磁性物理实验指导书讲解

磁性物理实验讲义磁性物理课程组编写电子科技大学微电子与固体电子学院二O一二年九月目录一、起始磁导率温度特性测量和居里温度测试计算分析、实验目的：了解磁性材料的起始磁导率的测量原理，学会测量材料的起始磁导率，并能够从自发磁化起源机制来分析温度和离子占位对材料起始磁导率和磁化强度的影响。(二）、实验原理及方法：一个被磁化的环型试样，当径向宽度比较大时，磁通将集中在内半径附近的区域分布较密，而在外半径附近处，磁通密度较小，因此，实际磁路的有效截面积要小于环型试样的实际截面。为了使环型试样的磁路计算更符合实际情况，引入有效尺寸参数。有效尺寸参数为：有效平均半径re，有效磁路长度le，有效横截面积Ae，有效体积Ve。矩形截面的环型试样及其有效尺寸参数计算公式如下。（1）（2）（3）（4）其中：r1为环型磁芯的内半径，r2为环型磁芯的外半径，为磁芯高度。利用磁芯的有效尺寸可以提高测量的精确性，尤其是试样尺寸不能满足均匀磁化条件时，应用等效尺寸参数计算磁性参数更合乎实际结果。材料的起始磁导率（）可通过对环型磁心施加线圈后测量其电感量（L）而计算得到。计算公式如式（5）所示。（5）其中：μ0为真空磁导率，4π×10-7H·m-1；N为线圈匝数。磁性材料起始磁导率（μi）的定义式如式（6）所示。可知，起始磁导率的温度特性依赖于材料磁感应强度（B）的温度特性，而磁感应强度和磁化强度（M）之间满足式（7），因此可知，材料起始磁导率的温度特性可反映材料磁化强度的温度特性。根据郎之万顺磁性理论可知，磁性材料的磁化强度大小严重依赖于温度变化。随着温度升高，磁性材料可铁磁性或亚铁磁性状态转变为顺磁性状态，此时对应的临界温度为磁性材料的居里温度（Tc）。对于铁氧体材料来说，次晶格上的离子种类和占位情况会影响次晶格间的超交换作用，从而对材料温度特性产生影响。（6）B=μ0(H+M)（7）磁心LCRZ测量仪磁心LCRZ测量仪高低温试验箱(三)、实验内容：通过对材料起始磁导率温度曲线的测量，确定居里温度，分析强磁性物质离子占位分布对自发磁化强度的温度特性以及对超交换作用的影响，进而表征磁特性参数的温度特征。(四)、实验步骤：1、将LCRZ测量仪开机预热10分钟，并进行开路和短路较准。2、准确测量待测环型样品的内径r1、外径r2和高h。3、对待测样品绕10匝线圈后将其置于高低温试验箱中。首先测量室温下待测样品的电感量，然后分别调节温度至-30℃、-10℃、50℃、70℃、80℃、90℃、100℃、110℃和120℃，测量不同温度下待测样品的电感量。4、根据电感量计算材料起始磁导率，并计算材料居里温度。根据上述测量结果分析强磁性物质离子占位分布对自发磁化强度的温度特性以及对超交换作用的影响。(五)、实验注意事项当高低温箱工作室温度（PV值）≥60℃时禁止起动高低温箱“制冷”功能！高低温箱照明灯不宜长亮！请勿拨动超温设置拨盘开关！二、电阻率测试及磁损耗响应特性分析（一）、实验目的了解四探针法测量材料电阻率的原理和倍乘电压表法测量测量材料磁损耗的原理，并学会结合磁损耗产生机制对磁损耗进行分离，探讨电阻率对材料损耗的影响。（二）、实验原理软磁铁氧体磁芯的总损耗Pcv主要由磁滞损耗Ph、涡流损耗Pe和剩余损耗Pr三部分组成，如式（1）所示。在铁氧体磁芯工作时，Ph、Pe和Pr通常都是叠加在一起难以分离。但是可采用约旦（Jordan）法对各损耗进行分离。(1)在比较低的频率下，材料的涡流损耗与样品的厚度d2和频率f2成正比，而与电阻率ρ成反比，即：Pe＝KeB2f2d2/ρ，其中Ke为常数。由此可见，降低涡流损耗的关键是减小样品的厚度d（或半径R）和提高材料的电阻率ρ电阻率的测量采用四探针法，其原理如下。四探针法测量样品电阻率是以针距约为1mm的四根金属探针同时排成一直线，并以一定的压力压在平整的样品表面，如图1所示。在1、4两根探针间通过电流I，则在2、3探针间产生电位差V。材料电阻率ρ=C(Ω-cm)(2)式中C为探针修正系数，由探针的间距决定。当样品电阻率分布均匀时，试样尺寸满足半无穷大条件时，(cm)(3)式中：S1、S2、S3分别为探针1与2，2与3，3与4之间的间距。每个探头都有自己的系数。C≈±(cm)。若取电流值I=C时，则ρ=V，即可由数字电压表直接读出。由于块状或棒状样品外形尺寸远大于探针间距，符合半无穷大边界条件，电阻率可直接由（2)式求出。磁损耗的测量采用倍乘电压表法，其原理如图所示。无抗取样电阻R与被测磁芯Lx串联，R两端电压和Lx两端电压分别接到倍乘（乘积）电压表得两个通道，该电压表指示出两个电压瞬时值乘积的平均值，这个平均值正比于磁芯的总功耗P=()=αK。该式中，()为组合线圈两端的电压和通过它的电流乘积得时间平均值；α为电压表读数；K为电表常数，由两个通道的灵敏度、测量电流的电阻器R的数值和表头刻度的满度偏转来决定。图2倍乘电压表法测功耗原理图2中，G：大功率信号源，要求能供给规定的电压和电流，波形要在规定的容限以内，若规定用正弦波，谐振总含量应小于1%。平均值检波电压表UAV：用于被测磁芯线圈两端的平均值电压的检测，测量误差小于1%。（三）、实验内容测量材料的电阻率和不同频率、温度及磁感应强度下材料损耗，结合磁损耗产生机制进行损耗分离，并探讨降低途径，从导电机制分析铁氧体电阻率对材料涡流损耗的影响。（四）、实验步骤材料电阻率的测量（1）测试准备将220V电源插头插入电源插座，电源开关置于断开位置，工作选择开关置于“短路”位置，电流开关处于弹出切断位置。将测试架的插头和主机的输入插座相连，松开测试架立柱处的高度调节手轮，将探头调节到适当的位置和高度，测试样品应进行清洁处理，放于样品架上，使探针能与表面良好接触，并保持一定的压力，调节室内温度使之达到要求的测试条件。（2）测量电流的调节将电源开关置于开启位置，数字显示亮，仪器通电预热1小时。工作选择开关置于“1调节”位置，电流量程开关与电压量程开关必须放于相对应的任一组的量程上。按下电流开关，调节电流电位器，可以使电流输出在0~范围内，调节到数字显示出测量所需要的电流值（块状或棒状样品为；薄片样品为）。（3）测量极性开关拨至上方，工作状态选择开关置于“测量”，拨动电流量程开关和电压量程开关，置于样品测量所适合的电流、电压量程范围，调节电压表的粗调和细调调零，使数字显示为“000”，按下电流开关输出恒定电流，即可由数字显示板和单位显示灯直接读出测量值。如果数字出现闪烁，则表明测量值已超过此电压量程，应将电压量程开关拨到更高档；读数后切断电流开关，数字显示将恢复到零位。在仪表处于高灵敏电压档时要经常检查零位。再将极性开关拨至下方（负极性），按下电流开关，从数字显示板和单位显示灯可以读出负极性的测量值。将两次测量获得的电阻率值取平均，即为样品在该处的电阻率值。2.材料磁损耗的测量（1）测试电压选择根据测试条件及被测磁芯，按照下式计算测试电压：V=×f×B×Ae×N×10-4式中：f为测试频率（KHz）；B为测试磁感应强度(mT)；N为测试线圈匝数；Ae为磁芯有效截面积(cm2)。（2）连接（3）测试①首先开启2335功率表电源。然后将信号源输出置于“断”状态，并将衰减器置于大于60dB的位置，细调电位器左旋至底，选择好输出电压端接线，开启信号源电源。②对待测磁芯进行尺寸测量后绕线，计算不同测试频率对应的测试电压。将待测磁芯接入测量端口。③将2335功率表置于auto和rms、P或P×10状态，然后将信号源置于“通”状态，逐渐升高电压到所计算的值，在升压过程中，注意电流应无突升现象。④由2335功率表读出磁芯的总功耗，计算比功耗。并根据约旦损耗分离对f=1000kHz下的总损耗进行损耗分离。测量条件如下表所示B=100mT时，测试频率f(kHz)1003005007009001000f=200kHz时，测试磁感应强度B(mT)50100200⑤关机时，按照条反顺序进行。（五）、注意事项1.仪器要先预热。2.样品表面需进行清洁处理，并保持干燥。3.四探针测量仪再中断测试时应将工作选择开关置于“短路”位置，电流开关置于弹出断开位置。根据国家标准和仪器性能关系可知，为保证测试精度，推荐以下电流、电压量程组合。电流\电阻率\电压2mV20mV200mV2V100mA10-4—10-310-310mA10-3—10-210-11mA10-11—2010—50102—103100μA200—500103—10410μA1054.更换样品时，必须将功耗仪电压降低至2V以下。5.禁止输出短路！！！三、磁致伸缩系数测量与分析一、实验目的1.掌握通过应变电阻阻值变化测试材料磁致伸缩系数的原理和方法。2.理解磁致伸缩系数λ与磁化场H之间的关系。3.通过磁场对材料磁致伸缩系数的影响，探讨磁致伸缩的起源。二、实验原理磁体在外磁场中磁化时，其形状与体积发生变化，这种现象叫磁致伸缩。表征磁致伸缩的磁性参数为磁致伸缩系数，当磁场H达到饱和磁化场时，纵向磁致伸缩为一确定值λs，——饱和磁致伸缩系数。图1应变电阻片法测量材料磁致伸缩系数原理图如图1，将应变电阻粘结于待测材料上，并对待测材料所绕线圈通直流电流，在线圈产生的磁场作用下，磁体的尺寸将发生变化，并给应变电阻施加应力，从而改变了应变电阻的电阻值，通过测定应变电阻阻值的变化，可以分析出当前磁场强度下磁体尺寸的变化量（即磁致伸缩系数λ）。λ和应变电阻片阻值之间的关系如式（1）所示。(1)其中：K为应变电阻片的灵敏系数。应变式传感器是目前应用最广泛的传感器之一。应变电阻片法是将磁致伸缩形变应变量转换成电阻变化，通过测量电阻的变化而测定λ的方法。应变片它主要由电阻敏感栅、基底和面胶(或覆盖层)、粘结剂、引出线五部分组成。应变片结构图见图2。图2应变电阻片结构1―覆盖层；2―基底；3―引出线；4―粘合剂；5―敏感栅为了精确测量磁性材料的磁致伸缩系数，可采用非平衡电桥法进行测量，如图3所示。图3测量磁致伸缩系数的电桥R1=R2=R3=R4=R,ΔR=ΔR1，单臂工作时，只有一臂工作，即R1+ΔR1，假设流过放大器的电流为Ig，则磁致伸缩系数可通过式（2）计算。（2）其中：Rg为放大器的内阻。三、实验内容1.熟悉TH2512B型智能低电阻测试仪。2.利用智能低电阻测试仪和应变电阻测试磁体的饱和磁致伸缩系数λs。四、实验步骤1.开机预热TH2512B型智能低电阻测试仪开机，测试前必须预热10分钟以上，以等待仪器内部线路电参数稳定。2.将应变电阻片粘结于磁体上，测量应变电阻的阻值。应变电阻片型号为BF350-3AA(11)，电阻值为±Ω，灵敏系数为±1％。3.调节电磁铁磁极间的间距，把粘有应变电阻片的待测样竖直地置于电磁铁的磁极中央位置。4.开启电磁铁的充电装置，并置于“充磁”状态。5.按下On点动键，对待测样进行充磁。逐渐增加电流至10A，电磁铁中产生的直流场也会相应地增加。变化的磁场使待测样品的长度逐渐发生变化，最后趋于饱和状态。应变电阻的阻值也会相应地发生变化，并趋于稳定。5.逐渐减小电流至零，撤消施加于样品上的磁场。然后按下“退磁”键，并按“OFF”点动键。6.根据应变电阻的阻值变化，可计算得到磁体的饱和磁致伸缩系数λs。五、注意事项1.对待测样品清洗干净后，将应变电阻片与待测样品保持良好粘合。2.勿对电磁铁进行长时间通入5A以上的大电流！！3.低电阻测量仪的注意事项如下：（1）零点和清零当使用20mΩ和200mΩ量程时，应首先清零，而在其他量程时一般不用清零。测试时，使用者可先选定量程，再把测试夹互夹，使S+端和S-端直接接触，D+端和D-直接接触，并保持良好的接触。具体地说：使两个测试夹有引出测试线的两金属片直接接触，无引出测试线的两金属片直接接触。若仪器显示不为零时，按前面板清零键，则清零ON指示灯亮，仪器清零。（2）在20mΩ和200mΩ量程时不要长时间开路。在此两个量程时，输出测试端电压被钳制在，若长时间开路，则当量程切换到高阻抗量程时，测试端开路时显示无法显示UUUU，而会呈现数字乱跳的现象。（3）仪器所处的量程的识别本仪器有从20mΩ和20kΩ七个量程，要正确选择量程，必须先会识别当前仪器所处的量程。方法如下：对于每一量程，仪器有固定的单位和小数点指示。可以用20000填满仪器的五个数码管，再依照小数点和单位的指示就可读出当前的量程。例如：当前单位指示mΩ,小数点在第二位，则仪器处在Ω量程档，即此档最大能测试Ω，最小适宜测试Ω的电阻。四、磁化强度测量与分析、实验目的：利用磁天平测试表征材料的自发磁化强度，通过测量材料的饱和磁化强度Ms，加深对自发磁化的理解，探讨分析铁磁性物质的自发磁化机制。(三)、实验原理及方法：根据磁性物质在非均匀磁场中的受力原理实现Ms测量，其方法为磁天平法，如图所示。磁天平工作原理示意图设一小球样品处在非均匀磁场中，样品质量为m、体积V，则样品在此非均匀磁场中沿任意轴向α(α=x,y,z)所受的力为：…………①或……………②式中σs为单位质量的饱和磁化强度，称为比饱和磁化强度。显然，…………③其中d为试样密度如果磁场的不均匀只表现在Z方向。则，，∴………………………④或……………⑤实际测量中，即磁场梯度难以精确测量，因而，一般采用相对法测量，如图所示，无磁场时，天平平衡时砝码重量(W1),加磁场后，由于Fz的作用，需要增加砝码来达到新的平衡，当天平重新平衡时(W2)有：………………⑥式中g－重力加速度△W－加磁场前后砝码之差∴……………⑦将标准样品置于同样的非均匀磁场中，则有：……………⑧联立⑦，⑧∴…………⑨-3，纯度≥％的Ni球，其饱和磁化强度Ms0＝。(三)、实验内容：测量铁磁性小球的磁化强度，并分析其自发磁化的起源机制。(四)、实验步骤：1、接通FM－A磁天平电源，预热10分钟。2、检查电流和磁场指示，用调零旋纽将电流和磁场置于零点。3、放入标准样品，调节分析天平，测出磁场H＝0时的重量并记录4、调节电流线圈电流，增加磁场H(30mT、60mT、90mT等)，调节分析天平，测出磁场H为某一确定数值时的重量并记录，算出公式⑨△W。5、将磁场恢复到零，放入待测小球样品，重复步骤3、4，算出△W。6、代入标准样品参数，算出代测小球样品的σs(或Ms)。(五)实验注意事项1、调节电流及磁场旋纽应轻缓。2、不可在分析天平处于测量状态时增减砝码。3、微量的铁磁性杂质对测量结果影响很大，所以应特别注意防止样品管内外杂质的沾染4、磁天平处于水平状态，所以不得挪动仪器。5、测试样品时，应关闭玻璃门窗，对整机不得振动。五、磁滞回线和饱和磁感应强度测量（一）、实验目的学会测量不同磁场下磁滞回线，并计算材料饱和磁感应强度，探讨磁场对磁感应强度的影响。（二）、原理及测量装置同实验二的CH2335功耗测试仪。（三）、实验内容测量不同磁场下磁滞回线，计算材料饱和磁感应强度，探讨磁场对磁感应强度的影响。（四）、实验步骤1.将GHY-6仪器后板上的X(H)和Y(B)接口与示波器对应的X、Y接口相连接。然后打开GHY-6乘积法功耗测试仪，预热10分钟。2．将W1（功率）向左旋至最小，接通电源，B、E之间接被测电感Lx；A、E之间接谐振电容Cx，预热5分钟后，调节W2（调零）使D（功耗）指示为0。3．将S1（频率）置于测试频率，S4（电压）置于适当的档位（按工作的磁感应强度计算Lx上的电压），S5（档位）置于档，S3（电流）置于适当的档位，使M1（电流表）的指示值尽量大而又不超出满刻度值。4．调节W1和Cx使被测电感Lx在谐振情况下加上规定的电压（这样判断谐振，单独调节Cx使M1和M2（电压表）都指示最大）记下D的读数。5．S3、S4、S5开关下面标有各量程对应的倍率值，将D的读数乘以S3、S4及S5的倍率就得到Lx的功耗，单位是瓦（W）。与此同时，可以通过示波器观察到B-H回线随频率及外加电压的变化。（五）、注意事项1.开关S5的档是在测试损耗特别大的样品或纯电阻时用的。2.如果得到限幅报警的叫声，应将S2提到高一档的位置。3.在功率输出较大时，Lx短路的时间不应超过1分钟。因此，在不进行测试时，应将功率输出调至最小。六、磁畴结构分析表征一、实验目的通过对(YluBi)3(FeGa)5O12石榴石薄膜的磁泡静态、动态磁化过程的观测，掌握测试原理和方法，加深