振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)實(shí)驗(yàn)講義要點(diǎn)

1、振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)北京科技大學(xué)材料學(xué)院實(shí)驗(yàn)測(cè)試中心2007年6月- 1 -振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)（vibrating sample magnetometer,vsm） 是測(cè)量材料磁性的重要手段之一，廣泛應(yīng)用于各種鐵磁、 亞鐵磁、 反鐵磁、 順磁和抗磁材料的磁特性研究中， 它包括對(duì)稀土永磁材料、 鐵氧體材料、非晶和準(zhǔn)晶材料、超導(dǎo)材料、合金、化合物及生物蛋白質(zhì)的磁性研究等等。它可測(cè)量磁性材料的基本磁性能，如磁化曲線，磁滯回線，退磁曲線，熱磁曲線等，得到相應(yīng)的各種磁學(xué)參數(shù)，如飽和磁化強(qiáng)度ms,剩余磁化強(qiáng)度，矯頑力 he最大磁能積，居里溫度，磁導(dǎo)率（包括初始磁導(dǎo)率）等，對(duì)粉末、顆粒、 薄膜、液體、塊

2、狀等磁性材料樣品均可測(cè)量。一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 、了解磁性材料的分類和基本磁學(xué)參數(shù)。2、了解振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)的工作原理和儀器組成結(jié)構(gòu)。3、測(cè)量?jī)煞N材料樣品的磁滯回線，計(jì)算相關(guān)的磁學(xué)參數(shù)。二、vsmj儀器結(jié)構(gòu)與工作原理1、 vsm 的儀器結(jié)構(gòu)振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)主要由電磁鐵系統(tǒng)、樣品強(qiáng)迫振動(dòng)系統(tǒng)和信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)組成。圖 1 、圖 2 所示的為兩種類型的vsm原理結(jié)構(gòu)示意圖，兩者的區(qū)別僅在于：前者為空芯線圈（磁場(chǎng)線圈）在掃描電源的 激勵(lì)下產(chǎn)生磁場(chǎng) h,后者則是由電磁鐵和掃描電源產(chǎn)生磁場(chǎng)h。因此，前者為弱場(chǎng)而后者為強(qiáng)場(chǎng)。前者的磁場(chǎng)h正比于激磁電流i,故其h的度量將由取樣電阻r上的電壓標(biāo)注，而后者由于h和i的非線性關(guān)

3、系， h 必須用高斯計(jì)直接測(cè)量。振動(dòng)系統(tǒng) ：為使樣品能在磁場(chǎng)中做等幅強(qiáng)迫振動(dòng)，需要有振動(dòng)系統(tǒng)推動(dòng)。系統(tǒng)應(yīng)保證頻率與振幅穩(wěn)定。 顯然適當(dāng)?shù)奶岣哳l率和增大振幅對(duì)獲取信號(hào)有利， 但為防止在樣品中出現(xiàn)渦流效應(yīng)和樣品過(guò)分位移，頻率和幅值多數(shù)設(shè)計(jì)在 200hz和1mm以下。低頻小幅振動(dòng)一般采用兩種方式產(chǎn)生：一種是用馬達(dá)帶動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)傳動(dòng)；另一種是采用揚(yáng)聲器結(jié)構(gòu)用電信號(hào)推動(dòng)。前者帶動(dòng)負(fù)載能力強(qiáng)并且容易保證振幅和頻率穩(wěn)定，后者結(jié)構(gòu)輕便，改變頻率和幅值容易，外控方便，受控后也可以保證振幅和頻率穩(wěn)定。因?yàn)閮x器應(yīng)僅探測(cè)由樣品磁性產(chǎn)生的單一固定的頻率信號(hào)， 與這頻率不同的信號(hào)可由選頻放大器和鎖相放大器消除。一切因素產(chǎn)生

4、的相同頻率的偽信號(hào)必須設(shè)法消除，這是提高儀器的靈敏度重要關(guān)鍵。因?yàn)檎駝?dòng)頭是一個(gè)強(qiáng)信號(hào)源，且頻率與探測(cè)信號(hào)頻率一致，故探頭與探測(cè)線圈要保持較遠(yuǎn)距離用振動(dòng)桿傳遞振動(dòng)，又在振動(dòng)頭上加屏蔽罩，防止產(chǎn)生感應(yīng)信號(hào)。為了確保測(cè)量精度避免振動(dòng)桿的橫向振動(dòng)，在振動(dòng)管外面加黃銅保護(hù)管，其間位于中部和下部用聚四氟乙烯墊圈支撐，既消除了橫振動(dòng)又不影響振動(dòng)-5 -效果。他前頭檢測(cè)盤(pán)圉磁場(chǎng)線圈a卜知林電源取樣電阻成大幫徵相 放大僵it瘓動(dòng)桿圖2探測(cè)系統(tǒng)：在測(cè)量過(guò)程中，希望探測(cè)線圈能有較大的信噪比，同時(shí)要求樣品在重復(fù)測(cè)量中取放位置的偏差在一定空間內(nèi)不影響輸出信號(hào)大小。前者能夠提供測(cè)量必要的靈敏度，后者則是保證測(cè)量精度和重復(fù)

5、性的重要條件。因此探測(cè)線圈形狀和尺寸的選擇是震動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)的重要關(guān)鍵之一。由后面的公式(5)可以看出，信號(hào)的電動(dòng)勢(shì)為線圈到樣品間距離 r的靈敏圈數(shù)。因此減小距離r,增強(qiáng)樣品與線圈的耦合，將會(huì)使靈敏度大為提高。但是隨著距離的減小，樣品所在位置的偏差對(duì)信號(hào)影響就會(huì)越大，對(duì)樣品取放位置的重復(fù)性要求就會(huì)更加苛刻?？梢允褂贸蓪?duì)的線圈對(duì)稱的放置在樣品兩邊是這種情況得到改善。在（5）式中，將x用-x代入，信號(hào)將改變符號(hào)，這說(shuō)明同樣線圈在樣品兩邊對(duì)稱位置其輸出信號(hào)相等，相位相反。因此在實(shí)用中制成成對(duì)的線圈彼此串聯(lián)反接，對(duì)稱地放置在樣品兩邊，這樣不僅可以保 證在每對(duì)線圈中由樣品偶極子振動(dòng)產(chǎn)生的信號(hào)彼此相加， 而

6、且它對(duì)位置尚有相互補(bǔ)償?shù)淖饔茫剐盘?hào)對(duì)位置的偏移變得不敏感了。 探測(cè)線圈這樣串聯(lián)反接的結(jié)果還可使來(lái)自磁化場(chǎng)的波動(dòng)和來(lái)自其它空間的干擾信號(hào)互相抵消，因而改善了抗干擾的能力。2、 vsm 的工作原理物質(zhì)，按其磁性來(lái)分類，大體可有下述五種，即：、順磁性一一這類物質(zhì)具有相互獨(dú)立的磁矩，在沒(méi)有外磁場(chǎng)作用下相互雜亂取向，故不顯示宏觀的磁性；而在外場(chǎng)作用下，原來(lái)相互獨(dú)立雜亂分布的磁矩將在一定程度上沿磁場(chǎng)取向，使此種物質(zhì)表現(xiàn)出相應(yīng)的宏觀磁性；磁場(chǎng)越強(qiáng)則宏觀磁性越強(qiáng)，而當(dāng)外磁場(chǎng)去除后，其宏觀磁性即消失。如用x表示磁化率、h為磁化場(chǎng)、m為單位體積的磁矩，則 m= x h; %的數(shù)值約在10-310-5量級(jí)。、逆磁

7、（抗磁）性一一此類物質(zhì)無(wú)固有磁矩，但是在外磁場(chǎng)的作用下產(chǎn)生的感應(yīng)磁性m= -x h,即m和h相反取向，故而得名。x非常小，約10-410-6量級(jí)。磁化場(chǎng)消失則宏觀磁性亦隨之消失。、反鐵磁性此類物質(zhì)內(nèi)具有兩種大小相等而反向取向的磁矩，故而合成磁矩為零，使物質(zhì)無(wú)宏觀磁性。、 亞鐵磁性此類物質(zhì)內(nèi)存在兩種大小不等但反向耦合在一起的磁矩， 故而相互不能完全抵消，使該類物質(zhì)表現(xiàn)出強(qiáng)磁特性，其宏觀磁性與磁化場(chǎng)成復(fù)雜關(guān)系。、 鐵磁性此類物質(zhì)內(nèi)的磁矩均可相互平行耦合在一起因而表現(xiàn)出強(qiáng)磁特性， 如亞鐵磁性一樣，宏觀磁性與磁化場(chǎng)呈現(xiàn)非常復(fù)雜的關(guān)系。人們通常將前三類稱為弱磁性、后兩類為強(qiáng)磁性。強(qiáng)磁性物質(zhì)在人類社會(huì)中起

8、到不可或缺的作用，如電力部門(mén)、信息產(chǎn)業(yè)部門(mén)、航空航天領(lǐng)域等。但是，隨著人類社會(huì)的進(jìn)步，對(duì)材料的諸多性能，包括磁性， 都提出了更多更新的要求， 這就促使人們不斷地去對(duì)相關(guān)性能進(jìn)行研究、 探討和改進(jìn)。 要這樣做，就必須有可信賴的物性檢測(cè)設(shè)備。 vsm 就是這種公認(rèn)的專門(mén)檢測(cè)各類物質(zhì)（材料）內(nèi)稟磁特性的設(shè)備，如磁化強(qiáng)度ms（bs）、居里溫度tf、矯頑力mhc、剩磁mr等。而在預(yù)知樣品在測(cè)量方向的退磁因子n后，尚可間接得出其他的有關(guān)技術(shù)磁參量，如：bs、 bhc、 （bh） max 等；另可根據(jù)回線的特點(diǎn)而判斷被測(cè)樣品的磁屬性。由于其操作簡(jiǎn)單、運(yùn)行費(fèi)用低（除超導(dǎo)類型外） 、堅(jiān)固耐用、檢測(cè)靈敏度高等特點(diǎn)

9、，被廣泛用于相關(guān)的工礦企業(yè)、大專院校及研究機(jī)構(gòu)中，成為材料的磁性研究、質(zhì)檢把關(guān)等方面不可缺少的關(guān)鍵設(shè)備。利用這種設(shè)備，可測(cè)量諸如粉料、塊材及各種納米級(jí)材料、各種復(fù)合型材料的順磁性、抗磁性及亞鐵磁和鐵磁性的相關(guān)磁特征，為檢測(cè)和研究這些材料提供可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。當(dāng)振蕩器的功率輸出饋給振動(dòng)頭驅(qū)動(dòng)線圈時(shí)，該振動(dòng)頭即可使固定在其驅(qū)動(dòng)線圈上的振動(dòng)桿以3的頻率驅(qū)動(dòng)作等幅振動(dòng)， 從而帶動(dòng)處于磁化場(chǎng)h 中的被測(cè)樣品作同樣的振動(dòng)； 這樣， 被磁化了的樣品在空間所產(chǎn)生的偶極場(chǎng)將相對(duì)于不動(dòng)的檢測(cè)線圈作同樣振動(dòng)，從而導(dǎo)致檢測(cè)線圈內(nèi)產(chǎn)生頻率為3的感應(yīng)電壓；而振蕩器的電壓輸出則反饋給鎖相放大器作為參考信號(hào)；將上述頻率為 3的

10、感應(yīng)電壓饋送到處于正常工作狀態(tài)的鎖相放大器后（所謂正常工作，即鎖相放大器的被測(cè)信號(hào)與其參考信號(hào)同頻率、同相位），經(jīng)放大及相位檢測(cè)而輸出一個(gè)正比于被測(cè)樣品總磁矩的直流電壓vjout,與此相對(duì)應(yīng)的有一個(gè)正比于磁化場(chǎng)h的直流電壓vhout （即取樣電阻上的電壓或高斯計(jì)的輸出電壓），將此兩相互對(duì)應(yīng)的電壓圖示化，即可得到被測(cè)樣品的磁滯回線（或磁化曲線）。如預(yù)知被測(cè)樣品的體積或質(zhì)量、密度等物理量即可得出被測(cè)樣品的諸多內(nèi)稟磁特性。如能知道樣品的退磁因子n,則非但可由上述實(shí)測(cè)曲線求出物質(zhì)（材料）的磁感b和內(nèi)磁化場(chǎng)hi的技術(shù)磁滯（磁化）曲線，而且可由此求出諸多技術(shù)磁參數(shù)如br、hc、（bh） max等。為簡(jiǎn)單起

11、見(jiàn)，我們?nèi)∫粋€(gè)直角坐標(biāo)系，如圖3所示。并假定樣品 s位于原點(diǎn)且沿z向作簡(jiǎn)諧振動(dòng), a=ao cosd, ao為振幅、為振動(dòng)頻率。磁化場(chǎng)h沿x向施加，并假設(shè)在距s為r遠(yuǎn)處放置一個(gè)圈數(shù)為n其軸為z向的檢測(cè)線圈，其第 n圈的截面積為sn（注意：snwsm、即任意兩圈的截面積是不等的 ）。如果樣品s的幾何尺度較r而言非常之小，即從檢測(cè)線圈所在的空間看樣品s,可將其視為磁偶極子，此時(shí)，據(jù)偶極場(chǎng)公式:j 3(r j)r5r r并注意到矢量j僅有x分量，可得到穿過(guò)面積元 dsn的磁通量為d n = %hz(rn)dsn = 3 0jx5zn dsn(2)4 二 rn其中：與為真空導(dǎo)磁率，j=mv是樣品總磁矩

12、m和v分別為樣品的磁化強(qiáng)度和體積）。因此，第內(nèi)總的磁通量（f）n為n = d sn3,0jxnzn5 dsnsn4 二 %而整個(gè)線圈的總磁通量即為3joj；=4 二 ixnyn .5-dsn sn rn其中xn和zn為線圈第n圈的坐標(biāo)?，F(xiàn)作一個(gè)變換，令樣品不動(dòng)而線圈以z(t)=z(0)+acos切t振動(dòng)。亦即zn(t)=z n(0)+a 0cosco t為第n圈坐標(biāo)與時(shí)間關(guān)系。據(jù)電磁感應(yīng)定律，考慮到 x、y均不為時(shí)間t的函數(shù)，故r中僅考慮z向的時(shí)間變化關(guān)系， 因此可得 在整個(gè)檢測(cè)線圈內(nèi)的感應(yīng)電壓e為：小 池：3%：z2)” :e(t)= =-z -_dsn aj sintdt 兀 1，rn7(

13、5)=ka j sin t = kj sin t設(shè)：樣品的振幅和振動(dòng)頻率均固定不變。由上式可發(fā)現(xiàn)：線圈中的電壓，不可能計(jì)算得到；其電壓大小與被測(cè)樣品的總磁矩j,振動(dòng)幅度a及振動(dòng)頻率3成正比。在實(shí)驗(yàn)上，我們不需要去計(jì)算k值，而是采取“替換法”，從實(shí)驗(yàn)上求出 k值，之后利用求得的 k值反過(guò)來(lái)計(jì)算出被測(cè)樣品的磁矩，這就叫“定標(biāo)”。實(shí)際上用一個(gè)已知磁矩為jo的標(biāo)準(zhǔn)樣品取代被測(cè)樣品，在與被測(cè)樣品相同測(cè)試條件下測(cè)得此時(shí)電壓幅值為vo=kjo,則1/k=jo/vo即可得到，如被測(cè)樣品的相應(yīng)電壓幅值為 v,則被測(cè)樣品的總磁矩即為j=1/k?v= v j0/v0 o如：已知ni標(biāo)樣的質(zhì)量磁矩為 仃0 ,質(zhì)量為m

14、0,其j0 =o0m0。用ni標(biāo)樣取代被測(cè)樣品，在完全相同的條件下加磁場(chǎng)使ni飽和磁化后測(cè)得y軸偏轉(zhuǎn)為v0,則單位偏轉(zhuǎn)所對(duì)應(yīng)的磁矩?cái)?shù)應(yīng)為k =o0m0/v0,再由樣品的j-h回線上測(cè)得樣品某磁場(chǎng)下的y軸高度vh ,則被測(cè)樣品在該磁場(chǎng)下的磁化強(qiáng)度m h = kvh /v = 0m0 p vh ,或被測(cè)v0 mk vyhyh m0樣品的質(zhì)量磁化強(qiáng)度 仃h = 丁 一 。，p為樣品密度， m為樣品質(zhì)量。這樣，我my0m們既可根據(jù)實(shí)測(cè)的 j-h回線推算出被測(cè)樣品材料的m-h回線。3.振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)的系統(tǒng)組成本實(shí)驗(yàn)儀器是由南京大學(xué)儀器廠生產(chǎn)的振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)，其中l(wèi)h-3型vsm的磁場(chǎng)線圈由掃描電源激磁，

15、可產(chǎn)生hmax= 400oe的磁化場(chǎng)，其掃描速度和幅度均可自由調(diào)節(jié)。磁化場(chǎng)的大小和方向是用激 磁電流取樣值加以標(biāo)度，以保證磁場(chǎng)測(cè)量更準(zhǔn)確。掃描電流輸出的激磁電流，其大小、方向等均由相關(guān) 電壓控制，無(wú)任何機(jī)械部件，故可實(shí)現(xiàn)磁化場(chǎng)的平滑過(guò)零功能。檢測(cè)線圈采用全封閉型四線圈無(wú)凈差式，具有較強(qiáng)的抑制噪音能力和大的有效輸出信號(hào)，保證了整機(jī)的高分辨性能。 在配備進(jìn)口 lock-in的情況下,經(jīng)統(tǒng)調(diào)后此種lh-3型vsm的最高靈敏度，在檢測(cè)線圈間距為20mm的情況下，可達(dá)34 x 10-5emu。hh-15型vsm是電磁鐵型vsm,其磁場(chǎng)是由電磁鐵提供，激磁電源較lh-3型更復(fù)雜，且與相應(yīng)電磁鐵的額定功率相

16、配合，電磁鐵的最高磁場(chǎng)hmax可達(dá)1.5t。此時(shí)的磁場(chǎng)將由高斯計(jì)直接測(cè)量。在檢測(cè)線圈間距為2530mm的情況下，最高靈敏度不低于10-5emu量級(jí)。hh-15型vsm還配備了變溫測(cè)量附件，變溫范圍低溫可致液氮溫度，高溫可到500。兩種型號(hào)的 vsm 的振動(dòng)頭均具有雙級(jí)減振結(jié)構(gòu)，可有效阻斷振子與外界的振動(dòng)偶聯(lián)；用低頻信號(hào)振蕩器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，使其振幅可達(dá)2mm左右。具有三維調(diào)節(jié)功能，可準(zhǔn)確地將樣品調(diào)整到檢測(cè)線圈鞍部區(qū)。lh-3型vsm適用于低飽和場(chǎng)、低hc磁性的軟磁薄膜材料磁性能測(cè)量及研究，尤其是其不存在電磁鐵類的鐵芯剩磁效應(yīng)而可以準(zhǔn)確定出 h=0 的點(diǎn)，使其特別實(shí)用于鐵磁/反鐵磁界面的磁性釘扎效應(yīng)研

17、究，諸如釘扎型自旋閥薄膜、 釘扎型磁性隧道結(jié)結(jié)構(gòu)的薄膜、 各向異性磁電阻（ amr ） 效應(yīng)的玻莫合金磁性膜等。 由于此設(shè)備中的檢測(cè)線圈可以在不用時(shí)任意抬起而使其不占有效磁場(chǎng)的空間，從而可充分利用該設(shè)備的磁場(chǎng)做諸如各向異性磁電阻（ amr ）、巨磁電阻（ gmr ）、隧道磁電阻（ tmr ）等磁電阻特性 測(cè)量。三、實(shí)驗(yàn)步驟及實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、 vsm 測(cè)試樣品的制備塊材 ：對(duì)強(qiáng)磁性材料，用適當(dāng)方式從大塊材料上取出約數(shù)毫克的小塊（但忌用鐵質(zhì)工具獲取，以免樣品受到強(qiáng)磁性污染） ，其大小以能放入樣品夾持器內(nèi)為準(zhǔn)。粉料 ：對(duì)強(qiáng)磁性材料如鐵氧體的各燒結(jié)過(guò)程前的粉料，用精密天平稱出約數(shù)毫克（磁矩小的可適當(dāng)多稱出

18、一些） 。 用軟紙緊密包裹成小球狀 （如： 用 1/4 張擦鏡紙折疊后放入天平中稱出其質(zhì)量， 再用勺取粉料小心置于上述紙的折角處-該種紙因有較大較多孔，故需折成雙層，讀出總的質(zhì)量數(shù)，則樣品的單一質(zhì)量即為前后稱量之差） 。注意：包裹時(shí)，務(wù)必是粉料盡量集中在一小區(qū)間。薄膜材料：由于薄膜均附著在襯底如玻璃，硅片等上面，故對(duì)鐵磁性薄膜必須用玻璃刀裁下（2x5）mm2 大小的樣品，用干凈紙包一下以資保護(hù)（為計(jì)算其磁矩，必須預(yù)知其厚度，面積之測(cè)量應(yīng)采用投影放大的辦法以減少誤差，從厚度和面積即可求得樣品的體積）液體材料 ：將鐵磁性液樣注入柱形孔內(nèi)并密封。注意：密封后，液體不能在其所在空間活動(dòng)。液樣注入前后的

19、質(zhì)量差，即為被測(cè)材料的質(zhì)量。非強(qiáng)磁性材料：必須用較大體積（質(zhì)量）的樣品及強(qiáng)磁場(chǎng)，以獲得較大的電信號(hào)。（j=mxv=xhv, j大時(shí)信號(hào)才大，故在x很小時(shí)，即可盡量用大體積 v的樣品及強(qiáng)磁場(chǎng)h）。特別提示：i 樣品桿必須保持清潔，特別是不能有強(qiáng)磁性污染，否則將導(dǎo)致嚴(yán)重誤差（為確保此點(diǎn)，可在測(cè)量前，樣品桿上不放任何材料，對(duì)空桿進(jìn)行測(cè)量，此時(shí)測(cè)得的應(yīng)為一直線。注：不一定是水平直線。 ）ii 對(duì)強(qiáng)磁性粉料進(jìn)行測(cè)量時(shí)，由于粉料顆粒中不可避免地存在超順磁性成份，以及磁性顆粒的磁各向異性雜亂分布，導(dǎo)致即使在強(qiáng)磁場(chǎng)下都達(dá)不到“飽和”狀態(tài)，即隨著磁場(chǎng)的不斷增強(qiáng)，表示磁矩的y軸也在不斷增加。故而計(jì)算粉料的飽和磁矩

20、時(shí)將遇到困難。此時(shí)可采取兩種方案：所有被測(cè)樣品都 取固定統(tǒng)一磁場(chǎng)下的值，以做相互比較。將磁滯回線的線性部分延長(zhǎng)，其與丫軸交點(diǎn)作為該樣品的飽和磁矩。2、開(kāi)關(guān)機(jī)開(kāi)機(jī)前應(yīng)仔細(xì)檢查設(shè)備是否完好、線路連接是否正確，儀表的各個(gè)開(kāi)關(guān)旋鈕位置、儀表顯示是否正確。掃描電源（功能轉(zhuǎn)換旋鈕處于自動(dòng)檔、電流表電壓表數(shù)值顯示為零、手動(dòng)調(diào)節(jié)旋鈕的指針指示軸刻度盤(pán)中數(shù)字5 左右） ，信號(hào)發(fā)生器的功率輸出顯示為零。打開(kāi)各單元電源開(kāi)關(guān)，預(yù)熱二十分鐘左右再開(kāi)始正式實(shí)驗(yàn)。關(guān)停機(jī)時(shí)掃描電源必須嚴(yán)格按使用要求和程序關(guān)停機(jī)；必須軸振蕩器無(wú)功率輸出， 即振動(dòng)停止時(shí)關(guān)此驅(qū)動(dòng)單元；其它單元停機(jī)時(shí)無(wú)特殊要求。特別注意！ ！ ！任何時(shí)間使用掃描電

21、源上的任何一個(gè)旋鈕或開(kāi)關(guān)， 必須是軸掃描電源處于停機(jī)狀態(tài)時(shí)， 才能轉(zhuǎn)換操作使用。禁止快速操作各旋鈕。特別是涉及掃描速度、掃描幅度的相關(guān)旋鈕，否則，容易造成嚴(yán)重的故 障。2、 vsm 系統(tǒng)連接和調(diào)試i 、 檢測(cè)線圈的安裝調(diào)整：對(duì) hh-15 型 vsm ：將檢測(cè)線圈可靠地固定軸電磁鐵極頭的兩端（由旋轉(zhuǎn)附軸檢測(cè)線圈骨架上的兩個(gè)螺柱來(lái)完成） ，并使檢測(cè)線圈內(nèi)的長(zhǎng)直線垂直于水平面。對(duì) lh-13 型 vsm ：將彎頭支架固定軸 vsm 底座的相應(yīng)位置即可。檢測(cè)線圈上的信號(hào)線連接于鎖相放大器的信號(hào)輸入端。ii 、振動(dòng)頭及振動(dòng)桿的安裝調(diào)整：將振動(dòng)頭的支撐固定支架安裝于電磁鐵上；減震隔離支架安裝于支撐固定支

22、架上；振動(dòng)頭安裝于減震隔離支架上。將所有固定螺絲勻稱地?cái)Q緊。打開(kāi)振動(dòng)頭腔體，取出包裝用支撐泡沫，分別調(diào)整減震簧片，使得樣品桿垂直于水平面；且軸旋轉(zhuǎn)振動(dòng)頭的同時(shí)，隨之旋轉(zhuǎn)的樣品桿端應(yīng)沒(méi)有水平方向的位移現(xiàn)象。振動(dòng)頭底部的兩對(duì)鎖緊螺絲：前后鎖緊螺絲調(diào)節(jié)x 方向，左右鎖緊螺絲調(diào)節(jié)y 方向；轉(zhuǎn)動(dòng)底部圓盤(pán)調(diào)節(jié) z 方向。通過(guò)調(diào)節(jié)振動(dòng)頭的 x 、 y 、 z 方向和觀察磁矩大小發(fā)現(xiàn)vsm 的鞍部區(qū)（即樣品測(cè)量點(diǎn)） 。使樣品測(cè) 量點(diǎn)盡量位于鞍部區(qū)中央（鞍部區(qū)測(cè)量方法見(jiàn)后）振動(dòng)頭上的航空接頭連接于信號(hào)發(fā)生器的功率輸出端。iii 、 特斯拉計(jì)探頭的安裝調(diào)整：先將特斯拉計(jì)探頭遠(yuǎn)離磁場(chǎng)調(diào)零，將特斯拉計(jì)探頭支架固定于電

23、磁鐵的激磁線圈之間， 并使探頭靠近檢測(cè)線圈；調(diào)整探頭平面，盡量使得探頭平面垂直于電磁鐵的磁場(chǎng)。特斯拉計(jì)探頭由導(dǎo)線連接于特斯 拉計(jì)的磁場(chǎng)信號(hào)輸入端。iv 、 各個(gè)設(shè)備單元的連接：檢測(cè)線圈連接于鎖相放大器的信號(hào)輸入端；振動(dòng)驅(qū)動(dòng)線連接于振動(dòng)頭和信號(hào)發(fā)生器的功率輸出端；特斯拉計(jì)探頭連接于特斯拉計(jì)的磁場(chǎng)信號(hào)輸入端；特斯拉計(jì)的磁場(chǎng)信號(hào)輸出端連接于x-y 記錄儀 x 軸；鎖相放大器的信號(hào)輸出（vx或vy）連接于x-y記錄儀y軸；x-y 記錄儀的數(shù)據(jù)輸出連接于電腦串口；信號(hào)發(fā)生器的電壓輸出（同步頻率）連接于鎖相放大器的參考頻率； （注意：如使用內(nèi)參考， 則不需要連接）保證各個(gè)儀器有可靠的接地。3、 vsm 系

24、統(tǒng)的定標(biāo)和測(cè)量i 、 數(shù)據(jù)的定標(biāo)：對(duì)于 hh 型 vsm ， x 軸的參數(shù)可以是磁場(chǎng)、溫度等。其x 軸定標(biāo)方法為：將掃描電源上的功能轉(zhuǎn)換旋鈕（自動(dòng)、手動(dòng)、機(jī)控）調(diào)至手動(dòng)檔。調(diào)節(jié)掃描電源上的手動(dòng)旋鈕（ +、 5、 - ） ，給電磁鐵加上一恒定電流，使電磁鐵產(chǎn)生一個(gè)恒定磁場(chǎng)。 （掃描電源的使用詳見(jiàn)其說(shuō)明書(shū)）在電腦上調(diào)節(jié) x-y記錄儀的量程至適當(dāng)位置，查看 x-y記錄儀測(cè)量的磁場(chǎng)相對(duì)電壓數(shù)據(jù)vi,與特斯拉計(jì)顯示的磁場(chǎng)數(shù)據(jù) hi進(jìn)行對(duì)比af算：hi + vi =k得出轉(zhuǎn)換系數(shù) ki,單位：oe /mv。重復(fù)上述過(guò)程：hn + vn = kn,可得到數(shù)據(jù)：ki, k2, k3, kn。（ki+ k2+

25、k3+, + kn） +n=k ,得 出轉(zhuǎn)換系數(shù)k,單位：oe / mv。將k值輸入到電腦記錄上顯示的 x軸的轉(zhuǎn)換框內(nèi)，單位為 oe。再調(diào)節(jié) 掃描電源上的手動(dòng)掃描旋扭，使電流電壓表的讀數(shù)為零。 x 軸定標(biāo)完成。對(duì)于其它的參數(shù)（如溫度）也參照此法定標(biāo)。對(duì)lh-i3型vsm ,轉(zhuǎn)換系數(shù)k=0.8 （oe / mv）。將k值輸入到電腦記錄上顯示的x軸的轉(zhuǎn)換框內(nèi)，單位為 oe。y 軸的定標(biāo)： y 軸的參數(shù)一般是磁矩。將標(biāo)準(zhǔn)樣品固定于樣品桿底部的中間位置，并將樣品連接在振動(dòng)桿上， 將振動(dòng)桿安裝固定于振動(dòng)頭 上。將掃描電源上的功能轉(zhuǎn)換旋鈕（自動(dòng)、手動(dòng)、機(jī)控）調(diào)至手動(dòng)檔。調(diào)節(jié)掃描電源上的手動(dòng)（ + 、 5、

26、-）旋鈕，給電磁鐵加上一恒定電流，使電磁鐵產(chǎn)生一個(gè)恒定磁場(chǎng)。產(chǎn)生的磁場(chǎng)必須能使標(biāo)準(zhǔn)樣品飽和 磁化。在電腦上調(diào)節(jié) x-y 記錄儀的量程至適當(dāng)位置。 調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器功率輸出旋鈕， 使功率輸出為一恒定 值，此時(shí)，振動(dòng)桿被驅(qū)動(dòng)，開(kāi)始振動(dòng)。鎖相放大器的信號(hào)發(fā)生器輸出調(diào)零：調(diào)節(jié)鎖相放大器的設(shè)置按鈕至輸出的短路位置，分別調(diào)節(jié)vx，vy鈕使其數(shù)值為最小值，調(diào)零完成。調(diào)節(jié)鎖相放大器的設(shè)置按鈕至輸出的輸出位置，準(zhǔn)備測(cè)量定標(biāo)。 （鎖相放大器的使用詳見(jiàn)其使用說(shuō) 明書(shū)）相位的確定：調(diào)節(jié)鎖相放大器的相位旋鈕，使vx 或 vy 的值為最大值，即檢測(cè)樣品具有的輸出信號(hào)為最大值。此時(shí)，被測(cè)信號(hào)與參考信號(hào)同相位，相位調(diào)節(jié)完成。v

27、sm 的鞍部區(qū)的確定： 調(diào)節(jié)鎖相放大器的量程至適當(dāng)位置， 分別調(diào)節(jié)振動(dòng)頭的 x ， y ， z 三個(gè)方向，找出 x ， z 二個(gè)方向上具有最大輸出信號(hào)的位置（即在x-y 記錄儀上縱坐標(biāo)的值為最大） ；找出 y 方向上具有最小輸出信號(hào)的位置（即在 x-y 記錄儀上縱坐標(biāo)的值為最?。?；這樣確定好vsm 的鞍部區(qū)（即樣品的測(cè)量點(diǎn)） 。此時(shí)緩慢平穩(wěn)地調(diào)節(jié)掃描電源上的手動(dòng)旋扭（ +、 5 、 -） ，使得標(biāo)準(zhǔn)樣品被電磁鐵的磁場(chǎng)磁化飽和，并在 x-y 記錄儀的一、 三象限上記錄出樣品的飽和回線。 取一、 三象限上回線的水平線分別對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)數(shù)值為vi、v2,單位為：mv, vi,v2均取絕對(duì)值。我們定

28、義j為磁矩符號(hào)，則（vi+ v2） + 2 = v（mv）。標(biāo)準(zhǔn)樣品的磁矩為j。，j。+ v =k （emu/ mv）。將k值輸入x-y記錄儀上的y軸的轉(zhuǎn)換框內(nèi)，單位為（emu / mv）。由于j。的量級(jí)為104或105,非常小。所以，我們?cè)?y軸的轉(zhuǎn)換框內(nèi)輸入有 數(shù)值的數(shù)，量級(jí)放在單位框內(nèi)。例：得出 j=0.000087895243emu,那么，輸入 y軸的轉(zhuǎn)換框內(nèi)的數(shù)值 = （8.79）,單位框內(nèi)=（e-5 emu）。這樣，在圖紙打印時(shí)，數(shù)據(jù)能夠正確的表示。再調(diào)節(jié)掃描電源上的手 動(dòng)掃描旋扭，使電流電壓表的讀數(shù)為零；關(guān)閉信號(hào)發(fā)生器功率輸出；使設(shè)備處于備用狀態(tài)。這樣， y 軸 定標(biāo)完成。ii

29、、樣品的測(cè)量將掃描電源的波段旋鈕調(diào)至自動(dòng)掃描， 按下掃描電源的開(kāi)關(guān)， 根據(jù)需要， 調(diào)節(jié)掃描電源的掃描幅度，掃描速度（詳見(jiàn)掃描電源使用說(shuō)明書(shū)） 。開(kāi)啟電腦上的 x y 記錄儀程序，使用常規(guī)方式。調(diào)節(jié)其量程到適當(dāng)位置。將樣品仔細(xì)放入樣品夾 中，將樣品桿放入振動(dòng)頭內(nèi)，對(duì)準(zhǔn)位置，鎖緊壓緊螺母。開(kāi)啟信號(hào)發(fā)生器功率輸出，使振動(dòng)頭開(kāi)始振動(dòng)。使 x y 記錄儀開(kāi)始工作。開(kāi)啟鎖相放大器，當(dāng)鎖相放大器的參考頻率等于信號(hào)發(fā)生器的輸出頻率時(shí)， 按下掃描電源的掃描開(kāi) 關(guān)（黃色按鈕） ，此時(shí)，面板上紅燈點(diǎn)亮，測(cè)量開(kāi)始。磁滯回線測(cè)量完畢后，停止x y 記錄儀。停止信號(hào)發(fā)生器功率輸出。在掃描電流為零時(shí)，按下掃描電源的掃描開(kāi)關(guān)

30、（黃色按鈕） ，此時(shí)，面板上紅燈熄滅，掃描停止。松開(kāi)振動(dòng)頭頂端的振動(dòng)桿緊固螺母，拉出振動(dòng)桿到合適位置，用夾子夾住，取出樣品。一個(gè)樣品測(cè)量結(jié)束。下一個(gè)樣品測(cè)量重復(fù)上述過(guò)程。注意：上述為被測(cè)樣品和定標(biāo)的標(biāo)樣是在相同條件下進(jìn)行測(cè)量時(shí)的情況。如測(cè)量時(shí)，鎖相放大器的量程不同，則需考慮鎖相放大器放大倍數(shù)的轉(zhuǎn)換問(wèn)題。對(duì)非規(guī)則塊料，其磁滯回線形狀將與樣品安裝的方位有關(guān)，這是正?，F(xiàn)象，因?yàn)?vsm測(cè)的為磁矩與外加磁化場(chǎng)之關(guān)系，并非內(nèi)場(chǎng)與磁矩的關(guān)系，而由于非規(guī)則的樣品，其各方向的退磁因子不等，故必然導(dǎo)致不同方向上的回線多少都有些差異；此時(shí)測(cè)得的回線并非樣品的內(nèi)稟特性，而是樣品的磁矩與外磁化場(chǎng)的函數(shù)關(guān)系；只有將此處

31、的外磁場(chǎng)轉(zhuǎn)化成內(nèi)場(chǎng)后，重新將磁矩與相應(yīng)內(nèi)場(chǎng)的關(guān)系求出，才可得到被測(cè)樣品的內(nèi)稟特性與磁化場(chǎng)的函數(shù)關(guān)系。4、測(cè)量數(shù)據(jù)處理與分析將測(cè)量得到的數(shù)據(jù)用origin軟件作圖，并由曲線計(jì)算出每個(gè)樣品的飽和磁化強(qiáng)度ms,剩余磁化強(qiáng)度m r 和矯頑力h c。5、消除退磁場(chǎng)的修正（選做）所謂 “退磁場(chǎng) ” ，即當(dāng)樣品被磁化后，其m 將在樣品兩端產(chǎn)生 “磁荷” ，此“磁荷對(duì) ”將產(chǎn)生于磁化場(chǎng)方向相反的磁場(chǎng)，從而減弱了外加磁化場(chǎng)h 的磁化作用，故稱為退磁場(chǎng)?？蓪⑼舜艌?chǎng)表示為 hd =-nm ，n 稱為 “退磁因子” ，取決于樣品的形狀，一般來(lái)說(shuō)非常復(fù)雜，甚至其為張量形式，只有旋轉(zhuǎn)橢球體，方能計(jì)算出三個(gè)方向的具體數(shù)值。

32、磁性測(cè)量中，通常樣品均制成旋轉(zhuǎn)橢球體的幾種退化型：圓球形，細(xì)線形，薄膜形，此時(shí)，這些樣品的特定方向的 n 是定值，如球形時(shí)1/3，沿細(xì)線的軸線n=0 ，沿膜面 n=0等。（參見(jiàn)附錄）當(dāng)知道樣品的體積 v或其質(zhì)量m時(shí)，則可求得該樣品的磁化強(qiáng)度m=j/v或質(zhì)量磁化強(qiáng)度b=j/m。如能預(yù)知樣品在磁化場(chǎng)h方向的退磁因子 n,從而可求出樣品的內(nèi)磁化場(chǎng)hi=h-nm時(shí)，將m（b）h一一對(duì)應(yīng)關(guān)系做成曲線。就可得到修正后的被測(cè)樣品的磁化曲線或磁滯回線mh或bh。四、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求1. 實(shí)驗(yàn)?zāi)康囊?. 實(shí)驗(yàn)原理、儀器結(jié)構(gòu)3. 主要實(shí)驗(yàn)步驟4. 測(cè)試結(jié)果曲線及分析結(jié)果5. 回答思考題- 13 -五、思考題1. 本

33、實(shí)驗(yàn)中參考信號(hào)是怎樣產(chǎn)生的，其作用是什么？2. 簡(jiǎn)述振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)的特點(diǎn)及用途。3. 簡(jiǎn)述 vsm 的鞍部區(qū)的確定方法以及樣品在 x 、 y 、 z 方向上有偏差是對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。附錄：磁學(xué)基本知識(shí)磁性是一切物質(zhì)的基本屬性，它存在的范圍很廣，從微觀粒子到宏觀物體以至宇宙間的天體都存在 著磁的現(xiàn)象，磁性不只是一個(gè)宏觀的物理量，而且與物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，它不僅取決于物質(zhì)的原 子結(jié)構(gòu)，還取決于原子間的相互作用、晶體結(jié)構(gòu)。因此，研究磁性是研究物質(zhì)內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的重要方法 之一。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和工業(yè)的發(fā)展，磁性材料的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，特別是電子技術(shù)的發(fā)展，對(duì)磁性 材料提出了新的要求。因此，研究有關(guān)磁

34、性的理論，研制新型磁性材料也是材料科學(xué)的一個(gè)重要方向。1、磁化現(xiàn)象和磁性的基本量任何物質(zhì)處于磁場(chǎng)中，均會(huì)使其所占有的空間的磁場(chǎng)發(fā)生變化，這是由于磁場(chǎng)的作用使物質(zhì)表現(xiàn)出 一定的磁性，這種現(xiàn)象稱為磁化。通常把能磁化的物質(zhì)稱為磁介質(zhì)。實(shí)際上包括空氣在內(nèi)所有的物質(zhì)都 能被磁化，因此從廣義上講都屬磁介質(zhì)。當(dāng)磁介質(zhì)在磁場(chǎng)強(qiáng)度為 h 0的外加磁場(chǎng)中被磁化時(shí)， 會(huì)使它所在空間的磁場(chǎng)發(fā)生變化，即產(chǎn)生一個(gè)附加磁場(chǎng)h,這時(shí)，其所處的總磁場(chǎng)強(qiáng)度 h總為兩部分的矢量和，即hwh0+h磁場(chǎng)強(qiáng)度白單位是 a/m（安/米）。通常，在無(wú)外加磁場(chǎng)時(shí)，材料中原子固有磁矩（關(guān)于原子固有磁矩的產(chǎn)生將在下一節(jié)討論）的矢量總和為零，宏觀上

35、材料不呈現(xiàn)出磁性。但在外加磁場(chǎng)作用下，便會(huì)表現(xiàn)出一定的磁性。實(shí)際上，磁化并未 改變材料中原子固有磁矩的大小，只是改變了它們的取向。因此，材料磁化的程度可用所有原子固有磁 矩矢量pm的總和散pm來(lái)表示。由于材料的總磁矩和尺寸因素有關(guān)，為了便于比較材料磁化的強(qiáng)弱程度， 一般用單位體積的磁矩大小來(lái)表示。單位體積的磁矩稱為磁化強(qiáng)度，用m表示，其單位為a/m ,它等于ra p pmm = （2）v式中，v為物體的體積（m3）。磁化弓ii度m即前面所述的附加磁場(chǎng)強(qiáng)度h,磁化強(qiáng)度不僅與外加磁場(chǎng)強(qiáng)度有關(guān)，還與物質(zhì)本身的磁化特性有關(guān)，即式中，為單位體積磁化率，量綱為 1,其值可正、可負(fù)，它表征物質(zhì)本身的磁化特性

36、。在理論研究中常 采用摩爾磁化率 通=v（v為摩爾原子體積），有時(shí)采通過(guò)垂直于磁場(chǎng)方向單位面積的磁力線數(shù)稱為磁感應(yīng) 強(qiáng)度，用b表示，其單位為t（特斯拉），它與磁場(chǎng)強(qiáng)度h的關(guān)系是b = j0（h m ）式中，電為真空磁導(dǎo)率，它等于 4兀10-7,其單位為h/m （享/米）。將式（3）代人式（4）可得b =0（1，）h =0.lrh =h（5）式中，華為相對(duì)磁導(dǎo)率；效磁導(dǎo)率（亦稱導(dǎo)磁系數(shù)）,單位與 槍相同，它反映了磁感應(yīng)強(qiáng)度 b隨外磁場(chǎng)h變化的速率。工程技術(shù)上常用磁導(dǎo)率床表示材料磁化難易程度，而科學(xué)研究上則通常使用磁化率*將磁矩p放人磁感應(yīng)強(qiáng)度為b的磁場(chǎng)中，它將受到磁場(chǎng)力的作用而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，其所受力

37、矩為l = p b（6）此轉(zhuǎn)矩力圖使磁矩p處于勢(shì)能最低的方向。磁矩與外加磁場(chǎng)的作用能稱為靜磁能。處于磁場(chǎng)中某方向的 磁矩，所具有的靜磁能為e - - p b（7）在討論材料的磁化過(guò)程和微觀磁結(jié)構(gòu)時(shí)，經(jīng)常要考慮磁體中存在的幾種物理作用及其所對(duì)應(yīng)的能量，其中包括靜磁能。通常關(guān)心的不是總的靜磁能而是單位體積中的靜磁能，即靜磁能密度eheh = -m b = -jmh cosu（8）式中，。為磁化強(qiáng)度m與磁場(chǎng)強(qiáng)度h的夾角。通常靜磁能密度 eh在習(xí)慣上簡(jiǎn)稱為靜磁能。2、物質(zhì)磁性的分類根據(jù)物質(zhì)磁化率的符號(hào)和大小，可以把物質(zhì)的磁性大致分為五類。按各類磁體磁化強(qiáng)度m與磁場(chǎng)強(qiáng)度h的關(guān)系，可作出其磁化曲線。圖1為

38、五類磁體的磁化曲線示意圖。亞鐵磁體圖1五類磁體的磁化曲線示意圖(1)抗磁體 磁化率 為很小的負(fù)數(shù)，其絕對(duì)值大約在10-6數(shù)量級(jí)。它們?cè)诖艌?chǎng)中受微弱斥力。金屬中約有一半簡(jiǎn)單金屬是抗磁體。根據(jù) 點(diǎn)溫度的關(guān)系，抗磁體又可分為：經(jīng)典抗磁體，它的 訴隨溫度變化，如銅、銀、金、汞、鋅等 ；反?？勾朋w，它的 腿溫度變化，且其大小是前者的10-100倍，如秘、錢(qián)、睇、錫、錮等。(2)順磁體 磁化率 小;正值，約為10-3-10-6。它在磁場(chǎng)中受微弱吸力。根據(jù) 點(diǎn)溫度的關(guān)系可分為： 正常順磁體，其 點(diǎn)溫度成反比關(guān)系，金屬鉗、鋁、奧氏體不銹鋼、稀土金屬等屬于此類。歷溫度無(wú)關(guān)的順磁體，例如鋰、鈉、鉀、鋤等金屬。(3

39、)鐵磁體 在較弱的磁場(chǎng)作用下，就能產(chǎn)生很大的磁化強(qiáng)度。誕很大的正數(shù)，且 m或b與外磁場(chǎng)強(qiáng)度h呈非線性關(guān)系變化，如鐵、鉆、饃等。鐵磁體在溫度高于某臨界溫度后變成順磁體。此臨界溫度 稱為居里溫度或居里點(diǎn)，常用 tc表示。(4)亞鐵磁體 這類磁體類似于鐵磁體，但)值沒(méi)有鐵磁體那樣大， 如磁鐵礦(fe3o4)、鐵氧體等屬于亞鐵磁體。(5)反鐵磁體是小的正數(shù)，在溫度低于某溫度時(shí)，它的磁化率隨溫度升高而增大，高于這個(gè)溫度，其行為像順磁體，如氧化銀、氧化鎰等。3、磁化曲線和磁滯回線如前所述，鐵磁體具有很高的磁化率，即在不很強(qiáng)的磁場(chǎng)作用下，就可得到很大的磁化強(qiáng)度，其磁 化曲線(m-h或b-h)是非線性的。鐵磁

40、性材料的磁學(xué)特性與順磁性、抗磁性物質(zhì)不同之處主要表現(xiàn)在磁 化曲線和磁滯回線上。如圖2a中b-h曲線所示，隨磁化場(chǎng)的增加，磁感應(yīng)強(qiáng)度b開(kāi)始時(shí)增加較緩慢， 然后迅速地增加，再緩-15 -慢地增加，最后當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到hs時(shí)，磁化至飽和。此時(shí)的磁化強(qiáng)度稱為飽和磁化強(qiáng)度ms,對(duì)應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度稱為飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度 bs。磁化至飽和后，磁化強(qiáng)度不再隨外磁場(chǎng)的增加而增加。由于b=0（h+m）,故當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度大于hs時(shí)，b受h的影響仍將繼續(xù)增大。所有鐵磁性物質(zhì)從退磁狀態(tài)開(kāi)始的基本磁化曲線 都有如圖2a的形式。它們之間的區(qū)別只在于開(kāi)始階段區(qū)間的大小、飽和磁化強(qiáng)度ms的大小和上升陡度的大小。這種從退磁狀態(tài)直到飽和前的磁

41、化過(guò)程稱為技術(shù)磁化。從磁化曲線b-h上各點(diǎn)與坐標(biāo)原點(diǎn)連線的斜率可得到各點(diǎn)的磁導(dǎo)率片的因此可以建立 的h曲線，如圖2a中的虛線所示。當(dāng)h=0時(shí)，=lim ab/a h稱為起始磁導(dǎo)率，在 佑h曲線上存在的極大值 印，稱為最 大磁導(dǎo)率。實(shí)驗(yàn)表明，鐵磁材料從退磁狀態(tài)被磁化到飽和的技術(shù)磁化過(guò)程中存在著不可逆過(guò)程，即從飽和磁化狀態(tài)b點(diǎn)降低磁場(chǎng)h時(shí)（見(jiàn)圖2b）,磁感應(yīng)強(qiáng)度b將不沿著原磁化曲線下降而是沿 bc緩慢下降，這種現(xiàn)象稱 為磁?t。當(dāng)外磁場(chǎng)降為0時(shí)，得到不為零的磁感應(yīng)強(qiáng)度br,稱為剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度。要將 b減小到零，必須加一反向磁場(chǎng)-he該反向磁場(chǎng)值稱為矯頑力。通常把曲線bc段稱為退磁曲線。進(jìn)一步增大反

42、向磁場(chǎng)到-hs,磁化強(qiáng)度將達(dá)到-bs。繼續(xù)增加磁場(chǎng)h,b將沿efgb變化為+b s,得到一個(gè)閉合曲線bcdefgb,稱為 磁滯回線。磁滯現(xiàn)象表明，技術(shù)磁化過(guò)程和材料中的不可逆變化有重要的聯(lián)系。圖2鐵的磁化曲線和磁滯回線a）鐵的磁化曲線 b）鐵的磁滯回線如果磁滯回線的起點(diǎn)不是圖 2b中磁飽和狀態(tài)b點(diǎn)，而是從某一小于 hm的狀態(tài)開(kāi)始變化一周，則磁滯 回線變得將扁平些。由此可見(jiàn)，繼續(xù)減小磁場(chǎng)h,則剩磁ms和矯頑力hc均將隨之減小。因此，當(dāng)施加于材料的交變磁場(chǎng)幅值 h 0時(shí)，回線將成為一條趨向坐標(biāo)原點(diǎn)的螺線，直至h降到0時(shí)，m亦降為0,鐵磁體將完全退磁。這就提供了一種有效的技術(shù)退磁方法。磁滯回線所包圍

43、的面積表示磁化一周日所消耗的功，稱為磁滯損耗q其大小為(9)人們通常將矯頑力hc很小而磁化率 /艮大的材料稱為 軟磁材料，而將hc大和/、的材料稱為硬磁（或永磁）材料，某些磁滯回線趨于矩形的材料則稱為矩磁材料?？傊ㄟ^(guò)材料種類和工藝過(guò)程的選擇可以得到性能各異、品種繁多的磁性材料。4、鐵磁體的形狀各向異性和退磁能鐵磁體在磁場(chǎng)中的能量為靜磁能。它包括鐵磁體與外磁場(chǎng)的相互作用能和鐵磁體在自身退磁場(chǎng)中的能量。后一種靜磁能常稱為退磁能。b圖3不同幾何尺寸試樣的磁化曲線1環(huán)狀 2細(xì)長(zhǎng)棒狀3一粗短棒狀鐵磁體的形狀對(duì)磁性有重要影響。非取向的多晶體并不顯示磁的各向異性，把它做成球形則是各向同性的。實(shí)際應(yīng)用的鐵

44、磁體一般都不是球形的，而是棒狀的、片狀的或其他形狀的。若將同一種鐵磁體作成三個(gè)不同形狀的試樣：環(huán)狀、細(xì)長(zhǎng)棒狀和粗短棒狀，并測(cè)量它們的磁化曲線（棒狀試樣在開(kāi)路條件下測(cè)量），將得到三條不重合的磁化曲線，如圖3所示。從圖中看出，不同形狀的試樣磁化行為是不同的，這種現(xiàn)象稱為形狀各向異性。鐵磁體的形狀各向異性是由退磁場(chǎng)引起的。當(dāng)有限尺寸的物體在具有較大磁化強(qiáng)度時(shí)出現(xiàn)磁性的極化。此時(shí)在試樣內(nèi)部和外部存在外加磁場(chǎng)的同時(shí)，還存在由物體界面上的表面磁荷所形成的附加磁場(chǎng)，在試樣內(nèi)部這個(gè)附加磁場(chǎng)與磁化方向相反（或接近相反），它起到退磁的作用，因此稱為退磁場(chǎng)，如圖 4所示。若用he表示外磁場(chǎng)，hd表示表面磁荷產(chǎn)生的退

45、磁場(chǎng)，則作用在試樣內(nèi)部的總磁場(chǎng)h為h =he hd（10）圖4表不表面磁荷廣生的退磁場(chǎng)必須指出的是，一般情況下退磁場(chǎng)往往是不均勻的，它與物體的幾何形狀有密切關(guān)系。由于退磁場(chǎng) 的不均勻?qū)⑹乖瓉?lái)有可能均勻的磁化也會(huì)不均勻。此時(shí)磁化強(qiáng)度與退磁場(chǎng)之間找不到簡(jiǎn)單關(guān)系。當(dāng)物體表面為二次曲面（如回轉(zhuǎn)橢千體表面）且外加磁場(chǎng)均勻時(shí)，退磁場(chǎng) hd與磁化強(qiáng)度m關(guān)系的表達(dá) 式為hd=nm（11）式中，n稱為退磁因子，上式說(shuō)明退磁場(chǎng)與磁化強(qiáng)度成正比，負(fù)號(hào)表示退磁場(chǎng)的方向與磁化強(qiáng)度的方向 相反。退磁因子的大小與鐵磁體的形狀有關(guān)。例如棒狀鐵磁體試樣越短越粗，n越大，退磁場(chǎng)越強(qiáng)，于是試樣需在更強(qiáng)的外磁場(chǎng)作用下才能達(dá)到飽和。表

46、1列出了某些退磁因子值。表1橢球體長(zhǎng)軸上的退磁因子的計(jì)算值與圓柱體實(shí)驗(yàn)值性短軸之比隹橢球（計(jì)算）圓柱體f實(shí)驗(yàn)）0,lo1.016 32330. 272比 17350. 145q. 0558q.領(lǐng)&100. 02030.0172200 006750. 00617500. 001440 001291000. 0()04300. 000362000. 0001250, 0000905000. 0000236。.00001410000. 00000660. 000003620000. 000001.90. 0000009退磁場(chǎng)作用在鐵磁體上的單位體積的退磁能可表示為(12)med = - .0，hdd

47、m =5、技術(shù)磁化技術(shù)磁化是指在外磁場(chǎng)作用下鐵磁體從完全退磁狀態(tài)磁化至飽和狀態(tài)的內(nèi)部變化過(guò)程。技術(shù)磁化過(guò)程實(shí)質(zhì)上是外加磁場(chǎng)對(duì)磁疇的作用過(guò)程，也就是外加磁場(chǎng)把各個(gè)磁疇的磁矩方向轉(zhuǎn)到外磁場(chǎng)方向（或近似外磁場(chǎng)方向）的過(guò)程。技術(shù)磁化是通過(guò)兩種方式進(jìn)行的，一是磁疇壁的遷移，一是磁疇的旋轉(zhuǎn)。磁化 過(guò)程中有時(shí)只有其中一種方式起作用，有時(shí)是兩種方式同時(shí)作用，磁化曲線和磁滯回線是技術(shù)磁化的結(jié)果。圖5技術(shù)磁化過(guò)程的三個(gè)階段鐵磁物質(zhì)的基本磁化曲線可以大體分為三個(gè)階段。圖5表示基本磁化曲線各個(gè)階段磁疇結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。假如材料原始的退磁狀態(tài)為封閉磁疇，在弱磁場(chǎng)的作用下，對(duì)于自發(fā)磁化方向與磁場(chǎng)成銳角的磁疇，由 于靜磁能低的有

48、利地位而發(fā)生擴(kuò)張，而成鈍角的磁疇則縮小。這個(gè)過(guò)程是通過(guò)疇壁的遷移來(lái)完成的，由 于這種疇壁的遷移，材料在宏觀上表現(xiàn)出微弱的磁化，與a點(diǎn)的磁疇結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)。然而疇壁的這微小的遷移是可逆的，如此時(shí)去除外磁場(chǎng)，則磁疇結(jié)構(gòu)和宏觀磁化都將恢復(fù)到原始狀態(tài)。這就是第一階段即疇 疇壁可逆遷移區(qū)。如果此時(shí)從 a狀態(tài)繼續(xù)增強(qiáng)外磁場(chǎng)，疇壁將發(fā)生瞬時(shí)的跳躍。換言之，某些與磁場(chǎng)成 鈍角的磁疇瞬時(shí)轉(zhuǎn)向與磁場(chǎng)成銳角的易磁化方向。由于大量元磁矩瞬時(shí)轉(zhuǎn)向，故表現(xiàn)出強(qiáng)烈的磁化。這個(gè)過(guò)程的壁移是以不可逆的跳躍式進(jìn)行， 稱為巴克豪森效應(yīng)或巴克豪森跳躍， 與圖5中b點(diǎn)磁化狀態(tài)相對(duì) 應(yīng)。假如在該區(qū)域 （如b點(diǎn)）使磁場(chǎng)減弱，則磁狀態(tài)將偏離原先

49、的磁化曲線到達(dá) b點(diǎn)，顯示出不可逆過(guò)程 的特征。這就是第二階段即疇壁不可逆遷移區(qū)。當(dāng)所有的元磁矩都轉(zhuǎn)向與磁場(chǎng)成銳角的易磁化方向后晶體成為單疇。由于易磁化軸通常與外磁場(chǎng)不一致如果再增強(qiáng)磁場(chǎng)，磁矩將逐漸轉(zhuǎn)向外磁場(chǎng)h方向。顯然這一過(guò)程磁場(chǎng)要為增加磁晶各向異性能而做功，因而轉(zhuǎn)動(dòng)很困難，磁化也進(jìn)行得很微弱，這與c至d點(diǎn)的情況相對(duì)應(yīng)，這就是第三階段即磁疇旋轉(zhuǎn)區(qū)。當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到h時(shí)，磁疇的磁化強(qiáng)度矢量與磁場(chǎng)完全一致（或基本上一致），磁化達(dá)到飽和，稱為磁飽和狀態(tài)。這時(shí)的磁化強(qiáng)度等于磁疇的自發(fā)磁化強(qiáng)度ms?？梢?jiàn)，技術(shù)磁化包含著兩種機(jī)制：壁移磁化和疇轉(zhuǎn)磁化。關(guān)于壁移磁化可以用圖 6所示180。壁的遷移來(lái)說(shuō)明。在末

50、加磁場(chǎng) h以前疇壁位于a處，左疇的磁矩向上，右疇的磁矩向下。當(dāng)施加磁場(chǎng)h后，由于左疇的磁矩與 h的夾角為銳角，靜磁能較低，而右疇的靜磁能較高，疇壁從位置右移到b位置。這樣，ab之間原屬于右疇、方向朝下的元磁矩轉(zhuǎn)動(dòng)到方向朝上而 屬左疇，增加了磁場(chǎng)方向的磁化強(qiáng)度。前面已經(jīng)說(shuō)明，疇壁只是元磁矩方向逐漸改變的過(guò)渡層。所謂疇壁的右移，實(shí)際上是右疇靠近疇壁的一 層元磁矩，由原來(lái)朝下的方向開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，相繼進(jìn)人疇壁區(qū)。與此同時(shí)，疇壁區(qū)各元磁矩也發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，且 最左邊一層磁矩最終完成了轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程，脫離疇壁區(qū)而加入左疇的行列。必須指出，所謂元磁矩進(jìn)入和脫 離疇壁區(qū)，并不意味著元磁性體移動(dòng)位置，只是通過(guò)方向的改變來(lái)實(shí)現(xiàn)疇

51、壁的遷移?？梢?jiàn)，壁移磁化本 質(zhì)上也是一種元磁矩的轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程，但只是靠近疇壁的元磁矩局部地先后轉(zhuǎn)動(dòng)，而且從一個(gè)磁疇磁化方向到相鄰磁疇磁化方向轉(zhuǎn)過(guò)的角度是一定的。這和整個(gè)磁疇元磁矩同時(shí)的一致轉(zhuǎn)動(dòng)有明顯的區(qū)別。圖6壁移磁化示意圖圖7疇轉(zhuǎn)磁化示意圖關(guān)于疇轉(zhuǎn)磁化可以用圖 7來(lái)說(shuō)明。如果磁疇原先沿易磁化軸磁化，那么在與該方向成e0角的磁場(chǎng)片作用下，由于壁移已經(jīng)完成（或因結(jié)構(gòu)上的原因壁移不能進(jìn)行），磁疇的元磁矩就要向磁場(chǎng)方向一致轉(zhuǎn)動(dòng) 一個(gè)角度。這是靜磁能與磁晶各向異性能共同作用的結(jié)果。因?yàn)閙s轉(zhuǎn)向磁場(chǎng)h方向可以降低靜磁能，但卻提高了磁晶各向異性能。 這兩種能量抗衡的結(jié)果， 使ms穩(wěn)定在原磁化方向和磁場(chǎng)間總能量最小的某一 個(gè) 晡上。這一過(guò)程的特點(diǎn)是元磁矩整體一致轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)過(guò)的角度膿決于靜磁能與磁晶各向異性能的相對(duì)大小。6、動(dòng)態(tài)磁化（交流磁化）特性前面介紹的鐵磁材料的磁性能主要是在直流磁場(chǎng)下的表現(xiàn)，稱之為靜態(tài)（或準(zhǔn)靜態(tài)）特性。但大多數(shù)鐵磁（包括亞鐵磁）材料都是在交變磁路中起傳導(dǎo)磁通的作用，即作為通常所說(shuō)的鐵心或磁心。例如，電機(jī)和電力變壓器使用的鐵心材料在工頻工作，是一個(gè)交流磁化過(guò)程。隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展， 許多磁性材料在高頻下工作。因此研究磁性材料尤其是軟磁