VSM实验报告

实验报告
振动样品磁强计（VSM ）
实验目的
1、掌握振动样品磁强计的基本原理、结构，了解其使用方法
2、掌握磁性样品的起始磁化曲线和磁滞回线的测量，了解由此分析材料磁性参 数的方法
实验原理
1.简介
振动样品磁强计（Vibrating Sample Magnetometer VSM ）是基于电磁感应原理制成的仪器。

采用尺寸较小的样品，它在磁场中被磁化后可近似看作一个磁矩为m 的磁偶极子，使样品在某一方向做小幅振动，用一组互相串联反接的探测线圈在样品周围感应这磁偶极子场的变化，可以得到探测线圈的感应电动势直接正比于样品的磁化强度。

2.基本原理
由于测量线圈中的感应信号来源于被磁化的振动样品在周围产生的周期性变化磁场，那么位于坐标原点O 的磁偶极子在空间任意一点P 产生的磁场可表示为：
式中矢量→→→→++=k z j y i x r ，其中→i 、→j 、→
k 分别为x 、y 、z 的单位矢量。

若在距偶极子 处的P 点放置一匝面积为S 的小测量线圈，则通过线圈的磁通量为：
若偶极子沿着z 轴做简谐振动t j ae ω时，（a 是振幅，ω为振动角频率），有：
则偶极子磁场在N 匝线圈中激起的感应电动势为：
))(3(41)(53→→→→→
→⋅--=r r r M r M r H m m
π→→→→⋅=⋅=⎰⎰S d r H S d B S S )(0μ
φ→
→→→+++=k ae z j y i x r t j )(
ω∑⎰=→→⋅∂∂-=∂∂-=N i S S d t t r H t t e 10),()(μ
φ
因样品沿着x 方向磁化，且线圈截面较小时，可用线圈中间的性质代表每匝线圈的平均性质，若线圈尺寸和位置固定不变，上式中积分式的数值是常数，故：
振幅E m 与样品磁矩成正比。

因而线圈输出电压的有效值V x 正比于样品的磁矩测量方程：
m x kM V = （6）
其中k 为振动样品磁强计的灵敏度，可用比较法测定，该过程称为振动样品磁强计的校准或定标。

比较法是用饱和磁化强度0s σ已知的标准样品（如高纯镍球样品），若已知表样的质量为m s0,校准时振动输出信号为Vs :
（7） 则有：
8） 为使直径约为2毫米的样品符合偶极子条件，化方向的长度l 之间应满足22)2(l r >>。

在2)2
(l 不大于2r 的1%时，5r l <。

则mm l 2≈时，mm r 10=。

在线圈面积内磁场平均值可用中心点磁场表示的条件下，线圈直径必须很小，如内径不超过5毫米，两线圈总匝数约为1000匝，而且两者必须相同。

在对称双线圈串联反接的结构中，线圈中的感应电势对样品所处磁场区中心位置附近，有一个 “鞍点区”，即x 方向信号最小，y 、z 方向信号最强，其中x
t E t e m ωcos )(=0
0s s s km V σ=00s s s m V k σ=
方向平行于磁场方向。

当对称双线圈结构的轴线间距为22毫米时，对中点的x、y、z三个方向各偏离1毫米的输出电压变化，都不大于1%。

振动样品磁强计的测量方法有两种：绝对法和差值法。

绝对法是根据测量方程由电压 Vx 直接测量样品的比磁化强度或磁矩的方法。

这种方法容易受系统的机械稳定性、振源频率稳定性、反馈电路的稳定性和放大器的线性度的影响。

差值法在磁强计振动杆中部装一个磁矩已知的基准样品，并在样品两侧对称安装一对串联反接的基准线圈，用以产生基准信号与测量信号进行差值比较，就可消除共有的干扰信号。

这种方法可以避免频率和振幅波动引入测量误差。

由于振动样品磁强计测得的是相对信号而不是绝对信号，所以每次使用前必须对仪器进行定标。

通过对标准样品的测量得到比例系数，从而才能确定待测样品的磁学参数。

实验内容
1）熟悉 7304 型 VSM 的装置结构。

了解 VSM 的开机过程。

2）学习控制软件的使用。

了解测试参数的设定方法。

3）VSM 的定标。

用于定标的标准样品是一个 Ni 小球（纯度为 99.996%），已知在外加磁场为 5k Oe 时，磁化强度 M 为 6.92 emu。

首先确定软件中振动杆的状态设定为“off”。

把定标样品旋紧固定在样品杆上，再把样品杆旋紧固定在振动杆。

在软件中设定外加磁场为 5k Oe，调节标准样品的位置，使之处于磁场的鞍点位置。

具体方法是：调节 X,Y,Z 三方向先使 Z，Y 方向最大，X 方向最小。

开始校准程序，设定外磁场 5000 Gs和磁矩 6.92 emu, 记录新旧两个校准参数。

运行定标程序。

记录定标所得到的结果。

旋下样品杆，旋下定标样品。

4）我们的测试样品为 Co 纳米线阵列样品，为 4 X 4 mm 的薄膜样品。

用双面胶带把薄膜样品粘在测试夹具上即可。

由于该样品在几何参数上的特殊性，显然具有磁各向异性，我们需要对该样品进行两个方向的磁测量，即平行于膜面和垂直于膜面。

5）同样的方法安装样品。

调节样品的位置，使之平行于膜面或垂直于膜面。

根据样品的磁学性质，编写合适的测试程序。

测试程序包含两个部分，一个是起始磁化曲线的测量，一个是磁滞回线的测量。

6）运行测试程序，得到样品在一个方向的起始磁化曲线和磁滞回线。

转动样品杆 90 度，再次运行测试程序，得到另一个方向的起始磁化曲线和磁滞回线。

7）从实验曲线中确定饱和磁化强度 Ms、矫顽力 Hc、剩磁 Br，并分析样品在两
个方向所测得实验曲线为什么不同。

思考在测试过程中可能产生测量误差的地方。

数据处理
Co纳米线阵列磁滞回线
数据分析
样品具有较好各向异性，易轴剩磁比接近于1，难易轴的矫顽力为H ce=1859 Oe, H
=553 Oe,出现各向异性的原因主要是样品具有形状各向异性，纳米线沿轴向和
ch
垂直轴向上，两个方向的退磁能不一样，导致形状各向异性的出现。

所以磁滞回线出现这样的形状。

测量误差主要来自于仪器的灵敏度，其次就是定标时，鞍点的位置定标，鞍点区选择不好，样品处于不均匀的磁场中，测量的信号就不准了。