振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)的

振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)的原理報(bào)告人：熊元強(qiáng)導(dǎo)師：陳鵬教授目錄一、物質(zhì)的磁性二、磁性的來源四、幾種常用磁性測量儀三、磁性測量原理一、物質(zhì)的磁性1.1、磁性的簡單認(rèn)識(shí)1.2、磁偶極子磁偶極子產(chǎn)生的磁偶級(jí)矩為：是一個(gè)從-m到+m的矢量，單位是[Wb·m].設(shè)環(huán)形電流為i，電流回路包圍的面積為d，此電流回路對(duì)遠(yuǎn)區(qū)而言就相當(dāng)于一個(gè)磁偶極子，并具有磁矩：+m-ml圖1、磁偶極子圖2、環(huán)形電流產(chǎn)生磁矩1.3、磁偶極子的磁位和磁場強(qiáng)度由電磁學(xué)可知，磁偶極子在空間某點(diǎn)p的磁位ψ為：令，于是當(dāng)忽略l2項(xiàng)時(shí)，將其中θ為和l的夾角。與代入上式中有：根據(jù)磁場強(qiáng)度H與磁位ψ的關(guān)系，得：2、磁體的磁化

磁體受磁化磁場作用后將會(huì)感應(yīng)出磁矩，處于磁化狀態(tài)。磁化磁場，一般是指用來使磁體感應(yīng)出磁矩的外加磁場。任何磁性材料在磁化以后，它們均將具有自己的磁化行為。磁體的磁化磁化強(qiáng)度磁化率磁化曲線和磁滯回線2.1、磁化強(qiáng)度和

和亦有關(guān)系：

和都是矢量，數(shù)值上兩者相差，物理意義上，都是用來描述磁體被磁化的方向和強(qiáng)度。磁化強(qiáng)度是描述宏觀磁性體磁性強(qiáng)弱程度的物理量。如果在磁性體內(nèi)取一個(gè)宏觀體積元，在這個(gè)體積元內(nèi)包含了大量的磁偶極矩或磁矩，分別用和代表。定義單位體積磁體內(nèi)具有的磁偶極矩矢量和稱為磁極化強(qiáng)度，用表示；單位體積磁體內(nèi)具有的磁短矢量和稱為磁化強(qiáng)度，用表示。則有：2.2、磁化率

磁性體被置于外磁場中，它的磁化強(qiáng)度將發(fā)生變化，磁化強(qiáng)度M和磁場H的關(guān)系由下式表達(dá)；其中，稱為磁體的磁化率。磁化率是單位磁場強(qiáng)度在磁體中所感生的磁化強(qiáng)度，是表征磁體磁化難易程度的一個(gè)參量。2.3、磁化曲線和磁滯回線磁化曲線是磁性物質(zhì)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B與外磁場的磁場強(qiáng)度H之間的關(guān)系曲線,所以又叫B-H曲線。(a)磁化曲線

圖中段曲線稱為起始磁化曲線，封閉曲線稱為磁滯回線，鐵磁材料在磁化一周期內(nèi)所損耗的能量的大小就等于磁滯回線所包括面積的大小。在此過程中要消耗額外的能量，并以熱的形式釋放，為磁滯損耗?？梢宰C明，磁滯損耗與磁滯回線所圍面積成正比。（b）磁滯回線當(dāng)磁化磁場作周期的變化時(shí)，磁性材料中的磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁場強(qiáng)度的關(guān)系是一條閉合線，這條閉合線叫做磁滯回線。當(dāng)磁性物質(zhì)質(zhì)達(dá)到磁飽和狀態(tài)后，如果減小磁化場H，介質(zhì)的磁化強(qiáng)度M（或磁感應(yīng)強(qiáng)度B）并不沿著起始磁化曲線減小，M（或B）的變化滯后于H的變化。這種現(xiàn)象叫磁滯。(1)當(dāng)鐵磁物質(zhì)開始磁化時(shí)，B隨H增加。H增大到時(shí)，B幾乎不變，說明磁化已達(dá)到飽和。由可見，磁導(dǎo)率μ并非常數(shù)，即為非線性函數(shù)。(2)當(dāng)H＝0，，說明鐵磁材料還殘留一定值，稱其為剩磁。(3)要使鐵磁物質(zhì)完全退磁，必須加一反向磁場，稱為矯頑磁力。圖中的bc段曲線稱為退磁曲線。(4)定義退磁曲線上每一點(diǎn)的B和H的乘積(BH)為磁能積，磁能積(BH)是表征永磁材料中能量大小的物理量。有關(guān)磁滯回線的幾個(gè)分析：（b）磁滯回線3、物質(zhì)磁性的分類磁性物質(zhì)抗磁性順磁性鐵磁性亞鐵磁性反鐵磁性把物體放在外加磁場中，物體就磁化了，其磁化強(qiáng)度M和磁場強(qiáng)度H的關(guān)系為。從這個(gè)意義上說，這種被磁化了的物體就稱為磁性物質(zhì)。磁性物質(zhì)在性質(zhì)上有很大的不問，因此，有必要把磁性物質(zhì)分類。從實(shí)用的觀點(diǎn)，可以根據(jù)磁性物質(zhì)的磁化率大小和符號(hào)來分。3.1、抗磁性某些物質(zhì)當(dāng)它們受到外磁場H作用后，感生出與H方向相反的磁化強(qiáng)度，其磁化率。這種磁性稱為抗磁性。表現(xiàn)出磁化率小于零的物質(zhì)稱為抗磁性物質(zhì)．不但小于零，而且絕對(duì)數(shù)值也很小，一般為10-6的數(shù)量級(jí)。的性質(zhì)和磁場、溫度均無關(guān)。抗磁性物質(zhì)有：惰性氣體、許多有機(jī)化合物、若干金屬(如Bi、Zn、Ag和Mg等)、非金屬(如Si、P和S等)等。這些物質(zhì)的磁化曲線為一直線．抗磁性曲線3.2、順磁性式中，為臨界溫度，稱為順磁居里溫度。

許多物質(zhì)在受到外磁場作用后，感生出與磁化磁場同方向的磁化強(qiáng)度，其磁化率，但數(shù)值很小，僅顯示微弱磁性。這種磁性稱為順磁性，具有這種磁性的物質(zhì)稱為順磁性物質(zhì)。室溫下為數(shù)量級(jí)。多數(shù)順磁性物質(zhì)的與溫度T有密切關(guān)系，服從居里定律，即:

式中，C為居里常數(shù)，T為絕對(duì)溫度。然而，更多的順磁性物質(zhì)的與溫度的關(guān)系，遵守居里—外斯定律，即：3.3、反鐵磁性另有一類物質(zhì)，當(dāng)溫度達(dá)到某個(gè)臨界值以上，磁化率與溫度的關(guān)系與正常順磁性物質(zhì)的相似，服從居里—外斯定律，但是，表現(xiàn)出在式中的常小于零．當(dāng)，磁化率不是繼續(xù)增大，而是降低，并逐漸趨于定值。所以，這類物質(zhì)的磁化率在溫度等于的地方存在極大值。顯然，是個(gè)臨界溫度，它是奈耳發(fā)現(xiàn)的，被命名為奈耳溫度。上述磁性稱為反鐵磁性。3.4、鐵磁性鐵磁性物質(zhì)和前述三種磁性物質(zhì)大不相同．它們只要在很小的磁場作用下就能被磁化到飽和，不但磁化率，而且數(shù)值大到10～106數(shù)量級(jí)，其磁化強(qiáng)度M與磁場強(qiáng)度H之間的關(guān)系是非線性的復(fù)雜函數(shù)關(guān)系。反復(fù)磁化時(shí)出現(xiàn)磁滯現(xiàn)象。上述類型的磁性稱為鐵磁性。當(dāng)鐵磁性物質(zhì)的溫度比某一臨界溫度高時(shí)，鐵磁性將轉(zhuǎn)變成順磁性，并服從居里—外斯定律，即:式中，C仍然是居里常數(shù)；是鐵磁性物質(zhì)的順磁性居里溫度。很大3.5、亞鐵磁性

除了上面四種磁性以外，另有一類物質(zhì)，它們的宏觀磁性與鐵磁性相同，僅僅是磁化率的數(shù)量級(jí)稍低一些，大約為10～103數(shù)量級(jí)。很大五類磁體的磁化曲線示現(xiàn)代科學(xué)認(rèn)為物質(zhì)的磁性來源于組成物質(zhì)中原子的磁性

1.原子中外層電子的軌道磁矩

2.電子的自旋磁矩

3.原子核的核磁矩二、磁性的來源眾所周知，任何物質(zhì)都是由原子組成的，而原子又是由帶正電荷的原子核(簡稱核子)和帶負(fù)電荷的電子所構(gòu)成的。近代物理的理論和實(shí)驗(yàn)都證明了核子和電子的本身都在作著自旋運(yùn)動(dòng)，而電子又沿著一定軌道繞核子做循軌運(yùn)動(dòng)。顯然，帶電粒子的這些運(yùn)動(dòng)必然要產(chǎn)生磁矩。1、電子的磁矩1）電子的軌道磁矩、軌道角動(dòng)量2）電子的自旋磁矩自旋角動(dòng)量3）分子（原子）磁矩

每個(gè)電子都有一定的磁矩和一定的角動(dòng)量，磁矩與角動(dòng)量成正比，兩者的方向相反。原子的總磁矩應(yīng)是按照原子結(jié)構(gòu)和量子力學(xué)規(guī)律將原子中各個(gè)電子的軌道磁矩和自旋磁矩相加起來的合磁矩，即：總的來說，組成宏觀物質(zhì)的原子有兩類：

另一類原子中的電子數(shù)為奇數(shù)，或者雖為偶數(shù)但其磁矩由于一些特殊原因而沒有完全抵消使原子中電子的總磁矩（有時(shí)叫凈磁矩，剩余磁矩）不為零，帶有電子剩余磁矩的原子稱作磁性原子。一類原子中的電子數(shù)為偶數(shù)，即電子成對(duì)地存在于原子中。這些成對(duì)電子的自旋磁矩和軌道磁矩方向相反而互相抵消，使原子中的電子總磁矩為零，整個(gè)原子就好像沒有磁矩一樣，習(xí)慣上稱他們?yōu)榉谴旁印?/p>

由于不同的原子具有不同的電子殼層結(jié)構(gòu)，因而對(duì)外表現(xiàn)出不同的磁矩，所以當(dāng)這些原子組成不同的物質(zhì)時(shí)也要表明出不同的磁性來。必須指出的是，原子的磁性雖然是物質(zhì)磁性的基礎(chǔ)，但卻不能完全決定凝聚態(tài)物質(zhì)的磁性，這是因原子間的相互作用(包括磁的和電的作用)對(duì)物質(zhì)磁性往往起著更重要的影響。物質(zhì)磁性磁無序結(jié)構(gòu)磁有序結(jié)構(gòu)抗磁性順磁性鐵磁性亞鐵磁性反鐵磁性2.1、抗磁性

其產(chǎn)生機(jī)理是：外磁場穿過電子軌道時(shí)，引起的電磁感應(yīng)使電子加速。根據(jù)楞次定律，由軌道電子的這種加速運(yùn)動(dòng)引起的磁通，總是與外磁場的變化相反，因而，磁化率為負(fù)值?？勾刨|(zhì)分子本身不具有固有磁矩，但在外磁場的作用下，可以產(chǎn)生與相反的附加磁矩抗磁性物質(zhì)的磁結(jié)構(gòu)2.2、順磁性無外場時(shí)：有外場時(shí)：順磁在順磁材料中，磁性原子或離子分開的距離很遠(yuǎn)，以至它們之間沒有明顯的相互作用。順磁性物質(zhì)有一個(gè)固有原子磁矩，但各原子磁矩的方向混亂，對(duì)外不顯示宏觀磁性，在磁化磁場作用下，原子磁矩轉(zhuǎn)向磁場方向，感生出與外磁場方向一致的磁化強(qiáng)度M。所以，順磁性磁化率，但它的數(shù)值很小。順磁性物質(zhì)的磁化過程2.3、鐵磁性

鐵磁物質(zhì)內(nèi)部存在很強(qiáng)交換作用，交換作用的作用下，原子磁矩趨于同向平行排列，即自發(fā)磁化至飽和，稱為自發(fā)磁化；鐵磁體自發(fā)磁化分成若干個(gè)小區(qū)域，區(qū)域內(nèi)部的原子磁矩是按平行取向排列的。這種自發(fā)磁化至飽和的小區(qū)域稱為磁疇，由于各個(gè)區(qū)域(磁疇)的磁化方向各不相同，其磁性彼此相互抵消，所以大塊鐵磁體對(duì)外不顯示磁性。鐵磁性物質(zhì)的磁化過程如下：2.4、反鐵磁性反鐵磁性物質(zhì)的內(nèi)部原子之間也存在交換作用，與鐵磁性不同的是，在這種交換作用的作用下，原子磁矩不是趨于平行排列而是反平行排列，這樣就使得反鐵磁性表現(xiàn)出一種弱磁性。反鐵磁性的磁結(jié)構(gòu)2.4、亞鐵磁性亞鐵磁性物質(zhì)由磁矩大小不同的兩種離子(或原子)組成，相同磁性的離子磁矩同向平行排列，而不同磁性的離子磁矩是反向平行排列。由于兩種離子的磁矩不相等，反向平行的磁矩就不能恰好抵消，二者之差表現(xiàn)為宏觀磁矩，這就是亞鐵磁性。亞鐵磁性的磁結(jié)構(gòu)二、磁性測量原理磁性測量原理有很多，根據(jù)不同的物理作用有不同的測量原理。物質(zhì)力、聲熱電磁光粒子五官人各種信息中子散射裝置、磁力顯微鏡磁－磁作用回旋共振、自旋共振(鐵磁共振儀、亞鐵磁共振儀、反鐵磁共振儀、電子自旋共振儀、核磁共振儀、M?ssbauer譜儀)共振效應(yīng)磁－光效應(yīng)磁－力效應(yīng)振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)VSM超導(dǎo)量子(SQUID)磁強(qiáng)計(jì)電磁感應(yīng)約瑟夫遜效應(yīng)Kerr效應(yīng)、Faraday效應(yīng)磁圓（線）振二向色譜儀磁轉(zhuǎn)矩儀、磁天平交變梯度磁強(qiáng)計(jì)AGFM1、電磁感應(yīng)2、霍爾效應(yīng)3、約瑟夫遜效應(yīng)振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)（VSM）超導(dǎo)量子磁強(qiáng)計(jì)（SQUID）2.1、電磁感應(yīng)原理面積A磁通量2.2、霍爾效應(yīng)原理

在外磁場中的載流導(dǎo)體會(huì)在與電流和外磁場垂直的方向上出現(xiàn)電荷分離而產(chǎn)生電勢差，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。

當(dāng)電流Is通過霍爾元件（假設(shè)為P型）時(shí)，空穴有一定的漂移速度v，垂直磁場對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷產(chǎn)生一個(gè)洛淪茲力

式中q為電子電荷。洛淪茲力使電荷產(chǎn)生橫向的偏轉(zhuǎn)，由于樣品有邊界，所以有些偏轉(zhuǎn)的載流子將在邊界積累起來，產(chǎn)生一個(gè)橫向電場E，直到電場對(duì)載流子的作用力FE=qE與磁場作用的洛淪茲力相抵消為止，即:這時(shí)電荷在樣品中流動(dòng)時(shí)將不再偏轉(zhuǎn)，霍爾電勢差就是由這個(gè)電場建立起來的?；魻栃?yīng)原理圖設(shè)P型樣品的載流子濃度為p，寬度為l，厚度為d。通過樣品電流Is＝pqvld，則空穴的速度v＝IH／pqld，上式兩邊各乘以l，便得到稱為霍爾系數(shù)。在應(yīng)用中一般寫成其中比例系數(shù)KH稱為霍爾元件靈敏度，單位為mV/(mA·T)。霍爾效應(yīng)原理圖

一般要求KH愈大愈好。KH與載流子濃度p成反比。半導(dǎo)體內(nèi)載流子濃度遠(yuǎn)比金屬載流子濃度小，所以都用半導(dǎo)體材料作為霍爾元件。KH與片厚d成反比，所以霍爾元件都做的很薄，一般只有0.2mm厚。

知道了霍爾片的靈敏度KH，只要分別測出霍爾電流Is及霍爾電勢差VH就可算出磁場B的大小。這就是霍爾效應(yīng)測磁場的原理。關(guān)于KH的一點(diǎn)討論：2.3、約瑟夫遜效應(yīng)如果兩塊金屬導(dǎo)體相隔的空間是絕緣的,對(duì)于導(dǎo)體中的電子來說,相當(dāng)于一個(gè)勢壘。當(dāng)兩導(dǎo)體間隔較大時(shí),電子很難從一塊金屬穿過絕緣層而到達(dá)另一塊金屬,即使加電壓也觀察不到電流。但是,如果在低溫下,兩金屬導(dǎo)體是超導(dǎo)體,并且絕緣層的厚度很小,達(dá)到左右時(shí),超導(dǎo)體中的庫伯對(duì)電子對(duì)可以穿過絕緣勢壘層,這一現(xiàn)象稱為約瑟夫遜效應(yīng)。1）薄膜隧道結(jié)2）點(diǎn)接觸隧道結(jié)3）超導(dǎo)橋隧道結(jié)約瑟夫遜隧道結(jié)通常有以下形式：現(xiàn)代超導(dǎo)理論指出；電子在超導(dǎo)體內(nèi)是按特殊方式成對(duì)地結(jié)合著，即費(fèi)米面附近動(dòng)量為p，自族為s的電子與角動(dòng)量為-p,自旋為-s的電子相結(jié)合，稱為庫相電子對(duì)。所謂超導(dǎo)電流，就是庫柏電子對(duì)的整體運(yùn)動(dòng)。超導(dǎo)體的狀態(tài)與這種電子對(duì)的密度及相位有關(guān)，表示為宏觀波函數(shù)。在一塊超導(dǎo)體中若無電磁場存在，相位為一常數(shù)。在兩塊相互無關(guān)的超導(dǎo)體中，它們的狀態(tài)各自獨(dú)立，因而它們的相位也相互無關(guān)。但在弱耦合的情況下，兩塊超導(dǎo)體中電子對(duì)的相位即不相等，又不相互獨(dú)立，而維持一定的相位關(guān)系?，F(xiàn)在考慮一個(gè)含有約瑟夫遜結(jié)的超導(dǎo)環(huán)(右圖所示)。穿過環(huán)中的磁感強(qiáng)度為B。如果B低于超導(dǎo)環(huán)的臨界磁場，那么既使在結(jié)兩端沒有電壓的情況下，超導(dǎo)電子對(duì)也可能通過約瑟夫遜結(jié)形成無阻的超導(dǎo)電流(電流密度為is）。這種零壓電流現(xiàn)象稱為直流約瑟夫遜效應(yīng)。is的大小使超導(dǎo)環(huán)所包圍的總磁通(包括外加磁通與is產(chǎn)生的磁通)為磁通量子的整數(shù)倍。這就是磁通量子化現(xiàn)象。含有約瑟夫遜超導(dǎo)環(huán)通過推導(dǎo)可得超導(dǎo)電流與外加磁通的函數(shù)關(guān)系為：上式表明：超導(dǎo)電流密度是超導(dǎo)環(huán)所包圍外磁通的周期函數(shù)，其周期為。其中，為臨界電流，它是超導(dǎo)電流的極大值，只與結(jié)的性質(zhì)有關(guān)。由上式可以看出回路的磁通中每變化一個(gè)磁通量子,電流便變化一個(gè)周期,通過測定改變的完整周期數(shù)和不滿一周期的改變可以精確測量回路所包圍的磁通。這就是利用約瑟夫遜效應(yīng)測量磁通的原理。三、幾種常用磁性測量儀1、振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)2、超導(dǎo)量子磁強(qiáng)計(jì)振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)VibratingSampleMagnetometer(VSM)

振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)，首先由弗尼爾(s.Foner)提出，他對(duì)磁強(qiáng)計(jì)的結(jié)構(gòu)、各種檢測線圈及其對(duì)靈敏度的影響等