振动样品磁强计测量内禀磁特性

实验7.2振动样品磁强计测量内禀磁特性

引言

1959年美国的Ｓ．Ｆｏｎｅｒ在前人的研究基础上制成实用的振动样品磁强计（简记为ＶＳＭ）。由于其具有很多优异特性而被磁学研究者们广泛采用，并又经许多人的改进，使ＶＳＭ成为检测物质内禀磁特性的标准通用设备。所谓“内禀”磁特性，主要是指物质的磁化强度而言，即体积磁化强度Ｍ——单位体积内的磁矩，和质量磁化强度σ——单位质量的磁矩。设被测样品的体积为Ｖ（或质量为ｍ），由于样品很小，如直径１ｍｍ的小球，当被磁化后，在远处，可将其视为磁偶极子：如将样品按一定方式振动，就等同于磁偶极场在振动。于是，放置在样品附近的检测线圈内就有磁通量的变化，产生感生电压。将此电压放大变成直流并加以记录，再通过电压磁矩的已知关系，即可求出被测样品的Ｍ或σ。

实验目的

掌握ＶＳＭ工作原理；利用实验室提供的设备，具体测量实际材料的Ｍ或σ值。

实验原理

如图7.4-1所示，体积为Ｖ、磁化强度为Ｍ的样品Ｓ沿Ｚ轴方向振动。在其附近放一个轴线和Ｚ轴平行的多匝线圈Ｌ，在Ｌ内的第ｎ匝内取面积元ｄＳn，其与坐标原点的矢径为ｒｎ，磁场沿Ｘ方向施加。由于Ｓ的尺度与ｒｎ相比非常小，故Ｓ在空间的场可表为偶极场形式：

（7.4-1）

注意到Ｍ值有Ｘ分量，则可得到检测线圈Ｌ内第ｎ匝中ｄＳn面积元的磁通为

（7.4-2）

其中μ0为真空磁导率。而第ｎ匝内的总磁通则为

整个Ｌ的总磁通则为

（7.4-3）其中，Ｘn为ｒn的Ｘ轴分量，不随时间而变；Ｚn为ｒn的Ｚ轴分量，是时间的函数。为方便计，现认为Ｓ不动而Ｌ以Ｓ原有的方式振动，此时可有

，

为第ｎ匝的坐标，ａ为Ｌ的振幅。由此可得到检测线圈内的感应电压为

（7.4-4）显然，精确求解上式是困难的，但从该方程却能得到一些有意义的定性结论，那就是：检测线圈中的感应电压幅值正比于被测样品的总磁矩Ｊ＝ＭＶ（或Ｊ＝σｍ），且和检测线圈的结构、振动频率和振幅有关。如果将（7.4-4）式中的Ｋ保持不变，则感应信号仅和样品总磁矩成正比。预先标定感应信号与磁矩的关系后，就可根据测定的感应信号的大小而推知被测磁矩值，因此，在测出样品的质量和密度后，即可计算出被测样品的磁化强度Ｍ、　σ。Ｍ＝ρσ，ρ为材料的密度。

振动样品磁强计主要工作原理如下：信号发生器产生的功率信号加到振动子上，使振动子驱动振动杆作周期性运动，

从而带动粘附在振杆下端的样品作同频同相位振动，扫描电源供电

磁铁产生可变磁化外场Ｈ而使样品磁化，从而在检测线圈中产生感应信号，此信号经放大并检测后，馈给Ｘ-Ｙ记录仪的Ｙ轴。而测量磁场用的毫特斯拉计的输出则馈给记录仪Ｘ轴。这样，当扫描电源变化一个周期后，记录仪将描出Ｊ-Ｈ回线。Ｊ的大小，又必须由已知磁矩的标准样品定标后求得。如：已知Ｎi标样的质量磁矩为σ0，质量为ｍ0，其Ｊ0＝σ0ｍ0。用Ｎｉ标样取代被测样品，在完全相同的条件下加磁场使Ｎi饱和磁化后测得Ｙ轴偏转为Ｙ0，则单位偏转所对应的磁矩数应为Ｋ＝σ0ｍ0／Ｙ0，再由样品的Ｊ-Ｈ回线上量得样品某磁场下的Ｙ轴高度ＹH，则被测样品在该磁场下的磁化强度

，或被测样品的质量磁化强度

，ρ为样品密度，ｍ为样品的质量。这样，我们即可根据实测的

Ｊ-Ｈ回线推算出被测样品材料的Ｍ-Ｈ回线，所要注意的是，这里的Ｈ为外磁场。也就是说，只有在可以忽略样品的“退磁场”情况下，利用ＶＳＭ测得的回线，

方能代表材料的真实特征，否则，必须对磁场进行修正后所得到的

回线形状，才能表示材料的真实特征。所谓“退磁场”，可作如下的理解：当样品被磁化后，其Ｍ将在样品两端产生“磁荷”，此“磁荷对”将产生与磁化场相反方向的磁场，从而减弱了外加磁化场Ｈ的磁化作用，故称为退磁场。可将退磁场Ｈｄ表示为Ｈｄ＝－ＮＭ，称Ｎ

为“退磁因子”，取决样品的形状，一般来说非常复杂，甚至其为张量形式，只有旋转椭球体，方能计算出三个方向的具体数值；磁性测量中，通常样品均制成旋转椭球体的几种退化形：圆球形、细线形、薄膜形，此时，这些样品的特定方向的Ｎ是定值，如球形时

，沿细线的轴线Ｎ＝0，沿膜面Ｎ＝0等。

通常，检测线圈都经过仔细调整，成对地配置在样品两侧，并按一定的绕向和联接方式组成线圈对，使外界杂散信号尽可能互相抵消，而被测样品所产生的信号则相互加强，从而提高检测系统的灵敏度和信噪比。

实验内容

利用提供的设备，测量几种样品材料的质量磁化强度。标准样品为Ｎｉ。

数据记录与处理

样品：标样Ni样品

质量 6.8mg 1.0mg

Y偏移量7.45cm*100 5.9cm*50

质量磁化强度54emll/g=

= = ∗∗ =

思考题

1..试分析一下如何才能更准确地测出样品的磁化强度值？

答:鉴于振动的样品尺寸要很小，检测线圈的尺度与它跟样品的距离相比应该非常小，这样样品在空间的场才可以表为偶极场的形式。