实验名称： 静态磁特性测试

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磁化曲线可以通过环形磁性材料样品 磁化曲线 测出，在圆环上绕初、次级线圈N1和N2， N1的两端接上直流电源，N2的两端接上电 子磁通计，当N1通以直流电时，磁环内部 就产生了磁场，其方向是沿着圆环轴线的。 此环形磁性材料将被磁化。设磁化达到的 磁化强度为M，则样品的磁感应强度为B= µ 0（H+M）。
处于旋转运动状态下的电子，相当于一个 电流闭合回路，必然伴随有磁矩发生。所以， 电子轨道运动产生电子轨道磁矩，电子自旋 产生电子自旋磁矩。原子系统内，原子核也 具有该磁矩，但是，核磁矩非常小，几乎对 原子磁性不起作用，故原子的总磁矩是由电 子轨道磁矩和电子自族磁矩所构成，物质磁 性起源于原子磁矩。
• 铁磁性
这种磁性物体和前述磁性物体大不相 同。它们只要在很小的磁场作用下就能被磁 化到饱和外磁场除去后仍保持相当大的永久 磁性。不但磁化率 χ ＞0，而且数值大到 104一106数量级．其磁性强度M与磁场强度 H之间的关系是非线性的复杂函数关系。反 复磁化时出现磁滞现象．物质内部的原子磁 矩是按区域自发平行取向的。上述类型的磁 性称为铁磁性。
在许多场合，确定磁场效应的量是 磁感应强度B，而不是磁场强度H。B表 示材料在外磁场H的作用下在材料内部的 磁通量密度。 B的单位 T 或Wb/m2 的单位: 的单位
B = µ 0 (H + M )
µo是真空磁导率，其数值和单位由下式确定：
在自由空间里，B和H始终是平行的，数 值上成比例，两者的关系只曲真空磁导率来 联系，即 B＝ µ 0 H（由于真空中M=0 ）。但 是，在磁性体内部，两者的关系就夏杂得多， 必须由下式来描写，方向上也不一定平行。
铁、钴、镍等过渡元素都具有未成对的3d 镍等过渡元素都具有未成对的 电子。分别具有4、 和 的净磁矩 的净磁矩。 电子。分别具有 、3和2的净磁矩。 • 铁、钴、镍金属在室温下具有自发磁化的 倾向（交换作用）。形成相邻原子的磁矩都向 一个方向排列的小区域，称为磁畴。各个磁畴 之间的交界面称为磁畴壁 磁畴壁。 磁畴壁 •
反铁磁性物体有过渡族元素的盐类及化台物，如 MnO、CrO、CoO等。反铁磁性物体在奈耳温度以 下时，其内部磁结构按次晶格自旋呈反平行排列， 每一次晶格的磁矩大小相等方向相反，故它的宏观 磁性等于零．只有在很强的外磁场作用下才能显示 出微弱的磁性。 • 在有些材料中，相邻原子或离子的磁矩呈反方 向平行排列，结果总磁矩为零，叫反铁磁性。反铁 磁性物质有某些金属如Mn，Cr等，某些陶瓷如MnO， NiO等以及某些铁氧体如ZnFe2O4等。 •
由上式可见积分器的输出电压U0正比 与输入电压Ui对时间的积分。式中的负 号表示U0与Ui反位相。
U 0 = −1 / RC ∫ U i dt
参照图中，在测量电路中，单调地改 变流过N1中的电流I0，样品内部的磁场H 发生变化，此时在N2中，将产生感应电 动势ε，ε的大小为：
式中，S为环状磁性材料的横截面积。 将N2接到积分器的输入端，对ε积分，得 到：
B = µ 0 (H + M )
• 磁化率和磁导率 • 磁性体被置于外磁场中，它的磁化强度 将发生变化，磁化强度M和磁场H的关系 由下式表达： • M＝ H或 M χ H χ ＝M／H M／ • 称为磁体的磁化率。上式说明，磁化率 是单位磁场强度在磁体中所感生的磁化 强度，表征磁体磁化难易程度的一个参 量。
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具有顺磁性的物体很多，典型的有稀土金属 和铁族元素的盐类等。多数顺磁性物体的 与温度T有密切关系 有密切关系。服从居里定律。即 与温度 有密切关系 • ＝C / T • 式中，C为居里常数；T为绝对温度。然而,更 多的顺磁性物体的 与温度的关系，遵守居 里－外斯定律，即
• • 式中，Tp为临界温度，称为顺磁居里温度。
B = MU XM U 0 /( N 2 SR0U 0 M )
四、实验设备
静态磁特性参数测量仪，直流电源，计 算机
五、实验步聚： 实验步聚：
1.打开电脑和测量仪的控制面板。 2.接入样品后，调节“平衡”旋钮，使得 数字表上的读数基本保持不变。 3.在测量条件、参数和显示区域设定后， 按下“记录”命令按钮，系统进入测量 状态。同时，一些相关的按钮和选单变 灰，此时“暂停”按钮有效。
4. 调节电流调节旋钮，以此改变磁场的大 小和方向（注意：测量时，请将电流控 制在0.8A以内）。 5. 测量过程中，按下“暂停”命令按钮， 系统进入待命状态，此时可以进行：变 更显示坐标，平滑测量曲线，保存数据， 打印曲线，更新显示区域等操作。按下 “继续“按钮，系统再次进入测量状态。
磁畴壁是一个有一定厚度的过渡层，在过渡 磁畴壁 层中磁矩方向逐渐改变宏观物体一般总是具有 很多磁畴，这样，磁畴的磁矩方向各不相同， 结果相互抵消，矢量和为零，整个物体的磁矩 为零，它也就不能吸引其它磁性材料。 也就是说磁性材料在正常情况下并不对 外显示磁性。只有当磁性材料被磁化以后，它 才能对外显示出磁性 • 任何铁磁体和亚铁磁体，在温度低于居里温度 Tc时，都是由磁畴 磁畴组成的。 磁畴
C χp = T − Tp
反铁磁性
另有一类物体，当温度达到某个临界值 TN以上，磁化率与温度的关系与正常顺磁性物 体的相似，服从居里—外斯定律．但是，表现 出在公式
C χp = T − Tp
中的Tp常小于零。当T＜TN时，磁化率不是 继续增大，而是降低．并逐渐趋于定值。所 以．这类物体的磁化率在温度等于TN的地方存 在极大值。显然TN是个临界温度，它是奈耳发 现的，被命名为奈耳温度。上述磁性称为反铁 磁性。
实验名称： 实验名称： 静态磁特性测试
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背景
所有的物质，不论处于什么状态，或 是晶态、非晶态，或是液态、气态、不 论在怎样的温度和压力条件下，实验证 明都显示或强或弱的磁性，所不同的是 不同的物质有不同的磁性。有的磁性强、 有的磁性弱。
磁性起源 1 电子的轨道成矩和自旋磁矩 原子中的电子同时具有两种运动形式，即 电子绕原子核的轨道运动和电子绕本身轴的旋 转。前者叫做电子轨道运动；后者叫做电子自 旋。
τ的确定 的确定
τ的大小可以用互感器M测定。实验 时K2选择2。用互感器替代样品线圈。改 变流过M的电流I,则M产生的电动势ε1为
ε 1 = − MdI / dt
对ε1积分，积分器的输出电压：
U OM = MU XM /(τR0 )
由此可得，
τ = MU XM /( R0U OM )
当电流I从0逐渐增加到互感器的额定电流值 时，计算机将绘出一条直线，则B即为
• 磁场强度 和磁感应强度 磁场强度H和磁感应强度 和磁感应强度B • 实验证明，导体中的电流或一块永磁 体都会产生磁场。H和B符号都是描述空 和 符号都是描述空 间任一点的磁场参量。按照历史习惯，H 间任一点的磁场参量 称为磁场强度，B称为磁感应强度。它们 都是矢量，有大小和方向。
依照静电学， 依照静电学，静磁学定义磁场强度H 等于单位点磁荷在该处所受的磁场力的大 小，其方向与正磁荷在该处所受磁场力的 方向一致。设试探磁极的点磁荷为m，它在 磁场中某处受力为F，则该处的磁场强度矢 量H为 • H＝F／m •
• 材料是否具有铁磁性取决于两个因素：(1)原子是否 具有由未成对电子，即自旋磁矩贡献的净磁矩(本征 磁矩) • (2)原子在晶格中的排列方式 • 具有铁磁性的元素 铁磁性的元素不多，但具有铁磁性的合金 铁磁性的元素 和化台物却各种各样。到目前为止，发现九个纯元 素晶体具有铁磁性，它们是三个3d金属铁、钴、镍 和六个4f金属钆（ga）、铽（te）、镝（di）、钬 （huo）、铒（er）和铥（diu）。 • 当铁磁性物体的温度比临界温度Tc高时．铁磁 性将转变成顺磁性，并服从居里—外斯定律
B的测量： 的测量： 的测量
本实验中通过电子积分器测量B。 电子积分器是一种实现积分运算的 电路，通过对连续变化的感应电动势进 行累加，来测量随时间变化的磁场。电 子积分器由运算放大器、R、C组成。电 子积分器的输出电压U0表示为：
U 0 = −1 / RC ∫ U i dt − U c
上式中Ui是积分器的输入电压，Uc是 积分器在0时刻的输出电压，Uc可以通过 在测量之前对电容C放电使之为0，这样 上式就简化成
• 顺磁性
许多物体在受外磁场作用后，感生出与磁 化磁场同方向的磁化强度．其磁化率 ＞ 0．但数值很小，仅显示微弱磁性。这种磁性 ． 称为顺磁性。 • 顺磁性物体有—个固有原子磁矩．但各原 子磁矩的方向混乱，对外不显示宏观磁性．在 磁化磁场作用下，原子磁矩转向磁场方向，感 生出与外磁场方向一致的磁化强度M。所以顺 磁性磁化率 ＞0，但它的数值很小。室温 下， 为10-3一10-6数量级 数量级。 •
• 物质按磁性分类 把物体放在外加磁场中，物体就磁化 了，其磁化强度M和磁场强度H的关系为 M＝ χ H。 从这个意义上说，这种被磁化了的 物体就称为磁性物体。磁性物体在性质 上有很大则不同，因此，有必要把磁性 体分类。从实用的观点，可以根据磁性 体的磁化率大小和符号来分；从物理的 观点．可以根据构成磁性起源的磁结构 来分。
ε − − N 2 SdB / dt
U 0= N 2 S / RC ∫ dB = N 2 S ( B − B0 ) / τ
上式中τ为时间常数，由电路参数决定； B0是样品中的剩磁，只要在正式测量之前 将样品退磁，即可使B＝0。 实验中只要单调、缓慢地改变磁化电 流I，计算机就可以同步画出H-B关系相对 应的曲线Ux－U0的曲线，U0，Ux的大小可 以分别从计算机所绘的曲线上求得。
一、实验目的
1．学习用电子积分器测量磁感应强度 2．测量软磁材料的初始磁化曲线、磁滞回 线，基本磁化曲线 3．了解并使用计算机记录实验数据和曲线
二、实验内容
1．测试铁磁材料磁滞回线 2．分析磁滞回线的各项参数，并探讨其意 义
三、实验原理
测量电路如图所示，图中A为环状 磁性材料，N1，N2分别为绕在其上的初、 次级线圈的匝数；M为互感器；R0是取 样电阻，阻值为1 ；电子积分器用于测 量B，由运算放大器等构成。K1，电流 换向开关；K2，选择测量开关；K3，复 位按钮开关。E,可调电源。
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抗磁性 某些物体当它们受到外磁场H作用 后，感生出与H方向相反的磁化强 度．其磁化率 ＜0。这种磁性称为抗 其 磁性。 不但小于零，而且绝对数值 也很小，一般 为10-5的数量级。 性质和磁场、温度均无关。 的性质和磁场、温度均无关。抗磁性物 体的磁化曲线为一直线。 体的磁化曲线为一直线。
• 所有材料都有抗磁性。因为它很弱，只 有当其它类型的磁性完全消失时才能被 观察 • 抗磁性物体有： 抗磁性物体有 • 惰性气体、许多有机化和物、 • 若干金属(如 Bi、Zn、Ag和Mg等)、 • 非金属(如Si、P和S等)。
磁性材料的磁化曲线和磁滞回线
• 如前述具有铁磁性或亚铁磁性的材料都属 于强磁性材料，通常就叫做磁性材料。 • 这类材料与抗、顺和反铁磁性的区别就 在于它们对外加磁场有明显的响应特性，即 被磁化。
这说明磁性材料的状态随外磁场强度 的变化而发生变化。这种变化可以用磁 磁 化曲线和磁滞回线来表征。 化曲线和磁滞回线来表征 • 磁化曲线是表示磁场强度H与所感生 的磁感应强度B或磁化强度M之间的关系。 B-H关系是工程技术 工程技术中常用的表示法； 工程技术 磁性物理学中常用的表示法。 M—H关系是磁性物理学 磁性物理学 •
电流换向开关 可调电源
M为互感器
来自百度文库
复位按钮开关
选择测量开关
取样电阻
环状磁性材料
H的测量： 的测量： 的测量
磁化场H可以表示为： H= N1I0/L 上式中I0表示通过初级线圈的磁化电流， L为环型磁性材料的平均周长。H的变化是通过 改变I0实现的，因此H的测量就转换成了I0的测 量。但是计算机不能直接采集I0的信号，需通 过采样电阻R0将I0转化成与H成正比的电压信 号Ux。于是： H= N1Ux/L R0
• B与H的关系，通过初级线圈电流从小逐 步变大。在次级线圈的磁感应强度对应 磁感应强度对应 发生变化从而使磁通量变化并在电子磁 通计反 通计反映出来，求得磁环的磁感应强度 的值。根据B= µ 0（H+M），还可以画 出 µ 0 M—H曲线。
• 下图作出铝镍钴合金的B-H和M-H两种磁 化曲线。