振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)測(cè)量內(nèi)稟磁特性

1、振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)測(cè)量內(nèi)稟磁特性 一、引言 1959年美國的S. Foner在前人的研究基礎(chǔ)上制成 實(shí)用的振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)（簡(jiǎn)記為VSM）。由于其具有很多 優(yōu)異特性而被磁學(xué)研究者們廣泛采用，并又經(jīng)許多人的改 進(jìn)，使VSM成為檢測(cè)物質(zhì)內(nèi)稟磁特性的標(biāo)準(zhǔn)通用設(shè)備。所 謂“內(nèi)稟”磁特性，主要是指物質(zhì)的磁化強(qiáng)度而言，即體積 磁化強(qiáng)度M 單位體積內(nèi)的磁矩，和質(zhì)量磁化強(qiáng)度a - 單位質(zhì)量的磁矩。設(shè)被測(cè)樣品的體積為V （或質(zhì)量為m）, 由于樣品很小，如直徑1mm的小球， 當(dāng)被磁化后，在遠(yuǎn)處， 可將其視為磁偶極子：如將樣品按一定方式振動(dòng)，就等同于 磁偶極場(chǎng)在振動(dòng)。于是，放置在樣品附近的檢測(cè)線圈內(nèi)就有 磁通量的變化，產(chǎn)

2、生感生電壓。將此電壓放大變成直流并加 以記錄，再通過電壓磁矩的已知關(guān)系，即可求出被測(cè)樣品的 M或a。 二、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?掌握VSM工作原理；利用實(shí)驗(yàn)室提供的設(shè)備，具體測(cè) 量實(shí)際材料的M或a值。 三、實(shí)驗(yàn)原理 注意到M值有X分量, 如圖7.4-1所示，體積為V、磁 化強(qiáng)度為M的樣品S沿Z軸方向振 動(dòng)。在其附近放一個(gè)軸線和Z軸平 行的多匝線圈L,在L內(nèi)的第n匝 內(nèi)取面積元dS n,其與坐標(biāo)原點(diǎn)的 矢徑為r n,磁場(chǎng)沿X方向施加。由 于S的尺度與r n相比非常小，故S 在空間的場(chǎng)可表為偶極場(chǎng)形式： （7.4-1 ） 則可得到檢測(cè)線圈L內(nèi)第n匝中dS n面積元的磁通為 d n = JoHzdSn 3oMX

3、nZnV 4兀r； dSn (7.4-2 ) 其中卩0為真空磁導(dǎo)率。而第n匝內(nèi)的總磁通則為 3%MX nZnV dSn 整個(gè)L的總磁通則為 ，八竺MXVdS n4“心（7.4-3） 其中，X n為f n的X軸分量，不隨時(shí)間而變；Z n為f n的Z 軸分量，是時(shí)間的函數(shù)。為方便計(jì)，現(xiàn)認(rèn)為S不動(dòng)而L以S 原有的方式振動(dòng)，此時(shí)可有-_；二江，-：為第n匝的坐 標(biāo)，a為L的振幅。由此可得到檢測(cè)線圈內(nèi)的感應(yīng)電壓為 /+、d3卩0 環(huán)/ p rXn(rn -5Zn) .c+ E(t) = =二MV 送 J-7 dSn COS頭 dt 4兀nrn =KMT cos t = KJ cos t(7.4-4 )

4、顯然，精確求解上式是困難的，但從該方程卻能得到一 些有意義的定性結(jié)論，那就是：檢測(cè)線圈中的感應(yīng)電壓幅值 正比于被測(cè)樣品的總磁矩J=MV（或=cm）,且和檢 測(cè)線圈的結(jié)構(gòu)、振動(dòng)頻率和振幅有關(guān)。如果將（7.4-4 ）式 中的K保持不變，則感應(yīng)信號(hào)僅和樣品總磁矩成正比。預(yù)先 標(biāo)定感應(yīng)信號(hào)與磁矩的關(guān)系后，就可根據(jù)測(cè)定的感應(yīng)信號(hào)的 大小而推知被測(cè)磁矩值， 因此，在測(cè)出樣品的質(zhì)量和密度后， 即可計(jì)算出被測(cè)樣品的磁化強(qiáng)度M、c M= pc, p為 材料的密度。 振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)主要工作原理如下：信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的 功率信號(hào)加到振動(dòng)子上，使振動(dòng)子驅(qū)動(dòng)振動(dòng)桿作周期性運(yùn) 動(dòng)， 振弓子卜信號(hào)發(fā)生骨 振動(dòng)桿、1 -轄斯撿

5、計(jì) 7.4-2掘動(dòng)樣品穗強(qiáng)計(jì)結(jié)構(gòu)原理圖 從而帶動(dòng)粘附在振桿下端的樣品作同頻同相位振動(dòng)，掃描電 源供電磁鐵產(chǎn)生可變磁化外場(chǎng)H而使樣品磁化，從而在檢測(cè) 線圈中產(chǎn)生感應(yīng)信號(hào)，此信號(hào)經(jīng)放大并檢測(cè)后，饋給X-Y 記錄儀的Y軸。而測(cè)量磁場(chǎng)用的毫特斯拉計(jì)的輸出則饋給記 錄儀X軸。這樣，當(dāng)掃描電源變化一個(gè)周期后，記錄儀將描 出J-H回線。J的大小，又必須由已知磁矩的標(biāo)準(zhǔn)樣品定 標(biāo)后求得。如：已知N i標(biāo)樣的質(zhì)量磁矩為 a o,質(zhì)量為m 0, 其j。= a om o。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N i飽和磁化后測(cè)得Y軸偏轉(zhuǎn)為Y o,則單位偏 轉(zhuǎn)所對(duì)應(yīng)的磁矩?cái)?shù)應(yīng)a om o/Y o,再由樣

6、品的j - H回 線上量得樣品某磁場(chǎng)下的Y軸高度Yh,則被測(cè)樣品在該磁場(chǎng) 下的磁化強(qiáng)度 八 - 或被測(cè)樣品的質(zhì)量磁化 強(qiáng)度八“,p為樣品密度，m為樣品的質(zhì)量。 這樣，我們即可根據(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，所要注意的是，這里的H為外磁場(chǎng)。也就是 說，只有在可以忽略樣品的“退磁場(chǎng)”情況下，利用VSM 測(cè)得的回線， 方能代表材料的真實(shí)特征，否則，必須對(duì)磁場(chǎng)進(jìn)行修正后所 得到的回線形狀，才能表示材料的真實(shí)特征。 所謂“退磁場(chǎng)”，可作如下的理解：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)生與磁化場(chǎng)相反方向的磁場(chǎng)， 從而減弱了外加磁化場(chǎng)H的磁化作用，故稱為退磁

7、場(chǎng)?？蓪?退磁場(chǎng)Hd表示為Hd= NM,稱N為“退磁因子”，取 決樣品的形狀，一般來說非常復(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；磁性測(cè)量 中，通常樣品均制成旋轉(zhuǎn)橢球體的幾種退化形：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) 陌或厘米、克、秒制中為節(jié) ,沿細(xì)線的軸線N =0，沿膜面=0等 通常，檢測(cè)線圈都經(jīng)過仔細(xì)調(diào)整，成對(duì)地配置在樣品兩 側(cè)，并按一定的繞向和聯(lián)接方式組成線圈對(duì)，使外界雜散信 號(hào)盡可能互相抵消，而被測(cè)樣品所產(chǎn)生的信號(hào)則相互加強(qiáng)， 從而提高檢測(cè)系統(tǒng)的靈敏度和信噪比。 四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 利用提供的設(shè)備，測(cè)量幾種樣品材料的質(zhì)量磁化強(qiáng)度。標(biāo)準(zhǔn) 樣品為Ni。 五、數(shù)據(jù)記錄與處理 Ni的質(zhì)量mo=11g Ni的質(zhì)量磁化強(qiáng)度 “=54 emll/g 系列i Ni 的 丫 軸偏轉(zhuǎn) 丫0=1O.52cm 待測(cè)樣品 m=1g 樣品的丫軸偏轉(zhuǎn) Yh =2.67cm 代入公式得樣品的質(zhì)量磁化強(qiáng)度183.63emll/g 六、思考題 仁試分析一下如何才能更準(zhǔn)確地測(cè)出樣品的磁化強(qiáng)度值？ 答:鑒于振動(dòng)的樣品尺寸