波）。（2）信号发生器：“输出”——正弦波信号输出端，用Q9连接线连接实验箱，“频率调节”——调节正弦波频率，右旋增大。“幅度调节”——调节正弦波信号的幅度，右旋增大。
图8 实验主机（交流电压表和信号采集系统）
面板说明：（1）交流电压表：测量交流电桥输出的电压信号，“输入”（红黑接线座）——外部信号接入，可以测量交流电压（如正弦波电压）。（2）信号采集系统：“样品温度”——将温度传感器测得的样品温度信号通过Q9连接线接入信号采集系统，作为测量曲线的横坐标。“电桥输出”——将电桥输出的交流信号接入信号采集系统，作为测量曲线的纵坐标，同时将电桥输出的交流信号接入交流电压表。“串口输出”——通过串口连接线与电脑相连。
图9 实验箱（交流电桥和加热器、温度显示装置）
面板说明：“加热开关”——控制加热器是否开始加热，“温度输出”——通过Q9连接线与图2实验主机中的“样品温度”连接，“加热速率调节”——控制加热器的加热速率，右旋加热速率增大。右边两个线圈和电阻以及电位器可以按照左下“接线示意图”接成交流电桥。“接交流电压表”——通过Q9线与图2中“电桥输出”相连，“接信号源”——用Q9线与图1中信号发生器“输出”端相连。
【实验过程】
1． 将两个实验主机和手提实验箱按照前面的仪器说明连接起来，并将实验箱上的交流电桥按照“接线示意图”连接，用串口连接线将实验主机与电脑连接。
2． 打开实验主机，调节交流电桥上的电位器使电桥平衡。
3． 移动电感线圈，露出样品槽，将实验测试铁氧体样品放入线圈中心的加热棒中，并均匀涂上导热脂，重新将电感线圈移动至固定位置，使铁氧体样品正好处于电感线圈中心，此时电桥不平衡，记录此时交流电压表的读数。
4． 打开加热器开关，调节加热速率电位器至合适位置，观察温度传感器数字显示窗口，加热过程中，温度每升高
，记录电压表的读数，这个过程中要仔细观察电压表的读数，当电压表的读数在每变化较大时，再每隔
左右记下电压表的读数，直到将加热器的温度升高到
左右为止，关闭加热器开关。
5． 根据记录的数据作V~T图，计算样品的居里温度。
6． 测量不同的样品或者分别用加温和降温的办法测量，分析实验数据。
7． 用计算机进行实时测量，通过电脑自动分析测试样品的居里温度，改变加热速率和信号发生器的频率，分析加热速率和信号频率对实验结果的影响。
【实验数据】（注：以下数据不作为仪器验收标准，仅供实验时参考）
按照上面实验过程记录数据如下
测量条件：
（1）室温23
；
（2）信号频率1500Hz；
（3）升温测量。
（4）测量样品：铁氧体样品，居里温度参考值80
表1 铁氧体样品交流电桥输出电压与加热温度关系
作V~T图得到：
图10 铁氧体样品的居里温度测量曲线
从上面的测量曲线上可以看出，该铁氧体样品的居里温度在80左右。
同样的方法，可以测量不同的样品在不同的信号频率下，不同的加热速率条件以及升温和降温套间下的曲线，这里不再一一举例。
应用计算机进行实时测量具体操作见软件使用说明。
【注意事项】
1．样品架加热时温度较高，实验时勿用手触碰，以免烫伤。
2．放入样品时需要在铁氧体样品棒上涂上导热脂，以防止受热不均。
3．实验时应该将输出信号频率调节在500Hz以上，否则电桥输出太小，不容易测量。
4．加热器加热时注意观察温度变化，不允许超过120 oC，否则容易损坏其他器件。
5．实验测试过程中，不允许调节信号发生器的幅度，不允许改变电感线圈的位置。
【思考题】
1． 铁磁物质的三个特性是什么？
2． 用磁畴理论解释样品的磁化强度在温度达到居里点时发生突变的微观机理是什么？
3． 测出的V～T曲线，为什么与横坐标没有交点？