型材料磁性综合测量仪说明书修订模板

资料内容仅供您学习参考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删除。仪器使用说明TEACHER'SGUIDEBOOKFD-VSMG-A材料磁性综合测量仪中国.上海复旦天欣科教仪器有限公司ShanghaiFudanTianxinScientific&EducationalInstrumentsCo.,Ltd.FD-VSMG-A型材料磁性综合测量仪一、概述振动样品磁强计、表面磁光克尔效应、磁致伸缩系数测量和磁天平都是测量物质磁学性能的重要手段。振动样品磁强计是一种高灵敏度的磁矩测量仪器,它采用电磁感应原理,测量在一组探测线圈中心以固定频率和振幅作振动的样品的磁矩。表面磁光克尔效应是利用光的偏振态的转变来测量铁磁物质表面的磁学性质,灵敏度能够达到一个原子层厚度。磁致伸缩效应是指铁磁体在被外磁场磁化时,其体积和长度将发生变化的现象,其长度的变化是人们研究应用的主要对象。磁天平主要在研究分子结构中用古埃法测量顺磁和逆磁磁化率,进而求得永久磁矩和未成对电子数。以上测量手段的最大的共同点在于都必须使用电磁铁来产生磁场,为了生成较大的且可变的磁场,电磁铁必须做得笨重,而且造价昂贵。若要以这四种测试手段为目的制造或购买四种分立的测试仪器,即相当于需要制造或购置四台电磁铁,而且控制与信号处理系统也分别需要四套设备,其花费相当之高。为了克服分立的测试仪器所带来的高成本和高花费,上海复旦天欣科教仪器有限公司研制出了FD-VSMG-A型材料磁性综合测量仪,该系统将振动样品磁强、表面磁光克尔效应计、磁致伸缩系数测量和磁天平四种测试手段融合在一个测试系统当中,共用同一台电磁铁,整合了信号处理系统,从而大大降低了分别购置多种仪器的费用与测试的成本。而且在磁致伸缩效应的测量上使用了独特的方式使得操作更为方便,灵敏度更高。利用FD-VSMG-A型材料磁性综合测量仪,各高校及研究机构在有限的资金条件下,能够进行更多的测试与研究。该仪器能够用于大专院校物理专业近代物理实验,也可用于相关磁学测量研究实验。二、仪器简介FD-VSMG-A型材料磁性综合测量仪主要由电磁铁系统、振动源、光路系统、微位移测量系统、主机控制系统、实验平台、电子天平(选配)以及电脑(选配)组成。图1FD-VSMG-A型材料磁性综合测量仪实验装置三、技术指标1．实验平台 台面材料:铝合金氧化芯板结构:矩形构架,底部防震台面尺寸:1.6m×1.2m2．电磁铁 磁隙中心宽度:0-50mm连续可调精密恒流电源:0-7.5A连续可调3．半导体激光器 输出功率:2mW左右中心波长:650nm最小光斑直径:1mm左右4．偏振棱镜 格兰-汤普逊棱镜通光孔径:8mm外盘分辨率:1o外盘转动量程:0-360o测微头量程:10mm测微分辨率:0.01mm游标角度测量分辨率:1.9分左右5．振动源 频率:15-20Hz左右连续可调振幅:3mm左右6．控制指示 S.E.V信号显示:量程-19.99—19.99V,分辨率0.01V磁场信号显示:量程-19.99—19.99V,分辨率0.01V扫描电源显示:量程-19.99—19.99A,分辨率0.01A特斯拉计显示:量程-1999—1999mT,分辨率1mT光功率计显示:四档分别为2、20、200、2 最大量程0-1.999,最小分辨率0.0017．信号检测 振动样品磁强计测量磁化强度的精度克尔信号检测的灵敏度达亚毫度级测量磁致伸缩系数时,位移传感器的分辨率优于四、实验项目1．用振动样品磁强计测量磁性材料样品的饱和磁化强度;2．测量表面磁光克尔效应的偏转角曲线;3．测量磁性材料样品的磁致伸缩系数;4．用古埃磁天平测量物质的磁化率。五、注意事项1．切勿直视激光器,以免对眼睛造成伤害;2．光学元件须在防尘、干燥处保存;3．电磁铁工作时,请将磁卡、手表等易受磁性影响的私人物品远离;4．超磁致伸缩样品在固定时不可施加太大压力,否则可能导致样品崩坏。

振动样品磁强计测量磁化曲线实验【实验目的】1．了解振动样品磁强计测量铁磁材料磁化曲线的原理;2．用已知磁化曲线的镍球对振动样品磁强计进行定标;3．用振动样品磁强计测量锰锌铁氧体小球的磁化曲线,计算饱和磁化强度。【实验原理】如果将一个球状磁体置于磁场中,则此样品外一定距离的探测线圈感应到的磁通可被视作外磁化场及由该样品带来的附加磁场之和。多数情况下测量者更关心的是这个附加磁场量值。在磁测领域,区分这种扰动与环境磁场的方法有很多种。例如,能够让被测样品以一定方式振动,探测线圈感应到的样品磁通信号因此不断快速的交变,保持环境磁场等其它量不作任何变化,即可实现这一目的。这是一种用交流信号完成对磁性材料直流磁特性测量的方法。因为在测试过程中,恒定的环境磁场能够直接扣除,而有用信号则能够经过控制线圈位置,振动频率、振幅等得以优化。振动样品磁强计(以下简称VSM)正是基于上述理论。VSM是一种高灵敏度的磁矩测量仪器。它采用电磁感应原理,测量在一组探测线圈中心以固定频率和振幅作微振动的样品的磁矩。对于足够小的样品,它在探测线圈中振动所产生的感应电压与样品磁矩、振幅、振动频率成正比。在保证振幅、振动频率不变的基础上。用锁相放大器测量这一电压,即可计算出待测样品的磁矩。VSM能够实现很高灵敏度的测量,商业产品的磁矩灵敏度往往优于10-9,精确地调整样品与线圈的耦合程度能够使这一灵敏度提高至10-12。另一方面,用VSM进行磁矩测量的范围上限能够达到0.1或更高。假设一个小样品具有磁矩并可被等同为一个点,并将此样品放在一个半径为的测试线圈平面上,若将此样品看作一个偶极子处理,即一个小环形电流,其电流强度为,面积为,因此。以探测线圈为原点,设偶极子所在位置为,再假设在测试线圈中同时存在一个电流,此时这两个环形电流可认为互相耦合。类似于互感器,它们之间具有互感系数,两者之间的磁通为:或,前者为从线圈链向磁偶极子的磁通,后者相反。探测线圈在磁偶极子处产生平行于轴的磁感应强度。这里定义一个重要的特征参数——探测线圈常数。从线圈链向磁偶极子的磁通还能够写为,则互感系数为:于是偶极子链向探测线圈的磁通最终能够写为:推而广之,如果偶极子处于更一般的位置,则有:其中,如果这个偶极子以的速度移动,那么探测线圈中产生的即时感应电压则为:举一个简单的例子,图1a所示的一对串联线圈能够产生轴向的磁场,两线圈完全相同,半径为,间距为(若即是所谓的亥姆霍兹线圈)。将一个磁矩为可等同为磁偶极子的样品放入线圈中心,并以速度移动,则有其中,而称为灵敏函数。图1b,表示相对灵敏函数。图1a.半径为,间距为的一对完全相同的串联线圈b.距离分别是,,时相对灵敏函数与偏离位移曲线c.偏离范围内的灵敏函数曲线图1b中为两线圈半径为,距离分别是,,时,相对于磁偶极子偏离中心所移动距离而得到的相对灵敏函数关系曲线。从图中能够看出,当时,灵敏函数在中心位置处变化最平缓,即具有最好的均匀性。从图中我们还能够看出这三种设计的中心点处都为0,这是由线圈的对称结构所决定。在线圈的设计和其位置的选择过程中,往往需要这样的鞍点(即图1b中中心处平坦的顶点),这是因为在鞍点附近,线圈能够最大限度地对样品所处的位置不敏感。对于一个在中心点以小振幅振动的样品来说,能够放心地认为,下式更能说明这一点,若一个样品在中心处作简谐振动,,则线圈中的感应电压即为: (1)如果处于鞍区,即,则仅与样品的磁矩,振动频率和振幅有关,而排除了灵敏函数的影响,这为测量提供了极大的便利条件。比例系数C一般利用定标法测定,因此只要测量出感应电压,即可得到样品的磁矩。本公司研制的振动样品磁强计采用的是四线圈结构,又称为Mallinson结构,是VSM设备中最为常见的线圈设计。两组串联反接的线圈能够增大感应信号,使外界噪音减小到最小程度,还能减小样品在非测量方向上的微小震动所产生的干扰信号。【实验装置】实验装置主要由四部分组成:电磁铁及控制电源;探测线圈组和锁相放大器:探测样品信号,并由锁相放大器放大后输入电脑记录处理;振动源、振动杆及样品盒:使样品产生振动;计算机及数据处理系统。图2振动样品磁强计实验装置图【实验内容】磁场中心磁感应强度B与磁场信号关系定标将两磁极调整至一适当的间隙,调节”磁场信号”的倍率、增益及电平至一适当值,使电压信号始终在0.20—3.00V的范围内。将特斯拉计信号线接至主机”外侧磁场输入”端,磁铁电源调至”手动”档,特斯拉计调至”外测”档并调零,而后将特斯拉计探头置于磁场中心,手动调节磁铁电源对磁场信号与磁感应强度关系进行测量,并作出磁场中心磁感应强度B与磁场信号的关系曲线。把用最小二乘法拟合所得的斜率k及截距b代入公式 (2)根据公式(2)即可将计算机采集所得的磁场信号换算成磁感应强度B。用已知饱和磁矩的镍球标定探测线圈的输出电压与磁化强度的关系(1)将探测线圈组固定在底座上,使探测线圈的轴线与磁场方向平行,将探测线圈的信号线接至主机”磁强计输入”端,而内测磁场用的霍尔传感器的信号线接至主机”磁路输入”端,并将S.E.V信号调至”振动”档。(2)已知镍的饱和比磁化强度,密度,测量定标用镍球的直径,计算样品镍球的饱和磁化强度 (3)将镍球固定在振动杆顶端的样品盒内,放入探测线圈组中间的通孔内,使样品盒位于探测线圈组鞍区内,振动杆另一端与振动源相连接。(3)启动振动源,调节”振动频率”至15-20Hz左右,调整”前置放大”及S.E.V信号的倍率N及增益,使信号增益至一适当量值且S.E.V信号为0.8-1.2V左右,而且在磁铁电源电流从0调至最大的过程中,S.E.V信号始终保持在0.2-2V之间,而后将磁铁电源电流也调至一适当值,拨到”自动”档。(4)打开计算机软件执行程序,”功能选择”中选择”振动”,”周期选择”选择双周,”扫描时间”建议选择”20秒”,”显示方式”建议选择”合成”,使显示的坐标轴横轴为磁场信号,纵轴为磁强计S.E.V信号的采样值,”操作”中选择”启动”使系统开始自动控制磁场电流并采集数据。待”实验数据”表格中的数据不再增加,说明采集完毕,在”操作”中选择”停止”,然后选择”数据存盘”,数据表格中的数据便会自动导出为xls文件,文件名包含保存的日期和时间。(5)使用计算机软件对数据进行自动采集,保存并导出数据,从数据中找到在正、反向磁场情况下样品镍球磁化饱和时感应电压的值和。计算出,那么根据式(1),待测样品的磁化强度就可表示为 (4)其中为无磁场时的值,n为待测样品的放大倍率。锰锌铁氧体多晶小球磁化曲线的测量及其饱和磁化强度的计算将样品盒内样品跟换为锰锌铁氧体多晶小球,适当选择待测样品的S.E.V信号倍率n,再使用计算机软件对数据进行自动采集,保存并导出数据。利用式(2)处理磁场信号,得出磁化强度M作为横坐标,利用式(4)处理感应电压信号,得出磁场强度作为纵坐标,即可画出锰锌铁氧体多晶小球的磁化曲线。从导出的数据中找到待测样品磁化饱和时的和,代入公式 (5)即可求得其饱和磁化强度。【实验数据】(注:以下数据不作为仪器验收标准,仅供实验时参考)磁场中心磁感应强度B与电磁铁电流值I关系定标表1磁场中心磁感应强度B与电磁铁电流值I定标数据UB/V0.280.330.380.430.480.540.590.640.68B/mT-323-250-170-85-578158243319图3磁场中心磁感应强度B与电磁铁电流值I关系图用最小二乘法法作直线拟合,求得斜率,截距。2．用已知饱和磁矩的镍球标定探测线圈的输出电压与磁化强度的关系图4镍球电压UV与磁场信号UB的关系曲线样品镍球的直径,则其质量,那么根据式(3),样品镍球的饱和磁化强度S.E.V信号的倍率,将自动采集的数据导出(表略),可知在正、反向磁场情况下,样品磁化饱和时,S.E.V信号的幅度分别为,,则,那么根据式(4),样品的磁化强度可表示为3．锰锌铁氧体多晶小球磁化曲线的测量及其饱和磁化强度的计算图5测量锰锌铁氧体多晶小球UV与磁场信号UB的关系曲线S.E.V信号的倍率,将自动采集的数据导出(表略),可知,。根据定标数据比对换算,作出锰锌铁氧体多晶小球的磁化曲线如图6。图6锰锌铁氧体多晶小球的磁化曲线将和代入式(4),可得样品的饱和磁化强度

表面磁光克尔效应实验【实验目的】1．了解表面磁光克尔效应产生的原理;2．测量表面磁光克尔效应的偏转角曲线。【实验原理】磁光效应有两种:法拉第效应和克尔效应,1845年,MichaelFaraday首先发现介质的磁化状态会影响透射光的偏振状态,这就是法拉第效应。1877年,JohnKerr发现铁磁体对反射光的偏振状态也会产生影响,这就是克尔效应。克尔效应在表面磁学中的应用,即为表面磁光克尔效应(surfacemagneto-opticKerreffect)。它是指铁磁性样品(如铁、钴、镍及其合金)的磁化状态对于从其表面反射的光的偏振状态的影响。当入射光为线偏振光时,样品的磁性会引起反射光偏振面的旋转和椭偏率的变化。表面磁光克尔效应作为一种探测薄膜磁性的技术始于1985年。图1表面磁光克尔效应原理如图1所示,当一束线偏振光入射到样品表面上时,如果样品是各向异性的,那么反射光的偏振方向会发生偏转。如果此时样品还处于铁磁状态,那么由于铁磁性,还会导致反射光的偏振面相对于入射光的偏振面额外再转过了一个小的角度,这个小角度称为克尔旋转角。同时,一般而言,由于样品对p光和s光的吸收率是不一样的,即使样品处于非磁状态,反射光的椭偏率也发生变化,而铁磁性会导致椭偏率有一个附加的变化,这个变化称为克尔椭偏率。由于克尔旋转角和克尔椭偏率都是磁化强度的函数。经过探测或的变化能够推测出磁化强度的变化。按照磁场相对于入射面的配置状态不同,磁光克尔效应能够分为三种:极向克尔效应、纵向克尔效应和横向克尔效应。图2极向克尔效应1．极向克尔效应:如图2所示,磁化方向垂至于样品表面而且平行于入射面。一般情况下,极向克尔信号的强度随光的入射角的减小而增大,在入射角时(垂直入射)达到最大。图3纵向克尔效应2．纵向克尔效应:如图3所示,磁化方向在样品膜面内,而且平行于入射面。纵向克尔信号的强度一般随光的入射角的减小而减小,在入射角时为零。一般情况下,纵向克尔信号中无论是克尔旋转角还是克尔椭偏率都要比极向克尔信号小一个数量级。正是这个原因纵向克尔效应的探测远比极向克尔效应来得困难。但对于很多薄膜样品来说,易磁轴往往平行于样品表面,因而只有在纵向克尔效应配置下样品的磁化强度才容易达到饱和。因此,纵向克尔效应对于薄膜样品的磁性研究来说是十分重要的。图4横向克尔效应3．横向克尔效应:如图4所示,磁化方向在样品膜面内,而且垂至于入射面。横向克尔效应中反射光的偏振状态没有变化。这是因为在这种配置下光电场与磁化强度矢积的方向永远没有与光传播方向相垂直的分量。横向克尔效应中,只有在偏振光(偏振方向平行于入射面)入射条件下,才有一个很小的反射率的变化。图5常见SMOKE系统的光路图以下以极向克尔效应为例详细讨论SMOKE系统,原则上完全适用于纵向克尔效应和横向克尔效应。图5为常见的SMOKE系统光路图,氦－氖激光器发射一激光束经过偏振棱镜1后变成线偏振光,然后从样品表面反射,经过偏振棱镜2进入探测器。偏振棱镜2的偏振方向与偏振棱镜1设置成偏离消光位置一个很小的角度,如图6所示。样品放置在磁场中,当外加磁场改变样品磁化强度时,反射光的偏振状态发生改变。经过偏振棱镜2的光强也发生变化。在一阶近似下光强的变化和磁化强度呈线性关系,探测器探测到这个光强的变化就能够推测出样品的磁化状态。图6偏振器件配置两个偏振棱镜的设置状态主要是为了区分正负克尔旋转角。若两个偏振方向设置在消光位置,无论反射光偏振面是顺时针还是逆时针旋转,反映在光强的变化上都是强度增大。这样无法区分偏振面的正负旋转方向,也就无法判断样品的磁化方向。当两个偏振方向之间有一个小角度时,经过偏振棱镜2的光线有一个本底光强。反射光偏振面旋转方向和同向时光强增大,反向时光强减小,这样样品的磁化方向能够经过光强的变化来区分。图6偏振器件配置在图2的光路中,假设取入射光为偏振(电场矢量平行于入射面),当光线从磁化了的样品表面反射时由于克尔效应,反射光中含有一个很小的垂直于的电场分量,一般<<。在一阶近似下有: (1)经过棱镜2的光强为: (2)将(1)式代入(2)式得到: (3)因为很小,因此能够取,,得到: (4)整理得到: (5)无外加磁场下: (6)因此有: (7)于是在饱和状态下的克尔旋转角为: (8)和分别是正负饱和状态下的光强。从式(8)能够看出,光强的变化只与克尔旋转角有关,而与无关。说明在图5这种光路中探测到的克尔信号只是克尔旋转角。在超高真空原位测量中,激光在入射到样品之前,和经样品反射之后都需要经过一个视窗。可是视窗的存在产生了双折射,这样就增加了测量系统的本底,降低了测量灵敏度。为了消除视窗的影响,降低本底和提高探测灵敏度,需要在检偏器之前加一个1/4波片。依然假设入射光为p偏振,四分之一波片的主轴平行于入射面,如图7所示:此时在一阶近似下有:。经过棱镜2的光强为:因为很小,因此能够取,,得到:因为角度取值较小,而且,因此: (9)在饱和情况下为: (10)此时光强变化对克尔椭偏率敏感而对克尔旋转角不敏感。因此,如果要想在大气中探测磁性薄膜的克尔椭偏率,则也需要在图5的光路中检偏棱镜前插入一个四分之一波片。如图7所示。图7SMOKE系统测量椭偏率的光路图如图5所示,整个系统由一台计算机实现自动控制。根据设置的参数,计算机经D/A卡控制磁场电源和继电器进行磁场扫描。光强变化的数据由A/D卡采集,经运算后作图显示,从屏幕上直接看到磁滞回线的扫描过程,如图7所示。表面磁光克尔效应具有极高的探测灵敏度。当前表面磁光克尔效应的探测灵敏度能够达到10－4度的量级。这是一般常规的磁光克尔效应的测量所不能达到的。因此表面磁光克尔效应具有测量单原子层、甚至于亚原子层磁性薄膜的灵敏度,因此表面磁光克尔效应已经被广泛地应用在磁性薄膜的研究中。虽然表面磁光克尔效应的测量结果是克尔旋转角或者克尔椭偏率,并非直接测量磁性样品的磁化强度。可是在一阶近似的情况下,克尔旋转角或者克尔椭偏率均和磁性样品的磁化强度成正比。因此,只需要用振动样品磁强计(VSM)等直接测量磁性样品的磁化强度的仪器对样品进行一次定标,即能获得磁性样品的磁化强度。另外,表面磁光克尔效应实际上测量的是磁性样品的磁滞回线,因此能够获得矫顽力、磁各向异性等方面的信息。【实验内容】1．仪器连接将半导体激光器电源线接至主机”DC3V输出”端,光电接收器的信号线接至主机”光路输入”端,将内测磁场用的霍尔传感器的信号线接至主机”磁路输入”端,将S.E.V信号调至”克尔”档。2．样品放置本仪器能够测量磁性样品,如铁、钴、镍及其合金。实验时将样品做成长条状,即易磁轴与长边方向一致,并对表面进行打磨抛光。将实验样品用双面胶固定在样品架上,并把样品架安放在磁铁固定架中心的孔内。这样能够实现样品水平方向的转动,以及实现极克尔效应和纵向克尔效应的转换。在磁铁固定架的一端有一个手柄,当放置好样品时,能够旋紧螺丝。这样能够固定样品架,防止加磁场时,样品位置有轻微的变化,影响克尔信号的检测。3．光路调整1)在入射光光路中,能够依次放置激光器、可调光阑、起偏棱镜(格兰－汤普逊棱镜),调节激光器前端的小镜头,使打在样品上的激光斑越小越好,并调节起偏棱镜使其起偏方向与水平方向一致,这样能使入射线偏振光为p光(仪器起偏棱镜方向出厂前已经校准,上面标注的角度为e光偏振方向)。另外经过旋转可调光阑的转盘,使入射激光斑直径最小。2)在反射接收光路中,能够依次放置可调光阑、检偏棱镜、双凸透镜和光电检测装置。因为光斑聚焦于样品表面,因此反射光光束发散角已经大于入射光束,调节小孔光阑,使反射光能够顺利进入检偏棱镜。在检偏棱镜后,放置一个长焦距双凸透镜,该透镜作用是使检偏棱镜出来的光汇聚,以利于后面光电转换装置测量到较强的信号。光电转换装置前部是一个可调光阑,光阑后装有一个波长为650nm的干涉滤色片。这样能够减小外界杂散光的影响,从而提高检测灵敏度。滤色片后有硅光电池,将光信号转换成电信号并经过屏蔽线送入控制主机中。3)起偏棱镜和检偏棱镜同为格兰－汤普逊棱镜,机械调节结构也相同。它由角度粗调结构和螺旋测角结构组成,而且两种结构合理结合,经过转动外转盘,能够粗调棱镜偏振方向,分辨率为1o,而且外转盘能够360o转动。当需要微调时,能够转动转盘侧面的螺旋测微头,这时整个转盘带动棱镜转动,实现由测微头的线位移转变为棱镜转动的角位移。因为测微头精度为0.01mm,这样经过外转盘的定标,就能够实现角度的精密测量。经过检测,这种角度测量精度能够达到2分左右,因为每个转盘有加工误差,因此具体转动测量精度须经过定标测量得到。3．实验操作1)实验时,经过调节起偏棱镜使入射光为p光,即偏振面平行于入射面。接着设置检偏棱镜的角度,使反射光与入射光正交,这时光电检测信号最小且未达到负饱和,记录此时螺旋测微头读数L0及电压表示数Imin。转动螺旋测微头,使检偏棱镜偏离消光位置且令输出的”S.E.V信号”幅度在1V左右(具体解释见原理部分),记录此时螺旋测微头读数L1及电压表示数I。2)调节信号控制主机上”磁场信号”的电平,使磁路信号大小为1V左右。这样做是因为采集卡的采集信号范围是0.2－3V。3)将电源控制主机上的”手动－自动”转换开关指向手动档,调节”电流调节”电位器,选择合适的最大扫描电流。因为每种样品的矫顽力不同,因此最大扫描电流也不同,实验时能够首先大致选择,观察电信号变化情况,然后再细调。经过观察励磁电源主机上的电流指示,选择好合适的最大扫描电流,然后将转换开关调至”自动”档。4)打开计算机软件执行程序,”功能选择”中选择”克尔”,”周期选择”选择双周,”扫描时间”建议选择”10秒”,”显示方式”建议选择”合成”,使显示的坐标轴横轴为磁场信号,纵轴为克尔S.E.V信号的采样值,”操作”中选择”启动”使系统开始自动控制磁场电流并采集数据。待”实验数据”表格中的数据不再增加,说明采集完毕,在”操作”中选择”停止”,然后选择”数据存盘”,数据表格中的数据便会自动导出为xls文件,文件名包含保存的日期和时间。5)若磁路信号或光路信号过小或过大溢出,则能够切换主机上的琴键开关以调节磁场信号或S.E.V信号的倍率至适当值,而后从实验操作1)开始重新调整。也能够将励磁电源主机上的”手动－自动”转换开关指向手动档,进行手动测量,然后描点作图。6)如果需要检测克尔椭偏率时,在检偏棱镜前放置四分之一波片,并调节四分之一波片的主轴平行于入射面,调整好光路后进行自动扫描或者手动测量,这样就能够检测克尔椭偏率随磁场变化的曲线。4．定标计算1)取下样品架,将电源控制主机上的”手动－自动”转换开关指向手动档,将特斯拉计信号线接至主机”外侧磁场输入”端,特斯拉计调至”外测”档并调零,使特斯拉计探头位于磁场中央且探测方向与磁场方向一致,调节”电流调节”电位器,对磁场信号与空气中的磁感应强度的关系进行定标。2)用螺旋测微头转动检偏器的角度,对螺旋测微头的读数与检偏器的角度关系进行定标,而后利用L0和L1计算得到检偏器的偏振方向,代入公式,其中IS为对应磁场下的克尔光强信号,为无磁场时的相对光强信号。经过该公式即可将克尔光强信号转变为克尔旋转角。【实验数据】(注:以下数据不作为仪器验收标准,仅供实验时参考)已知,,采集所得图像将自动采集的数据导出(表略),定标得到磁场强度,其中为磁路信号,为空气中磁导率。定标得到,则克尔旋转角将磁路信号与光路信号分别代入定标公式作数据处理,并利用所得结果作出克尔旋转角与磁场强度关系曲线

磁致伸缩系数测量实验【实验目的】了解磁致伸缩效应的原理;测量磁性材料样品的磁致伸缩系数。【实验原理】所有的磁性材料都在某种程度上具有磁致伸缩效应,磁致伸缩效应是由于自旋－轨道耦合能和物质的弹性能平衡而产生的。磁致伸缩产生也是满足能量最小条件的必然结果。从自由能极小的观点来看,磁性材料的磁化状态发生变化时,其自身的形状和体积都要改变,因为这样才能使整个体系的总能量最小。具体来说,导致样品形状和体积发生改变的原因有如下几个方面。(1)自发形变自发形变是由原子间交换作用力引起的。假想有一单畴的晶体,在居里温度以上是球形的,当它自居里温度以上冷却下来以后,由于交换力使晶体自发磁化,与此同时,晶体也就改变了形状,这就是”自发”的变形或磁致伸缩。(2)场致形变铁磁体在外磁场作用下会发生形变和体积变化,并随着所加磁场的大小不同,形变也不同。当外磁场比饱和磁化场HS小时,样品的形变主要是长度的改变(线磁致伸缩),而体积几乎不变;当外磁场大于饱和磁化场HS时,样品的形变主要是体积的改变,即体积磁致伸缩。(3)形状效应设一个球形的单畴样品,想像它的内部没有交换作用和自旋－轨道的耦合作用,而只有退磁能,为了降低退磁能,样品的体积要缩小,而且在磁化方向要伸长以减小退磁因子N,这便是形状效应,其数值较其它两种磁致伸缩要小。图1磁致伸缩的唯象机理磁致伸缩的唯象机理如图1所示。在居里温度以下,磁性材料中存在着大量的磁畴,在每个磁畴中,原子的磁矩有序排列,引起晶格发生形变。由于各个磁畴的自发磁化方向不尽相同,因此在没有外加磁场时,自发磁化引起的形变互相抵消,显示不出宏观效应。外加磁场后,各个磁畴的自发磁化都转向外磁场方向,结果导致磁体尺寸发生变化,于是产生了宏观磁致伸缩。图1磁致伸缩的唯象机理磁致伸缩效应的强弱可用磁致伸缩系数表示: (1)式中、分别是外加磁场强度等于H和零时的材料长度。【实验装置】实验装置主要由四部分组成:电磁铁及控制电源;样品架及杠杆:固定样品,放大磁致伸缩的伸缩量;位移传感器、微分头及信号放大器:探测杠杆末端位移量,并由信号放大器放大后输入电脑记录处理;计算机及数据处理系统。图2磁致伸缩系数测量实验装置图【实验内容】磁场中心磁感应强度B与磁场信号关系定标将两磁极调整至一适当的间隙,调节”磁场信号”的倍率、增益及电平至一适当值,使电压信号始终在0.20—3.00V的范围内。将特斯拉计信号线接至主机”外侧磁场输入”端,磁铁电源调至”手动”档,特斯拉计调至”外测”档并调零,而后将特斯拉计探头置于磁场中心,手动调节磁铁电源对磁场信号与磁感应强度关系进行测量,并作出磁场中心磁感应强度B与磁场信号的关系曲线。把用最小二乘法拟合所得的斜率k及截距b代入公式 (2)根据公式(2)即可将计算机采集所得的磁场信号换算成磁感应强度B。用微分头标定位移传感器输出电压与位移量的关系(1)将长度为l的圆柱形超磁致伸缩材料TbDyFe样品放入样品架中,拧动样品架中的紧钉螺丝使之抵住样品一端,测量杠杆比,而后用外六角螺丝将样品架固定在底座上,将位移传感器的信号线接至主机”磁致伸缩输入”端,将内测磁场用的霍尔传感器的信号线接至主机”磁路输入”端,将S.E.V信号调至”伸缩”档。(2)调节位移传感器及平移台的位置,使位移传感器的簧片轻轻抵住样品架圆杆的末端的侧面。(3)调整磁场信号的电平使电磁铁在无电流时的磁场信号为1V左右,调整”前置放大”及S.E.V信号的倍率N,使信号增益至一适当量,旋转微分头移动平移台或调节S.E.V信号的电平,在磁铁电源电流从0调至最大的过程中使S.E.V信号始终保持在0.2-3V之间,而后将磁铁电源电流也调至一适当值,拨到”自动”档。(4)旋转微分头对平移量与S.E.V信号进行定标,用最小二乘法拟合得出杠杆末端位移量S与S.E.V信号电压值UE关系的斜率k,并判断平移方向与S.E.V信号的增大或减小的关系(与磁致伸缩方向的关系相反),结合测得的杠杆比M,可推得磁致伸缩量 (3)其中为无磁场时电压值。测量超磁致伸缩材料TbDyFe样品的磁致伸缩系数(1)调节微分头使S.E.V信号的电平至0.2-3V间一适当值后,即可使用计算机软件对数据进行自动采集。(2)打开计算机软件执行程序,”功能选择”中选择”伸缩”,”周期选择”选择单周,”扫描时间”建议选择”20秒”,”显示方式”建议选择”合成”,使显示的坐标轴横轴为磁场信号,纵轴为磁致伸缩S.E.V信号的采样值,”操作”中选择”启动”使系统开始自动控制磁场电流并采集数据。待”实验数据”表格中的数据不再增加,说明采集完毕,在”操作”中选择”停止”,然后选择”数据存盘”,数据表格中的数据便会自动导出为xls文件,文件名包含保存的日期和时间。(3)利用定标数据处理计算机采集到的数据,得到样品在不同磁场下的磁致伸缩系数。【实验数据】(注:以下数据不作为仪器验收标准,仅供实验时参考)磁场中心磁感应强度B与电磁铁电流值I关系定标表1磁场中心磁感应强度B与电磁铁电流值I定标数据UB/V0.250.290.330.380.430.480.540.590.640.680.72B/mT-253-214-161-114-56-357111164212252图3磁场中心磁感应强度B与电磁铁电流值I关系图用最小二乘法法作直线拟合,求得斜率,截距。2．用微分头标定位移传感器输出电压与位移量的关系杠杆比:表2位移传感器位移量S与S.E.V信号UE定标数据S/mm17.0317.0116.9916.9716.9516.9316.91UE/V0.490.550.610.670.730.780.84S/mm16.8916.8716.8516.8316.8116.7916.77UE/V0.900.961.011.071.131.181.24S/mm16.7516.7316.7116.6916.6716.6516.63UE/V1.301.351.411.471.521.581.63图4位移传感器位移量S与电压值UE关系图用最小二乘法拟合作直线拟合,求得斜率3．测量超磁致伸缩材料TbDyFe样品的磁致伸缩系数超磁致伸缩材料TbDyFe样品长度图5超磁致伸缩材料电压UE与磁场信号UB的关系曲线S.E.V信号的倍率,将自动采集的数据表导出(表略),可知,取磁场单方向增大时的部分数据(约占数据量的1/2),并根据定标数据及式(1)和式(3)进行换算,作出磁致伸缩系数与磁感应强度B的关系曲线。图6磁致伸缩系数与磁感应强度B的关系曲线

磁化率测量实验【实验目的】用古埃磁天平测量物质的磁化率。【实验原理】古埃磁天平的工作原理,如图1所示。将圆柱形样品(粉末状或液体装入匀称的玻璃样品管中),悬挂在分析天平的一个臂上,使样品底部处于电磁铁两极的中心(即处于均匀磁场区域),此处磁场强度最大。样品的顶端离磁场中心较远,磁场强度很弱,而整个样品处于一个非均匀的磁场中。但由于沿样品的轴心方向,即图示z方向,存在一个磁场强度δH/δz,故样品沿z方向受到磁力的作用,它的大小为: (1)(或电子天平)图1古埃磁天平工作原理示意图式中H为磁场中心磁场强度,H0为样品顶端处的磁场强度,X为样品体积磁化率,X空为空气的体积磁化率,S为样品的截面积(位于X、Y平面),u0为真空磁导率。一般H0即为当地的地磁场强度,约为40A·m-1,一般可略去不计,则作用于样品的力为: