磁性物理试验参考指导书讲解

磁性物理试验讲义磁性物理课程组编写电子科技大学微电子和固体电子学院二O一二年九月目录一、起始磁导率温度特征测量和居里温度测试计算分析 1二、电阻率测试及磁损耗响应特征分析 3三、磁致伸缩系数测量和分析 6四、磁化强度测量和分析 9五、磁滞回线和饱和磁感应强度测量 11六、磁畴结构分析表征 12一、起始磁导率温度特征测量和居里温度测试计算分析、试验目标：了解磁性材料起始磁导率测量原理，学会测量材料起始磁导率，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影响。(二）、试验原理及方法：一个被磁化环型试样，当径向宽度比较大时，磁通将集中在内半径周围区域分布较密，而在外半径周围处，磁通密度较小，所以，实际磁路有效截面积要小于环型试样实际截面。为了使环型试样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。矩形截面环型试样及其有效尺寸参数计算公式以下。（1）（2）（3）（4）其中：r1为环型磁芯内半径，r2为环型磁芯外半径，为磁芯高度。利用磁芯有效尺寸能够提升测量正确性，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。材料起始磁导率（）可经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）所表示。（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）定义式如式（6）所表示。可知，起始磁导率温度特征依靠于材料磁感应强度（B）温度特征，而磁感应强度和磁化强度（M）之间满足式（7），所以可知，材料起始磁导率温度特征可反应材料磁化强度温度特征。依据郎之万顺磁性理论可知，磁性材料磁化强度大小严重依靠于温度改变。伴随温度升高，磁性材料可铁磁性或亚铁磁性状态转变为顺磁性状态，此时对应临界温度为磁性材料居里温度（Tc）。对于铁氧体材料来说，次晶格上离子种类和占位情况会影响次晶格间超交换作用，从而对材料温度特征产生影响。（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)、试验内容：经过对材料起始磁导率温度曲线测量，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温度特征和对超交换作用影响，进而表征磁特征参数温度特征。(四)、试验步骤：1、将LCRZ测量仪开机预热10分钟，并进行开路和短路较准。2、正确测量待测环型样品内径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电感量，然后分别调整温度至-30℃、-10℃、50℃、70℃、80℃、90℃、100℃、110℃和120℃，测量不一样温度下待测样品电感量。4、依据电感量计算材料起始磁导率，并计算材料居里温度。依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温度特征和对超交换作用影响。(五)、试验注意事项当高低温箱工作室温度（PV值）≥60℃时严禁起动高低温箱“制冷”功效！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征分析（一）、试验目标了解四探针法测量材料电阻率原理和倍乘电压表法测量测量材料磁损耗原理，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影响。（二）、试验原理软磁铁氧体磁芯总损耗Pcv关键由磁滞损耗Ph、涡流损耗Pe和剩下损耗Pr三部分组成，如式（1）所表示。在铁氧体磁芯工作时，Ph、Pe和Pr通常全部是叠加在一起难以分离。不过可采取约旦（Jordan）法对各损耗进行分离。(1)在比较低频率下，材料涡流损耗和样品厚度d2和频率f2成正比，而和电阻率ρ成反比，即：Pe＝KeB2f2d2/ρ，其中Ke为常数。由此可见，降低涡流损耗关键是减小样品厚度d（或半径R）和提升材料电阻率ρ电阻率测量采取四探针法，其原理以下。四探针法测量样品电阻率是以针距约为1mm四根金属探针同时排成一直线，并以一定压力压在平整样品表面，图1所表示。在1、4两根探针间经过电流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和2，2和3，3和4之间间距。每个探头全部有自己系数。C≈6.28±0.05(cm)。若取电流值I=C时，则ρ=V，即可由数字电压表直接读出。因为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。磁损耗测量采取倍乘电压表法，其原理图所表示。无抗取样电阻R和被测磁芯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平均值，这个平均值正比于磁芯总功耗P=()=αK。该式中，()为组合线圈两端电压和经过它电流乘积得时间平均值；α为电压表读数；K为电表常数，由两个通道灵敏度、测量电流电阻器R数值和表头刻度满度偏转来决定。图2倍乘电压表法测功耗原理图2中，G：大功率信号源，要求能供给要求电压和电流，波形要在要求容限以内，若要求用正弦波，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平均值电压检测，测量误差小于1%。（三）、试验内容测量材料电阻率和不一样频率、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，并探讨降低路径，从导电机制分析铁氧体电阻率对材料涡流损耗影响。（四）、试验步骤材料电阻率测量（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。将测试架插头和主机输入插座相连，松开测试架立柱处高度调整手轮，将探头调整到合适位置和高度，测试样品应进行清洁处理，放于样品架上，使探针能和表面良好接触，并保持一定压力，调整室内温度使之达成要求测试条件。（2）测量电流调整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调整”位置，电流量程开关和电压量程开关必需放于相对应任一组量程上。按下电流开关，调整电流电位器，能够使电流输出在0~10.00范围内，调整到数字显示出测量所需要电流值（块状或棒状样品为6.28；薄片样品为4.53）。（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电流、电压量程范围，调整电压表粗调和细调调零，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。假如数字出现闪烁，则表明测量值已超出此电压量程，应将电压量程开关拨到更高级；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常常检验零位。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能够读出负极性测量值。将两次测量取得电阻率值取平均，即为样品在该处电阻率值。2.材料磁损耗测量（1）测试电压选择依据测试条件及被测磁芯，根据下式计算测试电压：V=4.44×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，计算不一样测试频率对应测试电压。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，逐步升高电压到所计算值，在升压过程中，注意电流应无突升现象。④由2335功率表读出磁芯总功耗，计算比功耗。并依据约旦损耗分离对f=1000kHz下总损耗进行损耗分离。测量条件以下表所表示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，根据3.1条反次序进行。（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止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。依据国家标准和仪器性能关系可知，为确保测试精度，推荐以下电流、电压量程组合。电流\电阻率\电压0.2mV2mV20mV200mV2V100mA10-4—10-310-310mA10-3—10-210-11mA10-11—2010—50102—103100μA200—500103—10410μA1054.更换样品时，必需将功耗仪电压降低至2V以下。5.严禁输出短路！！！三、磁致伸缩系数测量和分析一、试验目标1.掌握经过应变电阻阻值改变测试材料磁致伸缩系数原理和方法。2.了解磁致伸缩系数λ和磁化场H之间关系。3.经过磁场对材料磁致伸缩系数影响，探讨磁致伸缩起源。二、试验原理磁体在外磁场中磁化时，其形状和体积发生改变，这种现象叫磁致伸缩。表征磁致伸缩磁性参数为磁致伸缩系数，当磁场H达成饱和磁化场时，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，在线圈产生磁场作用下，磁体尺寸将发生改变，并给应变电阻施加应力，从而改变了应变电阻电阻值，经过测定应变电阻阻值改变，能够分析出目前磁场强度下磁体尺寸改变量（即磁致伸缩系数λ）。λ和应变电阻片阻值之间关系如式（1）所表示。(1)其中：K为应变电阻片灵敏系数。应变式传感器是现在应用最广泛传感器之一。应变电阻片法是将磁致伸缩形变应变量转换成电阻改变，经过测量电阻改变而测定λ方法。应变片它关键由电阻敏感栅、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―敏感栅为了正确测量磁性材料磁致伸缩系数，可采取非平衡电桥法进行测量，图3所表示。图3测量磁致伸缩系数电桥R1=R2=R3=R4=R,ΔR=ΔR1，单臂工作时，只有一臂工作，即R1+ΔR1，假设流过放大器电流为Ig，则磁致伸缩系数可经过式（2）计算。（2）其中：Rg为放大器内阻。三、试验内容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饱和磁致伸缩系数λs。四、试验步骤1.开机预热TH2512B型智能低电阻测试仪开机，测试前必需预热10分钟以上，以等候仪器内部线路电参数稳定。2.将应变电阻片粘结于磁体上，测量应变电阻阻值。应变电阻片型号为BF350-3AA(11)，电阻值为350.5±0.1Ω，灵敏系数为2.08±1％。3.调整电磁铁磁极间间距，把粘有应变电阻片待测样竖直地置于电磁铁磁极中央位置。4.开启电磁铁充电装置，并置于“充磁”状态。5.按下On点动键，对待测样进行充磁。逐步增加电流至10A，电磁铁中产生直流场也会对应地增加。改变磁场使待测样品长度逐步发生改变，最终趋于饱和状态。应变电阻阻值也会对应地发生改变，并趋于稳定。5.逐步减小电流至零，撤消施加于样品上磁场。然后按下“退磁”键，并按“OFF”点动键。6.依据应变电阻阻值改变，可计算得到磁体饱和磁致伸缩系数λs。五、注意事项1.对待测样品清洗洁净后，将应变电阻片和待测样品保持良好粘合。2.勿对电磁铁进行长时间通入5A以上大电流！！3.低电阻测量仪注意事项以下：（1）零点和清零当使用20mΩ和200mΩ量程时，应首先清零，而在其它量程时通常不用清零。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，并保持良好接触。具体地说：使两个测试夹有引出测试线两金属片直接接触，无引出测试线两金属片直接接触。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0.8V，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，而会展现数字乱跳现象。（3）仪器所处量程识别本仪器有从20mΩ和20kΩ七个量程，要正确选择量程，必需先会识别目前仪器所处量程。方法以下：对于每一量程，仪器有固定单位和小数点指示。能够用0填满仪器五个数码管，再依据小数点和单位指示就可读出目前量程。比如：目前单位指示mΩ,小数点在第二位，则仪器处于20.000mΩ量程档，即此档最大能测试20.000mΩ，最小适宜测试2.0000mΩ电阻。四、磁化强度测量和分析、试验目标：利用磁天平测试表征材料自发磁化强度，经过测量材料饱和磁化强度Ms，加深对自发磁化了解，探讨分析铁磁性物质自发磁化机制。(三)、试验原理及方法：依据磁性物质在非均匀磁场中受力原理实现Ms测量，其方法为磁天平法，图所表示。磁天平工作原理示意图设一小球样品处于非均匀磁场中，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)所受力为：…………①或……………②式中σs为单位质量饱和磁化强度，称为比饱和磁化强度。显然，…………③其中d为试样密度假如磁场不均匀只表现在Z方向。则，，∴………………………④或……………⑤实际测量中，即磁场梯度难以正确测量，所以，通常采取相对法测量，图所表示，无磁场时，天平平衡时砝码重量(W1),加磁场后，因为Fz作用，需要增加砝码来达成新平衡，当日平重新平衡时(W2)有：………………⑥式中g－重力加速度△W－加磁场前后砝码之差∴……………⑦将标准样品置于一样非均匀磁场中，则有：……………⑧联立⑦，⑧∴…………⑨标准式样通常采取密度为8.90g.cm-3，纯度≥99.9％Ni球，其饱和磁化强度Ms0＝485.6KA.m-1。(三)、试验内容：测量铁磁性小球磁化强度，并分析其自发磁化起源机制。(四)、试验步骤：1、接通FM－A磁天平电源，预热10分钟。2、检验电流和磁场指示，用调零旋纽将电流和磁场置于零点。3、放入标准样品，调整分析天平，测出磁场H＝0时重量并统计4、调整电流线圈电流，增加磁场H(30mT、60mT、90mT等)，调整分析天平，测出磁场H为某一确定数值时重量并统计，算出公式⑨△W。5、将磁场恢复到零，放入待测小球样品，反复步骤3、4，算出△W。6、代入标准样品参数，算出代测小球样品σs(或Ms)。(五)试验注意事项1、调整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、微量铁磁性杂质对测量结果影响很大，所以应尤其注意预防样品管内外杂质沾染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）、试验目标学会测量不一样磁场下磁滞回线，并计算材料饱和磁感应强度，探讨磁场对磁感应强度影响。（二）、原理及测量装置同试验二CH2335功耗测试仪。（三）、试验内容测量不一样磁场下磁滞回线，计算材料饱和磁感应强度，探讨磁场对磁感应强度影响。（四）、试验步骤1.将GHY-6仪器后板上X(H)和Y(B)接口和示波器对应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，调整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）置于合适档位（按工作磁感应强度计算Lx上电压），S5（档位）置于0.1档，S3（电流）置于合适档位，使M1（电流表）指示值尽可能大而又不超出满刻度值。4．调整W1和Cx使被测电感Lx在谐振情况下加上要求电压（这么判定谐振，单独调整Cx使M1和M2（电压表）全部指示最大）记下D读数。5．S3、S4、S5开关下面标有各量程对应倍率值，将D读数乘以S3、S4及S5倍率就得到Lx功耗，单位是瓦（W）。和此同时，能够经过示波器观察到B-H回线随频率及外加电压改变。（五）、注意事项1.开关S50.2档是在测试损耗尤其大样品或纯电阻时用。2.假如得到限幅报警叫声，应将S2提到高一档位置。3.在功率输出较大时，Lx短路时间不应超出1分钟。所以，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、试验目标经过对(YluBi)3(FeGa)5O12石榴石薄膜磁泡静态、动