钙钛矿锰氧化物居里温度测定.docVIP

补充实验：钙钛矿锰氧化物居里温度的测定 摘要 居里点（the Curie temperature）也称居里温度或磁性转变点，是指材料可以在铁磁体和顺磁体之间改变的温度，即铁电体从铁电相转变成顺电相引的相变温度。也可以说是发生二级相变的转变温度。低于居里点温度时该物质成为铁磁体，此时和材料有关的磁场很难改变。当温度高于居里点温度时,该物质成为顺磁体，磁体的磁场很容易随周围磁场的改变而改变。笔者通过该实验了解了居里温度的物理意义，熟悉了测量方法和注意事项，测定了钙钛矿锰氧化物样品的居里温度，并做了一些有意义的讨论。 关键词：近代物理实验，居里温度，钙钛矿锰氧化物 一、实验目的： 一、对居里温度有初步了解 二、学会居里温度测量原理和方法。 三、了解居里点这一特别物理性质的功能和应用前景。 二、实验仪器 图2示出了样品和测试线圈支架示意图。测试线圈由匝数和形状相同的探测线圈组A和补偿线圈组B组成。样品和热电偶置于其中一个石英管A中，另一个线圈组是作为补偿线圈引入的，以消除变温过程中因线圈阻抗发生的变化而造成测试误差。由于两个线圈组的次级是反 图2 串联相接的，因此其感生电动势是相互抵消的。在温度低于Tc时，位于探测线圈A中的钙钛矿样品呈铁磁性，而补偿线圈B中无样品，反串联的次级线圈感应输出信号强度正比于铁磁样品的磁化强度；当温度升到Tc以上时，探测线圈A中的钙钛矿样品呈顺磁性，和补偿线圈中空气的磁性相差无几，反串联的次级线圈感应输出信号强度几乎变为零。因此，在样品温度升高时，在Tc附近随着磁性的突然变化锁定放大器的输出信号强度应有一个比较陡峭的下降过程，由此可以测定居里温度Tc。 图3 测试系统如图3所示。通过测定1、1’两点间电动势的平均值，即可求出样品的磁化强度，理由如下： 对于线圈A有 对于线圈B有 根据法拉第电磁感应定律 分别对线圈A和线圈B有 εB=-μ0AdHdt 其中A是次级螺线管的横截面积，则在1与1’两端的电势差为 U=εA-εB （3） 所以 U=-μ0AdMdt （4） 而在测量时会对1与1’两端的电压求平均，即 因此对1与1`两端电压平均值的测量值，即可反映所测样品中磁化强度M的值。 三、实验原理 1. 居里温度的测量方法 测量材料的居里温度可以采用许多方法。常用的测量方法有： （1）通过测量材料的饱和磁化强度的温度依赖性得到Ms-T曲线，从而得到Ms降为零时对应的居里温度。这种方法适用于那些可以用来在变温条件下直接测量样品饱和磁化强度的装置，例如磁天平、振动样品磁强计以及SQUID等。 （2）通过测定样品材料在弱磁场下的初始磁导率μi的温度依赖性，利用霍普金森效应，确定居里温度。 （3）通过测量其他磁学量（如磁致伸缩系数等）的温度依赖性求得居里温度。 （4）通过测定一些非磁学量如比热、电阻温度系数、热电势等随温度的变化，随后根据这些非磁学量在居里温度附近的反常转折点来确定居里温度。 2. 钙钛矿锰氧化物 钙钛矿锰氧化物指的是成分为R1-xAxMnO3(R是二价稀土金属离子，A为一价碱土金属离子)的一大类具有ABO3型钙钛矿结构的锰氧化物。理想的ABO3型(A为稀土或碱土金属离子，B为Mn离子)钙钛矿具有空间群为Pm3m的立方结构，如以稀土离子A作为立方晶格的顶点，则Mn离子和O离子分别处在体心和面心的位置，同时，Mn离子又位于六个氧离子组成的Mn06八面体的重心，如图1(a)所示。图1(b)则是以Mn离子为立方晶格顶点的结构图。一般，把稀土离子和碱土金属离子占据的晶位称为A位，而Mn离子占据的晶位称为B位。 图1 ABO3钙钛矿结构 这些钙钛矿锰氧化物的母本氧化物是LaMnO3，Mn离子为正二价，这是一种显示反铁磁性的绝缘体，呈理想的钙钛矿结构。早在20世纪50—60年代，人们已经发现，如果用二价碱土金属离子(Sr、Ca、Pb等)部分取代三价稀土离子，Mn离子将处于Mn3+/Mn4+混合价状态，于是，通过和离子之间的双交换作用，在一定温度(Tp)以下、将同时出现绝缘体—金属转变和顺磁性—铁磁性转变。随着含Sr量的增加，锰氧化物La1-xSrxMnO3的R—T曲线形状发生明显变化。 四、实验步骤 （1）将测量装置置于水槽中，水槽中有温控装置，可以设定温度，并且有温度测量装置，可以测出温度读数。 （2）确认电路连接无误，水槽中的水为冷水无误之后，即可开启实验装置，并设置锁定放大器的参数。调整积分时间，放大倍数前端为10，后端为6，模式为“实数”，这样总的放大倍数就是60。实验过程中保持该值不变，不得随意更改。 （3）开启搅拌器，从9℃开始，每间隔0.5℃，升高调节水槽的加热温度，直到40℃左右