实验课件PPT各向异性磁阻效应
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磁各向异性的测量PPT课件
Key Lab for Magnetism and Magnetic Materials of the Ministry of Education, Lanzhou University
易磁化方向与难磁化方向 易磁化方向是能量最低的方向，所以自发磁化形成 磁畴的磁矩取这些方向，在较弱的H下，磁化就很 强甚至饱和。
Fk
K0
Fk
K0
Fe的Fk矢量图
Ni的Fk矢量图
(001)晶面内
可见立方晶体的易磁化轴可以在几个晶轴方向上，所以 立方晶体具有多易磁化轴——简称多轴各向异性。K1>0 的立方晶体叫三易磁化轴晶体；K1<0的立方晶体叫四易 磁化轴晶体。
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(二)、六角晶体的磁晶各向异性（Co晶体、BaFe12O19）
4、磁晶各向异性常数K
（用以表示单位体积内单晶体磁各向异 性的强弱）
对于立方晶体，以[100]为参考
K 1 Ms HdM Ms HdM
V 0[111]
0[100 ]
∴ Fe： K>0， Ni： K<0
对于六角晶系，以[0001]为参考：
K 1 Ms HdM Ms HdM
V 0[1010]
∴六角晶体中磁晶各向异性能一般表示为：
Fku Ku0 Ku1 sin2 Ku2 sin4 .....
只考虑与 有关项时： Fku Ku1 sin2 Ku2 sin4 .....
讨论： 1、对于Ku1>0的六角晶体
如Co单晶：Ku1 4.10105 J/m3
0，Fku 0
900 , Fku Ku1,最大
易磁化轴为[0001]轴，其正反两个方向磁晶各向异性最
小——单轴各向异性。
第讲磁晶各向异性和磁轴伸缩PPT课件
第八章 磁性物理
本章提要
在其他章节中，对物质的导电性能等进行了介 绍。本章将介绍物质的磁性。着重介绍物质的 磁性来源，原子磁矩的计算，各种材料中原子 磁矩的计算原则。进一步介绍物质磁性的分类，
性的分子场理论，物质铁磁性的来源，亚铁磁 性的超交换理论。也介绍了铁磁性物质内部的 能量和磁畴的形成。
8.6 铁磁体中的磁晶各向异性、磁致伸缩
大块铁磁体磁化到饱和后，退磁能要大大地提 高，它迫使铁磁体分成畴。磁畴的大小、形状、 取向与铁磁体的磁晶各向异性能、退磁场能、 磁弹性能、交换能等有关。
交换能是近程的，属于静电性质的，其数 值比其它各项能量大3~4个数量级。其它各 项能量属于静磁相互作用性质的。
1．磁晶各向异性能
在单晶体的不同晶体学方向上，其光学、电 学、热膨胀、力学和磁学性能都不同。这种 特性称为晶体的各向异性 单晶体的磁性各向异性称为磁晶各向异性 (magnetic anisotropy) 磁晶各向异性能Ek定义为饱和磁化强度矢量在 铁磁体中取不同方向而改变的能量。很明显， 磁晶各向异性能是磁化强度方向的函数。
当晶体的磁致伸缩是各向同性或者是多晶时， 则λ100=λ111==λ0
λs=λ0*3/2(α1β1+α2β2+α3β3-1/3) = λ0*3/2（cos2θ- 1/3）
式中θ是磁化强度矢量方向与测量方向之 间的夹角。当θ=0,λs=λ0; θ=π/2, λs=-λ0/2， 说明当纵向伸长时，横向要收缩。
稀土元素的轨道磁矩没有淬灭，所以轨道 和自旋间存在耦合作用很强，它的磁晶各向 异性要大于3d过渡族元素。利用它的大磁晶 各向异性，可以制备永磁材料。
2 退磁场能
实验表明，磁性材料被磁化后，只要材料不 是闭合形状或者无限长，材料内部的总磁场 H将小于外磁场He 这是因为非闭合的磁性材料被磁化后在其端 面将会有正负磁荷出现。这些磁荷将在材料 内外产生一个退磁场Hd，Hd的方向在材料内 部与He和M方向向反，其作用是削弱外磁场。 退磁场越大，材料磁化越不容易
本章提要
在其他章节中，对物质的导电性能等进行了介 绍。本章将介绍物质的磁性。着重介绍物质的 磁性来源，原子磁矩的计算，各种材料中原子 磁矩的计算原则。进一步介绍物质磁性的分类，
性的分子场理论，物质铁磁性的来源，亚铁磁 性的超交换理论。也介绍了铁磁性物质内部的 能量和磁畴的形成。
8.6 铁磁体中的磁晶各向异性、磁致伸缩
大块铁磁体磁化到饱和后，退磁能要大大地提 高，它迫使铁磁体分成畴。磁畴的大小、形状、 取向与铁磁体的磁晶各向异性能、退磁场能、 磁弹性能、交换能等有关。
交换能是近程的，属于静电性质的，其数 值比其它各项能量大3~4个数量级。其它各 项能量属于静磁相互作用性质的。
1．磁晶各向异性能
在单晶体的不同晶体学方向上，其光学、电 学、热膨胀、力学和磁学性能都不同。这种 特性称为晶体的各向异性 单晶体的磁性各向异性称为磁晶各向异性 (magnetic anisotropy) 磁晶各向异性能Ek定义为饱和磁化强度矢量在 铁磁体中取不同方向而改变的能量。很明显， 磁晶各向异性能是磁化强度方向的函数。
当晶体的磁致伸缩是各向同性或者是多晶时， 则λ100=λ111==λ0
λs=λ0*3/2(α1β1+α2β2+α3β3-1/3) = λ0*3/2（cos2θ- 1/3）
式中θ是磁化强度矢量方向与测量方向之 间的夹角。当θ=0,λs=λ0; θ=π/2, λs=-λ0/2， 说明当纵向伸长时，横向要收缩。
稀土元素的轨道磁矩没有淬灭，所以轨道 和自旋间存在耦合作用很强，它的磁晶各向 异性要大于3d过渡族元素。利用它的大磁晶 各向异性，可以制备永磁材料。
2 退磁场能
实验表明，磁性材料被磁化后，只要材料不 是闭合形状或者无限长，材料内部的总磁场 H将小于外磁场He 这是因为非闭合的磁性材料被磁化后在其端 面将会有正负磁荷出现。这些磁荷将在材料 内外产生一个退磁场Hd，Hd的方向在材料内 部与He和M方向向反，其作用是削弱外磁场。 退磁场越大，材料磁化越不容易
磁晶各向异性.优秀精选PPT
现设镍的浓度很小（远远小于1），无序时就没有 N i -N i 近邻如图（a），若磁场热处理时，铁镍原子的位置互换 如图(b)增加了一个铁铁对和一个镍镍对，同时减少了两个 铁镍对。
lolNN i ilFF e e2lFN e i
⑵ 逆磁致伸缩效应
是指磁性体在受到形变时将发生 偶极子互作用能的变化和弹性能的变化， 这两种能量的平衡又决定了磁致伸缩所 产生的形变大小，所以磁体受到形变时 将产生磁各向异性现象。
单晶体： 原子离子按同一方式 有规则地周期性排列组成的固体。
在这种产生感生磁各向异性的机理里，偶极子互相作用起着重要作用，以薄膜为例，其单轴各向异性能为：
宏这宏观种观上 各 上呈向呈现异现出性出磁，磁强各驱各磁向使向式异磁异场性化性中，强，方并度并K向使沿使0为整着整的个冷个感磁却磁夹滞时滞生角回所回磁线加线。偏的偏各移外移了场了向。方。异向。性常数， 为磁化强度和热处理外加
2.2 分类
1 生长感生磁向异性 2 应力感生磁向异性 3 磁场感生磁向异性
生长感生各向异性大多发生于磁性薄 膜中，由于生长过程的特殊条件，使各个 磁性离子沿着特定的方向形成有序化，导 致呈现出生长感生各向异性。
应力感生磁各向异性的出现是由于应 力或形变通过磁弹性相互作用影响磁化强 度的从优取向。
Maiklejohn与Bean发現，颗粒直径为 10-100nm的轻微氧化的Co粉，在磁场下从 室温冷却到770k时，表現出单向各向异性。 这种各向异性，驱使磁化强度沿着冷却时所 加的外场方向。
3.2 对Co-CoO的热处理
CoO是反铁磁性，在冷却过程 中，反铁磁自旋结构在奈尔点( 低于 室温 )形成时，由于在外场作用下， 表面处的Co2+的自旋与颗粒中Co 的自旋必定平行排列。
实验10.1-各向异性磁电阻测量
实验10.1 各向异性磁电阻测量焦方宝 131120060【摘要】材料的磁电阻效应被应用的非常广泛，本次实验通过对磁性合金的各向异性磁电阻的测量，初步了解磁电阻的一些特性，同时掌握室温磁电阻的测量方法。
【引言】材料的电阻率随着外加磁场的不同而改变的现象就是磁电阻效应。
我们把磁场引起的电阻率变化写成）（）（0-H ρρρ=∆，其中）（H ρ和）（0ρ分别表示在磁场H 中和没有磁场时的电阻率。
磁电阻的大小常表示为：%100⨯∆=ρρMR其中ρ可以是）（H ρ或）（0ρ，电阻率的变化与磁场方向与导体中电流方向的夹角有关，即具有各向异性，称之为各向异性磁电阻（AMR ）。
此后人们陆续发现了，MR 很大的巨磁电阻（GMR ）效应和庞磁电阻（CMR ）效应，以及隧道结磁电阻（TMR ）【关键词】磁电阻 亥姆霍兹线圈【正文】一、实验原理材料的磁电阻和其在磁场中的磁化方向有关，即磁阻值是其磁化方向与电流方向之间夹角的函数。
外加磁场方向与电流方向的夹角不同，饱和磁化时电阻率不一样，通常取外磁场方向与电流方向平行和垂直两种情况测量AMR 。
即有：）（0-||||ρρρ=∆）（0-ρρρ⊥⊥=∆若退磁状态下磁畴是各向同性分布的，畴壁散射变化对磁电阻的贡献较小，将之忽略，通常取：)2(3/10//⊥+=≈ρρρρav ）（对于大多数材料)0(||ρρ>故AMR 定义为：如果av ρρ≠0，则说明该样品在退磁状态下有磁畴结构，即磁畴分布非完全各项同性。
图（1）是曾用作磁盘读出磁头和磁场传感器材料的Ni 81Fe 19的磁电阻曲线，很明显 ρ∥>ρ（０），ρ⊥<ρ（０），各向异性明显。
图中的双峰是材料的磁滞引起的。
图2是一些铁磁金属与合金薄膜的各向异性磁电阻曲线。
二、实验仪器亥姆霍兹线圈、大功率恒流电源、大功率扫描电源、精密恒流源、数字万用表三、实验注意事项1、亥姆霍兹线圈中通的电流比较大，因而不能长时间让线圈工作在强电流下，以免烧毁线圈。
各向异性磁电阻.
各向异性磁电阻测量Dad一、实验原理材料的磁电阻和其在磁场中的磁化方向有关，即磁阻值是其磁化方向与电流方向之间夹角的函数。
外加磁场方向与电流方向的夹角不同，饱和磁化时电阻率不一样，通常取外磁场方向与电流方向平行和垂直两种情况测量AMR。
即有：若退磁状态下磁畴是各向同性分布的，畴壁散射变化对磁电阻的贡献较小，将之忽略，通常取：对于大多数材料故AMR定义为：如果，则说明该样品在退磁状态下有磁畴结构，即磁畴分布非完全各项同性。
图（1）是曾用作磁盘读出磁头和磁场传感器材料的Ni81Fe19的磁电阻曲线，很明显ρ∥>ρ（０），ρ⊥<ρ（０），各向异性明显。
图中的双峰是材料的磁滞引起的。
图2是一些铁磁金属与合金薄膜的各向异性磁电阻曲线。
二、实验仪器亥姆霍兹线圈、大功率恒流电源、大功率扫描电源、精密恒流源、数字万用表三、实验注意事项1．经试验发现，多次测量时数据会有较大的偏差，因此最好一次性完成完整的测量，即使漏掉个别点也没关系，不必反向改变电流找漏掉的点。
2．实验结束时要将各个电源归零，关闭数字万用表，因实验中电流较大，应注意安全。
3．在记录过程中，在样品电压变化缓慢的区域，线圈电流可以变化的快一些，在样品电压变化快的区域，线圈电流要缓慢变化。
四、实验内容Ａ．方法1.将样品切成窄条，这在测AMR时是必需的。
对磁性合金薄膜，饱和磁化时，样品电阻率有如下关系:其中θ是磁场方向与电流方向的夹角。
为保证电流有一确定方向，常用的方法是：（１）将样品刻成细线，使薄膜样品的宽度远远小于长度。
（２）用平行电极，当电极间距远小于电极长度时，忽略电极端效应，认为两电极间的电流线是平行的。
2.用非共线四探针法测电阻值，如图12.1-10所示。
这种方法当数字微伏表内阻很大时，可以忽略探针接触电阻的影响，已在半导体、铁氧体、超导体等的电测量中广泛使用。
B.测量测量Ｆｅ-Ｎｉ薄膜的ＡＭＲa.将大功率恒流源与亥姆霍兹线圈连接。
磁晶各项异性 PPT
磁晶各项异性
4-3 磁晶各向异性常数得测量方法 一、单晶体磁化曲线法
W Ms HdM 0
1、沿[100]方向(x轴)磁化
W[100] K0
2、沿[110]轴磁化:
W[110]
K0
K1 4
3、沿[111]轴磁化:
W[111]
K0
K1 3
K2 27
W
W[110] W[100] [111] W [100] K1
用,使电子轨道矩失去了在空间得方向对称性,通过电子自
旋矩与轨道矩得耦合作用,便产生了电子自旋间各向异性
得交换作用能。范弗列克称之为“准
偶极矩相互作用”或“各向异性交换作用”
这个能量表达式与磁偶极矩作用能类似,可写为:
U各向异性
Cij i j
rij
Si S j
3(Si
rij )(S rij 2
K1
4 K2
3 27
二、磁转矩法
转矩磁强计得原理就是,当样品(片状或 球状)置于强磁场中,使样品磁化到饱与。若 易磁化方向接近磁化强度得方向,则磁晶各 向异性将使样品旋转,以使易轴与磁化强度 方向平行这样就产生一个作用在样品上得 转矩。如果测量转矩与磁场绕垂直轴转过 得角度关系,就可以得到转矩曲线,并由此可 求得磁晶各向异性常数。
0=/2
C面, ⊥
sin0=(Ku园1/2锥Ku面2)1，/2
EA 各向异性磁场
HA HA
0
2Ku1/Ms 0 ( C轴 )
Ku1+Ku2
-Ku12/4Ku2
2( Ku1/Ku2 )x -2(Ku1+2Ku2)/MS ( Ku1+2Ku2 )/MS
36│K3│/ MS ( C面 ) 36│K3│sin40/MS
4-3 磁晶各向异性常数得测量方法 一、单晶体磁化曲线法
W Ms HdM 0
1、沿[100]方向(x轴)磁化
W[100] K0
2、沿[110]轴磁化:
W[110]
K0
K1 4
3、沿[111]轴磁化:
W[111]
K0
K1 3
K2 27
W
W[110] W[100] [111] W [100] K1
用,使电子轨道矩失去了在空间得方向对称性,通过电子自
旋矩与轨道矩得耦合作用,便产生了电子自旋间各向异性
得交换作用能。范弗列克称之为“准
偶极矩相互作用”或“各向异性交换作用”
这个能量表达式与磁偶极矩作用能类似,可写为:
U各向异性
Cij i j
rij
Si S j
3(Si
rij )(S rij 2
K1
4 K2
3 27
二、磁转矩法
转矩磁强计得原理就是,当样品(片状或 球状)置于强磁场中,使样品磁化到饱与。若 易磁化方向接近磁化强度得方向,则磁晶各 向异性将使样品旋转,以使易轴与磁化强度 方向平行这样就产生一个作用在样品上得 转矩。如果测量转矩与磁场绕垂直轴转过 得角度关系,就可以得到转矩曲线,并由此可 求得磁晶各向异性常数。
0=/2
C面, ⊥
sin0=(Ku园1/2锥Ku面2)1，/2
EA 各向异性磁场
HA HA
0
2Ku1/Ms 0 ( C轴 )
Ku1+Ku2
-Ku12/4Ku2
2( Ku1/Ku2 )x -2(Ku1+2Ku2)/MS ( Ku1+2Ku2 )/MS
36│K3│/ MS ( C面 ) 36│K3│sin40/MS
最新磁阻效应-课件ppt课件
操作步骤
仪器开机前须将IM调节电位器、Is电流调节电位器逆时针 方向旋到底。 1、信号源的“IM直流源”端用导线接至测试架的“励磁电流” 输入端，红导线与红接线柱相连，黑导线与黑接线柱相连。调 节“IM电流调节”电位器可改变输入励磁线圈电流的大小，从 而改变电磁铁间隙中磁感应强度的大小。 2、将实验仪信号源背部的插座通过专用的连接线接至测试架 的控制输入端，这是一路提供继电器工作的12V直流控制电源， 作为继电器的控制电压。 3、信号源上“Is直流恒流源”输出用导线接至工作电流切换 继电器K1接线柱的中间两端，红导线与红接线柱相连，黑导线 与黑接线柱相连。
辽宁科技大学物理实验中心
七、实验数据记录
作出ΔR/R与B关系曲线数据表:
辽宁科技大学物理实验中心
调节IM电流，使电磁铁产生一个未知的磁场强度。 测量磁阻传感器的磁阻电压，根据求得的ΔR/R(0)与 B的关系曲线，求得磁场强度。用仪器所配的毫特计 测量该磁场强度，将测得的磁场强度作为准确值与磁 阻传感器测得的磁场强度值相比较，估算测量误差。
辽宁科技大学物理实验中心
8、确认接线正确完成后，接通电源，将信号源上左边的“信 号选择”切换开关处于弹起状态，此时励磁信号为直流信号； 将信号源右边的“信号选择” 切换开关处于按下状态，测试 架的切换开关也处于按下状态，这时将测试架上取出的霍尔电 压信号输入到信号源，经内部处理转换成磁场强度由表头显示。 9、调节Is调节电位器让Is表头显示为1.00mA，然后调节IM， 使磁场强度显示为0.x mT，记下励磁电流值的大小。 10、弹起信号源右边的切换开关和测试架上的切换开关，测量 并记录该磁场强度下对应的磁阻电压。注意：这时的Is表头显 示应为1.00mA。 11、将测试架上及信号源右边的切换开关按下，再调节IM调节 电位器，使磁场强度显示为20mT，记下该磁场强度及对应的 励磁电流值。测量并记录该磁场强度下对应的磁阻电压。
仪器开机前须将IM调节电位器、Is电流调节电位器逆时针 方向旋到底。 1、信号源的“IM直流源”端用导线接至测试架的“励磁电流” 输入端，红导线与红接线柱相连，黑导线与黑接线柱相连。调 节“IM电流调节”电位器可改变输入励磁线圈电流的大小，从 而改变电磁铁间隙中磁感应强度的大小。 2、将实验仪信号源背部的插座通过专用的连接线接至测试架 的控制输入端，这是一路提供继电器工作的12V直流控制电源， 作为继电器的控制电压。 3、信号源上“Is直流恒流源”输出用导线接至工作电流切换 继电器K1接线柱的中间两端，红导线与红接线柱相连，黑导线 与黑接线柱相连。
辽宁科技大学物理实验中心
七、实验数据记录
作出ΔR/R与B关系曲线数据表:
辽宁科技大学物理实验中心
调节IM电流，使电磁铁产生一个未知的磁场强度。 测量磁阻传感器的磁阻电压，根据求得的ΔR/R(0)与 B的关系曲线，求得磁场强度。用仪器所配的毫特计 测量该磁场强度，将测得的磁场强度作为准确值与磁 阻传感器测得的磁场强度值相比较，估算测量误差。
辽宁科技大学物理实验中心
8、确认接线正确完成后，接通电源，将信号源上左边的“信 号选择”切换开关处于弹起状态，此时励磁信号为直流信号； 将信号源右边的“信号选择” 切换开关处于按下状态，测试 架的切换开关也处于按下状态，这时将测试架上取出的霍尔电 压信号输入到信号源，经内部处理转换成磁场强度由表头显示。 9、调节Is调节电位器让Is表头显示为1.00mA，然后调节IM， 使磁场强度显示为0.x mT，记下励磁电流值的大小。 10、弹起信号源右边的切换开关和测试架上的切换开关，测量 并记录该磁场强度下对应的磁阻电压。注意：这时的Is表头显 示应为1.00mA。 11、将测试架上及信号源右边的切换开关按下，再调节IM调节 电位器，使磁场强度显示为20mT，记下该磁场强度及对应的 励磁电流值。测量并记录该磁场强度下对应的磁阻电压。
各向异性磁阻传感器的应用从设想到实践PPT文档共48页
从物理上说，磁畴是具有记忆性的：当先 后将两个磁场A,B加到一组磁畴上后,磁畴的 排布效果与仅将B磁场加到它上面磁畴的排 布效果不同，即磁畴的排布与它感知的磁 场“历史”有关，而不仅仅取决于当前的 磁场。
所以可以想像，时时对传感器进行复位操 作（set/reset）可以使得磁畴总是从一个最 初始的状态去感知外部磁场，这在测量不 断变化的磁场的时候可以使得测得数据很 准确的反应变化的磁场。
芯片体积小，定位较准确
芯片管脚排布
电压与磁场关系曲线
外加磁场和电桥电压输出的线性关系：
芯片内的惠斯通电桥
同时，honeywell1022磁阻传感器还内置了两组功能性的铁磁性
电阻，外部相应的有两组功能管脚，称作offset管脚和set/reset管
脚。
Offset管脚
通过在Offset管脚上加置合适的电压可以使得：
这就实现了我们最初的想法
－－由场求源
实验部分
实验部分的几个技术问题： 1. 理论模型是非闭合电流段，实际上却是闭
合的电流环，如何去除多余导线上电流的 影响？ 2. 测量时数据点多少才合适？过多就白费时 间，太少又不足以给出完整分布。 3. 如何保证测量点在一条直线上？
1. 采用如下绕法：
2. 先粗略的看磁场变化趋势，保证不漏掉极值点。 3. 将芯片固定在边缘规则的物体（比如木板）上，沿边缘
它的作用具体如下：
当磁阻传感器受到外加大磁场干扰后，构 成它的铁磁性薄膜材料的磁畴就会呈现随 机取向的状态，这会使得它的灵敏度受到 影响。
作用原理
芯片内部实现set/reset功能的部件实际上是 一组铁磁性电阻，当一个冲击性电流通过 这个铁磁性电阻的时候，会产生沿着传感 器灵敏方向的“内部”磁场，如果冲击电 流足够大，这个大的“内部”磁场可以使 得传感器的磁畴全部沿着敏感方向有序排 布，这就使得它回复到一个最初始的状态， 在这个状态下感知磁场可以有最灵敏和最 准确的输出信号。
实验课件PPT各向异性磁阻效应
磁阻效应综合实验·实验原理
（1）各向异性磁阻 a. 磁电阻特性及线性化
( ) (∥ )cos 2
45o附近为线性区域 b. 全桥式差动非平衡电桥
电桥电压UE
坡莫合金薄膜
（Ni80Fe20）
θ
θ
45o+δ 易
I ΔR↘
磁
45o- δ ΔR↗
I
磁敏感 M0
化
轴 M0
磁敏感
B方 B
B<<M0 向
实验背景 2. 亥姆霍兹线圈及其种类 由德国物理学家、数学家、生理学家、心理学家 赫尔曼•冯•亥姆霍兹（1821～1894）的名字命名，科研 和生产中常用来制造小范围区域均匀磁场的器件，也 可获得“零磁场”。
小型单轴型 、
中型三轴型、
大型矩形三轴型亥姆霍兹线圈
磁阻效应综合实验·实验目的
1. 实验目的 （1）了解各向异性磁阻效应原理和传感电路的组成。 （2）掌握应用各向异性磁阻效应测量弱磁场的方法。 （3）掌握亥姆霍兹线圈空间轴线上磁场的计算和测量方法。 （4）掌握用亥姆霍兹线圈的对磁阻传感器进行定标的方法。 （5）掌握用磁阻传感器测量地磁场的方法。
异号法求得：
B U2 -U1 2UE S
式中S由先前定标求得
b. 测量地磁场参数
z
Bz β By θ Bx
B
y
B// x
Bx （U x U x）（2U E S）
By （Uy Uy）（2U E S）
Bz （Uz Uz）（2U E S）
B//
Bx2
B
2 y
arctg(By Bx )
B地 B/2/ Bz2
磁阻效应综合实验·实验原理
铝合金带电流方向
磁性物理 感生磁各向异性
Hd N
退磁能为
I
0
N
2 s
I
0
i
z y x
I 1 2 2 Ed I s H d N x12 N y 2 N z3 2 20
例如，对x方向的细长针形： Nx=0,Ny=Nz=1/2
Ed I I I 2 2 ( 2 3 ) (1 12 ) sin 2 40 40 40
2 s 2 s 2 s
z
y x
单轴各向异性的表达式：EA=Kusin2
I s2 2 I s2 Ed 3 cos2 20 20
得： 对于薄板(xy面)，退磁场系数：Nz=1 ,Nx=Ny=0
,与Ed比较
I s2 Ku 4 0
I s2 Ku 20
=0 ,垂直x-y面，能量最高； =/2 ,平行x-y面时能量最低。因而面内 磁化是最容易的方向。如果Is比较小时，垂直和面内退磁能的差也比较小。
x
y
C
以上几种模型可以帮助了解磁场退火效应。
第三节 形状各向异性
1、退磁场与磁化强度成正比
-
I
＋ ＋ ＋
Hd N
I
0
-
Hd
＋
N为退磁因子，决定于样品的形状。
长而细的棒N=0，
粗而短的棒N很大。
对非球形样品，各个方向的退磁场不一样，导致各方向磁性能量 不一样。设样品在x,y,z方向的退磁场系数为Nx , N异性的一个典型例子就是AlNiCo5永磁合金。该合金除 了Fe以外，含有Al,Ni和Co 。在13000C以上是体心立方结构的均匀固溶 体，但在9000C以下，脱溶成两相。通过磁场冷却，感生出一种易轴平 行于冷却时所加磁场方向的各向异性。由电镜照片看到针状脱溶物，针 状相是含较多Fe和Co的强铁磁相，基体是含较多Al和Ni的弱磁相。
磁晶各向异性PPT课件
5
产生铁磁性条件
铁磁性除与电子结构有关外，还决定于晶体结构。
产生铁磁性条件：
(1).有固有磁矩(未满电子壳层); (2) .原子磁矩之间有相互作用,且Rab/r > 3，即一定的点阵结构。
Rab: 原子间距;
r :未满电子壳层半径.
交换作用能:
Eex = -AS1·S2 = -Acosφ;
A>0时，自发平行排列；
A<0时，反平行排列。
2021/3/7
CHENLI
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铁磁性的起源----直接交换相互作用
原子间距离太远，表现孤立原子特性
a.b原子核外电子因库仑相互作用相 互排斥，在原子中间电子密度减少。
原子间距离适当时，a原子核将吸引
(1) a(1)
a
b
b(2) (2)
rab
b原子的外囲电子，同样b原子核将吸引 b原子的外囲电子。原子间电子密度增
由于磁晶各向异性的存 在，如果没有其它因素 的影响，显然自发磁化 在磁畴中的取向不是任 意的，而是在磁晶各向 异性能最小的各个易磁 化方向上。
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•磁晶各向异性能
磁晶各向异性大的适于作永磁材料，小的适于软磁材 料。
材料制备中人工地使晶粒的易磁化方向排在一特定方 向以提高该方向磁性能。(如硅钢片生产工艺上的冷 扎退化，铝镍钴生产中的定向浇铸(柱晶取向)和磁 场中热处理，磁场成型等都是利用磁晶各向异性。
称为磁畴壁 。
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CHENLI
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MFM: NG-HD
表面形貌图
Topography
表面磁力图
MFM Phase
2021/3/7
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·注意使用“消磁”按钮对磁阻传感器消磁；
·注意励磁电流不要随意增大到0.1A以上，否则磁阻传感器的灵敏度 将下降；
·注意检查移动两个线圈的距离和位置是否满足亥姆霍兹线圈的条件。
磁阻效应综合实验·实验内容 3. 实验内容
（3）数据记录及处理
a. 求不同电源电压下磁阻传感器的灵敏度S，数据及计算结果记入表13-1， 总结规律于表后。 IM=0.100A， d=R=80.0mm，x‘=120.0mm，B理0=
磁阻效应综合实验
大学物理实验中心
磁阻效应综合实验·背景 实验背景 1. 各向异性磁电阻（AMR）效应的发现和应用 1856 年 著 名 英 国 科 学 家 开 尔文爵士最先发现 AMR 现象。 1971 年,美国科 学家亨特发明了 电脑硬盘的 AMR 磁头， 1985 年 由IBM投产，相关研究、技术和 应用得到蓬勃发展。
UE=5.00V， B成都//=
Ux+/mV Ux-/mV Uy+/mV Uy-/mV
uT， B成都⊥ =
uT 。
Uz+/mV Uz-/mV
Ux /mV
Bx/mT
Uy /mV
By/mT
2 2 B// Bx By /mT
Uz /mV
Bz/mT
2 B地 B// Bz2 /mT
arctg(By / Bx )
（单位： mV· V-1· mT-1） U2
U1 待测磁场： B （单位： mT）
磁阻传感器电桥实际结构
U 2 - U1 2U E S
磁阻效应综合实验·实验原理 2. 实验原理 （1）各向异性磁阻 d. 易磁化轴的复位/反向置位
铝合金带电流方向
作用：测量前保持铁磁材 料磁畴是沿易磁化轴方向， 消除前一次测量强磁干扰 带来的灵敏度下降。
磁阻效应综合实验·实验内容
续表13-3
/mm
亥姆霍兹 U(a+b)2/mV 线圈 Ua+b /mV Ba+b/mT 叠加 相对误差 Ba +Bb/mT E /% U(a-b)1/mV 反相线圈 U(a-b)2/mV 组合 Ua-b /mV U(a+b)1/mV
-80.0 -60.0 -40.0 -20.0 -10.0 0.0 10.0 20.0 40.0 60.0 80.0
思考题与实验报告 5 思考题与实验报告 （2）实验报告 a. 求不同电源电压下磁阻传感器的灵敏度S，计算结果记入表13-1， 总结规律于表后。 b. 线圈a、b、 a +b及a -b轴线传感电压计算结果记入表13-3，绘平滑曲线 并总结规律于表后。将各处测得磁场 Ba+b与相应亥姆霍兹线圈磁场理论 值 Ba +Bb进行对比； Ba-b 与Ba -Bb 进行对比，证明叠加原理。 c. 测定地磁场各方向的传感器输出电压Ux、Uy、Uz计算结果记录入表13-6， 表后计算地磁场磁感应强度和水平偏向角、磁倾角，进行误差分析。
实现方法：在传感器硅片 上设置铝合金带，瞬间通 过大直流脉冲电流，该电 流产生的强磁场正好沿着 沿易磁化轴方向，使磁畴 排列整齐。
磁阻效应综合实验·实验原理 2. 实验原理 （2）亥姆霍兹线圈 a. 载流圆线圈轴线上磁感应强度
由毕奥-萨伐尔定律 0 R 2 B NI 2 2 3/ 2 2( R x ) b. 亥姆霍兹线圈轴线上磁感应强度
8 0 N I M 53 / 2 R
磁阻效应综合实验·实验原理 2. 实验原理 （2）亥姆霍兹线圈 c. 磁场叠加原理及亥姆霍兹线圈组成条件 两线圈同相连接，且d=R时，轴线上O点附近B均匀。
B0 B0 B0
O
B0
x
反相连接， d=R
O
x
O
x
O
x
同相连接，d < R
同相连接，d > R
磁阻效应综合实验·实验原理 2. 实验原理 （3）用亥姆霍兹线圈定标磁阻传感器 a. 理论磁感应强度
Ba-b/mT
叠加 相对误差 Ba -Bb/mT E /%
将各处测得磁场 Ba+b与相应亥姆霍兹线圈磁场理论值 Ba +Bb进行对比； Ba-b 与Ba -Bb 进行对比，证明叠加原理。
磁阻效应综合实验·实验内容 3. 实验内容 （3）数据记录及处理 c. 测定地磁场各方向的传感器输出电压Ux+、Ux-、Uy+、Uy-、Uz+、Uz-， 数据记录入表13-6，表后计算地磁场磁感应强度和水平偏向角、磁倾角， 进行误差分析。
2 3 / 2 2 3 / 2 2 2 R 2 R 1 B 0 N I M R R x R x 2 2 2
亥姆霍兹线圈轴线上两线圈中点O处： B0
80.0 100.0 110.0 120.0 130.0 140.0 160.0 180.0 200.0 0.0 20.0 30.0 40.0 50.0 60.0 80.0 100.0 120.0
Ua1/mV 只接 Ua2/mV a 线圈 U /V a Ba/mT
/mm Ub1/mV 只接 Ub2/mV b 线圈 U /mV b Bb/mT -120.0 -100.0 -80.0 -60.0 -50.0 -40.0 -30.0 -20.0 0.0 20.0 40.0
b. 为什么测量各向异性磁阻传感器的输出电压时，要改变 B测为相反方向 （或改变励磁电流方向）各测量一次？
c. 为什么亥姆霍兹线圈轴线中点附近磁场是均匀的？本实验两线圈之间距 离多少毫米、两线圈间及与电源如何连接时可以组成亥姆霍兹线圈？请 画出接线图。 d. 各向异性磁电阻为什么在电流方向与易磁化轴方向成45o时，电阻变化 ΔR与易磁化轴方向垂直的磁敏感方向的待测磁感应强度B的大小成正比？ 定量推导ΔR与B的函数关系。
a. 用亥姆霍兹线圈磁场对磁阻传感器定标
b. 测量电源电压对传感器灵敏度的影响。
c. 测量单线圈、两线圈极性不同时轴线磁感应强度分布。 d. 用磁阻效应传感器测量地磁场的大小和方位。
磁阻效应综合实验·实验内容 3. 实验内容 （2）实验步骤及注意事项 a. 基本电路连接 左红右黑连接 左黑右红连接
B理 0 8 0 N I M 5.84 I M 53 / 2 R
式中真空导磁率μ0=4π×10-7， N=520匝，R=80.0mm， IM单位为A，B理0单位为mT。
b. 测量磁阻传感器输出电压
切换励磁电流方向→磁场反向各测量输出电压为U1 、 U2 ，则由异 号法求得： U 2 - U1 U 2
c. 求磁阻传感器灵敏度
S
U U -U 2 1 （单位： mV· V-1· mT-1） U E B理0 2U E B理0
磁阻效应综合实验·实验原理 2. 实验原理 （4）用定标后的磁阻传感器测量磁场 a. 切换励磁电流方向→磁场反向各测量输出电压为U1 、 U2 ，则由 异号法求得： U -U B 2 1 式中S由先前定标求得 2U E S b. 测量地磁场参数
大型矩形三轴型亥姆霍兹线圈
磁阻效应综合实验·实验目的 1. 实验目的 （1）了解各向异性磁阻效应原理和传感电路的组成。 （2）掌握应用各向异性磁阻效应测量弱磁场的方法。 （3）掌握亥姆霍兹线圈空间轴线上磁场的计算和测量方法。 （4）掌握用亥姆霍兹线圈的对磁阻传感器进行定标的方法。
（5）掌握用磁阻传感器测量地磁场的方法。
硬盘磁头
地磁检测与导航
磁卡读取
流量检测
电流测量
磁阻效应综合实验·背景 实验背景 2. 亥姆霍兹线圈及其种类 由德国物理学家、数学家、生理学家、心理学家 赫尔曼•冯•亥姆霍兹（1821～1894）的名字命名，科研 和生产中常用来制造小范围区域均匀磁场的器件，也 可获得“零磁场”。
小型单轴型 、中型三轴型、 Nhomakorabea水平分量：34.48uT； 竖直分量：36.43uT。
θ 是相对于实验桌的水平 磁偏角，相对于北极的水 平磁偏角为θ 加上实验桌 的方位角θ桌 。
arctg( By Bx )
2 B地 B// Bz2
arctg( Bz B// )
磁阻效应综合实验·实验内容 3. 实验内容
（1）实验测试内容
磁阻效应综合实验·实验原理 电桥电压UE （1）各向异性磁阻 a. 磁电阻特性及线性化 坡莫合金薄膜 （Ni80Fe20）
易 o 45 -δ I 磁 ΔR↗ I 化 磁敏感 磁敏感 M0 轴 M0 B 方 B B<<M0 向
( ) ( ∥ ) cos
2
θ 45o+δ ΔR↘
UE /V
U1/mV U2/mV U / mV S/( mV· V-1· mT-1)
mT。
8.00
2.00
4.00
5.00
6.00
磁阻效应综合实验·实验内容 b. 证明磁场迭加原理，线圈 a、b、 a +b及a -b轴线传感电压测量值数 据及计算结果记入表13-3，绘平滑曲线并总结规律于表后。
UE=5.00V， IM=0.100A， d=R=80.0mm， xa =-40.0mm，xb =40.0mm， B理0= /mm /mm 40.0 -40.0 60.0 -20.0 mT。
元件在亥姆霍兹线 圈中心位置时读数 120.0mm 以亥姆霍兹线圈中心为原点，元件的轴上坐标x与左侧读数x'的关系
x x 120
磁阻效应综合实验·实验内容 3. 实验内容 （2）实验步骤及注意事项 d. 其它注意事项 ·测量时要避免强磁场、顺磁性物体靠近磁阻传感器，以免磁阻效应传 感器被磁化，造成灵敏度急剧下降；
z Bz β By θ Bx B// x
B
y
Bx （U x U x） （2U E S ） 成都地磁参数公认值： o B （U U ） （2U S ） 水平磁偏角：1 11.16 ‘；