强磁性物质对外加磁场响应行为的测试分析虚拟仿真实验实验报告学号：ilab_mj_2375737姓名：实验名：1、磁化曲线测试分析2、磁滞回线测试分析、居里温度测试分析分数：100.0实验结束时间：2020-03-12 16:41:09实验记录：（1）联网计算机；（2）虚拟软件："强磁性物质对外加磁场响应行为的测试分析虚拟仿真实验”虚拟仿真软件。
（3）虚拟仪器：（4）振动样品磁强计；冷却水循环机；真空泵；加热炉；扫描电子显微镜（5）虚拟药品:（6）软磁材料：（7）镍球标样（质量35.28mg，饱和磁化强度54.38emu）；尖晶石NiZn铁氧体待测小球；石榴石YIG铁氧体待测小球。
（8）硬磁材料：（9）六角钡铁氧体待测小球； U型、M型六角钡铁氧体片状样品。
参数结果：本实验项目表征物理量、选用样品种类和测试条件等见表1。
学生可以根据需要进入不同的功能模块，设置不同的材料种类，选择不同的表征物理量以及测试条件，探究由此带来的技术磁化过程变化规律和物理机理。
实验原理：本实验教学项目涉及《磁性物理》课程中的技术磁化过程及静态磁参数测试分析，具有综合性、系统性、应用性强等特点，旨在培养学生对磁性物理、材料及应用等方面知识的掌握和综合分析能力，加深学生对强磁性物质技术磁化过程及其物理机制的理解。
本实验项目采用3D建模，依据真实实验场景，使用Maya和3DMax软件进行整体实验室（环境、设备）建模。
数值仿真计算结果与实际实验结果误差不超过1%。
1、磁化曲线测试原理磁化过程指强磁性物质在外加磁场作用下，从磁中性状态到饱和磁化状态的过程。
磁化强度（M）与磁场强度（H）之间呈非线性关系，其物理根源在于磁性材料内存在自发磁化现象。
通常，磁化曲线（图1中的o-a曲线）可分为四个磁化阶段，即：起始磁化区、瑞利区、陡峭区和趋近饱和区。
图1 磁化曲线、磁滞回线示意图磁化过程主要归纳为两种基本机制：畴壁位移（在有效场H作用下，自发磁化方向接近于H 方向的磁畴长大，而与H方向偏离较大的近邻磁畴相应缩小，从而使畴壁发生位置变化的过程）和磁畴转动（在有效场H作用下，磁畴内所有磁矩一致向着H方向转动的过程）。
磁化过程大致包括以下几个阶段：（1）可逆磁化阶段：若H退回到零，其M趋于零。
同时存在：畴壁位移（在金属软磁材料和磁导率μi 较高的铁氧体中以此为主）；磁畴磁矩转动（在μi 不高的铁氧体中以此为主）。
（2）不可逆磁化阶段：主要指不可逆畴壁位移，与材料晶格缺陷、掺杂和内应力等因素有关。
（3）磁畴磁矩的转动：此时样品内部的畴壁位移已基本完毕，要使M增加，只有靠磁畴磁矩的转动来实现。
一般情况下，可逆与不可逆畴转同时发生与这个阶段。
不可逆畴转过程来自各向异性的起伏变化，与缺陷无关。
（4）趋近饱和阶段：磁畴磁矩的可逆转动造成强H下M的缓慢增加，并逐渐趋于技术磁化饱和。
符合趋近饱和定律，如公式（1）所示：（1）其中：系数a、b代表了技术磁化过程所受磁化阻力的大小，与材料性能有关；χp为顺磁磁化率。
利用磁化曲线测试可计算以下静态磁参数：（1）饱和磁化强度Ms逐渐增加磁场，将材料磁化至饱和状态，根据M-H曲线中的最大磁矩μmax计算样品的饱和磁化强度Ms，计算方法见公式（2）（2）其中：样品体积V可根据密度和质量进行计算。
磁晶各向异性常数K1测试根据公式（1）对磁化曲线的趋近饱和区进行拟合，由拟合结果确定公式中的b值。
立方晶系各向异性多晶体b的表达式为：（3）由公式（3）可计算材料的磁晶各向异性常数K1。
（3）各向异性场Ha测试对于取向的多晶永磁铁氧体片状样品，分别沿面内、面外磁化至饱和，测量面内、面外的磁化曲线，两条曲线的交点对应的磁场即为其各向异性场Ha。
面内、面外磁化方向分别为其难、易磁化方向。
2、磁滞回线测试原理强磁性物质从一个方向上的技术饱和磁化状态变为反向的技术饱和磁化状态的过程称为反磁化过程。
如图1所示，磁化至趋近饱和后（图1中a点)，如果将H降低到H=0（图1中b点）时，M=Mr，称为剩余磁化。
如果再使H反向增加至H=-Hc，磁化强度消失M=0，Hc称为矫顽力，其大小反映强磁性物质保持剩磁状态的能力。
沿a→b→c→d→e→f→a顺序变化得到闭合的M-H 曲线，称为磁滞回线。
磁性材料的反磁化过程，包含在磁滞回线中，即从磁滞回线中第一象限技术磁化饱和状态至第三象限的技术磁化饱和状态的过程。
强磁性物质内由于存在应力起伏、杂质及广义磁各向异性引起的不可逆磁化是导致磁滞现象并形成磁滞回线的原因。
根据反磁化过程的阻滞原因分析，磁滞现象的产生机制可分为：不可逆壁移、不可逆畴转和反磁化核成长。
实验证明：磁化曲线和磁滞回线灵敏地依赖于磁性材料的微观结构，如晶粒大小、晶粒排列取向、内应力、成分起伏等。
3、居里温度测试原理强磁性物质的磁化强度与温度密切相关，随着温度上升，自发磁化强度呈下降趋势，当温度上升至一定程度时，物质内部由磁有序转变为磁无序，即转变为顺磁性，此时磁矩混乱取向，总磁化强度矢量和为零，发生磁性转变的温度点称为居里温度Tc。
在居里温度以下，大多数尖晶石型和磁铅石型铁氧体的饱和磁化强度Ms与温度T的关系曲线为P型和Q型，大多数石榴石铁氧体的Ms~T曲线为N型（图2）。
由于晶体中各次晶格上磁性离子的种类和数量以及次晶格间的交换作用强弱不同，会导致各次晶格上自发磁化强度随温度的变化率不一样，从而使得其Ms~T曲线也不相同。
图2 亚铁磁性物质磁化强度的温度曲线实验内容：实验方法描述：“强磁性物质对外加磁场响应行为的测试分析虚拟仿真实验”项目主要包括三个部分：一是实验预习与测试；二是进入虚拟实验室，完成“磁化曲线测试分析”、“磁滞回线测试分析”和“居里温度测试分析”各环节虚拟仿真实验项目；三是进入实体实验室完成强磁性物质技术磁化特性测试设计与实施。
1. 实验预习与测试（1）自主预习，了解VSM等设备工作原理，熟悉软件与设备操作图4 实验预习（2）完成预习测试通过本环节实验，测试不同软、硬磁材料的磁化曲线，学会饱和磁化强度Ms、磁晶各向异性常数K1、各向异性场Ha的测试原理与方法（图6）；熟悉技术磁化的基本理论，理解在外场作用下强磁性物质内部磁畴运动变化的规律，加深对磁化过程中磁化机制的理解。
图6 不同材料磁化曲线测试虚拟仿真实验结果环节二、磁滞回线测试分析通过本环节实验，测试不同软、硬磁材料的磁滞回线，确定各类材料的基本参数（4πMs，Hc, Mr等）；改变磁场条件，观察磁滞回线的变化，分析不同材料磁滞回线的差异（图7）。
学生还可以选取不同结构与制备工艺的样品，进一步探究显微结构、制备工艺与材料物性参数之间的关系，加深对反磁化过程中磁化机制的理解。
图7 不同材料磁滞回线测试虚拟仿真实验结果环节三、居里温度测试分析学生可以在本实验环节选择不同成分材料测试其Ms~T曲线，计算相应材料的居里温度，对照材料结构分析居里温度变化的机理（图8）。
图8 居里温度测试虚拟仿真实验结果实验步骤：下面以2-4中钡六角铁氧体磁滞回线测试分析为例，实验流程如图9所示。
学生远程登录实验系统的主要操作步骤如下：步骤1：远程登录实验系统；步骤2：选择“磁滞回线测试分析”模块；步骤3：完成理论知识“预习测试”；步骤4：开始实验，学习基本原理、仪器操作；步骤5：选择实验样品；步骤6：连接设备及附件；步骤7：VSM开机；步骤8：打开JDAW2000C&D测试软件；步骤9：调零：依次进行电流调零、磁场调零和磁矩调零；步骤10：调鞍区；步骤11：定标：测镍球标样的磁化曲线，然后用标准值进行定标；步骤12：装样：将待测片状试样放入样品室，用棉花固定；步骤13：软件参数设定：输入文件名、测试磁场条件、退磁因子等；步骤14：选择磁滞回线测试，点击开始测量；步骤15：分别测量钡铁氧体片面内和面外的磁滞回线；步骤16：实验完毕，点击停止按钮，将测试样品取出，退出测试软件；关机步骤17：数据处理: 采用ORIGIN等软件，根据测试数据绘制磁滞回线并计算磁参数。
步骤18：撰写并提交实验报告；步骤19：退出实验系统。
实验结果：是否记录每步实验结果：是实验结果与结论要求：实验报告其他描述：“强磁性物质对外加磁场响应行为的测试分析虚拟仿真实验”项目根据学生实验操作及结果给出系统成绩。
实验结束后，学生撰写完成并提交实验报告，教师结合上机操作的分数给出最终的成绩。
在实验报告中要求学生结合实验现象观察、数据分析归纳总结实验规律，发现、分析、解决问题，主动思考、探索基本磁学参量与材料结构、制备工艺之间的关系，基于磁学原理对材料设计与应用提供思路。
实验结果与结论的具体要求如下：描述基本实验现象,如不同样品磁化曲线、磁滞回线、饱和磁化强度温度曲线的特点，不同外加磁场范围获得的磁滞回线特点，不同组成样品的升温曲线，不同制备条件样品的微观结构变化特点等。
实验数据的处理与分析，包括采用ORIGIN等工具软件绘制磁化曲线、磁滞回线、M-T曲线，拟合磁化曲线，给出基本静态磁化参数。
要求学习相关知识点和查阅文献资料，回答实验中设计的思考题，分析不同材料结构、样品形状、制备工艺与磁化特性关联性，基于磁学原理给出相应的材料结构设计与制备工艺方案建议。
对实验中存在的问题的讨论，如外加磁场范围、温度区间设置、调零与定标以及解决问题的具体措施等。
实验结论中，要求对实验现象和实验本质进行归纳总结，得出有价值的普遍意义下的科学认识和结论。
撰写并提交实验报告，报告内容格式参照《实验报告》的相关要求。
思考与讨论：在本实验项目的教学实践中，主要采用以下教学方法：演示教学法为了让学生快速熟悉“强磁性物质对外加磁场响应行为的测试分析虚拟仿真实验”操作，在“演示”功能中开展案例引导，我们采用计算机模拟、动画、讲解的方式引导学生体验磁化曲线、磁滞回线、居里温度测试分析各实验模块中涉及的样品选择、系统搭建、参数设置、仪器操作与数据处理等内容。
与此同时，在“提示”功能中强化关键仪器认知与操作示范，以及安全注意事项等内容。
研究式教学法为了培养学生运用所学理论知识发现、分析、解决问题的综合能力和勇于探索的科学精神，在教学过程中，我们要求学生对实验涉及到的技术磁化过程与内在机制，静态磁参数测试原理与方法，磁性材料结构与物性之间的关联性等内容，充分利用相关课程基础知识，结合参考资料的延伸阅读，进行深入的分析、钻研、探究，从而达到对磁学基础理论、磁性材料制备及应用等相关知识的融会贯通与透彻理解，并有自己的见解，培养学生积极探索、敢于批判质疑的科研精神。
为提高学生的科学素养，实验结束后除了系统给出的实验操作成绩以外，我们还要求学生撰写“实验报告”。
在报告中要求归纳总结强磁性物质随外加磁场而发生的技术磁化过程规律与内在机制，分析不同材料的差异，进一步地，基于掌握的磁学理论基础知识，为材料结构设计与制备提供理论指导。
