居里温度的测量

实验十居里温度的测量

居里温度是表征磁性材料性质和特征的重要参量，测量磁导率和居里温度的仪器很多，例如磁天平、振动样品磁强计、磁化强度和居里温度测试仪等，测量方法有感应法、谐振法、

电桥法等.

【实验目的】

1.初步了解铁磁性物质由铁磁性转变为顺磁性的微观机理

2.学习JZB-1型居里温度测试仪测定居里温度的原理和方法

3.学会测量不同铁磁样品居里点的方法.

【实验原理】

磁性是物质的一种基本属性，从微观粒子到宏观物体，以至宇宙天体，无不具有某种程度的磁性，只是其强弱程度不同而已，这里说的磁性是指物质在磁场中可以受到力或力矩作用的一种物理性质。使物质具有磁性的物理过程叫做磁化，一切可以被磁化的物质都叫做

磁介质.磁介质的磁化规律可用磁感应强度B、磁化强度M、磁场强度H来描述，当介质

为各向同性时，它们满足下列关系：

B = % H M = % 1 m H 二二J H (1)

其中^r m , ^r称为相对磁导率，是个无量纲的量•为了简便，常把3简称为介质磁导率，m称为磁化率，％ =4二10 J H /m称为真空磁导率，称为绝对磁导率.M =t m H .

在真空中时M =0, H和B中只需一个便可完全描述场的性质. 但在介质内部，H和

B是两个不同的量，究竟用H还是用B来作为描述磁场的本征量，根据磁场的性质有各种不同的表现来选择.因为H和B两者描述了不同情况下磁场的性质，它们都是描述磁场性

质的宏观量，都是真正的物理量•在某些问题中，比如在电磁感应、霍尔效应、测量地磁水平分量等问题中，由于起作用的是磁通量的时间变化率，牵涉到的是 B ;而如果考虑材料

内部某处磁矩所受的作用时，起作用的就是H，比如求退磁能及磁矩所做的功等。

从B=：fl r H的关系看，表面上B与H是线性的，但实际上，由于J r是一个与m值有关的量，而m值又与温度、磁化场有关，所以J r是一个复杂的量，不能简单地从B与H 的形式上来判断它们之间是线性的，或是非线性的关系.

磁体在磁性质上有很大的不同，从实用的观点，可以根据磁体的磁化率大小和符号来分

为五个种类。

(1)抗磁性：是一种原子系统在外磁场作用下，获得与外磁场方向反向的磁矩的现象。

某些物质当它们受到外磁场H作用后，感生出与H方向相反的磁化强度，其磁化率：:：0。这种物质称为抗磁性物质。

m

(2)顺磁性：许多物质在受到外磁场作用后，感生出与磁化磁场同方向的磁化强度，其

磁化率m・0，但数值很小，仅显示微弱磁性。这种磁性称为顺磁性。多数顺磁性物质的m 与温度T有密切关系，服从居里定律，即

m = C /T ( 2)

式中，C为居里常数；T为绝对温度。然而，更多的顺磁性物质的m与温度的关系，遵守

居里-外斯定律，即

甘C

m ( 3)

T -T p

式中，T p为临界温度，称为顺磁居里温度。

(3)反铁磁性：另有一类物质，当温度达到某个临界值T N (奈耳温度)以上，其磁化率与

温度的关系与正常顺磁性物质的相似，服从居里-外斯定律，但是，表现出在式⑶中的T p常

小于零。当T

质的磁化率在温度等于T N的地方存在极大值。显然，T N是个临界温度，它是奈耳发现的，被命名为奈耳温度。上述磁性称为反铁磁性。

(4)铁磁性：这种磁性物质和前述磁性物质大不相同，它们只要在很小的磁场作用下就

能被磁化到饱和，不但磁化率m .0，而且数值大到10~106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关系。反复磁化时出现磁滞现象，物质内部的原子磁矩是按区域自发平行取向的。上述类型的磁性称为铁磁性。铁磁性物质的磁特性随温度

的变化而改变。当温度上升到某一温度时，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，这个温度称之为居里温度，以T c表示，并服从

居里-外斯定律，即

7 =亠

m T -T c

式中，C仍然是居里常数。

居里温度是磁性材料的本征参数之一，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。

(5)亚铁磁性：除了上面四种物质具有的磁性以外，另有一类物质，它们的宏观磁性与铁磁性相同，仅仅是磁化率的数量级稍低一些，大约为

1~103数量级。它们的内部磁结构却

与反铁磁性的相同，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。

【实验仪器】

JZB-1型居里温度测试仪包括加热装置、控温及测温装置、磁化及测试装置。

【实验内容】

1.仔细阅读仪器使用说明，熟悉仪器各部分功能。

2.测量Nd-Fe-B样品的居里温度。

3.测量Ni升温过程和降温过程的M-T曲线。

【数据处理】

描绘磁化强度M -温度T曲线，并在其斜率最大处作切线，切线与横坐标（温度）的交点即为样品的居里温度Tc。

【注意事项】

1.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人样品，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。

2.在测80C以上样品时，温度很高，小心烫伤。

3.注意控制升温速率

【思考题】

1.如何测量居里温度？

2.在本实验中有哪些因素会影响测量结果？

3•为什么样品温度达到了T c以上，而磁化强度测量仍然不是零?

【仪器描述】

一般自发磁化强度M s与饱和磁化强度M （不随外磁场变化时的磁化强度）很接近，可用饱和磁化强度近似代替自发磁化强度，并根据饱和磁化强度随温度变化的特性来判断居里

温度。但由于有些永磁材料的饱和磁化需要很强的外磁场（如钕铁硼永磁材料，其饱和磁化

的外场达4~5T以上），室温下的直流磁场在4T以上是很难实现的，设备庞大，造价昂贵，测量饱和磁化强度与温度的关系曲线就变得非常困难，可以利用样品在某一外场作用下的磁

化强度与温度的关系曲线来替代，通过大量的实验证明，其与饱和磁化强度与温度的关系曲

线基本一致。因此，在测量精度要求不高的情况下，可通过测定样品在某一场磁化下的磁化

强度随温度变化曲线来确定居里温度。

测量装置图：

一、磁化强度M的测量

将样品放在永磁铁构成的磁场中央，在其样品附近放置一对轴线与磁场平行的探测线圈，如上图，样品在磁场中被磁化，即有一磁矩，当样品被突然抽走后，将在探测线圈中感应一个电压，此电压与样品磁矩的微分成正比，即V - -K^，经过电子积分器积分后,

dt

就可获得与样品的磁化强度M成正比的电压了。