釹磁鐵的溫度特性探究及其應(yīng)用裝置的設(shè)計(jì)*

葉 萍，宋雨田，劉沄濤，楊逸舟，蘇 波

（首都師范大學(xué) 物理系，北京 100048）

對(duì)于市面上常見的磁振熱治療儀和簡(jiǎn)易燃?xì)獗趻鞝t，在電路中增加保護(hù)開關(guān)裝置可以使其具有更好的使用效果。磁振熱治療儀增加保護(hù)開關(guān)不僅可以避免因設(shè)備溫度太高而對(duì)使用者造成傷害，而且可以延長(zhǎng)設(shè)備的壽命，減少購(gòu)買成本。簡(jiǎn)易燃?xì)獗趻鞝t增加保護(hù)開關(guān)裝置可以防止壁掛爐被燒毀，阻止有害物質(zhì)因壁掛爐的損壞而泄漏。

本文首先對(duì)釹磁鐵的溫度特性進(jìn)行探究，之后利用釹磁鐵作為開關(guān)裝置設(shè)計(jì)電路。通過(guò)利用釹磁鐵的磁熱效應(yīng)做一個(gè)簡(jiǎn)易的保護(hù)開關(guān)裝置，實(shí)現(xiàn)了保護(hù)電路中元器件的效果，另外該裝置還具有重復(fù)利用的功能。

1 實(shí)驗(yàn)原理

1.1 釹磁鐵的居里溫度

居里點(diǎn)又作居里溫度或磁性轉(zhuǎn)變點(diǎn)，是鐵磁性或亞鐵磁性物質(zhì)轉(zhuǎn)變成順磁性物質(zhì)的臨界點(diǎn)。在到達(dá)居里溫度后，磁鐵的磁性幾乎消失，所以居里溫度可以確定磁性器件工作的上限溫度。根據(jù)文獻(xiàn)[1]，釹磁鐵的居里溫度分布范圍為579～609k（即306～336℃）。

1.2 高溫下原子磁矩排列

室溫下，磁性材料原子磁矩有序排列，宏觀表現(xiàn)為具有較好的磁性。環(huán)境溫度升高后，由于高溫下原子的劇烈熱運(yùn)動(dòng)，原子磁矩的排列變得混亂無(wú)序，因此導(dǎo)致其磁性下降。

當(dāng)環(huán)境溫度持續(xù)上升到達(dá)磁性材料的臨界溫度值Tc，足以破壞磁矩的整齊排列時(shí)，平均磁矩變?yōu)榱?，宏觀表現(xiàn)為磁性的消失。

2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

2.1 釹磁鐵磁性隨溫度變化的特性實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)器材如圖1所示，分別為：鐵架臺(tái)、酒精燈、石棉網(wǎng)、燒杯、熱水、釹磁鐵、數(shù)字測(cè)溫計(jì)、高斯計(jì)。實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先固定好實(shí)驗(yàn)裝置，如圖2所示，將釹磁鐵放入燒杯中，并用酒精燈對(duì)水進(jìn)行加熱，然后將數(shù)字測(cè)溫計(jì)放入水中，保證水溫平均上升3℃～5℃，記錄下該時(shí)刻的水溫。之后迅速將釹磁鐵從水中取出，利用高斯計(jì)測(cè)量其在該水溫下的磁性大小并記錄數(shù)據(jù)，如圖3所示。測(cè)量完成后，再將釹磁鐵放入燒杯中，繼續(xù)對(duì)其進(jìn)行加熱；重復(fù)之前的步驟，直至水溫溫度上升至大約90℃，實(shí)驗(yàn)完畢。

圖2 實(shí)驗(yàn)步驟

圖3 測(cè)量過(guò)程

2.2 不同尺寸釹磁鐵磁性變化探究實(shí)驗(yàn)

本次實(shí)驗(yàn)中分別取直徑為6.3mm，長(zhǎng)度為12.3mm和20.5mm的不同尺寸釹磁鐵。在室溫下測(cè)得其初始磁性大小，之后使兩者加熱至相同的溫度，記錄該溫度下磁性的大小，磁性的測(cè)量與之前的步驟相同，最后比較兩者磁性的變化及變化率大小。

3 數(shù)據(jù)處理與討論

為了保證數(shù)據(jù)真實(shí)且具有一定的可靠性，本實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了多組測(cè)量，記錄了多組測(cè)量結(jié)果，并根據(jù)數(shù)據(jù)繪制了圖表，方便直觀地進(jìn)行比較。

3.1 釹磁鐵磁性隨溫度變化

根據(jù)上述的實(shí)驗(yàn)步驟，表1為釹磁鐵磁性隨溫度變化的情況。

表1 釹磁鐵磁性隨溫度變化情況

由釹磁鐵磁性隨溫度變化情況，可得出釹磁鐵的磁性隨溫度的升高逐漸減小。該實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與高溫下原子劇烈熱運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致原子磁矩的排列變得混亂無(wú)序，進(jìn)而使其磁性下降這一原理基本一致。

3.2 不同尺寸釹磁鐵磁性變化

表2為不同尺寸釹磁鐵受溫度變化數(shù)據(jù)分析。其數(shù)據(jù)結(jié)果與文獻(xiàn)中的結(jié)論基本吻合：溫度越高，磁場(chǎng)強(qiáng)度減弱的程度越大；厚度越小，磁場(chǎng)強(qiáng)度隨溫度減弱的程度越小[2]。除此之外，本實(shí)驗(yàn)還給出了不同尺寸釹磁鐵磁性的變化率，即當(dāng)釹磁鐵溫度變化量不大時(shí)，尺寸越小的釹磁鐵變化率越大，對(duì)溫度的變化較為敏感。溫度變化較大時(shí)，尺寸大的釹磁鐵變化率高于尺寸小的釹磁鐵。

表2 不同尺寸釹磁鐵受溫度變化情況

4 應(yīng)用裝置設(shè)計(jì)

由于釹磁鐵的溫度特性及居里溫度的存在，可利用這一特性充當(dāng)電路的開關(guān)裝置。該裝置可用于高溫下工作的器件，當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)斷開，從而起到保護(hù)工作器件的作用。

4.1 電路保護(hù)開關(guān)設(shè)計(jì)原理

電路保護(hù)開關(guān)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)電路圖如圖4所示。酒精燈模擬器件的高溫環(huán)境溫度，兩塊釹磁鐵作為電路的開關(guān)。當(dāng)釹磁鐵具有磁性時(shí)，電路連通，用電器正常工作；隨著環(huán)境溫度的逐漸升高，釹磁鐵磁性逐漸下降，直至到達(dá)其居里溫度，磁性徹底消失，開關(guān)斷開，從而保證了用電器在高溫環(huán)境下不被燒毀。

圖4 電路保護(hù)開關(guān)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)電路圖

4.2 實(shí)驗(yàn)電路改進(jìn)設(shè)計(jì)

如圖4的電路圖，高溫環(huán)境溫度后，磁鐵磁性永久降低。雖然能夠起到保護(hù)電路的作用，但是之后隨著溫度的降低，該電路無(wú)法恢復(fù)正常工作。因此，實(shí)驗(yàn)改進(jìn)設(shè)計(jì)中增添了充磁電路，磁鐵磁性消失后，對(duì)其進(jìn)行充磁，恢復(fù)磁性后該電路可正常使用，實(shí)現(xiàn)了保護(hù)開關(guān)且多次利用的效果[3]。如圖5所示，即為改進(jìn)后的裝置設(shè)計(jì)電路圖。

用電器正常工作時(shí)，磁鐵作為開關(guān)，連通電路，此時(shí)由銅線圈構(gòu)成的電路為斷路狀態(tài)，如圖5（a）所示。環(huán)境溫度上升到一定溫度后，磁鐵磁性減小，開關(guān)斷開。右端磁鐵由于受到重力的作用，向下掉落，使其恰好與焊錫接觸。此時(shí)由銅線圈構(gòu)成的電路導(dǎo)通，開始對(duì)兩塊磁鐵進(jìn)行充磁，如圖5（b）所示。充磁完畢后，磁鐵相互吸引，右端磁鐵與焊錫分離，回到如圖5（a）的電路狀態(tài)。

圖5 改進(jìn)后裝置設(shè)計(jì)電路圖

最后，根據(jù)無(wú)限長(zhǎng)通電直導(dǎo)線周圍磁感應(yīng)強(qiáng)度大小的計(jì)算公式（1），通過(guò)控制電路中的電流以及角度來(lái)達(dá)到理想的充磁效果。

5 結(jié)論

本文主要探究了釹磁鐵的溫度特性，并比較了不同尺寸釹磁鐵隨溫度變化的磁性變化率。通過(guò)利用其溫度特性和居里溫度制作的電路保護(hù)開關(guān)裝置，能夠有效保護(hù)電路中的器件。該裝置具有制作簡(jiǎn)單，成本低和可重復(fù)使用等特點(diǎn)，并且能根據(jù)電路中電流的大小達(dá)到理想的充磁效果，有較好的使用前景。