釹磁鐵的溫度特性探究及其應用裝置的設計*

葉 萍，宋雨田，劉沄濤，楊逸舟，蘇 波

（首都師范大學 物理系，北京 100048）

對于市面上常見的磁振熱治療儀和簡易燃氣壁掛爐，在電路中增加保護開關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開關不僅可以避免因設備溫度太高而對使用者造成傷害，而且可以延長設備的壽命，減少購買成本。簡易燃氣壁掛爐增加保護開關裝置可以防止壁掛爐被燒毀，阻止有害物質因壁掛爐的損壞而泄漏。

本文首先對釹磁鐵的溫度特性進行探究，之后利用釹磁鐵作為開關裝置設計電路。通過利用釹磁鐵的磁熱效應做一個簡易的保護開關裝置，實現了保護電路中元器件的效果，另外該裝置還具有重復利用的功能。

1 實驗原理

1.1 釹磁鐵的居里溫度

居里點又作居里溫度或磁性轉變點，是鐵磁性或亞鐵磁性物質轉變成順磁性物質的臨界點。在到達居里溫度后，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。根據文獻[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，宏觀表現為具有較好的磁性。環境溫度升高后，由于高溫下原子的劇烈熱運動，原子磁矩的排列變得混亂無序，因此導致其磁性下降。

當環境溫度持續上升到達磁性材料的臨界溫度值Tc，足以破壞磁矩的整齊排列時，平均磁矩變為零，宏觀表現為磁性的消失。

2 實驗過程

2.1 釹磁鐵磁性隨溫度變化的特性實驗

實驗器材如圖1所示，分別為：鐵架臺、酒精燈、石棉網、燒杯、熱水、釹磁鐵、數字測溫計、高斯計。實驗時，首先固定好實驗裝置，如圖2所示，將釹磁鐵放入燒杯中，并用酒精燈對水進行加熱，然后將數字測溫計放入水中，保證水溫平均上升3℃～5℃，記錄下該時刻的水溫。之后迅速將釹磁鐵從水中取出，利用高斯計測量其在該水溫下的磁性大小并記錄數據，如圖3所示。測量完成后，再將釹磁鐵放入燒杯中，繼續對其進行加熱；重復之前的步驟，直至水溫溫度上升至大約90℃，實驗完畢。

圖2 實驗步驟

圖3 測量過程

2.2 不同尺寸釹磁鐵磁性變化探究實驗

本次實驗中分別取直徑為6.3mm，長度為12.3mm和20.5mm的不同尺寸釹磁鐵。在室溫下測得其初始磁性大小，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 數據處理與討論

為了保證數據真實且具有一定的可靠性，本實驗進行了多組測量，記錄了多組測量結果，并根據數據繪制了圖表，方便直觀地進行比較。

3.1 釹磁鐵磁性隨溫度變化

根據上述的實驗步驟，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。該實驗現象與高溫下原子劇烈熱運動導致原子磁矩的排列變得混亂無序，進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據分析。其數據結果與文獻中的結論基本吻合：溫度越高，磁場強度減弱的程度越大；厚度越小，磁場強度隨溫度減弱的程度越小[2]。除此之外，本實驗還給出了不同尺寸釹磁鐵磁性的變化率，即當釹磁鐵溫度變化量不大時，尺寸越小的釹磁鐵變化率越大，對溫度的變化較為敏感。溫度變化較大時，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 應用裝置設計

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電路的開關裝置。該裝置可用于高溫下工作的器件，當溫度過高時，實現自動斷開，從而起到保護工作器件的作用。

4.1 電路保護開關設計原理

電路保護開關設計實驗電路圖如圖4所示。酒精燈模擬器件的高溫環境溫度，兩塊釹磁鐵作為電路的開關。當釹磁鐵具有磁性時，電路連通，用電器正常工作；隨著環境溫度的逐漸升高，釹磁鐵磁性逐漸下降，直至到達其居里溫度，磁性徹底消失，開關斷開，從而保證了用電器在高溫環境下不被燒毀。

圖4 電路保護開關設計實驗電路圖

4.2 實驗電路改進設計

如圖4的電路圖，高溫環境溫度后，磁鐵磁性永久降低。雖然能夠起到保護電路的作用，但是之后隨著溫度的降低，該電路無法恢復正常工作。因此，實驗改進設計中增添了充磁電路，磁鐵磁性消失后，對其進行充磁，恢復磁性后該電路可正常使用，實現了保護開關且多次利用的效果[3]。如圖5所示，即為改進后的裝置設計電路圖。

用電器正常工作時，磁鐵作為開關，連通電路，此時由銅線圈構成的電路為斷路狀態，如圖5（a）所示。環境溫度上升到一定溫度后，磁鐵磁性減小，開關斷開。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。此時由銅線圈構成的電路導通，開始對兩塊磁鐵進行充磁，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。

圖5 改進后裝置設計電路圖

最后，根據無限長通電直導線周圍磁感應強度大小的計算公式（1），通過控制電路中的電流以及角度來達到理想的充磁效果。

5 結論

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。通過利用其溫度特性和居里溫度制作的電路保護開關裝置，能夠有效保護電路中的器件。該裝置具有制作簡單，成本低和可重復使用等特點，并且能根據電路中電流的大小達到理想的充磁效果，有較好的使用前景。