利用智能手機測量居里溫度

方明月，郭瑞雪，謝翠婷

(華南師范大學(xué) 物理與電信工程學(xué)院，廣東 廣州 510006)

鐵磁材料從鐵磁性或亞磁性物質(zhì)轉(zhuǎn)變成順磁性物質(zhì)的臨界點被稱作居里點或者居里溫度。當(dāng)溫度高于磁性物質(zhì)的居里溫度時，該物質(zhì)的磁性消失。由于該種獨特的性質(zhì)，鐵磁性物質(zhì)在很多領(lǐng)域擁有特殊的應(yīng)用。比如傳感器、電熱電路以及電水壺的溫控開關(guān)等溫度自適應(yīng)型元件[1,2]。人們也開發(fā)出了很多測量居里溫度的簡便方法[3,4]，比較經(jīng)典的是把鐵磁性材料吸附在磁鐵上，然后加熱至鐵塊脫離磁鐵從而獲取居里溫度值[5]。或者使用電加熱法[6]：當(dāng)磁性導(dǎo)線中的電流達到一定程度時，螺旋形導(dǎo)線由于轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾判圆牧隙辉偈苡来朋w的吸引，此時可以通過電流、電壓等參數(shù)間接測量導(dǎo)線的居里點。

另一方面，先進的實驗器材由于體積龐大、價格昂貴、操作復(fù)雜等各種原因而無法廣泛應(yīng)用于教學(xué)行業(yè)[7]。隨著科技的發(fā)展，智能手機傳感器的開發(fā)開辟了教育行業(yè)利用智能手機輔助教學(xué)的新視角。因為智能手機傳感器擁有操作簡捷、測量準(zhǔn)確等優(yōu)點，有關(guān)智能手機傳感器的一系列拓展應(yīng)用APP被不斷開發(fā)，并廣泛應(yīng)用于教學(xué)研究及教學(xué)演示[8-10]。

本文利用智能手機設(shè)計了一種測量小型永磁體居里溫度的方法，實驗裝置簡潔，操作過程簡便。

1 理論模型

當(dāng)外界溫度低于居里溫度時，鐵磁性材料的磁化強度會隨著溫度的升高而減小。由平均場理論[11]可知有：

M～(T-Tc)β

(1)

其中M是鐵磁體的磁化強度，Tc是居里溫度，β是臨界點，且β=1/2。

對(1)式兩端進行平方，可以獲得

M2=a(T-Tc)=aT+b

(2)

因此，通過測量一定溫度范圍內(nèi)鐵磁性材料的磁化強度M和相應(yīng)的溫度T，就可以擬合直線從而求得該鐵磁性材料的居里點Tc。

2 實驗內(nèi)容

2.1 實驗裝置

簡單的塑料瓶，永磁體(稀土釹鐵硼、鐵氧體)，兩臺手機，手機OTG熱電偶溫度傳感器如圖1所示。

圖1 實驗裝置圖

2.2 實驗步驟

1.為了更準(zhǔn)確地測量永磁體的溫度，用膠帶將永磁體固定在熱電偶上；

2.將開水倒進塑料瓶直至淹沒永磁體，等待熱電偶所連接手機的顯示溫度穩(wěn)定后(升高至80～90 ℃)，開始用另一臺手機上的Phyphox軟件對永磁體磁化強度進行從“高溫”至室溫區(qū)間的測量(間隔0.5 K)；

3.當(dāng)永磁體的溫度降到室溫時，往塑料瓶中加入少許冰塊。待溫度穩(wěn)定(5～10 ℃)后，用手機進行磁化強度從“低溫”至室溫的測量(間隔為0.5 K)。

3 結(jié)果分析

圖2顯示了兩種永磁體的磁化強度平方和溫度之間的函數(shù)的擬合圖。由圖可以看到，實驗數(shù)據(jù)的擬合圖線性度良好。

圖2 永磁體磁感應(yīng)強度的平方與 溫度之間的函數(shù)關(guān)系圖

由擬合直線的公式可以計算出鐵氧體和釹鐵硼的磁化強度為零時的溫度，也就是它們的居里溫度分別為567.43 K和730.97 K。實驗擬合值與文獻中的參考值[12-14]573 K(錳鋅鐵氧體)、593～733 K(釹鐵硼)之間誤差很小，表明該實驗?zāi)軌驗闇y量小型永磁體的居里溫度提供較精確度的結(jié)果。

雖然實驗設(shè)備局限于測量小型永磁體，但實驗設(shè)備成本低、環(huán)保節(jié)能、實驗步驟簡單并可重復(fù)觀察，而且能在較大溫度變化范圍內(nèi)準(zhǔn)確地測量永磁體的磁化強度變化。

4 結(jié)束語

本文利用簡單的手機傳感器為測量居里溫度提供了一種低成本的簡潔方法。該方法僅僅需要兩臺手機以及一個熱電偶溫度傳感器，取材簡便，可延伸至居家或教學(xué)實驗演示。此外，簡潔的公式擬合可以幫助學(xué)生建立模型和理解磁性，為后面更深入地學(xué)習(xí)磁性做鋪墊。