铁磁材料居里点测量

顺磁性物质的磁化率χ为正（ χ P > 0 ），其磁化强度 M 与磁化场 H 同向；χ P 的数值很 小，仅显示微弱磁性，在室温下， χ P 为 10-3~10-6 数量级。顺磁物质有一个固有原子磁矩， 磁矩受热骚动，在没有外磁场时，这些磁矩是杂乱分布的，当外加磁场时，这些磁矩就获
得或趋向于获得与外磁场相同方向的排列。具有顺磁性的物质很多，典型的有稀土金属和
和-Br（≈-Bm）两种不同的剩磁，矩磁材料常用作记忆元件，如电子计算机中存储器的芯片。
软磁材料和硬磁材料的根本区别在矫顽磁力 Hc 的差别。对于高磁导率的软磁材料，Hc 很小，只有 1~10A/m（10-2~10-1 奥）；对于高矫顽磁力硬磁材料，Hc 在 105A/m（1000 奥） 以上；矩磁材料的矫顽磁力 Hc 一般在 102A/m（1 奥）以下。可见，铁磁材料的磁化曲线和
ε2 ≈ I2 R2
（5）
但 R2 比 1/(2πf C)不能过大，过大了使 U2 值过小，显示也就困难了。 (2) 在满足上述条件下，U2 的振幅很小，如将它直接加在 Y 偏转板上，则不能绘出大小适 当需要的磁滞回线，为此，需将 U2 经过 Y 轴放大器增幅后输出至 Y 偏转板。这就要求在实 验磁场的频率范围内，示波器的放大器的放大系数必须稳定，不然会带来放大的相位畸变和
I1 成正比，即：
I1
=
HL N
，
U1
=
LR1 N
H
（2）
它表明，在交变磁场下，在任一瞬间 t，如果将电压 U1 接到示波器 X 轴输入端，则电子束
在水平方向偏转正比于励磁场强度 H。（ H ∝ U1 ）
为了获得跟样品中磁感应强度瞬时值 B 成正比的电压 U2，采用电阻 R2 和电容 C 组成的 积分电路，并将电容 C 两端的电压 U2 接到示波器 Y 轴输入端。因交变的磁场 H 在样品中
为了如实地绘出磁滞回线，要求: (1) 积分电路的时间常数 R2C 应比1/(2πf ) (其中 f 为交流电频率)大 100 倍以上，即要求 R2 比 1/(2πfC)(电容 C 的阻抗)大 100 倍以上（例如，当 C 取为 10 微法时，R2 应取 30K 欧以上）。 这样，U2 与 I2R2 相比可忽略(由此带来的误差小于 1%)，于是(4)式简化为
才能呈现出微弱的磁性。
铁磁性物质：这种磁性物质和前述磁性物质性质大不相同，它们只要在很小的磁场作 用下就被磁化到饱和，不但磁化率大于零,而且达到χ~101—106 数量级，其磁化强度 M 与 磁场强度 H 之间的关系是非线性的复杂函数。反复磁化时出现磁滞现象，物质内部的原子
实验物理讲稿_铁磁居里点实验
磁滞回线是该材料的重要特性，也是设计电磁机构和仪表的重要依据之一。
由于铁磁材料磁化过程的不可逆性及具有剩磁的特点，在测定磁化曲线和磁滞回线时，
首先必须对铁磁材料预先进行退磁，以保证外加磁场 H=0 时，B=0；其次，磁化电流在实验
过程中只允许单调增加或减小，不可时增时减。
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和 fccNd（面心立方钕 nv））。其中镝和钬的单位体积的磁矩在所有元素中最高，其数值比铁
的大 50%以上，遗憾的是稀土元素的铁磁性只能在低温下得到。当铁磁性物质的温度高于
临界温度 Tc（居里点温度）时，铁磁性物质转变成为顺磁性，并服从居里-外斯定律。
χf
= T
C − TP
式中，C 仍然为居里常数；Tp 是铁磁性物质的顺磁性居里温度。几种典型铁磁性物质的 Tc
于 TN 时，磁化率不是继续增大，而是降低，并逐渐趋于定值。所以这类物质的磁化率在温 度等临界温度的地方存在极大值。反铁磁性物质有过渡元素的盐类及化合物（MnO、CrO、
CoO）等。反铁磁性物质在 TN（奈尔温度）以下时，原子磁矩自发地反平行排列，或按螺 旋形或其他形式排列，原子磁矩相互抵消，合成磁矩为零。只有在很强的外磁场作用下，
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磁矩是按区域自发平行方向的。具有铁磁性的元素不多，但具有铁磁性的合金和化合物却
各种各样。到目前为止，发现 11 个纯元素（3 个 3d 金属铁、钴、镍，4f 金属 Gd（钆 ga）、
Tb（铽 te）、Dy（镝 di）、Er（铒 er）、Ho（钬 huo）、Tm（铥 diu）、fccPr（面心立方镨 pu）
铁簇元素的盐类等。多数顺磁物质的 χ P 与温度 T 有密切关系，服从居里定律，即 χP =C /T
式中，C 为居里常数。更多的顺磁性物质的 χ P 与温度 T 的关系，遵守居里-外斯定律，即
χP
=
T
C − TP
式中，Tp 为临界温度，称为顺磁居里温度。
反铁磁性物质：当温度达到某个临界温度 TN（奈尔温度）以上，其磁化率与温度的关 系和正常顺磁性物质的相似，服从居里-外斯定律，但是，表现出的 Tp 常小于零。当温度低
综上所述，物质磁性可分为抗磁性、顺磁性、反铁磁性、铁磁性、亚铁磁性五种，前 三种是弱磁性，后两种是强磁性。铁磁性和亚铁磁性对现代技术和工业起着极其重要的作 用。磁性分类，只是磁性类型分类，并不是对磁体分类，同一种物质，在不同的环境下就 会发生由一种磁性转变为另一种类型的磁性。如：铁磁性物质在居里点温度以下是铁磁性 的，到居里点温度则变成顺磁性；重稀土金属在低温下是强磁性，到室温或高温则变成顺 磁性。
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退磁方法，从理论上分析，要消除剩磁 Br，只要通一反向电流，使外加磁场正好等于 铁磁材料的矫顽磁力就可以了，实际上，矫顽磁力的大小通 常并不知道，因此无法确定退磁电流。从磁滞回线得到启示， 如果是铁磁材料到磁饱和，然后不断改变磁化电流方向，与 此同时逐渐减小磁化电流，以至于零。那么该材料磁化过程 是一连串逐渐缩小而最终趋向原点的环形曲线，如图 3 所 示，当 H 减小到零时，B 也同时降到零，达到完全退磁。
铁磁物质（磁环）往复磁化，样品中的磁感应强度 B 与 H 的关系 B=f (H)为磁滞磁的磁滞回线实在示波器上进行的。因此事先要将原线圈的磁场 H 和
付线圈磁感应强度 B 转化为对应的电压信号。在示波器的 X 偏转板输入正比于样品的励磁
磁场 H 的电压，同时在 Y 偏转板输入正比于样品中磁感应强度 B 的电压，结果在屏上就得
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实验 13 铁磁材料居里点测量
预习检查 1． 简述磁化物理实质和磁滞现象。 2． 示波器主要功能是什么？ 3． 你了解的铁磁物质有哪些？ 4． 居里点温度指的是什么温度？
理论知识背景 一切物质均有磁性（物质均有磁性，即其在外磁场中恒被磁化而获得磁矩。），金属亦
是如此，通常所谓的磁性材料与非磁性材料，实际上是指强磁性材料及弱磁性材料。后者 的磁化率比前者小 104 至 1011 倍。
及电机的转子。当铁磁质反复被磁化时，介质要发热。实验表明，反复磁化所发生的热与磁
滞回线包围的面积成正比，变压器选用软磁材料就是考虑了这一点。
硬磁材料的磁滞回线较宽，Br 和 Hc 都较大，因此，其剩余磁感应强度 Br 可保持较长
时间。铬、钴、镍等元素的合金属于硬磁材料。它常用于制造永久磁铁。
矩磁材料的磁滞回线接近矩形，其特点是剩余磁感应强度 Br 接近饱和时的 Bm，矫顽磁 力小。若使矩磁材料在不同方向的磁场下磁化，当磁化电流为零时，它仍能保持+Br（≈Bm）
基本概念： 把物质放在外磁场中，物体就被磁化，从这个意义上说，这种被磁化了的物体就称为 磁体。单位体积的磁矩称为磁化强度 M；磁化强度 M 与外磁场强度 H 的比值被称为磁化率 χ（χ=M / H，它是一无量纲量）。其感应强度 B 及磁导率μ则由以下两式决定：
B = µ0(H + M ) = µ0µ H, µ = 1 + χ
抗磁性
顺磁性
铁磁性(T>Tc)
反铁磁性
图 1 五种磁性的χ-T、(1/χ)-T 曲线
亚铁磁性(T>Tc)
磁滞回线、铁磁分类、消磁：
铁磁材料（铁、镍、钴等）除了具有高的磁导率外，另一重要的特点就是磁滞。磁滞现
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象是材料磁化时，材料内部的磁感应强度 B 不仅与当时的磁场强度 H 有关，而且与以前的
磁化状态有关。
图 2 表示铁磁质的这种性质，设铁磁质在开始时没有磁化，如磁化场 H 逐渐增加，B
将沿 oa 增加，曲线 oa 叫做起始磁化曲线，当 H 增大到某一值时，
B 几乎不变。若将磁化场 H 减小，则 B 并不沿原来的磁化曲线减
小，而是沿图中 ab 曲线下降，即使 H 降到零（图中的 b 点）时，
加正向磁化场时，则磁感应强度沿 defa 变化，形成一闭合曲线
abcdefa，这闭合曲线称为磁滞回线。
由于有磁滞现象，能够由若干个 B 值于同一个 H 值对应，即
图2
B 是 H 的多值函数，它不仅与 H 有关，而且与这铁磁质磁化程度有关。例如：与 H=0 相应
的 B 由三个值：
（1）B=0 的 O 点，这与原来没有磁化相对应；
到样品的 B~H 回线。
图 4 磁环电路
图 5 磁滞回线
当原线圈 N1 中通过磁化电流 I1 时，此电流在圆环内产生磁场。根据安培环路定律
HL=N1I1 磁场强度的大小为
H = N1I1 (A/m) L
（1）
其中 L 为圆环的平均周长（磁环中轴线周长）。如果将电阻 R1 上的电压降 U1=I1R1（注意： I1 和 U1 是交变的），取出来加在示波器 X 偏转板上，则电子束在水平方向的偏移跟磁化电流
如下表所示。
物质 Fe Co Ni Gd Tb Dy Ho Er Tm fccPr fccNd
T（c K） 1043 1403 631 293.4 219.5 89 20 20 32 8.7 5.7
亚铁磁性：宏观上磁性与铁磁性相同，仅仅是磁化率的数量级稍低一些，大约为 100~103 数量级。它们的内部磁结构却与反磁性的相同，但相反排列的磁矩不等量。所以亚铁磁性 是未抵消的反铁磁性结构的铁磁性。典型的亚铁磁性物质：铁氧体。
其中 µ0 = 4π ×10-7 H/m （或 T·m·A-1）为真空磁导率。
磁性分类：物质的磁性大体可分为五类：抗磁性、顺磁性、反铁磁性、铁磁性及亚铁
磁性。
抗磁性物质的磁化率χ为负（ χd < 0 ），其磁化强度 M 与磁化场 H 反向；χd 的绝对值 也很小，一般为 10-5 数量级。正常的 χd 的性质和磁场、温度均无关。典型的抗磁物质有： 惰性气体、许多有机物、若干金属（Bi、Zn、Ag、Mg）、非金属（Si、P、S）等。抗磁物 质的磁化曲线为直线。
总结以上情况，在进行测量时，一般先要退磁，再进行 “磁锻炼”，然后进行正式测量。
磁滞回线的形成：
铁磁材料（如铁、镍、钴和其他铁磁合金）具有独特的
图3
磁化性质。将铁磁材料制成圆环，再紧密绕上原线圈（励磁线圈）N 和付线圈（测量线圈）
n， 由图 4 所示。给绕在待测磁环上的励磁线圈 N 通一交变电流，产生一交变磁场 H，使
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产生交变的磁感应强度 B，结果在副线圈 n 内产生感应电动势，其大小为:
ε = dΦ = nS dB
dt
dt
（3）
式中 n 为副线圈匝数，S 为待测铁磁质圆环的截面积。忽略自感电动势后，对于副线圈回路
有
ε2 = U 2 + I 2 R2
（4）
（2）B=Br，这是在铁磁质已磁化之后发生的；
（3）B=-Br，这是在反向磁化后发生的。
【必须指出，当铁磁材料从未被磁化开始，在最初几个反复磁化的循环内，每一个循环 H
和 B 不一定沿相同的路径进行（曲线并非闭合曲线）。只有经过十几次反复磁化（称为“磁
锻炼”）以后，才能获得一个差不多稳定的磁滞回线。它代表该材料的磁滞性质。所以样品
只有在“磁锻炼”后，才能进行测绘。】
不同铁磁材料，其磁滞回线有宽“胖”、窄“瘦”之分。通常根据磁滞回线的不同将磁
铁分为软磁材料、硬磁材料和矩磁材料等。
软磁材料的磁滞回线窄而长，剩余磁感应强度 Br 和矫顽磁力 Hc 都很小，其基本特征
是磁导率高，易于磁化及退磁。软铁、硅钢及波莫合金属于这一类，它们常用来制造变压器
B ≠ 0 ，B 的值仍接近饱和值，与 b 点对应的 B 值，称为剩余磁感
应强度 Br（剩磁）。当加反向磁化场 H 时，B 随之减小，当反向
磁化场达到某一值（如图中 c 电）时，B=0，与 oc 相当的磁场强
度 Hc 称为矫顽磁力。当反向场继续增加时，铁磁质中产生反向磁
感应强度，并很快达到饱和。逐渐减小反向磁化场，减到零，再