几种常用的磁性测量仪器(I)-2004年
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➢ 单畴磁性颗粒（单个） ➢ 已充磁的永磁材料 ➢ 经特殊加工工艺处理的物体
2. 在磁场中的物体
➢ 任何处于磁场中的物体
磁场
磁场的产生
• 磁场强度分布
生物 磁场
地 磁
永磁体 电磁铁
场
亥姆霍 兹线圈
超导 磁体
脉冲磁场
天体 磁场
10-16 10-13 10-10 10-4 10-3 10-2 10-1 100 101 102 103 (Tesla) 8x10-14 8x10-11 8x10-8 8x10-2 8x10-1 8x100 8x101 8x102 8x103 8x104 8x105 (kA/m)
常用磁性测量仪器（I）
（共 55 页）
• 磁性信号的产生与检测
• 磁性信号的测量仪器（I） 电磁感应原理
信号1
磁性信号的产生与检测
内 容
• 磁性信号及其产生方式 • 磁场的产生方法 • 磁性信号的采集方法 • 磁性信号的处理
信号2
磁性信号的定义
• 磁学 所有的物质都具有某种磁性
• 磁性信号 仅限于物质的磁性 有时需要人为产生磁性信号
磁通量
面积
A
SB dS
D
E
0
B
t
B 0
H j0
D t
E
dL
源自文库
d
B
d
B dS
L
dt
dt S
电 磁 感 应 原 理 电磁感应2
必须明确的几个问题
1. 自由空间的稳态磁通可以直接测量－磁通计 2. 样品内部的稳态磁通无法直接测量 ？ 3. 变化的磁通可以直接测量
磁通量
信号3
磁性信号的确认
• 带有磁性信号的物体穿过由 导线构成的回路时，将有感 生电动势产生。在闭合回路 中产生感生电流。
dB
dt
LE dL
d
dt SB dS
• 带有磁性信号的物体在非均 匀磁场中将受到力的作用。
F
0M SV
H
x, y, z
信号4
磁性信号的产生方法
1. 含有剩磁的物体
SB dS
1. 如何产生变化的磁通 2. 如何测量变化的磁通
电 磁 感 应 原 理 电磁感应3
ε(t)
冲 击法
磁强计法
t
电动 法
t0
t1
感应（测量发电机）法
电 子 积 分 器、数 字 积 分 器
各种自动直流磁性测量仪器
冲击法
Ballistic Galvanometer （冲击检流计）
冲击法
f(ω)
设线圈面积为S，匝数为N
感应电动势
(t)
t
0
N i 1
H (r ',t) dS S t
H (r ',t) H (r ',t) r ' H (r ') r '
t
r ' t
t
只有z方向分量
振 动 样 品 磁 强 计 VSM5
检测线圈－感应电动势－磁矩
两个关于线圈的假设：（永远适用）
振 动 样 品 磁 强 计 VSM1
样品 X
Z
检测线圈
r
Y 磁偶极子
SB
dS
0
H (r ) dS
S
H (r )
1
4
Mm r3
3(M m
r5
r)
r
为什么要振动样品？
磁偶极子的方向：？
振 动 样 品 磁 强 计 VSM2
VSM几个关键的问题
1. 样品必须处于均匀磁场中：均匀区 2. 我们只能检测感应电动势：检测线圈 3. 怎样得到磁偶极子：样品、驱动方式 4. 样品－线圈－振幅－频率
信号5
磁性信号的检测目的
1. （基本）粒子的磁矩 2. 单原子、单分子的磁矩 3. 原子团、聚合物的磁性 4. 大块材料：
(比)(饱和)磁矩(磁化强度、磁感应强度)、 (内禀)矫顽力、居里温度、(最大)磁能积、 磁化率、磁导率、磁畴、磁各向异性、 磁致伸缩，等等。
磁性信号的检测内容 信号7
• 磁性分类 具体的物质具有何种磁性
2. 检流计处于临界阻尼状态； 检流计比较慢地达到最大读数，很快降为零。
3. 被测磁通应尽量为瞬时变化： 非瞬时变化引入很大的误差。
4. 线圈的自由振荡周期要远大于磁通变化的时间 一般在10倍以上。
5. 需要测定冲击检流计的冲击常数CΦ 使用互感系数M已知的互感线圈。
冲击法
冲击法3
冲击法的优点
1、可以开路、闭路测量； 2、仪器设备简单。
闭路：磁路闭合 开路：磁路不闭合
N
S
冲击法的缺点
1、积分式数据采集：零漂移；
2、要求使用具有特定形状的样品；
3、灵敏度较低。
等截面积（常数）
冲击法的使用
• 教学演示实验：电磁感应定律
• 工业：发电机
美国KJS公司
• 工业：磁体的磁性能测量
迴线仪：永磁材料的永磁性能检测
HG－500
中国计量科学研究院
磁圆（线）振二向色谱仪
回旋共振、自旋共振
(铁磁共振仪、亚铁磁共振仪、反铁磁共振仪、 电子自旋共振仪、核磁共振仪、Mössbauer 谱仪)
磁－磁作用
中子散射装置、磁力显微镜
电磁感应原理
Faraday Law of Electromagnetic Induction
电 磁 感 应 原 理 电磁感应1
振 动 样 品 磁 强 计 VSM3
磁场均匀区
螺线管
无限长螺线管 亥姆霍兹线圈 超导磁体
圆柱极头 电磁铁
均匀区较大 磁场强度可能较低
d
圆台极头 电磁铁
均匀区较小 磁场强度可能很高
振 动 样 品 磁 强 计 VSM4
检测线圈－感应电动势
ae jt
Z
r '(t) r ae jtk
a
xi yj (z e jt )k
德国Magnet－Physik公司
NIM－2000系列
Permagraph系列
振动样品磁强计
Vibrating Sample Magnetometer (VSM)
VSM的设计理念
• 为什么要振动样品？ • 为什么要使用双线圈？四线圈？ • 为什么要调节鞍区？ • 为什么要定标磁矩？
VSM的作业题目
• 磁性的变化规律 ～ 环境温度、压力、气氛 ～ 外加电、磁场 ～ 时间
磁性信号的测量仪器 信号8
电磁感应 Faraday效应
磁－力效应 磁－光效应
共振效应
冲击法
振动样品磁强计VSM 提拉样品磁强计ESM 超导量子(SQUID)磁强计 磁转矩仪、磁天平 交变梯度磁强计AGFM
Kerr效应、Faraday效应
最具原理性的磁性测量方法
冲击法1 H线圈
冲击检流计
J
d 2
dt 2
d
dt
w
B0 ANi
J为转动惯量，α为偏转角， ρ为阻尼系数 w为扭转系数，B0为磁感应强度， A和N为面积和匝数，i为瞬时电流
样品 B线圈
冲击法
冲击法2
应尽量满足的条件－灵敏度
1. 脉冲电流完毕之后，电流计线圈开始转动： 电流计线圈的转动惯量越大，越满足此条件。
2. 在磁场中的物体
➢ 任何处于磁场中的物体
磁场
磁场的产生
• 磁场强度分布
生物 磁场
地 磁
永磁体 电磁铁
场
亥姆霍 兹线圈
超导 磁体
脉冲磁场
天体 磁场
10-16 10-13 10-10 10-4 10-3 10-2 10-1 100 101 102 103 (Tesla) 8x10-14 8x10-11 8x10-8 8x10-2 8x10-1 8x100 8x101 8x102 8x103 8x104 8x105 (kA/m)
常用磁性测量仪器（I）
（共 55 页）
• 磁性信号的产生与检测
• 磁性信号的测量仪器（I） 电磁感应原理
信号1
磁性信号的产生与检测
内 容
• 磁性信号及其产生方式 • 磁场的产生方法 • 磁性信号的采集方法 • 磁性信号的处理
信号2
磁性信号的定义
• 磁学 所有的物质都具有某种磁性
• 磁性信号 仅限于物质的磁性 有时需要人为产生磁性信号
磁通量
面积
A
SB dS
D
E
0
B
t
B 0
H j0
D t
E
dL
源自文库
d
B
d
B dS
L
dt
dt S
电 磁 感 应 原 理 电磁感应2
必须明确的几个问题
1. 自由空间的稳态磁通可以直接测量－磁通计 2. 样品内部的稳态磁通无法直接测量 ？ 3. 变化的磁通可以直接测量
磁通量
信号3
磁性信号的确认
• 带有磁性信号的物体穿过由 导线构成的回路时，将有感 生电动势产生。在闭合回路 中产生感生电流。
dB
dt
LE dL
d
dt SB dS
• 带有磁性信号的物体在非均 匀磁场中将受到力的作用。
F
0M SV
H
x, y, z
信号4
磁性信号的产生方法
1. 含有剩磁的物体
SB dS
1. 如何产生变化的磁通 2. 如何测量变化的磁通
电 磁 感 应 原 理 电磁感应3
ε(t)
冲 击法
磁强计法
t
电动 法
t0
t1
感应（测量发电机）法
电 子 积 分 器、数 字 积 分 器
各种自动直流磁性测量仪器
冲击法
Ballistic Galvanometer （冲击检流计）
冲击法
f(ω)
设线圈面积为S，匝数为N
感应电动势
(t)
t
0
N i 1
H (r ',t) dS S t
H (r ',t) H (r ',t) r ' H (r ') r '
t
r ' t
t
只有z方向分量
振 动 样 品 磁 强 计 VSM5
检测线圈－感应电动势－磁矩
两个关于线圈的假设：（永远适用）
振 动 样 品 磁 强 计 VSM1
样品 X
Z
检测线圈
r
Y 磁偶极子
SB
dS
0
H (r ) dS
S
H (r )
1
4
Mm r3
3(M m
r5
r)
r
为什么要振动样品？
磁偶极子的方向：？
振 动 样 品 磁 强 计 VSM2
VSM几个关键的问题
1. 样品必须处于均匀磁场中：均匀区 2. 我们只能检测感应电动势：检测线圈 3. 怎样得到磁偶极子：样品、驱动方式 4. 样品－线圈－振幅－频率
信号5
磁性信号的检测目的
1. （基本）粒子的磁矩 2. 单原子、单分子的磁矩 3. 原子团、聚合物的磁性 4. 大块材料：
(比)(饱和)磁矩(磁化强度、磁感应强度)、 (内禀)矫顽力、居里温度、(最大)磁能积、 磁化率、磁导率、磁畴、磁各向异性、 磁致伸缩，等等。
磁性信号的检测内容 信号7
• 磁性分类 具体的物质具有何种磁性
2. 检流计处于临界阻尼状态； 检流计比较慢地达到最大读数，很快降为零。
3. 被测磁通应尽量为瞬时变化： 非瞬时变化引入很大的误差。
4. 线圈的自由振荡周期要远大于磁通变化的时间 一般在10倍以上。
5. 需要测定冲击检流计的冲击常数CΦ 使用互感系数M已知的互感线圈。
冲击法
冲击法3
冲击法的优点
1、可以开路、闭路测量； 2、仪器设备简单。
闭路：磁路闭合 开路：磁路不闭合
N
S
冲击法的缺点
1、积分式数据采集：零漂移；
2、要求使用具有特定形状的样品；
3、灵敏度较低。
等截面积（常数）
冲击法的使用
• 教学演示实验：电磁感应定律
• 工业：发电机
美国KJS公司
• 工业：磁体的磁性能测量
迴线仪：永磁材料的永磁性能检测
HG－500
中国计量科学研究院
磁圆（线）振二向色谱仪
回旋共振、自旋共振
(铁磁共振仪、亚铁磁共振仪、反铁磁共振仪、 电子自旋共振仪、核磁共振仪、Mössbauer 谱仪)
磁－磁作用
中子散射装置、磁力显微镜
电磁感应原理
Faraday Law of Electromagnetic Induction
电 磁 感 应 原 理 电磁感应1
振 动 样 品 磁 强 计 VSM3
磁场均匀区
螺线管
无限长螺线管 亥姆霍兹线圈 超导磁体
圆柱极头 电磁铁
均匀区较大 磁场强度可能较低
d
圆台极头 电磁铁
均匀区较小 磁场强度可能很高
振 动 样 品 磁 强 计 VSM4
检测线圈－感应电动势
ae jt
Z
r '(t) r ae jtk
a
xi yj (z e jt )k
德国Magnet－Physik公司
NIM－2000系列
Permagraph系列
振动样品磁强计
Vibrating Sample Magnetometer (VSM)
VSM的设计理念
• 为什么要振动样品？ • 为什么要使用双线圈？四线圈？ • 为什么要调节鞍区？ • 为什么要定标磁矩？
VSM的作业题目
• 磁性的变化规律 ～ 环境温度、压力、气氛 ～ 外加电、磁场 ～ 时间
磁性信号的测量仪器 信号8
电磁感应 Faraday效应
磁－力效应 磁－光效应
共振效应
冲击法
振动样品磁强计VSM 提拉样品磁强计ESM 超导量子(SQUID)磁强计 磁转矩仪、磁天平 交变梯度磁强计AGFM
Kerr效应、Faraday效应
最具原理性的磁性测量方法
冲击法1 H线圈
冲击检流计
J
d 2
dt 2
d
dt
w
B0 ANi
J为转动惯量，α为偏转角， ρ为阻尼系数 w为扭转系数，B0为磁感应强度， A和N为面积和匝数，i为瞬时电流
样品 B线圈
冲击法
冲击法2
应尽量满足的条件－灵敏度
1. 脉冲电流完毕之后，电流计线圈开始转动： 电流计线圈的转动惯量越大，越满足此条件。