振動樣品磁強(qiáng)計的

1、振動樣品磁強(qiáng)計的原理振動樣品磁強(qiáng)計的原理報告人：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 1.2、磁偶極子磁偶極子產(chǎn)生的磁偶級矩為：jmlj是一個從-m到+m的矢量，單位是Wbm. 設(shè)環(huán)形電流為i，電流回路包圍的面積為d，此電流回路對遠(yuǎn)區(qū)而言就相當(dāng)于一個磁偶極子，并具有磁矩：mid+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p p的磁位為：012114mrr 11cos2rrl 21cos2rrl令 ，于是當(dāng)忽略l2項時，將20

2、cos4mlr 其中為 和l的夾角。1rmm2rrplrl與代入上式中有：r根據(jù)磁場強(qiáng)度H與磁位的關(guān)系 ，得： 35314rrj r rj 2、磁體的磁化 磁體受磁化磁場作用后將會感應(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jVJmVM0JM和JM 和 亦有關(guān)系：MJ 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。0 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)取一個宏觀體積元 ，在這個體積元內(nèi)包含了大量

3、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。VjmjmJM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)；MH 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abca b c a 圖中 段曲線稱為起始磁化曲線，封閉曲線 稱為磁滯回線

4、，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。oa（b）磁滯回線 當(dāng)磁化磁場作周期的變化時，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。 ()f H BH sH (1)當(dāng)鐵磁物質(zhì)開始磁化時，B隨H增加。 H增大到 時，B幾乎不變，說明磁化已達(dá)到飽和。由 可見，磁導(dǎo)率并非常數(shù)，即

5、為非線性函數(shù)。rB0B (2)當(dāng)H0， ，說明鐵磁材料還殘留一定值 ，稱 其為剩磁。cH(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。從實用的觀點，可以根據(jù)磁性物質(zhì)

6、的磁化率大小和符號來分。MH 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，而且絕對數(shù)值也很小，一般為10-6的數(shù)量級。 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0 oH抗磁性 曲線H3.2、順磁性CT CTT T 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。

7、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。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: 251010HCT 式中，C為居里常數(shù)，T為絕對溫度。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NTNTTT 另有一類物質(zhì)，當(dāng)溫度達(dá)到某個臨界值 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。NTNT

8、NTHoCT T3.4、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10106數(shù)量級，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，鐵磁性將轉(zhuǎn)變成順磁性，并服從居里外斯定律，即:0 pTpT 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。pCTT 很大pToHpCTT 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)量級稍低一些，大約為10103數(shù)量級。很大pToH

9、pCTT 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1. 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驗都證明了核子和電子的本身都在作著自旋運動，而電子又沿著一定軌道繞核子做循軌運動。顯然，帶電粒子的這些運動必然要產(chǎn)生磁矩。1、電子的磁矩rverveeTei222r1eL1emvielelLmem21）電子的軌道磁矩、軌道角動量）電子的軌道磁矩、軌道角動量22221212erevrrrverimel2mrmv

10、rLel2）電子的自旋磁矩）電子的自旋磁矩 自旋角動量自旋角動量esesLmem3）分子（原子）磁矩）分子（原子）磁矩eselmemmmmm 每個電子都有一定的磁矩 和一定的角動量 ，磁矩與角動量成正比，兩者的方向相反。emeL 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)，即電子成對地存在于原子中。這些成對電

11、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，整個原子就好像沒有磁矩一樣，習(xí)慣上稱他們?yōu)榉谴旁印?由于不同的原子具有不同的電子殼層結(jié)構(gòu)，因而對外表現(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，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動引起的磁通，總是與外磁場的

12、變化相反，因而，磁化率為負(fù)值。B 抗磁質(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B抗磁性物質(zhì)的磁結(jié)構(gòu)2.2、順磁性0m0mH無外場時：有外場時： 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)有一個固有原子磁矩，但各原子磁矩的方向混亂，對外不顯示宏觀磁性，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(a)(b)(c) 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

13、發(fā)磁化；鐵磁體自發(fā)磁化分成若干個小區(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

14、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、Mssbauer 譜儀)共振效應(yīng)磁光效應(yīng)磁力效應(yīng)振動樣品磁強(qiáng)計VSM超導(dǎo)量子(SQUID)磁強(qiáng)計電磁感應(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AGFM1、電磁感應(yīng)2、霍爾效應(yīng)3、約瑟夫遜效應(yīng)振動樣品磁強(qiáng)計（VSM）超導(dǎo)量子磁強(qiáng)計（SQU

15、ID）2.1、電磁感應(yīng)原理面積A磁通量SLSBLEBddtddtddSBdS0 DtBE0 Bt DjH02.2、霍爾效應(yīng)原理 在外磁場中的載流導(dǎo)體會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，空穴有一定的漂移速度v，垂直磁場對運動電荷產(chǎn)生一個洛淪茲力 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)生一個橫向電場E，直到電場對載流子的作用力FE=qE與磁場作用的洛淪茲力相抵消為止，即:()Lfq vB()q vBqE 這時電荷在樣品中流動時將不再偏轉(zhuǎn)，霍爾電勢差就

16、是由這個電場建立起來的?；魻栃?yīng)原理圖 sI BEvBpqld 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Ispqvld，則空穴的速度vIHpqld， 上式兩邊各乘以l，便得到ssHHI BI BVElRpqdd稱為霍爾系數(shù)。在應(yīng)用中一般寫成HHHVK I B1HRpd1HHKRdpqd其中比例系數(shù)KH稱為霍爾元件靈敏度，單位為mV/(mAT)?；魻栃?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

17、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, 對于導(dǎo)體中的電子來說, 相當(dāng)于一個勢壘。當(dāng)兩導(dǎo)體間隔較大時, 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, 超導(dǎo)體中的庫伯對電子對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)是按特殊方式成對地結(jié)合著，即費米面

18、附近動量為p，自族為s的電子與角動量為-p,自旋為-s的電子相結(jié)合，稱為庫相電子對。所謂超導(dǎo)電流， 就是庫柏電子對的整體運動。超導(dǎo)體的狀態(tài)與這種電子對的密度 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)體中電子對的相位即不相等，又不相互獨立，而維持一定的相位關(guān)系。ie 現(xiàn)在考慮一個含有約瑟夫遜結(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

19、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。02he 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：0sin 2scII sI 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 。cI 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 中每變化一個磁通量子 , 電流便變化一個周期, 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。0sIcI0123三、

20、幾種常用磁性測量儀1、振動樣品磁強(qiáng)計2、超導(dǎo)量子磁強(qiáng)計振動樣品磁強(qiáng)計 Vibrating Sample Magnetometer (VSM) 振動樣品磁強(qiáng)計，首先由弗尼爾(s.Foner)提出，他對磁強(qiáng)計的結(jié)構(gòu)、各種檢測線圈及其對靈敏度的影響等問題作了詳盡的討論。近年來由于鎖相放大技術(shù)在振動樣品磁強(qiáng)計中的應(yīng)用，大大提高了振動樣品磁強(qiáng)的靈敏度和擴(kuò)大了使用范圍。 VSM是一種高靈敏度的磁矩測量儀器。它采用電磁感應(yīng)原理，測量在一組探測線圈中心以固定頻率和振幅作微振動的樣品的磁矩。對于足夠小的樣品，它在探測線圈中振動所產(chǎn)生的感應(yīng)電壓與樣品磁矩、振幅、振動頻率成正比。SSSdrHSdB)( 03503()1( )4mmMMrH rrrr 振動樣品磁強(qiáng)計yxzr( )ii ttxaer trae iiyjzk01( , )( )NSiH r ttdStt 設(shè)線圈面積為S，匝數(shù)為