07.02 振动样品磁强计测量内禀磁特性

振动样品磁强计测量内禀磁特性1. 实验目的

(1) 掌握VSM工作原理；

(2) 利用实验室提供的设备，具体测量实际材料的M或值。

2. 实验原理

2.1 振动样品磁强计磁性检测原理

如图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，

其与坐标原点的矢径为，磁场沿M方向施加。由

于M的尺度与相比非常小，故S

在空间的场可表

为偶极场形式：

(1)

注意到M值有X

分量，则可得到检测线圈L内第n

匝中面积元的磁通为

(2)

其中为真空磁导率。而第n 匝内的总磁通则为

整个L的总磁通则为

(3) 其中，为的X轴分量，不随时间而变；为的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

(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=m），且和检测线圈的结

构、振动频率和振幅有关。如果将(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。，为材

料的密度。

2.2 振动样品磁强计工作原理

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

图1 振动样品磁强计磁性检测原理

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

，质量为，其。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，则单位偏转所对应的磁矩数应为

，再由样品的J-H回线上量得

样品某磁场下的Y轴高度，则被测样品

在该磁场下的磁化强度应为

(5)

被测样品的质量磁化强度为

(6)

其中为样品密度，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。可将退磁场表示为，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。

3. 实验描述

3.1 实验仪器

实验采用振动样品磁强计测量样品的内禀磁特性。

3.2 实验内容

(1) 依次打开仪器电源；

图2 振动样品磁强计结构原理图

(2) 装上标准样品Ni，调节至合适的振动频率和幅度，记录其J-H回线；

(3) 换成待测样品，在完全相同的条件下，记录其J-H回线；

(4) 待感应电流为零时，关闭仪器电源；

(5) 记录标准样品和待测样品的相关参数，利用(6)式计算待测样品的。

4. 实验结果与分析

4.1 实验结果

实验中，Ni标准样质量为，质量磁化强度为，待测样品质量为；根据实验记录，测得Ni标准样J-H回线Y轴偏转为，相同条

件下待测样品J-H回线Y轴偏转为，则由(6)式，可得待测样品的质量磁化强度为

(7) 4.2 误差分析

实验误差来源于多个方面。(6)式适用的条件为标准样的测量和待测样品的测量条件应保持完全一致，但在实际实验中，这一点很难做到，测量时，样品的振动频率和振动幅度都会有一定的变动。此外，实验记录采用X-Y记录仪，在测量样品J-H回线的Y轴偏转时，也会有一定的误差。

5. 实验思考题

1) 试从(4)式分析一下如何才能更准确地测出样品的磁化强度值(比如对各个单元仪器

应有何种要求等)？

(4)式成立要求样品满足偶极子模型，因而样品尺寸要很小，检测线圈的尺寸与它跟样品的距离相比也应该非常小。此外，样品的振动频率和振动幅度也应该合适。

2) 由于VSM是基于将样品视为偶极子的模型，但实际上，被测样品的形状往往各式各样，这样一来，应如何选取定标样品的大小和形状才能更准确地测出样品的磁矩值？

一般选定样品为较长的薄片状且尺寸应尽可能小，这样样品将表现出磁偶极子的行为；此外，应将样品与外场平行放置，这样可以忽略其退磁场效应，从而在外场下表现出磁偶极子的特性。

3) 振动样品磁强计的另一种定标方法是用高导磁率()的软磁球标准样品，记录下放大后的感应电压幅值E和外加磁化场H，由E-H曲线直线部分的斜率即可求出系数K。请你说明这种定标方法的原理。

由(4)式可知，检测线圈中的感应电压幅值E正比于被测样品的总磁矩J，因此，

但对于J-H回线的直线部分，有