测试居里温度的一种新的实验系统

[摘 要]本文提出了一种新颖的测量铁磁性材料居里温度的方法，将具有环形磁芯的螺绕环置于有自动调温性能的样品室中，通过直接测量在磁饱和状态下螺绕环两端电压随温度变化的关系，确定铁磁物质的居里点。数据的采集及曲线的绘制均由微机自动完成。

[关键词]居里温度；铁磁物质；电感电压；数据采集

中图分类号：U464 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）02-0000-01

1 引言

居里温度是描述铁磁材料的重要特征参数之一，其值的大小只取决于材料本身的成分与结构，与外界条件无关。尽管测定居里温度的方法很多，例如磁称法、感应法、电桥法和差值法等等，但它们都是利用铁磁物质磁矩随温度变化的特性，测量其自发磁化消失时的温度。

本文介绍一种新的实验系统，其方法独特，原理简明，直观性强，信噪比高，数据稳定，重复性好。

2 实验系统装置

本实验系统装置示意图如图1所示，

被测样品（绕有线圈的磁环），与温度传感器均置于同一铝块上，铝块的下方装有发热器。以上部件均放在一个耐高温玻璃罩内与外界隔离，以降低变温系统与外界的热交换。由温度传感器测得的信号经-℃变换后送至数字显示器及A/D转换器一个通道。被测环形螺线管两端的电压经AC-DC变换后送至显示器及A/D转换器的另一个通道，所采集的数据由微机自动处理，绘图。（AC-DC转换即为交流电压信号变为直流电压信号，-℃转换即为开尔文温度转换为摄氏温度）

3 的测量原理

一个总匝数为，平均周长为，截面积为的环形螺线管的电感量为

（1）

若环内充满磁介质，其相对磁导率为，则

（2）

其中，称为磁导率。

就铁磁质而言，不是一个常数而是随着磁化场的强度而变化。但只要增大励磁强度使铁磁质处于饱和磁化状态，则的大小不随外磁场的改变而变化。而保持恒定，当温度升至居里点附近时，值则迅速下降，当温度高于居里点时，铁磁转变为顺磁即1，亦即故。

本实验就是在以铁磁体为磁芯的环形螺线管两端，施加交变磁化场，并使被测试样到达饱和磁化状态下，直接测量两端电压，由随温度变化的关系，就可确定铁磁物质的居里点。与均由微机采集，实验结果如图2所示。

4 实验结果分析

下面分别给出了计算机采集并绘制的锰锌铁氧体的升温曲线（红色）和降温曲线（紫色）。

从图中可以看出在温度低于时，曲线基本上保持水平的直线，在接近居里温度时，螺绕环两端电压值急剧下降，当温度大于居里温度后，电压便趋于平缓，并保持在某一数值。因此斜率最大部分外推到电压为零时的温度为所测磁性材料的居里温度。

在三种不同加热条件下升温曲线与降温曲线之间都存在一定的偏差，并且加热档位选的越高，两曲线之间的偏差越大。主要有以下几个原因：首先，样品和温度传感器是嵌入铝块中的，其周边存在一定的空气隙，即未紧密接触，尤其是被测样品，热量必须通过空气和线圈传到样品中。其次，样品、温度传感器和铝块三者的热导率不一致。在加热过程中，当温度传感器测得某一温度时，实际样品并未达到此温度，并且之间的偏差随加热速率的增大而变大。因此本实验加热系统中采用负温度系数热敏电阻（NTC），使加热速度保持在一较稳定值。并提供低、中、高三个加热档位。在升温过程中，加热必须缓慢进行，保证整个升温过程始终保持在一准静态。此外将样品、传感器及整个加热系统置于玻璃罩内与外界隔离，降低变温系统与外界的热交换。同样在降温过程中，铝块散热要比样品散热稍微快些，因此当温度传感器测得某一温度时，实际样品温度并未降到此温度。

5 总结

根据测量结果，本实验系统具有以下特点：

（1） 本实验采用的测量方法，对比感应法和差值法，具有结构简单、信噪比高、无寄生电感等优点。测试结果表明，系统稳定，一重复性好。

（2） 加热系统具有自动调节升温速率的特性。

（3） 测温系统采用集成温度传感器， 具有灵敏度高、线性好等优点，并能与微机很好的匹配。

（4） 本实验采用了微机的数据采集系统，解决了试样由铁磁转为顺磁时因数据变化急速人工难以从容读数，从而确保了实验的重复性。

参考文献

[1] 东南大学等七所工科院校编.马文蔚改编. 物理学 中册 第四版. 高等教育出版社 1999.11.

[2] 陈守川，杜金潮.沈剑峰.主编.新编大学物理实验教程 第二版.浙江：浙江大学出版社 2008.9.