钕磁铁的温度特性探究及其应用装置的设计*

2021-09-08宋雨田刘沄涛杨逸舟

科技创新与应用 2021年24期

叶萍，宋雨田，刘沄涛，杨逸舟，苏波

（首都师范大学物理系，北京 100048）

对于市面上常见的磁振热治疗仪和简易燃气壁挂炉，在电路中增加保护开关装置可以使其具有更好的使用效果。磁振热治疗仪增加保护开关不仅可以避免因设备温度太高而对使用者造成伤害，而且可以延长设备的寿命，减少购买成本。简易燃气壁挂炉增加保护开关装置可以防止壁挂炉被烧毁，阻止有害物质因壁挂炉的损坏而泄漏。

本文首先对钕磁铁的温度特性进行探究，之后利用钕磁铁作为开关装置设计电路。通过利用钕磁铁的磁热效应做一个简易的保护开关装置，实现了保护电路中元器件的效果，另外该装置还具有重复利用的功能。

1 实验原理

1.1 钕磁铁的居里温度

居里点又作居里温度或磁性转变点，是铁磁性或亚铁磁性物质转变成顺磁性物质的临界点。在到达居里温度后，磁铁的磁性几乎消失，所以居里温度可以确定磁性器件工作的上限温度。根据文献[1]，钕磁铁的居里温度分布范围为579～609k（即306～336℃）。

1.2 高温下原子磁矩排列

室温下，磁性材料原子磁矩有序排列，宏观表现为具有较好的磁性。环境温度升高后，由于高温下原子的剧烈热运动，原子磁矩的排列变得混乱无序，因此导致其磁性下降。

当环境温度持续上升到达磁性材料的临界温度值Tc，足以破坏磁矩的整齐排列时，平均磁矩变为零，宏观表现为磁性的消失。

2 实验过程

2.1 钕磁铁磁性随温度变化的特性实验

实验器材如图1所示，分别为：铁架台、酒精灯、石棉网、烧杯、热水、钕磁铁、数字测温计、高斯计。实验时，首先固定好实验装置，如图2所示，将钕磁铁放入烧杯中，并用酒精灯对水进行加热，然后将数字测温计放入水中，保证水温平均上升3℃～5℃，记录下该时刻的水温。之后迅速将钕磁铁从水中取出，利用高斯计测量其在该水温下的磁性大小并记录数据，如图3所示。测量完成后，再将钕磁铁放入烧杯中，继续对其进行加热；重复之前的步骤，直至水温温度上升至大约90℃，实验完毕。

图2 实验步骤

图3 测量过程

2.2 不同尺寸钕磁铁磁性变化探究实验

本次实验中分别取直径为6.3mm，长度为12.3mm和20.5mm的不同尺寸钕磁铁。在室温下测得其初始磁性大小，之后使两者加热至相同的温度，记录该温度下磁性的大小，磁性的测量与之前的步骤相同，最后比较两者磁性的变化及变化率大小。

3 数据处理与讨论

为了保证数据真实且具有一定的可靠性，本实验进行了多组测量，记录了多组测量结果，并根据数据绘制了图表，方便直观地进行比较。

3.1 钕磁铁磁性随温度变化

根据上述的实验步骤，表1为钕磁铁磁性随温度变化的情况。

表1 钕磁铁磁性随温度变化情况

由钕磁铁磁性随温度变化情况，可得出钕磁铁的磁性随温度的升高逐渐减小。该实验现象与高温下原子剧烈热运动导致原子磁矩的排列变得混乱无序，进而使其磁性下降这一原理基本一致。

3.2 不同尺寸钕磁铁磁性变化

表2为不同尺寸钕磁铁受温度变化数据分析。其数据结果与文献中的结论基本吻合：温度越高，磁场强度减弱的程度越大；厚度越小，磁场强度随温度减弱的程度越小[2]。除此之外，本实验还给出了不同尺寸钕磁铁磁性的变化率，即当钕磁铁温度变化量不大时，尺寸越小的钕磁铁变化率越大，对温度的变化较为敏感。温度变化较大时，尺寸大的钕磁铁变化率高于尺寸小的钕磁铁。

表2 不同尺寸钕磁铁受温度变化情况

4 应用装置设计

由于钕磁铁的温度特性及居里温度的存在，可利用这一特性充当电路的开关装置。该装置可用于高温下工作的器件，当温度过高时，实现自动断开，从而起到保护工作器件的作用。

4.1 电路保护开关设计原理

电路保护开关设计实验电路图如图4所示。酒精灯模拟器件的高温环境温度，两块钕磁铁作为电路的开关。当钕磁铁具有磁性时，电路连通，用电器正常工作；随着环境温度的逐渐升高，钕磁铁磁性逐渐下降，直至到达其居里温度，磁性彻底消失，开关断开，从而保证了用电器在高温环境下不被烧毁。

图4 电路保护开关设计实验电路图

4.2 实验电路改进设计

如图4的电路图，高温环境温度后，磁铁磁性永久降低。虽然能够起到保护电路的作用，但是之后随着温度的降低，该电路无法恢复正常工作。因此，实验改进设计中增添了充磁电路，磁铁磁性消失后，对其进行充磁，恢复磁性后该电路可正常使用，实现了保护开关且多次利用的效果[3]。如图5所示，即为改进后的装置设计电路图。

用电器正常工作时，磁铁作为开关，连通电路，此时由铜线圈构成的电路为断路状态，如图5（a）所示。环境温度上升到一定温度后，磁铁磁性减小，开关断开。右端磁铁由于受到重力的作用，向下掉落，使其恰好与焊锡接触。此时由铜线圈构成的电路导通，开始对两块磁铁进行充磁，如图5（b）所示。充磁完毕后，磁铁相互吸引，右端磁铁与焊锡分离，回到如图5（a）的电路状态。