测量铁磁材料在直流磁场下的静态磁特性-实验指导

测量铁磁材料在直流磁场下的静态磁特性
一、实验目的
1.了解振动样品磁强计的结构、原理、功能和使用方法；
2.用振动样品磁强计测量铁磁材料在直流磁场下的静态磁特性。

二、实验原理
1.磁学基本知识
铁磁材料：
（1）铁磁性物质只要在很小的磁场作用下就能被磁化到饱和，不但磁化率>0，而且数值大到10－106数量级，其磁化强度M与磁场强度H之间的关系是非线性的复杂函数关系。

这种类型的磁性称为铁磁性。

（2）铁磁性物质只有在居里温度以下才具有铁磁性；在居里温度以上，由于受到晶体热运动的干扰，原子磁矩的定向排列被破坏，使得铁磁性消失，这时物质转变为顺磁性。

（3）特点
A、磁性很强，通常所说的磁性材料主要是指这类物质。

B、磁滞现象。

磁性物质都具有保留其磁性的倾向，磁感应强度B/磁化强度的变化总是滞后于磁场强度H的变化的，这种现象称为磁滞现象。

在磁场中，铁磁体的磁感应强度与磁场强度的关系可用曲线来表示，当磁化磁场作周期的变化时，铁磁体中的磁感应强度与磁场强度的关系是一条闭合线，这条闭合线叫做磁滞回线。

按磁滞回线的不同，磁性物质又可分为硬磁材料、软磁材料和矩磁材料三种
软磁材料的磁滞回线狭长、矫顽力、剩磁和磁滞损耗均较小，对外磁场变化响应快，由于软磁材料磁滞损耗小，适合用在交变磁场中，如变压器铁芯、继电器、电动机转子、定子都是用软磁性材料制成。

如软铁、硅钢、锰锌铁氧体和镍锌铁氧体等。

硬磁材料的磁滞回线较宽，矫顽力大，剩磁强，难磁化也难退磁，可用来制造永磁体，如钴钢、铝镍钴合金、钕铁硼和钡铁氧体等。

C、自发磁化：铁磁性物质内的原子磁矩，通过相邻晶格结点原子的电子壳层的作用，克服热运动的无序效应，原子磁矩是按区域自发平行排列、有序取向，按不同的小区域分布，这种现象称为自发磁化。

未配对的3d电子壳层：Fe、Ni、Co、Mn
D 、磁畴
自发磁化的小区域，称为磁畴。

各个磁畴之间的交界面称为磁畴壁。

E 、剩磁
F 、磁饱和性
G 、高导磁性
2. 振动样品磁强计
振动样品磁强计（VSM ）(Vibrating Sample Magnetometer)是一种磁性测量常用的仪器，在科研和生产中有着广泛的应用。

它是利用小尺寸样品在磁场中做微小振动，使临近线圈感应出电动势而进行磁性参数测量的系统。

与一般的感应法不同，VSM 不用对感应信号进行积分，从而避免了信号漂移。

另一个优点是磁矩测量灵敏度高，最高达到10-7emu ，对测量薄膜等弱磁信号更具优势。

如果一个小样品（可近似为一个磁偶极子）在原点沿Z 轴作微小振动，放在附近的一个小线圈（轴向与Z 轴平行）将产生感应电压：
km t m G e g ==ωωδcos 其中72
0200)5(43r
x r z NA G -=μπ，为线圈的几何因子。

ω为振动频率，δ为振幅， m 为样品的磁矩，N 、A 为线圈的匝数和面积。

原则上，可以通过计算确定出g e 和m 之间的关系k ，从而由测量的电压得到样品的磁矩。

但这种计算很复杂，几乎是不可能进行的。

实际上是通过实验的方法确定比例系数k ，即通过
测量已知磁矩为m 的样品的电压g e ，得到m
e k g =，这一过程称为定标。

定标过程中标样的具体参数（磁矩、体积、形状和位置等）越接近待测样品的情况，定标越准确。

VSM 测量采用开路方法，磁化的样品表面存在磁荷，表面磁荷在样品内产生退磁场NM ，N 为退磁因子，与样品的具体形状有关。

所以在样品内，总的
磁场并不是磁体产生的磁场H，而是NM
H-。

测量的曲线要进行退磁因子修正，把H用NM
H-来代替。

样品放置的位置对测量的灵敏度有影响。

假设线圈和样品按图4放置，沿x 方向离开中心位置，感应信号变大；沿y和z方向离开中心位置，感应信号变小。

中心位置是x方向的极小值和y、z方向的极大值，是对位置最不敏感的区域，称为鞍点。

测量时，样品应放置在鞍点，这样可以使由样品具有有限体积而引起的误差最小。

图4，线圈放置位置图5，鞍区示意图
基本的VSM由磁体及电源、振动头及驱动电源、探测线圈、锁相放大器和测量磁场用的霍耳磁强计等几部分组成，在此基础上还可以增加高温和低温系统，实现变温测量。

振动头用来使样品产生微小振动。

振动频率应尽量避开50Hz及其整数倍，以避免产生干扰。

为了使振动稳定，还要采取稳幅措施。

在振动杆上固定一块永磁体，永磁体与样品一同振动。

当振动幅度发生变化时，放置在永磁体附近的一对探测线圈会探测到这一变化并反馈给驱动电源，驱动电源根据反馈信号对振动幅度作出调整，使振幅稳定。

驱动方式有机械驱动、电磁驱动和静电驱动几种。

VSM结构示意图
三、实验步骤
1.检查计算机、电源控制柜与插座连接线是否正确。

2.检查振动样品杆位置是否处在电磁铁间隙中间，并与霍尔探头平行，否则需
进行调整。

3.开启电源控制柜开关预热，(室内潮湿则至少预热30min)。

4.打开计算机测量软件，此时应保证设备处于振动关闭状态(如果能听见振动声
音，则手动在软件上选择振动关闭，软件显示状态应与设备状态一致)；进入参数设置，设置相关参数(样品质量)；进入零点调节，磁场、磁矩调零。

5.在样品室中放入球状镍样，移出振动样品杆，将样品室安装到样品杆上旋紧，
样品杆归位。

点击增加磁场，调整鞍部区，进行磁矩定标。

6.定标后，将标样取出，将待测样品放入样品室中并安装好，并用干净的棉花
压住固定以免脱落，样品质量提前测定。

7.软件界面上选择测试样品，开始测量样品的磁滞回线。

8.测量完成后，记录实验数据后，关闭测量软件及计算机，关闭电源控制柜开
关。

9.移出振动样品杆，卸下样品室，样品杆归位。

四、材料及设备
样品：硅钢片、铷铁硼磁铁
设备：VSM-100型振动样品磁强计
五、实验报告要求
1.实验目的要求
2.实验原理、仪器结构
3.主要实验步骤
4.磁滞回线曲线及分析结果(比饱和磁化强度σs、比剩余磁化强度σr、矫顽力
Hc)
5.回答思考题
六、思考题
1.简述振动样品磁强计的特点及用途。

2.对比实验所测量的磁滞回线，说明软、硬磁材料的磁滞回线的特点
3.从实际应用的角度说明测量磁滞回线中各磁性参数的意义。