磁化曲线测试分析磁滞回线测试分析居里温度测试分析实验报告

强磁性物质对外加磁场响应行为的测试分析虚拟仿真实验实验报告

学号：ilab_mj_2375737

姓名：

实验名：1、磁化曲线测试分析2、磁滞回线测试分析、居里温度测试分析

分数：100.0

实验结束时间：

2020-03-12 16:41:09

实验记录：

（1）联网计算机；

（2）虚拟软件："强磁性物质对外加磁场响应行为的测试分析虚拟仿真实验”虚拟仿真软件。

（3）虚拟仪器：

（4）振动样品磁强计；冷却水循环机；真空泵；加热炉；扫描电子显微镜

（5）虚拟药品:

（6）软磁材料：

（7）镍球标样（质量35.28mg，饱和磁化强度54.38emu）；尖晶石NiZn铁氧体待测小球；石榴石YIG铁氧体待测小球。

（8）硬磁材料：

（9）六角钡铁氧体待测小球； U型、M型六角钡铁氧体片状样品。

参数结果：

本实验项目表征物理量、选用样品种类和测试条件等见表1。学生可以根据需要进入不同的功能模块，设置不同的材料种类，选择不同的表征物理量以及测试条件，探究由此带来的技术磁化过程变化规律和物理机理。

实验原理：

本实验教学项目涉及《磁性物理》课程中的技术磁化过程及静态磁参数测试分析，具有综合性、系统性、应用性强等特点，旨在培养学生对磁性物理、材料及应用等方面知识的掌握和综合分析能力，加深学生对强磁性物质技术磁化过程及其物理机制的理解。本实验项目采用3D建模，依据真实实验场景，使用Maya和3DMax软件进行整体实验室（环境、设备）建模。数值仿真计算结果与实际实验结果误差不超过1%。

1、磁化曲线测试原理

磁化过程指强磁性物质在外加磁场作用下，从磁中性状态到饱和磁化状态的过程。磁化强度（M）与磁场强度（H）之间呈非线性关系，其物理根源在于磁性材料内存在自发磁化现象。通常，磁化曲线（图1中的o-a曲线）可分为四个磁化阶段，即：起始磁化区、瑞利区、陡峭区和趋近饱和区。

图1 磁化曲线、磁滞回线示意图

磁化过程主要归纳为两种基本机制：畴壁位移（在有效场H作用下，自发磁化方向接近于H 方向的磁畴长大，而与H方向偏离较大的近邻磁畴相应缩小，从而使畴壁发生位置变化的过程）和磁畴转动（在有效场H作用下，磁畴内所有磁矩一致向着H方向转动的过程）。磁化过程大致包括以下几个阶段：

（1）可逆磁化阶段：若H退回到零，其M趋于零。同时存在：畴壁位移（在金属软磁材料和磁导率μi 较高的铁氧体中以此为主）；磁畴磁矩转动（在μi 不高的铁氧体中以此为主）。

（2）不可逆磁化阶段：主要指不可逆畴壁位移，与材料晶格缺陷、掺杂和内应力等因素有关。

（3）磁畴磁矩的转动：此时样品内部的畴壁位移已基本完毕，要使M增加，只有靠磁畴磁矩的转动来实现。一般情况下，可逆与不可逆畴转同时发生与这个阶段。不可逆畴转过程来自各向异性的起伏变化，与缺陷无关。

（4）趋近饱和阶段：磁畴磁矩的可逆转动造成强H下M的缓慢增加，并逐渐趋于技术磁化饱和。符合趋近饱和定律，如公式（1）所示：

（1）

其中：系数a、b代表了技术磁化过程所受磁化阻力的大小，与材料性能有关；χp为顺磁磁化率。利用磁化曲线测试可计算以下静态磁参数：

（1）饱和磁化强度Ms

逐渐增加磁场，将材料磁化至饱和状态，根据M-H曲线中的最大磁矩μmax计算样品的饱和磁化强度Ms，计算方法见公式（2）

（2）

其中：样品体积V可根据密度和质量进行计算。

磁晶各向异性常数K1测试

根据公式（1）对磁化曲线的趋近饱和区进行拟合，由拟合结果确定公式中的b值。立方晶系各向异性多晶体b的表达式为：

（3）

由公式（3）可计算材料的磁晶各向异性常数K1。

（3）各向异性场Ha测试

对于取向的多晶永磁铁氧体片状样品，分别沿面内、面外磁化至饱和，测量面内、面外的磁化曲线，两条曲线的交点对应的磁场即为其各向异性场Ha。面内、面外磁化方向分别为其难、易磁化方向。

2、磁滞回线测试原理

强磁性物质从一个方向上的技术饱和磁化状态变为反向的技术饱和磁化状态的过程称为反磁化过程。如图1所示，磁化至趋近饱和后（图1中a点)，如果将H降低到H=0（图1中b点）时，M=Mr，称为剩余磁化。如果再使H反向增加至H=-Hc，磁化强度消失M=0，Hc称为矫顽力，其大小反映强磁性物质保持剩磁状态的能力。沿a→b→c→d→e→f→a顺序变化得到闭合的M-H 曲线，称为磁滞回线。磁性材料的反磁化过程，包含在磁滞回线中，即从磁滞回线中第一象限技术磁化饱和状态至第三象限的技术磁化饱和状态的过程。

强磁性物质内由于存在应力起伏、杂质及广义磁各向异性引起的不可逆磁化是导致磁滞现象并形成磁滞回线的原因。根据反磁化过程的阻滞原因分析，磁滞现象的产生机制可分为：不可逆壁移、不可逆畴转和反磁化核成长。实验证明：磁化曲线和磁滞回线灵敏地依赖于磁性材料的微观结构，如晶粒大小、晶粒排列取向、内应力、成分起伏等。

3、居里温度测试原理

强磁性物质的磁化强度与温度密切相关，随着温度上升，自发磁化强度呈下降趋势，当温度上升至一定程度时，物质内部由磁有序转变为磁无序，即转变为顺磁性，此时磁矩混乱取向，总磁化强度矢量和为零，发生磁性转变的温度点称为居里温度Tc。在居里温度以下，大多数尖晶石型和磁铅石型铁氧体的饱和磁化强度Ms与温度T的关系曲线为P型和Q型，大多数石榴石铁氧体的

Ms~T曲线为N型（图2）。由于晶体中各次晶格上磁性离子的种类和数量以及次晶格间的交换作用强弱不同，会导致各次晶格上自发磁化强度随温度的变化率不一样，从而使得其Ms~T曲线也不相同。

图2 亚铁磁性物质磁化强度的温度曲线

实验内容：

实验方法描述：

“强磁性物质对外加磁场响应行为的测试分析虚拟仿真实验”项目主要包括三个部分：一是实验预习与测试；二是进入虚拟实验室，完成“磁化曲线测试分析”、“磁滞回线测试分析”和“居里温度测试分析”各环节虚拟仿真实验项目；三是进入实体实验室完成强磁性物质技术磁化特性测试设计与实施。

1. 实验预习与测试

（1）自主预习，了解VSM等设备工作原理，熟悉软件与设备操作

图4 实验预习

（2）完成预习测试

通过本环节实验，测试不同软、硬磁材料的磁化曲线，学会饱和磁化强度Ms、磁晶各向异性常数K1、各向异性场Ha的测试原理与方法（图6）；熟悉技术磁化的基本理论，理解在外场作用下强磁性物质内部磁畴运动变化的规律，加深对磁化过程中磁化机制的理解。