大学物理实验
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铁磁材料居里点的测定
在科技高度发达的今天，各种磁性材料和磁性器件得到了广泛应用。它们不但在科学研究、工农业生产、医疗卫生等方面被普遍使用，而且由于计算机的普及和各种家用电器大量的涌入我们日常生活之中，磁性材料已成为不可缺少的消费品（衡量一个国家高科技发展状况，磁性材料的消耗量亦是一个重要指标。），例如制造发电机、电动机及电力输送变压器上的永久磁铁和硅钢片、收音机中的天线棒、中周变压器、电视机中的回扫变压器、录象机中的磁头、磁鼓、计算机中的记忆元件、逻辑元件、扬声器以及电话机中都有磁性材料。磁性材料在尖端技术和国防科技中应用也很多，如雷达、微波多路通讯、自动控制、射电天文望远镜、远程操纵等。
磁性材料中的铁磁材料（又称铁氧体）是铁和其它一种或多种适当的金属元素的复合氧化物。按磁滞回线的形状来分，有软磁材料，硬磁（又叫永久磁性）材料。发展磁性材料，必须对表征磁性材料性质和特征的物理参数进行深入的研究。居里点（亦称居里温度）TC是铁磁材料饱和磁化强度MS
随温度升高而降为零的一个临界温度点，了解居里点是研究铁磁材料性质及其应用的一项工作。测量铁磁材料居里点的方法很多，如：比热容法、中子散射法、感应法、谐振法、电桥法等。其中以中子散射法最为准确，但这种方法是很复杂的，简易的方法有定性的直接观测，或者测量出铁磁材料的饱和磁化强度MS（或其他能反应出铁磁材料磁化强度的物理量）与温度T的关系，作出曲线，由曲线的切线求出居里点等。
【实验目的】
1. 学习和了解铁磁材料的一些物理性质和特点。
2. 初步了解铁磁材料在某些方面的应用。
3. 掌握铁磁材料居里点的测量方法。
【实验原理】
铁磁材料居里点（又称居里温度）是铁磁材料的一个重要的物理性质。根据电磁学理论，我们知道：
上面三式里的xm是磁化率，M为磁化强度，H为磁场强度，B为磁感应强度，μ为磁导率，μ0为真空中磁导率。
磁介质大体可以分为顺磁质、抗磁质和铁磁质三类。但对于不同类型的磁介质，xm和μ的情况则很不一样。对于顺磁质，xm＞0，μ＞μ0；对于抗磁质，xm＜0，μ＜μ0。这两类磁介质的磁性都很弱，它们的|xm|＜1，μ≈μ0，而且都是与H无关的常数。铁磁质的情况要复杂一些，一般说来M与H不成比例，甚至没有单值关系，即M的值不能由H的值唯一确定，它还与磁化的历史有关，xm和μ不再为常数，而是H的函数，即xm=xm (H)，μ=μ(H)。铁磁质的xm和μ一般都很大，所以铁磁质属于强磁性介质。
以铁为代表的一类磁性很强的物质叫铁磁质。在化学元素中，除铁之外，过渡族中的其它元素，如钴、镍和某些稀土族元素（如钆、镝、钬）都具有铁磁性。但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）。
当磁场强度H=0的时候处于未磁化状态，这相当于坐标原点。在逐渐增加磁场强度H的过程中，B随之增加。开始B增加得较慢一些，然后经过一段急剧增加的过程后又慢下来，再继续增大磁场强度时，B几乎不再发生变化。这时介质的磁化达到饱和。饱和时的磁强强度度称为饱和磁场强度。从未磁化到饱和磁化的这段磁化曲线叫做铁磁质的起始磁化曲线，如图1中的OS段。
当铁磁质的磁化达到饱和之后，如果将磁场强度降为0，即H=0，介质的磁化状态并不恢复到原来的起点，而是保留一定的磁性。这时的磁感应强度B叫做剩余磁感应强度，通常用BR来表示。若要使介质的磁感应强度减到零，则必须加一相反方向的磁场强度，即H＜0。只有当反方向的磁场强度大到一定程度时，介质才完全退磁，即达到H=－Hc，B=0的状态。使介质完全退磁所需的反向磁场强度的大小，叫做这种铁磁质的矫顽力。从具有剩磁的状态到完全退磁的状态这一段曲线，叫做退磁曲线。
介质退磁后，如果反方向的磁场强度的数值继续增大时，介质将沿相反的方向磁化，即H＜0，直到饱和。一般说来，反向的饱和磁场强度的数值与正向磁化时一样。此后，若使反方向的磁场强度数值减小到零，然后又沿正方向增加，则介质的磁化状态又回到正向饱和磁化状态。当磁化场在正负两个方向上往复变化时，介质的磁化过程经历了一个循环过程。闭合曲线SRCS’R’C’S叫做铁磁质的磁滞回线。这个过程所形成的闭合曲线叫做铁磁质的磁滞回线（如图1所示）。
从铁磁质的性能和使用来说，按矫顽力大小分为软磁材料和硬磁材料两大类。矫顽力小的叫做软磁材料；矫顽力大的叫做硬磁材料。软磁材料适合做电子设备中的电感元件、变压器、镇流器、电动机和发电机中的铁芯，以便在切断电流后没有剩磁；硬磁材料用在各种电表、扬声器、微音器、扩音器、耳机、电话机、录音机等电子产品中。
铁磁质的磁性主要来源于电子自旋磁矩。在没有外磁场的条件下铁磁质中的电子自旋磁矩可以在小范围内自发地排列起来，形成一个个小的自发磁化区。这种自发磁化区叫做磁畴。
通常，在未磁化的铁磁质中，各磁畴内的自发磁化方向不同，在宏观上不显示出磁性来。但在外加磁场后，铁磁质将显示出宏观的磁性来。当外加的磁化场不断加大时，磁畴的磁化方向在不同程度上转向磁化场的方向，当所有的磁畴都按磁化场的方向排列好后，介质的磁化就达到饱和，饱和时的磁化强度是很大的。介质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，这就是为什么会有磁滞现象的原因。
铁磁性是与磁畴分不开的，当铁磁体受到强烈震动或在高温下由于剧烈的热运动的影响，磁畴便会瓦解，这时铁磁性质全部消失，包括磁滞现象，即磁滞回线也消失。对于任何铁磁质都有这样一个临界温度，高于这个温度的铁磁性就消失，变为顺磁性。这个临界温度叫做铁磁质的居里点，也叫居里温度。我们就是利用这个原理来测量居里点的。
JLD-II型居里点测试仪就是通过观察示波管上显示的磁滞回线的存在与否来观察测量铁磁物质的这一转变温度的。如图2所示,开始给待测样品上的线圈L1通一交变电流，产生一交变磁场H使铁磁质往复磁化，样品中的磁感应强度B与H的关系B=f(H)为磁滞回线。
由于H正比于i，i为通过L1的电流，称为励磁电流，因此可以用i的讯号代表H的讯号，为此在励磁电路中串接一个采样电阻R1，将其两端的电压讯号经过放大后送至示波管的X偏转板以表示H。 B是通过副线圈L2中由于磁通量变化而产生的感应电动势来测定的。其感应电动势为
a为线圈的截面积, N为线圈的匝数。将上式积分得
由此可见，样品的磁感应强度与副线圈L2上的感应电动势的积分成正比，如图2所示。
为此将L2上的感应电动势经过R2C积分线路，从积分电容C上取出B值，并加以放大处理后送至示波管的Y偏转板，于是示波管上显示出了样品的磁滞回线。当样品被加热到一定温度时，示波管上的磁滞回线消失，磁滞回线刚好消失时样品的温度即为该样品的居里点。
【实验仪器】
1. JLD-II型居里点测试仪（如图3所示）
（1）电源部分：JLD-II型居里点测试仪电源提供了多种电压。大致说来，有供给示波管的阳极高压及栅极中压，有供给放大器的比较低的工作电压及电路中其它部分的所需电压，还有供给加热炉功率较大的电压以及风扇电压。
（2）温度的设置、控制部分：温度计用的是DT-902C型数字式温度计。
当温度传感器从加热炉采集到信号并送到处理电路后，便由温度显示屏实时地显示出来。温度测量的精度为≤±1.5℃。
2. 加热炉（如图3所示）
加热炉的作用是给铁磁样品加热，它们外形是一个长圆柱形，外壳是不锈钢做的。在炉子上方中间位置开有一个较大的圆形孔，孔的下方（炉子内）有温度传感器，把样品环套在炉内的传感器上。此外，炉子上方靠左、右两端还有两个风门开关。圆柱形的两端面上还有许多小孔，在降温时，炉内所装的风扇吹动空气较快流动，以便通过这些孔排除热气。加热炉的最高温度由控制部分控制。
3. 铁磁材料样品
样品一共有五种，本实验只用三种，每种的居里点不同。它们都做成一个个圆环。圆环上绕有初、次级线圈。圆环尺寸为φ18×8×4（mm）。
4. 数字万用表（如图3所示）
本实验用的数字万用表是五位半的，是一种测量精度较高、测量功能较多、可靠性高的数字式仪表。它最大的特点是有一定的智能性。例如，它能判断和识别电压的大小，并根据电压大小自动转换量程和单位，其交流电压测量精度能达到±0.1mV。本实验用万用表测量B所产生的交流电压。
【预习思考题】
1. 什么叫铁磁质的磁滞现象？
2. 铁磁质在居里点的温度下是否还有磁滞现象？
3. 什么叫铁磁质的起始磁化曲线？
4. 铁磁质在居里点以上为什么是顺磁质？
【实验内容】
本实验所用的线已全部连接好，这一步不要求同学做，实验完后也不要求同学拆除连线，但要关闭仪器上的电源。
（1）温度设置：开启仪器电源，将“测量—设置”开关拨自“设置”，调节右边的旋钮，使温度显示在120℃；然后拨向“测量”。关闭加热炉上两风门（风门上的旋钮方向与加热炉的轴线方向垂直）。
（2）数字电压表开启电源时，自动显示直流电压（DC），单位是V或mV，一定要按一下按钮，显示交流电压（AC），单位是V或mV。
（3）按表1的要求做实验。表1前部分从开始每隔5℃记一个数，开始时不一定在所示的20℃上（冬天和夏天有区别，可以灵活一些），但离20℃不宜差得过大。后部分记录时和前部分应有所不同。判别有两种情况，任选一种情况做都可以。一是从数字万用表判别，当单位从V自动转换到mV时，每隔1℃记一个数，或变化较快时，应不停地记数，记到示波器上显示一条直线时再记3个数为止；二是当显示的磁滞回线面积较小，但又明显能分辨出未成一条直线时，应每隔1℃记一个数，或变化快时不停地记数，同样示波器上显示一条直线时再记3个数为止。
（4）打开加热炉上两风门（风门上的旋钮方向与加热炉的轴线方向平行）。把“升温—降温”开关拨向“降温”，一般降到比室温略高一些就可以了，比如夏天降到30℃或35℃，冬天降到15℃或20℃。换一个样品，再重复上述测量过程。
【数据记录与处理】
1. 作图。以电压（单位为V或mV）为纵坐标，以T为横作标，用坐标纸作图。在斜率的绝对值最大处作一条直线，并延长到与T轴相交，相交点即为居里点。或者说在曲线最陡处作一条直线，这条直线应通过曲线最陡处的中间位置。作图时从第一个单位为mV数据再向前取3个数的位置开始，用往后的所有数作图比较合适。三条线可同作在一张坐标纸内，但应标明相应的编号。这就是用作图法找居里点（如图4所示）。
2. 以观察到的磁滞回线刚好消失时的温度作为居里点，这就是用观察法找居里点。
3. 本实验误差主要来自以下几个方面：
（1）作图时，直线未作准确，最陡处未找准位置，这种误差比较大。应该说，粗略估计误差不会超过10%。
（2）测量仪器带入的误差。如居里温度测量仪的温度测量不准，这种误差在1.5%以内，另外传感器在采集时接触状况、电压测量的准确性等均可产生误差。
（3）测量方法带入的误差。在操作过程中，升温、降温未按顺序进行或降温时没有降到所要求值以下。
（4）样品材料的变化产生的误差。
（5）视差，在观察时，我们感觉到回线已消失，可能还未完全消失，反之亦然。
（6）若测量、观察、作图较好，这两种方法得到的居里点不会相差太大，一般相差不应超过10%。对这两种结果应进行分析比较。
以上只定性地分析了产生误差的原因。定量的计算本实验还存在一定难度。
温度电压记录
4. 写出结果
（1）作图法：1#=
（2）观察法：1#=
【思考题】
1. 可用许多方法去求居里点，你能说出几种方法？
2. 安装温度传感器和待测样品应注意那些问题？
3. 用“T—U”曲线方法求铁磁质的居里点，为什么要在斜率最大处作切线？
4. 想一想能否用铁磁质的温度特性设计一个控温器件？并加以说明。
【参考文献】
1. 李学惠、高峰、孙炳全、杨桂娟. 大学物理实验. 高等教育出版社，2005
2. 赵凯华、陈熙谋. 电磁学. 高等教育出版社. 1984
3. 吕斯骅. 基础物理实验. 北京大学出版社. 2002
4. 熊永红. 大学物理实验. 华中科技大学出版社. 2004
5. 黄建群、胡险峰、雍志华. 大学物理实验. 四川大学出版社. 2005为了消除铁磁材料的剩磁.必须在原线圈中通以反向电流？_百度知道
为了消除铁磁材料的剩磁.必须在原线圈中通以反向电流？
错在那，那原理是？对的话对错
为什么反向电流可以达到消磁的效果。但是想知道，反向电流消磁是对的
提问者采纳
这是铁磁性材料的磁化规律决定的，反向电流可以产生反向的磁场，抵消剩磁。
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其他1条回答
反向电流可以产生反向的磁场 使得原磁场中的磁性材料重新排列
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2013年浙江电工技能鉴定考试-初级电工考试题库综合练习题及答案二(4月29日)
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)正确答案：对
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