磁性物理實驗指導(dǎo)書

1、磁性物理實驗講義磁性物理課程組編寫電子科技大學(xué)微電子與固體電子學(xué)院二O一二年九月目 錄一、起始磁導(dǎo)率溫度特性測量和居里溫度測試計算分析1二、電阻率測試及磁損耗響應(yīng)特性分析3三、磁致伸縮系數(shù)測量與分析6四、磁化強(qiáng)度測量與分析9五、磁滯回線和飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度測量11六、磁疇結(jié)構(gòu)分析表征12一、起始磁導(dǎo)率溫度特性測量和居里溫度測試計算分析(一) 、實驗?zāi)康模毫私獯判圆牧系钠鹗即艑?dǎo)率的測量原理，學(xué)會測量材料的起始磁導(dǎo)率，并能夠從自發(fā)磁化起源機(jī)制來分析溫度和離子占位對材料起始磁導(dǎo)率和磁化強(qiáng)度的影響。 (二）、實驗原理及方法：一個被磁化的環(huán)型試樣，當(dāng)徑向?qū)挾缺容^大時，磁通將集中在內(nèi)半徑附近的區(qū)域分布較密，而

2、在外半徑附近處，磁通密度較小，因此，實際磁路的有效截面積要小于環(huán)型試樣的實際截面。為了使環(huán)型試樣的磁路計算更符合實際情況，引入有效尺寸參數(shù)。有效尺寸參數(shù)為：有效平均半徑re，有效磁路長度le，有效橫截面積Ae，有效體積Ve。矩形截面的環(huán)型試樣及其有效尺寸參數(shù)計算公式如下。（1）（2） （3）（4）其中：r1為環(huán)型磁芯的內(nèi)半徑，r2為環(huán)型磁芯的外半徑，為磁芯高度。利用磁芯的有效尺寸可以提高測量的精確性，尤其是試樣尺寸不能滿足均勻磁化條件時，應(yīng)用等效尺寸參數(shù)計算磁性參數(shù)更合乎實際結(jié)果。材料的起始磁導(dǎo)率（）可通過對環(huán)型磁心施加線圈后測量其電感量（L）而計算得到。計算公式如式（5）所示。（5）其中：0

3、為真空磁導(dǎo)率，4×10-7 H·m-1；N為線圈匝數(shù)。磁性材料起始磁導(dǎo)率（µi）的定義式如式（6）所示。可知，起始磁導(dǎo)率的溫度特性依賴于材料磁感應(yīng)強(qiáng)度（B）的溫度特性，而磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁化強(qiáng)度（M）之間滿足式（7），因此可知，材料起始磁導(dǎo)率的溫度特性可反映材料磁化強(qiáng)度的溫度特性。根據(jù)郎之萬順磁性理論可知，磁性材料的磁化強(qiáng)度大小嚴(yán)重依賴于溫度變化。隨著溫度升高，磁性材料可鐵磁性或亞鐵磁性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾判誀顟B(tài)，此時對應(yīng)的臨界溫度為磁性材料的居里溫度（Tc）。對于鐵氧體材料來說，次晶格上的離子種類和占位情況會影響次晶格間的超交換作用，從而對材料溫度特性產(chǎn)生影響。（6）B=

4、0(H+M) （7）磁心LCRZ測量儀測量實驗裝置如下圖所示。 高低溫試驗箱(三)、實驗內(nèi)容：通過對材料起始磁導(dǎo)率溫度曲線的測量，確定居里溫度，分析強(qiáng)磁性物質(zhì)離子占位分布對自發(fā)磁化強(qiáng)度的溫度特性以及對超交換作用的影響，進(jìn)而表征磁特性參數(shù)的溫度特征。(四)、實驗步驟：1、將LCRZ測量儀開機(jī)預(yù)熱10分鐘，并進(jìn)行開路和短路較準(zhǔn)。2、準(zhǔn)確測量待測環(huán)型樣品的內(nèi)徑r1、外徑r2和高h(yuǎn)。3、對待測樣品繞10匝線圈后將其置于高低溫試驗箱中。首先測量室溫下待測樣品的電感量，然后分別調(diào)節(jié)溫度至-30、-10、50、70、80、90、100、110和120，測量不同溫度下待測樣品的電感量。4、根據(jù)電感量計算材料起

5、始磁導(dǎo)率，并計算材料居里溫度。根據(jù)上述測量結(jié)果分析強(qiáng)磁性物質(zhì)離子占位分布對自發(fā)磁化強(qiáng)度的溫度特性以及對超交換作用的影響。(五)、實驗注意事項1. 當(dāng)高低溫箱工作室溫度（PV值）60時禁止起動高低溫箱“制冷”功能！2. 高低溫箱照明燈不宜長亮！3. 請勿撥動超溫設(shè)置撥盤開關(guān)！二、電阻率測試及磁損耗響應(yīng)特性分析（一）、實驗?zāi)康牧私馑奶结樂y量材料電阻率的原理和倍乘電壓表法測量測量材料磁損耗的原理，并學(xué)會結(jié)合磁損耗產(chǎn)生機(jī)制對磁損耗進(jìn)行分離，探討電阻率對材料損耗的影響。（二）、實驗原理軟磁鐵氧體磁芯的總損耗Pcv主要由磁滯損耗Ph、渦流損耗Pe和剩余損耗Pr三部分組成，如式（1）所示。在鐵氧體磁芯工作

6、時，Ph、Pe和Pr通常都是疊加在一起難以分離。但是可采用約旦（Jordan）法對各損耗進(jìn)行分離。 (1)在比較低的頻率下，材料的渦流損耗與樣品的厚度d2和頻率f 2成正比，而與電阻率成反比，即：PeKeB2f 2d 2/，其中Ke為常數(shù)。由此可見，降低渦流損耗的關(guān)鍵是減小樣品的厚度d（或半徑R）和提高材料的電阻率。對于多晶MnZn鐵氧體，電阻率包括晶粒內(nèi)部與晶粒邊界兩個部分。因此，提高電阻率也應(yīng)從兩個方面入手。電阻率的測量采用四探針法，其原理如下。四探針法測量樣品電阻率是以針距約為1mm的四根金屬探針同時排成一直線，并以一定的壓力壓在平整的樣品表面，如圖1所示。在1、4兩根探針間通過電流I，

7、則在2、3探針間產(chǎn)生電位差V。 材料電阻率 =C(-cm) (2) 式中C為探針修正系數(shù)，由探針的間距決定。 當(dāng)樣品電阻率分布均勻時，試樣尺寸滿足半無窮大條件時， (cm) (3) 式中：S1、S2、S3分別為探針1與2，2與3，3與4之間的間距。每個探頭都有自己的系數(shù)。C6.28±0.05(cm)。 若取電流值I=C時，則=V，即可由數(shù)字電壓表直接讀出。由于塊狀或棒狀樣品外形尺寸遠(yuǎn)大于探針間距，符合半無窮大邊界條件，電阻率可直接由（2)式求出。磁損耗的測量采用倍乘電壓表法，其原理如圖所示。無抗取樣電阻R與被測磁芯Lx串聯(lián)，R兩端電壓和Lx兩端電壓分別接到倍乘（乘積）電壓表得兩個通道

8、，該電壓表指示出兩個電壓瞬時值乘積的平均值，這個平均值正比于磁芯的總功耗P=()=K。該式中，()為組合線圈兩端的電壓和通過它的電流乘積得時間平均值；為電壓表讀數(shù)；K為電表常數(shù)，由兩個通道的靈敏度、測量電流的電阻器R的數(shù)值和表頭刻度的滿度偏轉(zhuǎn)來決定。圖2倍乘電壓表法測功耗原理 圖2中，G：大功率信號源，要求能供給規(guī)定的電壓和電流，波形要在規(guī)定的容限以內(nèi)，若規(guī)定用正弦波，諧振總含量應(yīng)小于1%。平均值檢波電壓表UAV：用于被測磁芯線圈兩端的平均值電壓的檢測，測量誤差小于1%。（三）、實驗內(nèi)容測量材料的電阻率和不同頻率、溫度及磁感應(yīng)強(qiáng)度下材料損耗，結(jié)合磁損耗產(chǎn)生機(jī)制進(jìn)行損耗分離，并探討降低途徑，從導(dǎo)

9、電機(jī)制分析鐵氧體電阻率對材料渦流損耗的影響。（四）、實驗步驟1. 材料電阻率的測量（1）測試準(zhǔn)備將220V電源插頭插入電源插座，電源開關(guān)置于斷開位置，工作選擇開關(guān)置于“短路”位置，電流開關(guān)處于彈出切斷位置。將測試架的插頭和主機(jī)的輸入插座相連，松開測試架立柱處的高度調(diào)節(jié)手輪，將探頭調(diào)節(jié)到適當(dāng)?shù)奈恢煤透叨?，測試樣品應(yīng)進(jìn)行清潔處理，放于樣品架上，使探針能與表面良好接觸，并保持一定的壓力，調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度使之達(dá)到要求的測試條件。（2）測量電流的調(diào)節(jié)將電源開關(guān)置于開啟位置，數(shù)字顯示亮，儀器通電預(yù)熱1小時。工作選擇開關(guān)置于“1調(diào)節(jié)”位置，電流量程開關(guān)與電壓量程開關(guān)必須放于相對應(yīng)的任一組的量程上。按下電流開關(guān)，

10、調(diào)節(jié)電流電位器，可以使電流輸出在010.00范圍內(nèi)，調(diào)節(jié)到數(shù)字顯示出測量所需要的電流值（塊狀或棒狀樣品為6.28；薄片樣品為4.53）。 （3） 測量 極性開關(guān)撥至上方，工作狀態(tài)選擇開關(guān)置于“測量”，撥動電流量程開關(guān)和電壓量程開關(guān)，置于樣品測量所適合的電流、電壓量程范圍，調(diào)節(jié)電壓表的粗調(diào)和細(xì)調(diào)調(diào)零，使數(shù)字顯示為“000”，按下電流開關(guān)輸出恒定電流，即可由數(shù)字顯示板和單位顯示燈直接讀出測量值。如果數(shù)字出現(xiàn)閃爍，則表明測量值已超過此電壓量程，應(yīng)將電壓量程開關(guān)撥到更高檔；讀數(shù)后切斷電流開關(guān)，數(shù)字顯示將恢復(fù)到零位。在儀表處于高靈敏電壓檔時要經(jīng)常檢查零位。 再將極性開關(guān)撥至下方（負(fù)極性），按下電流開關(guān)，

11、從數(shù)字顯示板和單位顯示燈可以讀出負(fù)極性的測量值。 將兩次測量獲得的電阻率值取平均，即為樣品在該處的電阻率值。 2. 材料磁損耗的測量 （1）測試電壓選擇 根據(jù)測試條件及被測磁芯，按照下式計算測試電壓： V=4.44×f×B×Ae×N×10-4 式中： f為測試頻率（KHz）；B為測試磁感應(yīng)強(qiáng)度(mT)；N為測試線圈匝數(shù)；Ae為磁芯有效截面積 (cm2)。（2）連接 （3）測試 首先開啟2335功率表電源。然后將信號源輸出置于“斷”狀態(tài)，并將衰減器置于大于60dB的位置，細(xì)調(diào)電位器左旋至底，選擇好輸出電壓端接線，開啟信號源電源。 對待測磁芯進(jìn)行尺

12、寸測量后繞線，計算不同測試頻率對應(yīng)的測試電壓。將待測磁芯接入測量端口。 將2335功率表置于auto和rms、P或P×10狀態(tài)，然后將信號源置于“通”狀態(tài)，逐漸升高電壓到所計算的值，在升壓過程中，注意電流應(yīng)無突升現(xiàn)象。 由2335功率表讀出磁芯的總功耗，計算比功耗。并根據(jù)約旦損耗分離對f=1000kHz下的總損耗進(jìn)行損耗分離。 測量條件如下表所示B=100mT時，測試頻率 f (kHz)1003005007009001000f=200kHz時，測試磁感應(yīng)強(qiáng)度B(mT)50100200 關(guān)機(jī)時，按照3.1條反順序進(jìn)行。（五）、注意事項1. 儀器要先預(yù)熱。2. 樣品表面需進(jìn)行清潔處理，并

13、保持干燥。3. 四探針測量儀再中斷測試時應(yīng)將工作選擇開關(guān)置于“短路”位置，電流開關(guān)置于彈出斷開位置。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)和儀器性能關(guān)系可知，為保證測試精度，推薦以下電流、電壓量程組合。電流電阻率電壓0.2mV2mV20mV200mV2V100mA10-410-310-310 mA10-310-210-11 mA10-11201050102103100A20050010310410A1054. 更換樣品時，必須將功耗儀電壓降低至2V以下。5. 禁止輸出短路！三、磁致伸縮系數(shù)測量與分析一、實驗?zāi)康?1. 掌握通過應(yīng)變電阻阻值變化測試材料磁致伸縮系數(shù)的原理和方法。 2. 理解磁致伸縮系數(shù)與磁化場H之間的關(guān)系

14、。 3. 通過磁場對材料磁致伸縮系數(shù)的影響，探討磁致伸縮的起源。二、實驗原理磁體在外磁場中磁化時，其形狀與體積發(fā)生變化，這種現(xiàn)象叫磁致伸縮。表征磁致伸縮的磁性參數(shù)為磁致伸縮系數(shù)，當(dāng)磁場H達(dá)到飽和磁化場時，縱向磁致伸縮為一確定值s，飽和磁致伸縮系數(shù)。圖1應(yīng)變電阻片法測量材料磁致伸縮系數(shù)原理圖如圖1，將應(yīng)變電阻粘結(jié)于待測材料上，并對待測材料所繞線圈通直流電流，在線圈產(chǎn)生的磁場作用下，磁體的尺寸將發(fā)生變化，并給應(yīng)變電阻施加應(yīng)力，從而改變了應(yīng)變電阻的電阻值，通過測定應(yīng)變電阻阻值的變化，可以分析出當(dāng)前磁場強(qiáng)度下磁體尺寸的變化量（即磁致伸縮系數(shù)）。和應(yīng)變電阻片阻值之間的關(guān)系如式（1）所示。 (1) 其中：

15、K為應(yīng)變電阻片的靈敏系數(shù)。應(yīng)變式傳感器是目前應(yīng)用最廣泛的傳感器之一。應(yīng)變電阻片法是將磁致伸縮形變應(yīng)變量轉(zhuǎn)換成電阻變化，通過測量電阻的變化而測定的方法。應(yīng)變片它主要由電阻敏感柵、基底和面膠(或覆蓋層)、粘結(jié)劑、引出線五部分組成。應(yīng)變片結(jié)構(gòu)圖見圖2。圖2應(yīng)變電阻片結(jié)構(gòu)1覆蓋層；2基底；3引出線；4粘合劑；5敏感柵為了精確測量磁性材料的磁致伸縮系數(shù)，可采用非平衡電橋法進(jìn)行測量，如圖3所示。圖3測量磁致伸縮系數(shù)的電橋R1=R2=R3=R4=R,R=R1，單臂工作時，只有一臂工作，即R1+R1，假設(shè)流過放大器的電流為Ig，則磁致伸縮系數(shù)可通過式（2）計算。（2）其中：Rg為放大器的內(nèi)阻。三、實驗內(nèi)容1.

16、熟悉TH2512B型智能低電阻測試儀。2.利用智能低電阻測試儀和應(yīng)變電阻測試磁體的飽和磁致伸縮系數(shù)s。四、實驗步驟 1. 開機(jī)預(yù)熱 TH2512B型智能低電阻測試儀開機(jī)，測試前必須預(yù)熱10分鐘以上，以等待儀器內(nèi)部線路電參數(shù)穩(wěn)定。 2. 將應(yīng)變電阻片粘結(jié)于磁體上，測量應(yīng)變電阻的阻值。應(yīng)變電阻片型號為BF350-3AA(11)，電阻值為350.5±0.1，靈敏系數(shù)為2.08±1。 3. 調(diào)節(jié)電磁鐵磁極間的間距，把粘有應(yīng)變電阻片的待測樣豎直地置于電磁鐵的磁極中央位置。4. 開啟電磁鐵的充電裝置，并置于“充磁”狀態(tài)。5. 按下On點動鍵，對待測樣進(jìn)行充磁。逐漸增加電流至10 A，電

17、磁鐵中產(chǎn)生的直流場也會相應(yīng)地增加。變化的磁場使待測樣品的長度逐漸發(fā)生變化，最后趨于飽和狀態(tài)。應(yīng)變電阻的阻值也會相應(yīng)地發(fā)生變化，并趨于穩(wěn)定。 5. 逐漸減小電流至零，撤消施加于樣品上的磁場。然后按下“退磁”鍵，并按“OFF”點動鍵。6. 根據(jù)應(yīng)變電阻的阻值變化，可計算得到磁體的飽和磁致伸縮系數(shù)s。五、注意事項1. 對待測樣品清洗干凈后，將應(yīng)變電阻片與待測樣品保持良好粘合。2. 勿對電磁鐵進(jìn)行長時間通入5A以上的大電流！3. 低電阻測量儀的注意事項如下：（1）零點和清零 當(dāng)使用20m和200m量程時，應(yīng)首先清零，而在其他量程時一般不用清零。測試時，使用者可先選定量程，再把測試夾互夾，使S+端和S-

18、端直接接觸，D+端和D-直接接觸，并保持良好的接觸。具體地說：使兩個測試夾有引出測試線的兩金屬片直接接觸，無引出測試線的兩金屬片直接接觸。若儀器顯示不為零時，按前面板清零鍵，則清零ON指示燈亮，儀器清零。（2）在20m和200m量程時不要長時間開路。 在此兩個量程時，輸出測試端電壓被鉗制在0.8V，若長時間開路，則當(dāng)量程切換到高阻抗量程時，測試端開路時顯示無法顯示UUUU，而會呈現(xiàn)數(shù)字亂跳的現(xiàn)象。（3）儀器所處的量程的識別 本儀器有從20m和20k七個量程，要正確選擇量程，必須先會識別當(dāng)前儀器所處的量程。方法如下：對于每一量程，儀器有固定的單位和小數(shù)點指示?？梢杂?0000填滿儀器的五個數(shù)碼管

19、，再依照小數(shù)點和單位的指示就可讀出當(dāng)前的量程。例如：當(dāng)前單位指示m,小數(shù)點在第二位，則儀器處在20.000m量程檔，即此檔最大能測試20.000m，最小適宜測試2.0000m的電阻。四、磁化強(qiáng)度測量與分析(二) 、實驗?zāi)康模豪么盘炱綔y試表征材料的自發(fā)磁化強(qiáng)度，通過測量材料的飽和磁化強(qiáng)度Ms，加深對自發(fā)磁化的理解，探討分析鐵磁性物質(zhì)的自發(fā)磁化機(jī)制。(三)、實驗原理及方法：根據(jù)磁性物質(zhì)在非均勻磁場中的受力原理實現(xiàn)Ms測量，其方法為磁天平法，如圖所示。磁天平工作原理示意圖設(shè)一小球樣品處在非均勻磁場中，樣品質(zhì)量為m、體積V，則樣品在此非均勻磁場中沿任意軸向(=x,y,z)所受的力為：或式中s為單位質(zhì)

20、量的飽和磁化強(qiáng)度，稱為比飽和磁化強(qiáng)度。顯然，其中d為試樣密度如果磁場的不均勻只表現(xiàn)在Z方向。則， ，或?qū)嶋H測量中，即磁場梯度難以精確測量，因而，一般采用相對法測量，如圖所示，無磁場時，天平平衡時砝碼重量(W1),加磁場后，由于Fz的作用，需要增加砝碼來達(dá)到新的平衡，當(dāng)天平重新平衡時(W2)有：式中g(shù)重力加速度W加磁場前后砝碼之差將標(biāo)準(zhǔn)樣品置于同樣的非均勻磁場中，則有：聯(lián)立，標(biāo)準(zhǔn)式樣一般采用密度為8.90g.cm-3，純度99.9的Ni球，其飽和磁化強(qiáng)度Ms0485.6 KA.m-1。(三)、實驗內(nèi)容： 測量鐵磁性小球的磁化強(qiáng)度，并分析其自發(fā)磁化的起源機(jī)制。(四)、實驗步驟：1、接通FMA磁天平

21、電源，預(yù)熱10分鐘。2、檢查電流和磁場指示，用調(diào)零旋紐將電流和磁場置于零點。3、放入標(biāo)準(zhǔn)樣品，調(diào)節(jié)分析天平，測出磁場H0時的重量并記錄4、調(diào)節(jié)電流線圈電流，增加磁場H(30mT、60mT、90mT等)，調(diào)節(jié)分析天平，測出磁場H為某一確定數(shù)值時的重量并記錄，算出公式W。5、將磁場恢復(fù)到零，放入待測小球樣品，重復(fù)步驟3、4，算出W。6、代入標(biāo)準(zhǔn)樣品參數(shù)，算出代測小球樣品的s(或Ms)。(五)實驗注意事項1、調(diào)節(jié)電流及磁場旋紐應(yīng)輕緩。2、不可在分析天平處于測量狀態(tài)時增減砝碼。3、微量的鐵磁性雜質(zhì)對測量結(jié)果影響很大，所以應(yīng)特別注意防止樣品管內(nèi)外雜質(zhì)的沾染4、磁天平處于水平狀態(tài)，所以不得挪動儀器。5、測

22、試樣品時，應(yīng)關(guān)閉玻璃門窗，對整機(jī)不得振動。五、磁滯回線和飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度測量（一）、實驗?zāi)康膶W(xué)會測量不同磁場下磁滯回線，并計算材料飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度，探討磁場對磁感應(yīng)強(qiáng)度的影響。（二）、原理及測量裝置 同實驗二的CH2335功耗測試儀。（三）、實驗內(nèi)容測量不同磁場下磁滯回線，計算材料飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度，探討磁場對磁感應(yīng)強(qiáng)度的影響。（四）、實驗步驟1. 將GHY-6儀器后板上的X(H)和Y(B)接口與示波器對應(yīng)的X、Y接口相連接。然后打開GHY-6乘積法功耗測試儀，預(yù)熱10分鐘。2將W1（功率）向左旋至最小，接通電源，B、E之間接被測電感Lx；A、E之間接諧振電容Cx，預(yù)熱5分鐘后，調(diào)節(jié)W2（調(diào)零）使D（

23、功耗）指示為0。3將S1（頻率）置于測試頻率，S4（電壓）置于適當(dāng)?shù)臋n位（按工作的磁感應(yīng)強(qiáng)度計算Lx上的電壓），S5（檔位）置于0.1檔，S3（電流）置于適當(dāng)?shù)臋n位，使M1（電流表）的指示值盡量大而又不超出滿刻度值。4調(diào)節(jié)W1和Cx使被測電感Lx在諧振情況下加上規(guī)定的電壓（這樣判斷諧振，單獨調(diào)節(jié)Cx使M1和M2（電壓表）都指示最大）記下D的讀數(shù)。5S3、S4、S5開關(guān)下面標(biāo)有各量程對應(yīng)的倍率值，將D的讀數(shù)乘以S3、S4及S5的倍率就得到Lx的功耗，單位是瓦（W）。與此同時，可以通過示波器觀察到B-H回線隨頻率及外加電壓的變化。（五）、注意事項1. 開關(guān)S5的0.2檔是在測試損耗特別大的樣品或純電阻時用的。2. 如果得到限幅報警的叫聲，應(yīng)將S2提到高一檔的位置。3. 在功