磁性材料的磁性测量 一、实验目的 1. 了解固体磁性的来源。 2. 学习使用振动样品磁强计（VSM）测量材料的磁性。 二、实验原理概述 1. 目的意义 磁性是物质普遍存在的性质，任何物质在磁场作用下都有一定的磁化强度。磁性材料在电力、通讯、电子仪器、汽车、计算机和信息存储等领域有着十分广泛的应用。本实验通过对磁性材料磁性能的测量，加深对磁性材料基本特性的理解。 2. 固体的磁性 按磁性进行分类，大体可分为下述五种 （1）顺磁性。这类物质具有相互独立的磁矩，在没有外场作用下相互杂乱取向，故不显示宏观磁性。而在外场作用下，原来相互独立杂乱分布的磁矩将在一定程度上沿磁场方向取向，使这类物质表现出相应的宏观磁性。磁场越强则宏观磁性越强，而当外磁场去除后，其宏观磁性消失。 （2）抗磁（逆磁）性。此类物质无固有磁矩，在外磁场作用下产生感应磁性。磁场消失则宏观磁性随之消失。 （3）反铁磁性。此类物质内具有两种大小相等而反向取向的磁矩，故合成磁矩为零，使物质无宏观磁性。 （4）亚铁磁性。此类物质内存在两种大小不相等但反向耦合在一起的磁矩，故不能相互完全抵消，使该类物质表现出强磁特性。 （5）铁磁性。此类物质内的磁矩均可互相平行耦合在一起，因而表现出强磁特性。 3．磁特性的检测方法 振动样品磁强计可以测出在不同的环境下材料多种磁特性。由于其具有很多优异特性而被磁学研究者们广泛采用，使VSM成为检测物质内禀磁特性的标准通用设备。设被测样品的体积为V，由于样品很小，当被磁化后，在远处可将其
视为磁偶极子：如将样品按一定方式振动，就等同于磁偶极场在振动。于是，放置在样品附近的检测线圈内就有磁通量的变化，产生感生电压。将此电压放大并记录，再通过电压-磁矩的已知关系，即可求出被测样品的磁化强度。 三、实验设备及材料 1. 仪器：振动样品磁强计Lake Shore 7404型VSM 2. 材料：磁性样品 四、实验内容及步骤 1. 实验步骤 （一）校准系统 1．磁矩偏移量校准（Moment Offset） ①将空杆装在振动头上； ②从“calibration”菜单中点击“Moment Offset”； ③按照对话框提示进行Moment Offset的校准。 注意：在进行该项校准时不能选中“atuorange”栏。 2．磁矩增益量校准（Moment Gain） ①在样品杆上装入含有镍标准样品的样品杯，打开振动头； ②从“calibration”菜单中点击“Moment Gain”； ③在Moment Gain Calibration类型中选择“Single point calibration”； ④对话框中在相应的栏输入“6.92”emu 和“5000”G； ⑤调节样品鞍点； ⑥按照对话框提示步骤进行校准。 注意：在进行该项校准时不需要选中“atuorange”栏。 （二）测量样品 1. 根据所测试样品性质和形状选择相应的样品杆和样品杯；并将含有样品的样品杆安装在振动头上； 2. 调节样品鞍点； 3. 为该测量样品选择合适的量程或选中“atuorange”栏； 4. 从“experiments”菜单中选择“News experiment”，对实验进行命名，根据所需测量的数据（曲线）选择实验类型和实验条件；
1 磁性基本测量方法 磁性测量 组织结构不敏感量（内禀参量、本征参量） 组织结构敏感量（非本征参量） 物质结构与相关现象 交变磁场条件下的磁参数测量 M S 、T C 、K 1、λS 等 M r 、B r 、H C 、μ、χ等 磁畴结构、磁矩取向、各种磁效应（磁热、磁光、磁电、磁致伸缩、磁共振等）
2 冲击法测磁性材料参数 O ：标准环形试样； N ：磁化线圈； n ：测量线圈；G ：冲击检流计； A ：直流电流表；M ：标准互感器； K 1、K 2：双掷开关；R 1、R 2：可变电阻 Ni H =在N 线圈中通以电流i ，则在N 中产生磁场： N ：磁化线圈匝数 ：试样平均周长 试样被磁化，磁感应强度为B K 1突然换向(在极短时间τ秒内) H H H B B B →+→+：-：-B S φ=磁通量： S ：试样的截面积 冲击法测磁原理图 （磁化曲线和磁滞回线）
3 r ：测量回路中的总折合电阻 磁通量的变化，引起线 圈n （匝数为n ）中产生 感生电动势： d dB n nS d d φε=-=-ττ在测量回路（由n 、M 、G 、R 3、R 4组成）中产生瞬时电流： 0i r ε=由冲击检流计测出其电量Q ： B 000B nS Q i d d dB 2nSB/r r r Q C τ τ-ε?=τ=τ=-=-???=α????Cr B 2nS α=-α：冲击检流计的偏转角； C ：冲击检流计常数
4 Cr 的求法： di M d 'ε=-τ K 2合上标准互感器M 的线路，M 主线圈上的电流i ： 其副线圈两端产生的感应电动势为： 0i '→M ：互感器的互感系数 测量回路中的感生电流： 0i r 'ε'=通过检流计的电量（相应偏转角为α0）： i 00000M M Q C i d d d i r r r 'ττ'ε'''=α=τ=τ=-τ=-???0Mi Cr '=-αCr ：测量回路的冲击常数 在不同H 条件下，测出B ，可绘出磁化曲线。 测量磁滞回线的基本原理与此相同。
磁性物理实验 讲义 磁性物理课程组编写 电子科技大学微电子与固体电子学院 二O一二年九月
目录 一、起始磁导率温度特性测量和居里温度测试计算分析 (1) 二、电阻率测试及磁损耗响应特性分析 (3) 三、磁致伸缩系数测量与分析 (6) 四、磁化强度测量与分析 (9) 五、磁滞回线和饱和磁感应强度测量 (11) 六、磁畴结构分析表征 (12)
一、起始磁导率温度特性测量和居里温度测试计算分析 (一) 、实验目的： 了解磁性材料的起始磁导率的测量原理，学会测量材料的起始磁导率，并能够从自发磁化起源机制来分析温度和离子占位对材料起始磁导率和磁化强度的影响。 (二）、实验原理及方法： 一个被磁化的环型试样，当径向宽度比较大时，磁通将集中在内半径附近的区域分布较密，而在外半径附近处，磁通密度较小，因此，实际磁路的有效截面积要小于环型试样的实际截面。为了使环型试样的磁路计算更符合实际情况，引入有效尺寸参数。有效尺寸参数为：有效平均半径r e ，有效磁路长度l e ，有效横截面积A e ，有效体积V e 。矩形截面的环型试样及其有效尺寸参数计算公式如下。 ???? ??-=21 1 211ln r r r r r e （1） ???? ??-=21 12 11ln 2r r r r l e π （2） ???? ??-=2112 211ln r r r r h A e （3） e e e l A V = （4） 其中：r 1为环型磁芯的内半径，r 2为环型磁芯的外半径，h 为磁芯高度。 利用磁芯的有效尺寸可以提高测量的精确性，尤其是试样尺寸不能满足均匀磁化条件时，应用等效尺寸参数计算磁性参数更合乎实际结果。材料的起始磁导率（i μ）可通过对环型磁心施加线圈后测量其电感量（L ）而计算得到。计算公式如式（5）所示。 2 0i e e A N L l μμ= （5）
磁性测量实验 软磁直流静态磁性测量 （用冲击/扫描法测量磁性材料的磁化曲线及磁滞回线） 一、 实验原理 1、 静态磁性参数 如果不计及磁化时间效应，磁性材料在稳恒磁场作用下所定义和测量得到的磁参数就是所谓的静态磁参数。磁化曲线记录了材料磁化过程的磁化信息，而磁滞回线则表征和包含了磁性材料的全部磁性信息，有磁性材料身份证之称。下左图C 为磁化曲线，A 和B 为初始和最大磁化率，M 和H 分别为磁化强度和外磁场。下右图为典型磁性材料的磁滞回线，B s 、B r 、B r /B s 、H c 、(BH)max 、μ0和μM 分别为饱和磁感应强度、剩余磁感应强度、矩形比、矫顽力、最大磁能积、初始磁导率和最大磁导率。 2、 测量方法 本实验课采用冲击法和磁场扫描法这两种方法来进行。两种方法由于磁化速度的不同，在磁场方面数据稍有不同，而磁感方面的数据则差不多。在进行一些饱和场不高或矫顽力小的试样测试时用冲击法；而矫顽力较大的磁滞材料是用扫描法。本实验中提供两种不同矫顽力大小的磁性材料。整个测量过程完全由微机控制，实验者可根据自己的要求选择不同的测量方法和输入参数来完成测量。 二、 实验内容及步骤 1、 直流冲击法 A. 启动测量程序，进入测量程序主菜单。 B. 测量前的准备工作 H H B M B A C
在进行正式测量之前，用户必须输入样品的有关参数。主要包括“样品参数” 和“测试条件”。样品参数有“截面积、磁路长度、磁化匝数和测量匝数”。由于输 入参数随测量磁性材料变化而不同，因此具体的输入参数可向实验指导老师咨询。 C.正式测量 如果步骤B中设定的参数无误，就可以开始测量了。通过点击相应功能模块就可以完成测量工作。 2、磁场扫描法 磁场扫描法与冲击法类似，材料参数和测量参数的选择可参考冲击法类似步骤。 三、实验结果 1．直流冲击法 实验样品为坡莫合金。由测量所得数据绘出样品的磁化曲线，如下图： μm =133.279 m?/m 实验所得曲线为S型，符合经验。实验测得样品初始磁导率μ0=30.789m?/m，最大磁导率μm=133.279m?/m。 2．磁场扫描法 实验样品为铁氧体。扫描法测出的是样品的磁滞回线，本实验共测两组。其中一组从B=0起测，另一组在测量前没有退磁，获得了饱和磁滞回线。如下图所示。
大学物理实验教案 实验名称：磁性材料磁滞回线测定 1 实验目的 1)了解用示波器测量动态磁滞回线的原理和方法； 2)了解磁性材料的基本磁化特性； 3)掌握磁化曲线和磁滞回线的测量方法； 4)进一步熟悉数字示波器的使用。 2 实验仪器 DM-1型磁滞回线测试仪 数字示波器 微型计算机 3 实验原理 磁性材料在工程、电力、信息、交通等领域有着广泛的应用，测定磁滞回线是电磁学中的一个重要内容，是研究和应用磁性材料最有效的方法之一。 铁磁物质具有保持原先磁化状态的性质，铁磁体在反复磁化的过程中，它的磁感应强度的变化总是滞后于它的磁场强度，这种现象叫磁滞。这是铁磁物质的一个重要特征。 铁磁材料被磁化后，磁场强度H 减小时，磁感应强度B 的不沿原曲线变化，当磁场强度H 减少到零时，磁感应强度B 仍保留一定的数值，这称之为剩磁r B 。继续减小磁场强度H ，当H 达到某一负值时，磁感应强度B 变为零，此时的磁场强度H 称为矫顽力C H 。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（如图38-1所示），它表示铁磁材料的一个基本特征。它的形状、大小，均有一定的实用意义。比如材料的磁滞损耗就与回线面积成正比磁滞回线所包围的面积表示在铁磁物质通过一个磁化循环过程中所消耗的能量，叫做磁滞损耗。 当从初始状态H =0、B =0开始改变磁场强度H ，在磁场强度H 从小到大的单调增加过程中，不同磁化电流所对应的磁滞回线正顶点的连线叫基本磁化曲线。 退磁方法，从理论上分析，要消除剩磁r B ，只要通一反向电流，使外加磁场刚好等于铁磁材料的矫顽力C H 就可以了，但是通常不知道矫顽力C H 的大小，所以无法确定所通反向电流的大小。我们可以从磁滞回线中得到启示，如果是铁磁材料磁化达到饱和，然后不断改变磁化电流的方向，与此同时逐渐减小磁化电流，一直减小到零，这样就可以达到退磁的目的。 图 38 –1磁滞回线 利用示波器测动态磁滞回线的原理电路如图38-2所示。将样品制成闭合的环形，其上均匀地绕以磁化线圈1N 及副线圈2N 。交流电压1u 加在磁化线圈上，线路中串联了一取样电阻1R 。将1R 两端地电压1u 加到示波器的X 输入端上。副线圈2N 与电阻2R
磁测量导论 磁性测量的范围不仅仅局限于磁性材料测试或磁场测量。直接或间接测量磁性参数，例如磁场强度H、磁感应强度B、磁导率μ、磁化系数Χ、磁致伸缩系数λ，常用于科学和技术的其他领域中，像古地磁学、磁考古学、矿山探测、位移或距离检测、电流检测、材料无损检测和医学诊断等。磁场测量实际应用是无限的，例如可以使用磁致伸缩传感器测试其他物质的数量，如酸度pH值、血凝固度、蓖麻油（蓖麻毒素）浓度甚至沙门氏菌的存在。 尽管磁和电的测量需要类似的“工具”（两者都是通过电压或电流确定），但磁场测量通常更加复杂甚至更加不明确。多年来，仍假设磁性材料磁化由磁场强度H和磁感应强度B两个参数表示。然而，几年前的公认结论（国际标准紧随其后）是与磁感应强度相比，为少数人熟知的名词——极化强度J(J=B-μ0H)能更准确地描述材料的磁化状态。此外，现在有些专家认为更好的采用磁化强度M来描述磁性材料。在磁性材料磁场测量上有两个学派：一个是通过应用安培定律（通过测量励磁电流）间接测量；另一个通过测量线圈（应用法拉第电磁感应定律）直接测量。在真正选择测量磁场的传感器时，目前仍在讨论是测量磁场强度H还是磁感应强度B。因此，与建立了明确术语的电参量测量相比，磁性测量有许多基本问题仍在讨论中。 在电气测量方面，电流与电压之间存在简单关系，可表达为欧姆定律。如图1.1所示测试样品，电势差由供电电压V表示，电流用I表示，电流值取决于材料的电阻率ρ，电阻为R=ρL/A（L是样品长度，A是横截面积）。根据欧姆定律，电流为I=V/R，在电场E作用情况下，更精确地反映材料电阻率ρ的是电流密度J。 由图1.1还可得出，磁性材料的响应由磁场强度H作用下的磁导率μ表示，流过线圈的电流I产生H，也就是线圈中产生了磁通Φ。换句话说，磁场强度H作用下材料的磁导率μ可由磁通量密度（即磁感应强度）B=Φ/A表示。磁感应强度通常由二次侧n 匝线圈感应电压来测量——电压值取决于磁感应强度的导数。在励磁磁场强度H和响应磁感应强度B之间，有相对简单的关系B=μH……（1.2），但是通常磁性材料的测量
实验三、磁性材料的VSM 测量 一、实验目的 1．了解VSM 仪器的测量原理。 2．了解VSM 的操作要领和注意事项。 3．了解样品磁性测量的方法。 二、实验设备 天平、VSM 等。 三、原理说明 VSM 系统的主体部件是由直流线绕磁铁、振动器和感应线圈组成。装在振动杆上的样品位于磁极中央感应线圈中心连线处，在感应线圈的范围内垂直磁场方向振动。图1是VSM 的结构简图，图2是VSM 的实物图。振动样品磁强计的原理就是将一个小尺度的被磁化了的样品视为磁偶极子并使其在原点附近作等幅振动，利用电子放大系统，将处于上述偶极场中的检测线圈中的感生电压进行放大检测，再根据已知的放大后的电压和磁矩关系求出被测磁矩。 图2 VSM 实物图 设磁化场沿x 轴向，而样品S 沿z 向作等幅振动。在磁铁极头端面处对称放置匝数为N 、截面为S 的检测线圈，其对称轴垂直于z 轴。则可得到穿过第n 匝内dsn 面积元的磁通为： 5n n n n n z r 4Z MX 3ds )r (H d π= =φ 而n n φ∑=φ，由此可得出检测线圈内的总感生电压为： n 7n n 2 n n n 0ds r )z 5r (X ∑t ωcos ωa π4M 3dt φd )t (ε∫== 其中a 0为样品的振幅，ω为振动频率。从方程可以得到，检测线圈中的感生电势正比于样品总磁矩M 及其振动频率ω和振幅a 0，同时和线圈的匝数、大小形状及线圈和样品间的距离有
关。因此，将线圈的几何因素及与样品的间距固定，样品的振幅和频率也固定，则感生电压仅和样品的总磁矩成正比。经过定标以后，就可根据感生电压的大小推知样品的总磁矩：将该磁矩除以样品体积或质量，就可得出该样品的单位质量或单位体积的磁矩。如果将高斯计的输出信号和感生电压分别输入到X-Y记录仪的两个输入端，就可以得到样品的磁滞回线。 四、实验步骤 1.开机预热30分钟 ①打开电源，打开电脑，启动VSM软件。 ②观察了解仪器的结构。 ③学习仪器的原理和测量方法。 2.仪器校准 ①取下样品，磁矩调零。 ②磁场对中，使得正向加磁场的剩磁约80 Oe，反向磁场的剩磁约-80 Oe。 ③用已知质量、磁矩的纯镍球定标。 3.样品测量 ①增加磁场，将待测样品反复磁化多次。 ②将样品固定到样品杆，粗测磁矩。 ③确定所用磁场大小、磁矩量程。 ④测量样品的磁滞回线。 4.根据测量结果，绘出样品的磁滞回线，由此确定样品饱和磁化强度、矫顽力等参数。 五、思考题 1．VSM如何实现磁矩测量的？ 2. 正是测试前磁矩是如何定标的？ 3．为何要进行磁场零点调节？如果不调零，对测量结果有何影响？
实验讲义 用振动样品磁强计测量 铁氧体永磁磁性能 吉林大学物理实验中心
第一节 预备知识 一 物质磁性 磁性是在自然界所有物质中广泛存在的一种物理性质。任何物质放在磁场H 中，都会或多或少地被磁化。通常用磁极化强度J 或磁化强度M （J 、M 为单位体积内的磁矩，M J 0μ=）表示磁化状态，即磁化的方向和磁化程度的大小。H M χ=，χ为磁化率。磁感应强度H J B 0μ+=或)(0H M B +=μ。 依据χ的正负和大小，物质磁性体可以分为抗磁性，顺磁性，铁磁性，反铁磁性，亚铁磁性和磁性玻璃等。 1.抗磁性 抗磁性物质没有固有的原子磁矩，磁矩是被磁场感应出来的，所以磁矩方向与磁场方向 相反，即磁化率χ是负的。抗磁性物质磁化率χ的数值很小，约为10-6。在一般实验室条件下，χ与H 和温度T 无关。在超导体内，0)(0=+=M H B μ，因此1?=χ。这个现象称为Meissner 效应。 2．顺磁性 顺磁性物质中原子或离子具有固有磁矩，磁矩间相互作用很弱，没有外磁场时，磁矩在热扰动作用下混乱排列，宏观磁化强度为零。在磁场中，磁矩受到力矩的作用向磁场方向转动，在磁场方向显现出宏观的磁化强度，所以顺磁性磁化率为正。然而由于磁矩在外磁场中的位能远比热能小，磁化很弱，χ大小约为5610~10??。在一般实验室的磁场中，χ与H 无关，但与温度满足Curie 定律T C =χ 或Curie-Weiss 定律C T C θχ?=，C 和C θ分别为Curie 常数和顺磁Curie 温度。 3. 铁磁性 铁磁性物质具有固有磁矩，并且磁矩之间存在较强的相互作用，虽然不存在外磁场，所有的磁矩也都沿着同一方向排列，形成自发磁化。为了降低退磁场能，铁磁体内部分成多个磁畴。在磁畴内，所有磁矩平行排列，自发磁化到饱和值s J 。不同磁畴的磁化方向不同，没有磁化的样品总体磁化强度为零。磁畴之间存在畴壁，在畴壁内沿着厚度方向磁矩从一个磁畴的磁化方向逐步过渡到近邻磁畴的磁化方向。铁磁体的磁化主要是通过畴壁位移和磁矩转动两个过程进行。 铁磁性的磁化率χ大的多，约为7 10~10。χ对H 和T 的依赖关系很复杂，一般用J (或M 、B )与H 的关系 )(H J （或)(H M 、)(H B )描写其磁性。 由图1可以看出，J 不是H 的单值函数，而是与H 变化的历史有关；存在磁滞现象，J 的变化落后于H 的变化。热退磁的样品按曲线a （称为初始磁化曲线）磁化饱和后，减小磁化场H ，磁极化矢量J 并不按原路返回，而是比磁场H 的变化滞后（曲线b ）。当H 减小到零时，样品还保留着一定的磁极化强度r J ，r J 称为剩磁。只有在反向加上一定的磁场 c i H ，磁极化强度才降为零，c i H 称为内禀矫顽力。继续增大反向磁场，样品逐渐在反向 趋近饱和。改变磁场从负的最大值到正的最大值，J 按着与曲线b 对称的曲线c 变化，曲线b 和c 构成的闭合曲线叫磁滞回线。在第二象限(J >0, H <0)，从（0，r J ）到（c i H ?，0）的一段曲线称为退磁曲线。由公式H J B 0μ+=或)(0H M B +=μ可以得到与)(H J 相似 的)(H B 曲线。在)(H B 的初始磁化曲线上，H B =μ称为磁导率。磁导率是衡量软磁材料
华 南 师 范 大 学 实 验 报 告 课程名称 结构化学实验 实验项目 磁化率的测定 一、【目的要求】 1．掌握古埃（Gouy ）磁天平测定物质磁化率的实验原理和技术。 2．通过对一些配位化合物磁化率的测定，计算中心离子的不成对电子数．并判断d 电子的排布情况和配位体场的强弱。 二、【实验原理】 （1）物质的磁性 物质在磁场中被磁化，在外磁场强度H(A ·m-1)的作用下，产生附加磁场。这时该物质内部的磁感应强度B 为： B =H +4πI = H +4πκH (1) 式中,I 称为体积磁化强度，物理意义是单位体积的磁矩。式中κ=I/H 称为物质的体积磁化率。I 和κ分别除以物质的密度ρ可以得到σ和χ，σ=I/ρ称为克磁化强度；χ=κ/ρ称为克磁化率或比磁化率。χm=Κm/ρ称为摩尔磁化率。这些数据是宏观磁化率。在顺磁、反磁性研究中常用到χ和χm ，帖磁性研究中常用到I 、σ。 物质在外磁场作用下的磁化有三种情况 1．χm ＜o ，这类物质称为逆磁性物质。 2．χm ＞o ，这类物质称为顺磁性物质。 （2）古埃法测定磁化率 古埃法是一种简便的测量方法，主要用在顺磁测量。简单的装置包括磁场和测力装置两部分。调节电流大小，磁头间距离大小，可以控制磁场强度大小。测力装置可以用分析天平。 样品放在一个长圆柱形玻璃管内，悬挂在磁场中，样品管下端在磁极中央处，另一端则在磁场为零处。 样品在磁场中受到一个作用力。 df=κHAdH 式中，A 表示圆柱玻璃管的截面积。 样品在空气中称重，必须考虑空气修正，即 dF=(κ-κ0)HAdH κ0表示空气的体积磁化率，整个样品的受力是积分问题： F= )()(2 1d )(202000 H H A H HA H H --= -? κκκκ (2) 因H 0＜＜H,且可忽略κ0，则 F= 22 1 AH κ (3) 式中，F 可以通过样品在有磁场和无磁场的两次称量的质量差来求出。 F= g )m -m (空样?
实验五 地磁场测定 一．概述 地磁场作为一种天然磁源，在军事、航空、航海、工业、医学、探矿等科研中有着重要用途。本仪器采用新型坡莫合金磁阻传感器测量地磁场的重要参量，通过实验可以掌握磁阻传感器定标以及测量地磁场水平分量和磁倾角的方法，了解测量弱磁场的一种重要手段和实验方法，本仪器与其他地磁场实验仪(如正切电流计测地磁场实验仪)相比具有以下优点： 1．实验转盘经过精心设计，可自由转动，方便地调节水平和铅直。内转盘相隔ο180，具有两组游标，这样既提高了测量精度，又消除了偏心差。 2．新型磁阻传感器的灵敏度高达50V/T ，分辨率可达8710~10--T ，稳定性好。用本仪器做实验，便于学生掌握新型传感器定标，及用磁阻传感器测量弱磁场的方法，测量地磁场参量准确度高； 3．本仪器不仅可测地磁场水平分量，而且能测出地磁场的大小与方向，这是正切电流计等地磁场实验仪所不能达到的。 本仪器可用于高校、中专的基础物理实验、综合性设计性物理实验及演示实验。 二．仪器技术要求 1．磁阻传感器 工作电压 6V ，灵敏度50V/T 2．亥姆霍兹线圈 单只线圈匝数N=500匝，半径10cm. 3．直流恒流源 输出电流0—200.0mA 连续可调 4．直流电压表 量程0—19.99mV ，分辨率0.01mV
5．测量地磁场水平分量不确定度小于3% 6．测量磁倾角不确定度小于3% 7．仪器的工作电压AC 220±10V 三．仪器外型
FD-HMC-2型 磁阻传感器与地磁场实验仪 (以下实验讲义和实验结果由复旦大学物理实验教学中心提供) 一．简介 地磁场的数值比较小，约510-T 量级，但在直流磁场测量，特别是弱磁场测量中，往往需要知道其数值，并设法消除其影响，地磁场作为一种天然磁源，在军事、工业、医学、探矿等科研中也有着重要用途。本实验采用新型坡莫合金磁阻传感器测量地磁场磁感应强度及地磁场磁感应强度的水平分量和垂直分量；测量地磁场的磁倾角，从而掌握磁阻传感器的特性及测量地磁场的一种重要方法。由于磁阻传感器体积小，灵敏度高、易安装，因而在弱磁场测量方面有广泛应用前景。 二．实验原理 物质在磁场中电阻率发生变化的现象称为磁阻效应。对于铁、钴、镍及其合金等磁性金属，当外加磁场平行于磁体内部磁化方向时，电阻几乎不随外加磁场变化；当外加磁场偏离金属的内部磁化方向时，此类金属的电阻减小，这就是强磁金属的各向异性磁阻效应。 HMC1021Z 型磁阻传感器由长而薄的坡莫合金(铁镍合金)制成一维磁阻微电路集成芯片(二维和三维磁阻传感器可以测量二维或三维磁场)。它利用通常的半导体工艺，将铁镍合金薄膜附着在硅片上，如图1所示。薄膜的电阻率)(θρ依赖于磁化强度M 和电流I 方向间的夹角θ，具有以下关系式 θρρρθρ2cos )()(⊥⊥-+=∥ （1） 其中∥ρ、⊥ρ分别是电流I 平行于M 和垂直于M 时的电阻率。当沿着铁镍合金带的
0 HAdH ） （3） m m m m 磁化率的测定 一、实验目的 （1）掌握古埃磁天平测定物质磁化率的实验原理和技术。 （2）通过对一些配位化合物磁化率的测定，计算中心离子的不成对电子数，并 判断 d 电子的排布情况和配位体场的强弱。 二、实验原理 2.1 物质的磁性 物质在磁场中被磁化，在外磁场强度 H 的作用下，产生附加磁场。该物质 内部的磁感应强度 B 为： B=H+4 πI=H+4π H （1） 式中，I 称为体积磁化强度，物理意义是单位体积的磁矩。式中 =I/H 称为 物质的体积磁化率。I 和 分别除以物质的密度 ρ可以得到 σ和 χ，σ=I/ρ称为克 磁化强度；χ= /ρ称为克磁化率或比磁化率。χ= M/ ρ称为摩尔磁化率（M 是 物质的摩尔质量）。这些数据都可以从实验测得，是宏观磁性质。在顺磁、反磁 性研究中常用到 χ和 χ，铁磁性研究中常用到 I 、σ。 不少文献中按宏观磁性质，把物质分成反磁性物质。顺磁性物质和铁磁性物 质以及亚铁磁性物质、反铁磁性物质积累。其中，顺磁性物质 χ>0 而反磁性物 质的 χ<0。 2.1 古埃法测定磁化率 古埃法是一种简便的测量方法，主要用在顺磁测量。简单的装置包括磁场和 测力装置两部分。调节电流大小，磁头间距离大小，可以控制磁场强度大小。测 力装置可以用分析天平。为了测量不同温度的数据，要使用变温、恒温和测温装 置。 样品放在一个长圆柱形玻璃管内，悬挂在磁场中，样品管下端在磁极中央处， 另一端则在磁场强度为零处。 样品在磁场中受到一个作用力。 dF= HAdH （2） 式中，A 表示圆柱玻璃管的截面积。 样品在空气中称量，必须考虑空气修正，即 dF=（ - 0 表示空气的体积磁化率，整个样品的受力是积分问题： （4） 因 H 0 H ，且忽略 ，则 （5）
magnetic field 磁场elementary magnetic dipole 基本磁偶极子Magnetically hard material 永磁/硬磁材料electrical steel电工钢Magnetically soft material 软磁材料semi-processed半加工remanence 剩磁(Jr. Br) maximum polarization 最大磁极化强度Remanent flux density 剩余磁通密度domain wall畴壁 coercivity 矫顽力(HcB) Coercive field strength-矫顽力 intrinsic coercivity内禀矫顽力(HcJ) field strength磁场强度Magnetic induction 磁感应强度B electric potential 电位maximum energy product最大磁能积BH(max) moment磁矩 J(H)退磁曲线B(H)磁滞回线polarisation 磁极化强度magnetic flux density磁通密度magnetic hysteresis磁滞fluxmeter 磁通计manometer压力计comunication interface 通讯接口gausser高斯计(磁强计) coercimeter矫顽磁力计vibrometer测振仪permeameter 磁导计feebly magnetic material弱磁材料saturation magnetization饱和磁化强度fixture 固定装置saturation magnetic polarization 饱和磁极化强度 Saturation magnetization (mass) density 饱和磁化(质量)密度 Specific saturation magnetization 比饱和磁化强度 Magnetic dipole moment 磁偶极矩incremental loop增量回线gnetic moment磁矩magnetic potential磁位eddy current loss涡流损耗curve曲线loop回线commutation curve换向曲线
磁化率的测定实验报告 1. 实验目的 1.1 掌握古埃(Gouy)法测定磁化率的原理和方法。 1.2 测定三种络合物的磁化率，求算未成对电子数，判断其配键类型。 2. 实验原理 2.1 磁化率 物质在外磁场中，会被磁化并感生一附加磁场，其磁场强度 H ′ 与外磁场强度 H 之和称为该物质的磁感应强度 B ，即 B = H + H′ (1) H ′与H 方向相同的叫顺磁性物质，相反的叫反磁性物质。还有一类物质如铁、钴、镍及其合金，H ′比H 大得多（H ′ / H ）高达10 4，而且附加磁场在外磁场消失后并不立即消失，这类物质称为铁磁性物质。 物质的磁化可用磁化强度I 来描述，H ′ =4πI 。对于非铁磁性物质，I 与外磁场强度H 成正比 I = KH (2) 式中，K 为物质的单位体积磁化率(简称磁化率)，是物质的一种宏观磁性质。在化学中常用 单位质量磁化率m χ或摩尔磁化率M χ表示物质的磁性质，它的定义是 ρχ/m K = (3) ρχ/MK M = (4) 式中，ρ和M 分别是物质的密度和摩尔质量。由于K 是无量纲的量，所以m χ和M χ的单位分别是cm 3?g -1和cm 3?mol -1 。 磁感应强度 SI 单位是特［斯拉］(T)，而过去习惯使用的单位是高斯(G)，1T=104G 。 2.2 分子磁矩与磁化率 物质的磁性与组成它的原子、离子或分子的微观结构有关，在反磁性物质中，由于电子自旋已配对，故无永久磁矩。但是内部电子的轨道运动，在外磁场作用下产生的拉摩进动，会感生出一个与外磁场方向相反的诱导磁矩，所以表示出反磁性。其M χ就等于反磁化率反χ，且 M χ< 0。在顺磁性物质中，存在自旋未配对电子，所以具有永久磁矩。在外磁场中，永久磁矩
磁参数的测量 磁参数的测量是磁学基础研究和磁性材料及元器件工业的重要组成部分，电工测量技术中不可缺少的分支。它主要包括磁场测量和磁性材料测量两方面的内容。 这部分的内容接触到高中物理的一些知识，同学们也都没有测量过磁类的参数，属于比较生疏的部分，所以先对基本知识做查询了解。 磁性元件：如收音机的磁棒，电视机中的磁芯、磁帽、偏转线圈磁环等。 磁性材料：通常认为，磁性材料是指由过度元素铁、钴、镍及其合金等能够直接或间接产生磁性的物质。主要分为软磁材料和硬磁材料，还有一些特种磁性材料。金属的磁性材料主要有电工钢、镍基合金和稀土合金，非金属的主要是铁氧体材料。 磁性材料是生产、生活、国防科学技术中广泛使用的材料。如制造电力技术中的各种电机、变压器，电子技术中的各种磁性元件和微波电子管，通信技术中的滤波器和增感器，国防技术中的磁性水雷、电磁炮，各种家用电器等。此外，它在地矿探测、海洋探测以及信息、能源、生物、空间新技术中也获得了广泛的应用。 1. 磁场测量 在生厂上要求一些磁性元件的部位能够产生一定强度的磁场，或者限制元件周围的磁场强度。测量方法很多，主要有三类： （1） 利用电磁感应原理，将磁场强弱转换成测试线圈的感生电动势； （2） 利用载流导体在磁场中受电磁力作用的原理，转换为力测量； （3） 利用物体在磁场中表现特性的不同，转变成电参量测量。 以下列举了一些课本上的测量磁场的方法做初步了解。 1.1用冲击检流计测磁通 测量的原理图见书图2-5-2。 电磁感应原理：闭合电路的一部分导体在磁场里做切割磁感线的运动时，导体中就会产生电流。 由图中可见，移动测量线圈，必将产生一个感应电动势e ，线圈回路中得到一个脉冲电流，检流计也接在这个回路之中，脉冲电流使可动线圈产生偏移，记偏最大移角为m α。根据电路图中的电压平衡和初始值、以及偏转量与脉冲电荷q 的关系式q k q m 1=α，最后可得m α与磁通△φ的正比关系式：φα?-=R k w q B m 现常用的有上海电表厂的AC4/3冲击式直流检流计、及改善了的AC17 1.2用磁通计测量磁通 磁通计是由测量线圈和一个无反作用力矩的磁电系测量机构成。测量的原理图见书图2-5-3：（1）将被测线圈移向或移出被测磁场，线圈中产生感应电动势e ；（2）在e 的作用下，可动线圈产生偏移，在气隙中转动同样感生出电动势e c ；（3）忽略回路电阻，可认为e=e c ，得φ?与磁通计偏转角度α?的正比关系式：αφ?=?B C w BSw
磁化率的测定 一、实验目的 （1）掌握古埃磁天平测定物质磁化率的实验原理和技术。 （2）通过对一些配位化合物磁化率的测定，计算中心离子的不成对电子数，并判断d电子的排布情况和配位体场的强弱。 二、实验原理 2.1物质的磁性 物质在磁场中被磁化，在外磁场强度H的作用下，产生附加磁场。该物质内部的磁感应强度B为： B=H+4πI=H+4πκH （1）式中，I称为体积磁化强度，物理意义是单位体积的磁矩。式中κ=I/H称为物质的体积磁化率。I和κ分别除以物质的密度ρ可以得到σ和χ，σ=I/ρ称为克磁化强度；χ=κ/ρ称为克磁化率或比磁化率。χm=κM/ρ称为摩尔磁化率（M是物质的摩尔质量）。这些数据都可以从实验测得，是宏观磁性质。在顺磁、反磁性研究中常用到χ和χm，铁磁性研究中常用到I、σ。 不少文献中按宏观磁性质，把物质分成反磁性物质。顺磁性物质和铁磁性物质以及亚铁磁性物质、反铁磁性物质积累。其中，顺磁性物质χm>0而反磁性物质的χm<0。 2.1古埃法测定磁化率 古埃法是一种简便的测量方法，主要用在顺磁测量。简单的装置包括磁场和测力装置两部分。调节电流大小，磁头间距离大小，可以控制磁场强度大小。测力装置可以用分析天平。为了测量不同温度的数据，要使用变温、恒温和测温装置。 样品放在一个长圆柱形玻璃管内，悬挂在磁场中，样品管下端在磁极中央处，另一端则在磁场强度为零处。 样品在磁场中受到一个作用力。 dF=κHAdH （2） 式中，A表示圆柱玻璃管的截面积。 样品在空气中称量，必须考虑空气修正，即 dF=（κ-κ0HAdH）（3） κ0表示空气的体积磁化率，整个样品的受力是积分问题： （4）因H0H，且忽略κ0，则 （5）
磁性测量课程教学大纲 一、课程说明 （一）课程名称、所属专业、课程性质、学分； 课程名称：磁性测量 所属专业：磁学专业 课程性质：专业方向必修课 学分：3学分 （二）课程简介、目标与任务； 磁学是研究各种物质的磁性起源并掌握其中的磁性物理规律的一门学科，在社会的各个方面拥有广泛应用。磁性的测量方法也与传统的各种测量方法有显著不同，要求学生不仅了解常见的测量仪器、测量方法，还需要对测量的物理过程有深刻的认识才能获得准确的测量结果。因此磁性测量这门课程是磁学专业的一门重要课程，课程的目标是培养学生的思考能力和应用能力，并增强他们的实验动手能力。 磁性测量课程的目标和任务：针对具体的测量方法和应用范围进行介绍，使同学们掌握磁性测量中使用的各种仪器和量具、了解历史上磁性测量的发展历程和当代的各种测量技术，并以铁磁学课程的讲授内容为基础，结合具体实例使其了解测量思路，选择合适的测量方法，并结合国际最新的磁性测量发展展开讨论。 （三）先修课程要求，与先修课与后续相关课程之间的逻辑关系和内容衔接； 先修课程包括电磁学和电磁学实验、电动力学； 磁学方面的专业必修课《铁磁学》同一学期同步进行，将为《磁性测量》做好物理基础方面的铺垫；同一学期也将安排磁性测量实验课程，以增强学生的实际动手能力。 （四）教材与主要参考书。
教材：学院自编讲义 参考书：《物性测量原理与测试分析方法》，李培森，兰州大学出版社，1994 《磁性测量原理》，周文生，电子工业出版社，1988 《直流磁性测量》，刘兴民，机械工业出版社,1989 《磁学计量讲义》，陈朱年,朱兆斌，中国计量学院,1991 《磁场的产生》，张宝裕,刘恒基，机械工业出版社,1987 二、课程内容与安排 （一）教学方法与学时分配 课堂讲授共54学时 （二）内容及基本要求 第一章概论（9课时） 第一节磁现象和磁测量的历史【了解】 第二节现代磁性材料及其特性和应用简介【了解】 第三节描述磁场的物理量磁感应强度磁场强度磁化强度磁通量磁感应线高斯定理安培环路定理安培定律电磁感应定律自感互感磁介质磁路和磁路定理【重点掌握】 第四节物质磁性的分类和磁性起源：抗磁性顺磁性铁磁性反铁磁性磁导率及其温度依赖关系磁化曲线磁滞回线退磁曲线磁能积饱和磁化强度矫顽力剩磁居里温度退磁场 SI和CGS单位制【重点掌握】 第二章磁场的产生（9 课时） 第一节永久磁铁：永磁材料磁路设计【重点掌握】 第二节磁场线圈：亥姆霍兹线圈螺线管螺绕环【重点掌握】 第三节电磁铁：电磁铁的磁路极间的磁场极头的设计磁轭电磁铁的种类磁导计【重点掌握】 第四节超导磁铁【掌握】 第五节脉冲磁场【了解】 第六节其他磁场【一般了解】 第三章磁场的测量（12 课时）
磁性元件各项测量参数及测量技术说明 1．圈数比TR：初次级绕线的比例，检测变压器绕线匝数比及耦合系数。2．相位PH：绕线方向。检测变压器主次级的绕线方向。 3．电感量Lx：电压与电流时间变化率的比例系数（e=L）。检测铁芯的导磁系数μ、机械尺寸、完整性以及绝对绕线圈数。 4．电感量Lx重叠DC Bais：检测铁芯的磁饱和特性。 5．漏电感LK：漏磁束切割形成的等效电感量。检测铁芯的导磁系数μ以及绕线 形成的耦合系数。 6．品质因素Q：电感的感抗（2πfL）与电阻（ACR）之比。 7．线圈间电容量Cp：线圈间杂散静电容。检测线圈间的距离、绝缘材料及隔离设计。 8．直流电阻DCR：铜线电阻。检测PIN焊点、铜线材料、设计线长、断短路等。 9．交流电阻ACR：铜线电阻加上磁滞损失及涡流损失造成的等效电阻。除了检 测铜线外，还检测铁芯材料的磁化及绝缘。 10．阻抗Zx：变压器的交流绝对阻抗。 11．平衡BL：变压器绕组中某两组之间的平衡测试。检测电感平衡、电阻平衡。 12．出脚短路PS：不导通出脚之间的短路。检测线圈间的漆包或焊锡造成的短路。 二磁性元件测量技术说明
1．正确的短路归零SHORT：不规范的短路归零会直接影响低电感量、品质因素、串联等效电阻（ESR）等测量的准确度。 2．正确的开路归零OPEN：不规范的开路归零会直接影响高感量、高频测量的 准确度。中间接地隔离部份是考虑除去导线间分布电容。 3．四端点测量注意事项 两端点测量时，配线阻抗与接触阻抗会在测量结果中显现出来，两者均会造成误差，尤其是接触阻抗更是造成不稳定的主要因素。它直接影响低电感量测量、品质因子（Q）、串联等效电阻（ESR）、阻抗（Z）等的稳定度和准确度。而四端点测量则可扣除这些影响。
地磁场的测量 一、实验目的 1．掌握坡莫合金磁阻传感器的定标 2．测量地磁场水平分量和磁倾角的方法 二、实验仪器 FD-HMC-2型磁阻传感器与地磁场实验仪 三、实验原理 地磁场作为一种天然磁源，在军事、航空、工业、医学、探矿等科研中有着重要用途。地磁场的数值比较小，约5 10-T量级，但在直流磁场测量，特别是弱磁场测量中，往往要知道其数值，并设法消除其影响，地磁场作为一种天然磁源，在军事，工业，医学，探矿等科研中也有着重要用途。本实验采用新型坡莫合金磁阻传感器测量地磁场磁感应强度及地磁场磁感应强度的水平和垂直分量；测量地磁场的磁倾角，从而掌握磁阻传感器的特性及测量地磁场的一种重要方法。由于磁阻传感器体积小，灵敏度高，易安装，因而在弱磁测量方面有广泛应用前景。 物质在磁场中电阻率发生变化的现象称为磁阻效应。对于铁，钴，镍及合金等磁性金属，当外加磁场平行与磁体部磁化方向时，电阻几乎不随外加磁场变化；当外加磁场偏离金属的部磁化方向时，此类金属的电阻减小，这就是强磁金属的各相异性磁阻效应。 HMC1021Z型磁阻传感器由长而薄的坡莫合金（铁镍合金）制成一维磁阻微电 ρ依半导体工艺，将铁镍合金薄膜附着在硅片上，如图1所示。薄膜的电阻率) (θ 赖于磁化强度M和电流I方向间的夹角θ，具有以下关系公式
θρρρθρ2//cos )()(⊥⊥-+= 其中//ρ、⊥ρ分别是电流I 平行于M 和垂直于M 时的电阻率。当沿着铁镍合金带长度方向通以一定的直流电流，而垂直于电流方向施加一个外界磁场时，合金带自身的阻值会发生较大的变化，利用合金带阻值这一变化，可以测量磁场大小和方向。同时制作时还在硅片上设计了两条铝制电流带，一条是置位与复位带，该传感器遇到强磁场感应时，将产生磁畴饱和现象，也可以用来置位或复位极性；另一条是偏置磁场带，用于产生一个偏置磁场，补偿环境磁场中的弱磁场部分（当外加磁场较弱时，磁阻相对变化值与磁感应强度成平方关系），使磁阻传感器输出显示线性关系。 HMC1021Z 型磁阻传感器是一种单边封装的磁场传感器，它能测量与管脚平行方向的磁场。传感器由四条铁镍合金磁电阻组成一个非平衡电桥，非平衡电桥输出部分接集成运算放大器，将信号放大输出。传感器部结构如图2所示。图2中由于适当配置的四个磁电阻电流方向不相同，当存在外界磁场时，引起电阻值变化有增有减。因而输出电压out U 可以用下式表示为 b out U R R U ?=)(? 对于一定的工作电压，如b U =5.00V ，HMC1021Z 型磁阻传感器输出电压out U 与外界磁场的磁感应强度成正比关系 KB U U out +=0 式中，K 为传感器的灵敏度，B 为待测磁感应强度。0U 为外加磁场为零时传感器的输出量。 本实验先利用亥姆霍兹线圈产生的磁场对传感器进行定标，求出传感器的灵敏度K ，然后，根据传感器的电压输出，求地磁场。 由于亥姆霍兹线圈的特点是能在其轴线中心点附近产生较宽围的均匀磁场区，所以常用作弱磁场的标准磁场。亥姆霍兹线圈公共轴线中心点位置的磁感应强度为 2305 8R NI B μ= 式中N 为线圈匝数，I 为线圈流过的电流强度，R 为亥姆霍兹线圈的平均半径，0μ为真空磁导率。本实验亥姆霍兹线圈每个线圈匝数N =500匝，线圈的半径R =10cm ；真空磁导率270/104A N -?=πμ 亥姆霍兹线圈轴线上中心位置的磁感应强度为（二个线圈串联） I I R NI B 42372301096.445 100.0500104858--?=?????==πμ 式中，B 为磁感应强度，单位T （特斯拉）；I 为通过线圈的电流，单位A （安培）。 四、仪器简介