磁性物理試驗講義磁性物理課程組編寫電子科技大學(xué)微電子和固體電子學(xué)院二O一二年九月目錄一、起始磁導(dǎo)率溫度特征測量和居里溫度測試計算分析 1二、電阻率測試及磁損耗響應(yīng)特征分析 3三、磁致伸縮系數(shù)測量和分析 6四、磁化強度測量和分析 9五、磁滯回線和飽和磁感應(yīng)強度測量 11六、磁疇結(jié)構(gòu)分析表征 12一、起始磁導(dǎo)率溫度特征測量和居里溫度測試計算分析、試驗?zāi)繕?biāo)：了解磁性材料起始磁導(dǎo)率測量原理，學(xué)會測量材料起始磁導(dǎo)率，并能夠從自發(fā)磁化起源機制來分析溫度和離子占位對材料起始磁導(dǎo)率和磁化強度影響。(二）、試驗原理及方法：一個被磁化環(huán)型試樣，當(dāng)徑向?qū)挾缺容^大時，磁通將集中在內(nèi)半徑周圍區(qū)域分布較密，而在外半徑周圍處，磁通密度較小，所以，實際磁路有效截面積要小于環(huán)型試樣實際截面。為了使環(huán)型試樣磁路計算更符合實際情況，引入有效尺寸參數(shù)。有效尺寸參數(shù)為：有效平均半徑re，有效磁路長度le，有效橫截面積Ae，有效體積Ve。矩形截面環(huán)型試樣及其有效尺寸參數(shù)計算公式以下。（1）（2）（3）（4）其中：r1為環(huán)型磁芯內(nèi)半徑，r2為環(huán)型磁芯外半徑，為磁芯高度。利用磁芯有效尺寸能夠提升測量正確性，尤其是試樣尺寸不能滿足均勻磁化條件時，應(yīng)用等效尺寸參數(shù)計算磁性參數(shù)更合乎實際結(jié)果。材料起始磁導(dǎo)率（）可經(jīng)過對環(huán)型磁心施加線圈后測量其電感量（L）而計算得到。計算公式如式（5）所表示。（5）其中：μ0為真空磁導(dǎo)率，4π×10-7H·m-1；N為線圈匝數(shù)。磁性材料起始磁導(dǎo)率（μi）定義式如式（6）所表示。可知，起始磁導(dǎo)率溫度特征依靠于材料磁感應(yīng)強度（B）溫度特征，而磁感應(yīng)強度和磁化強度（M）之間滿足式（7），所以可知，材料起始磁導(dǎo)率溫度特征可反應(yīng)材料磁化強度溫度特征。依據(jù)郎之萬順磁性理論可知，磁性材料磁化強度大小嚴(yán)重依靠于溫度改變。伴隨溫度升高，磁性材料可鐵磁性或亞鐵磁性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾判誀顟B(tài)，此時對應(yīng)臨界溫度為磁性材料居里溫度（Tc）。對于鐵氧體材料來說，次晶格上離子種類和占位情況會影響次晶格間超交換作用，從而對材料溫度特征產(chǎn)生影響。（6）B=μ0(H+M)（7）磁心LCRZ測量儀磁心LCRZ測量儀高低溫試驗箱(三)、試驗內(nèi)容：經(jīng)過對材料起始磁導(dǎo)率溫度曲線測量，確定居里溫度，分析強磁性物質(zhì)離子占位分布對自發(fā)磁化強度溫度特征和對超交換作用影響，進而表征磁特征參數(shù)溫度特征。(四)、試驗步驟：1、將LCRZ測量儀開機預(yù)熱10分鐘，并進行開路和短路較準(zhǔn)。2、正確測量待測環(huán)型樣品內(nèi)徑r1、外徑r2和高h(yuǎn)。3、對待測樣品繞10匝線圈后將其置于高低溫試驗箱中。首先測量室溫下待測樣品電感量，然后分別調(diào)整溫度至-30℃、-10℃、50℃、70℃、80℃、90℃、100℃、110℃和120℃，測量不一樣溫度下待測樣品電感量。4、依據(jù)電感量計算材料起始磁導(dǎo)率，并計算材料居里溫度。依據(jù)上述測量結(jié)果分析強磁性物質(zhì)離子占位分布對自發(fā)磁化強度溫度特征和對超交換作用影響。(五)、試驗注意事項當(dāng)高低溫箱工作室溫度（PV值）≥60℃時嚴(yán)禁起動高低溫箱“制冷”功效！高低溫箱照明燈不宜長亮！請勿撥動超溫設(shè)置撥盤開關(guān)！二、電阻率測試及磁損耗響應(yīng)特征分析（一）、試驗?zāi)繕?biāo)了解四探針法測量材料電阻率原理和倍乘電壓表法測量測量材料磁損耗原理，并學(xué)會結(jié)合磁損耗產(chǎn)生機制對磁損耗進行分離，探討電阻率對材料損耗影響。（二）、試驗原理軟磁鐵氧體磁芯總損耗Pcv關(guān)鍵由磁滯損耗Ph、渦流損耗Pe和剩下?lián)p耗Pr三部分組成，如式（1）所表示。在鐵氧體磁芯工作時，Ph、Pe和Pr通常全部是疊加在一起難以分離。不過可采取約旦（Jordan）法對各損耗進行分離。(1)在比較低頻率下，材料渦流損耗和樣品厚度d2和頻率f2成正比，而和電阻率ρ成反比，即：Pe＝KeB2f2d2/ρ，其中Ke為常數(shù)。由此可見，降低渦流損耗關(guān)鍵是減小樣品厚度d（或半徑R）和提升材料電阻率ρ電阻率測量采取四探針法，其原理以下。四探針法測量樣品電阻率是以針距約為1mm四根金屬探針同時排成一直線，并以一定壓力壓在平整樣品表面，圖1所表示。在1、4兩根探針間經(jīng)過電流I，則在2、3探針間產(chǎn)生電位差V。材料電阻率ρ=C(Ω-cm)(2)式中C為探針修正系數(shù)，由探針間距決定。當(dāng)樣品電阻率分布均勻時，試樣尺寸滿足半無窮大條件時，(cm)(3)式中：S1、S2、S3分別為探針1和2，2和3，3和4之間間距。每個探頭全部有自己系數(shù)。C≈6.28±0.05(cm)。若取電流值I=C時，則ρ=V，即可由數(shù)字電壓表直接讀出。因為塊狀或棒狀樣品外形尺寸遠(yuǎn)大于探針間距，符合半無窮大邊界條件，電阻率可直接由（2)式求出。磁損耗測量采取倍乘電壓表法，其原理圖所表示。無抗取樣電阻R和被測磁芯Lx串聯(lián)，R兩端電壓和Lx兩端電壓分別接到倍乘（乘積）電壓表得兩個通道，該電壓表指示出兩個電壓瞬時值乘積平均值，這個平均值正比于磁芯總功耗P=()=αK。該式中，()為組合線圈兩端電壓和經(jīng)過它電流乘積得時間平均值；α為電壓表讀數(shù)；K為電表常數(shù)，由兩個通道靈敏度、測量電流電阻器R數(shù)值和表頭刻度滿度偏轉(zhuǎn)來決定。圖2倍乘電壓表法測功耗原理圖2中，G：大功率信號源，要求能供給要求電壓和電流，波形要在要求容限以內(nèi)，若要求用正弦波，諧振總含量應(yīng)小于1%。平均值檢波電壓表UAV：用于被測磁芯線圈兩端平均值電壓檢測，測量誤差小于1%。（三）、試驗內(nèi)容測量材料電阻率和不一樣頻率、溫度及磁感應(yīng)強度下材料損耗，結(jié)合磁損耗產(chǎn)生機制進行損耗分離，并探討降低路徑，從導(dǎo)電機制分析鐵氧體電阻率對材料渦流損耗影響。（四）、試驗步驟材料電阻率測量（1）測試準(zhǔn)備將220V電源插頭插入電源插座，電源開關(guān)置于斷開位置，工作選擇開關(guān)置于“短路”位置，電流開關(guān)處于彈出切斷位置。將測試架插頭和主機輸入插座相連，松開測試架立柱處高度調(diào)整手輪，將探頭調(diào)整到合適位置和高度，測試樣品應(yīng)進行清潔處理，放于樣品架上，使探針能和表面良好接觸，并保持一定壓力，調(diào)整室內(nèi)溫度使之達(dá)成要求測試條件。（2）測量電流調(diào)整將電源開關(guān)置于開啟位置，數(shù)字顯示亮，儀器通電預(yù)熱1小時。工作選擇開關(guān)置于“1調(diào)整”位置，電流量程開關(guān)和電壓量程開關(guān)必需放于相對應(yīng)任一組量程上。按下電流開關(guān)，調(diào)整電流電位器，能夠使電流輸出在0~10.00范圍內(nèi)，調(diào)整到數(shù)字顯示出測量所需要電流值（塊狀或棒狀樣品為6.28；薄片樣品為4.53）。（3）測量極性開關(guān)撥至上方，工作狀態(tài)選擇開關(guān)置于“測量”，撥動電流量程開關(guān)和電壓量程開關(guān)，置于樣品測量所適合電流、電壓量程范圍，調(diào)整電壓表粗調(diào)和細(xì)調(diào)調(diào)零，使數(shù)字顯示為“000”，按下電流開關(guān)輸出恒定電流，即可由數(shù)字顯示板和單位顯示燈直接讀出測量值。假如數(shù)字出現(xiàn)閃爍，則表明測量值已超出此電壓量程，應(yīng)將電壓量程開關(guān)撥到更高級；讀數(shù)后切斷電流開關(guān)，數(shù)字顯示將恢復(fù)到零位。在儀表處于高靈敏電壓檔時要常常檢驗零位。再將極性開關(guān)撥至下方（負(fù)極性），按下電流開關(guān)，從數(shù)字顯示板和單位顯示燈能夠讀出負(fù)極性測量值。將兩次測量取得電阻率值取平均，即為樣品在該處電阻率值。2.材料磁損耗測量（1）測試電壓選擇依據(jù)測試條件及被測磁芯，根據(jù)下式計算測試電壓：V=4.44×f×B×Ae×N×10-4式中：f為測試頻率（KHz）；B為測試磁感應(yīng)強度(mT)；N為測試線圈匝數(shù)；Ae為磁芯有效截面積(cm2)。（2）連接（3）測試①首先開啟2335功率表電源。然后將信號源輸出置于“斷”狀態(tài)，并將衰減器置于大于60dB位置，細(xì)調(diào)電位器左旋至底，選擇好輸出電壓端接線，開啟信號源電源。②對待測磁芯進行尺寸測量后繞線，計算不一樣測試頻率對應(yīng)測試電壓。將待測磁芯接入測量端口。③將2335功率表置于auto和rms、P或P×10狀態(tài)，然后將信號源置于“通”狀態(tài)，逐步升高電壓到所計算值，在升壓過程中，注意電流應(yīng)無突升現(xiàn)象。④由2335功率表讀出磁芯總功耗，計算比功耗。并依據(jù)約旦損耗分離對f=1000kHz下總損耗進行損耗分離。測量條件以下表所表示B=100mT時，測試頻率f(kHz)1003005007009001000f=200kHz時，測試磁感應(yīng)強度B(mT)50100200⑤關(guān)機時，根據(jù)3.1條反次序進行。（五）、注意事項1.儀器要先預(yù)熱。2.樣品表面需進行清潔處理，并保持干燥。3.四探針測量儀再中止測試時應(yīng)將工作選擇開關(guān)置于“短路”位置，電流開關(guān)置于彈出斷開位置。依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)和儀器性能關(guān)系可知，為確保測試精度，推薦以下電流、電壓量程組合。電流\電阻率\電壓0.2mV2mV20mV200mV2V100mA10-4—10-310-310mA10-3—10-210-11mA10-11—2010—50102—103100μA200—500103—10410μA1054.更換樣品時，必需將功耗儀電壓降低至2V以下。5.嚴(yán)禁輸出短路！！！三、磁致伸縮系數(shù)測量和分析一、試驗?zāi)繕?biāo)1.掌握經(jīng)過應(yīng)變電阻阻值改變測試材料磁致伸縮系數(shù)原理和方法。2.了解磁致伸縮系數(shù)λ和磁化場H之間關(guān)系。3.經(jīng)過磁場對材料磁致伸縮系數(shù)影響，探討磁致伸縮起源。二、試驗原理磁體在外磁場中磁化時，其形狀和體積發(fā)生改變，這種現(xiàn)象叫磁致伸縮。表征磁致伸縮磁性參數(shù)為磁致伸縮系數(shù)，當(dāng)磁場H達(dá)成飽和磁化場時，縱向磁致伸縮為一確定值λs，——飽和磁致伸縮系數(shù)。圖1應(yīng)變電阻片法測量材料磁致伸縮系數(shù)原理圖圖1，將應(yīng)變電阻粘結(jié)于待測材料上，并對待測材料所繞線圈通直流電流，在線圈產(chǎn)生磁場作用下，磁體尺寸將發(fā)生改變，并給應(yīng)變電阻施加應(yīng)力，從而改變了應(yīng)變電阻電阻值，經(jīng)過測定應(yīng)變電阻阻值改變，能夠分析出目前磁場強度下磁體尺寸改變量（即磁致伸縮系數(shù)λ）。λ和應(yīng)變電阻片阻值之間關(guān)系如式（1）所表示。(1)其中：K為應(yīng)變電阻片靈敏系數(shù)。應(yīng)變式傳感器是現(xiàn)在應(yīng)用最廣泛傳感器之一。應(yīng)變電阻片法是將磁致伸縮形變應(yīng)變量轉(zhuǎn)換成電阻改變，經(jīng)過測量電阻改變而測定λ方法。應(yīng)變片它關(guān)鍵由電阻敏感柵、基底和面膠(或覆蓋層)、粘結(jié)劑、引出線五部分組成。應(yīng)變片結(jié)構(gòu)圖見圖2。圖2應(yīng)變電阻片結(jié)構(gòu)1―覆蓋層；2―基底；3―引出線；4―粘合劑；5―敏感柵為了正確測量磁性材料磁致伸縮系數(shù)，可采取非平衡電橋法進行測量，圖3所表示。圖3測量磁致伸縮系數(shù)電橋R1=R2=R3=R4=R,ΔR=ΔR1，單臂工作時，只有一臂工作，即R1+ΔR1，假設(shè)流過放大器電流為Ig，則磁致伸縮系數(shù)可經(jīng)過式（2）計算。（2）其中：Rg為放大器內(nèi)阻。三、試驗內(nèi)容1.熟悉TH2512B型智能低電阻測試儀。2.利用智能低電阻測試儀和應(yīng)變電阻測試磁體飽和磁致伸縮系數(shù)λs。四、試驗步驟1.開機預(yù)熱TH2512B型智能低電阻測試儀開機，測試前必需預(yù)熱10分鐘以上，以等候儀器內(nèi)部線路電參數(shù)穩(wěn)定。2.將應(yīng)變電阻片粘結(jié)于磁體上，測量應(yīng)變電阻阻值。應(yīng)變電阻片型號為BF350-3AA(11)，電阻值為350.5±0.1Ω，靈敏系數(shù)為2.08±1％。3.調(diào)整電磁鐵磁極間間距，把粘有應(yīng)變電阻片待測樣豎直地置于電磁鐵磁極中央位置。4.開啟電磁鐵充電裝置，并置于“充磁”狀態(tài)。5.按下On點動鍵，對待測樣進行充磁。逐步增加電流至10A，電磁鐵中產(chǎn)生直流場也會對應(yīng)地增加。改變磁場使待測樣品長度逐步發(fā)生改變，最終趨于飽和狀態(tài)。應(yīng)變電阻阻值也會對應(yīng)地發(fā)生改變，并趨于穩(wěn)定。5.逐步減小電流至零，撤消施加于樣品上磁場。然后按下“退磁”鍵，并按“OFF”點動鍵。6.依據(jù)應(yīng)變電阻阻值改變，可計算得到磁體飽和磁致伸縮系數(shù)λs。五、注意事項1.對待測樣品清洗潔凈后，將應(yīng)變電阻片和待測樣品保持良好粘合。2.勿對電磁鐵進行長時間通入5A以上大電流！！3.低電阻測量儀注意事項以下：（1）零點和清零當(dāng)使用20mΩ和200mΩ量程時，應(yīng)首先清零，而在其它量程時通常不用清零。測試時，使用者可先選定量程，再把測試夾互夾，使S+端和S-端直接接觸，D+端和D-直接接觸，并保持良好接觸。具體地說：使兩個測試夾有引出測試線兩金屬片直接接觸，無引出測試線兩金屬片直接接觸。若儀器顯示不為零時，按前面板清零鍵，則清零ON指示燈亮，儀器清零。（2）在20mΩ和200mΩ量程時不要長時間開路。在此兩個量程時，輸出測試端電壓被鉗制在0.8V，若長時間開路，則當(dāng)量程切換到高阻抗量程時，測試端開路時顯示無法顯示UUUU，而會展現(xiàn)數(shù)字亂跳現(xiàn)象。（3）儀器所處量程識別本儀器有從20mΩ和20kΩ七個量程，要正確選擇量程，必需先會識別目前儀器所處量程。方法以下：對于每一量程，儀器有固定單位和小數(shù)點指示。能夠用0填滿儀器五個數(shù)碼管，再依據(jù)小數(shù)點和單位指示就可讀出目前量程。比如：目前單位指示mΩ,小數(shù)點在第二位，則儀器處于20.000mΩ量程檔，即此檔最大能測試20.000mΩ，最小適宜測試2.0000mΩ電阻。四、磁化強度測量和分析、試驗?zāi)繕?biāo)：利用磁天平測試表征材料自發(fā)磁化強度，經(jīng)過測量材料飽和磁化強度Ms，加深對自發(fā)磁化了解，探討分析鐵磁性物質(zhì)自發(fā)磁化機制。(三)、試驗原理及方法：依據(jù)磁性物質(zhì)在非均勻磁場中受力原理實現(xiàn)Ms測量，其方法為磁天平法，圖所表示。磁天平工作原理示意圖設(shè)一小球樣品處于非均勻磁場中，樣品質(zhì)量為m、體積V，則樣品在此非均勻磁場中沿任意軸向α(α=x,y,z)所受力為：…………①或……………②式中σs為單位質(zhì)量飽和磁化強度，稱為比飽和磁化強度。顯然，…………③其中d為試樣密度假如磁場不均勻只表現(xiàn)在Z方向。則，，∴………………………④或……………⑤實際測量中，即磁場梯度難以正確測量，所以，通常采取相對法測量，圖所表示，無磁場時，天平平衡時砝碼重量(W1),加磁場后，因為Fz作用，需要增加砝碼來達(dá)成新平衡，當(dāng)日平重新平衡時(W2)有：………………⑥式中g(shù)－重力加速度△W－加磁場前后砝碼之差∴……………⑦將標(biāo)準(zhǔn)樣品置于一樣非均勻磁場中，則有：……………⑧聯(lián)立⑦，⑧∴…………⑨標(biāo)準(zhǔn)式樣通常采取密度為8.90g.cm-3，純度≥99.9％Ni球，其飽和磁化強度Ms0＝485.6KA.m-1。(三)、試驗內(nèi)容：測量鐵磁性小球磁化強度，并分析其自發(fā)磁化起源機制。(四)、試驗步驟：1、接通FM－A磁天平電源，預(yù)熱10分鐘。2、檢驗電流和磁場指示，用調(diào)零旋紐將電流和磁場置于零點。3、放入標(biāo)準(zhǔn)樣品，調(diào)整分析天平，測出磁場H＝0時重量并統(tǒng)計4、調(diào)整電流線圈電流，增加磁場H(30mT、60mT、90mT等)，調(diào)整分析天平，測出磁場H為某一確定數(shù)值時重量并統(tǒng)計，算出公式⑨△W。5、將磁場恢復(fù)到零，放入待測小球樣品，反復(fù)步驟3、4，算出△W。6、代入標(biāo)準(zhǔn)樣品參數(shù)，算出代測小球樣品σs(或Ms)。(五)試驗注意事項1、調(diào)整電流及磁場旋紐應(yīng)輕緩。2、不可在分析天平處于測量狀態(tài)時增減砝碼。3、微量鐵磁性雜質(zhì)對測量結(jié)果影響很大，所以應(yīng)尤其注意預(yù)防樣品管內(nèi)外雜質(zhì)沾染4、磁天平處于水平狀態(tài)，所以不得挪動儀器。5、測試樣品時，應(yīng)關(guān)閉玻璃門窗，對整機不得振動。五、磁滯回線和飽和磁感應(yīng)強度測量（一）、試驗?zāi)繕?biāo)學(xué)會測量不一樣磁場下磁滯回線，并計算材料飽和磁感應(yīng)強度，探討磁場對磁感應(yīng)強度影響。（二）、原理及測量裝置同試驗二CH2335功耗測試儀。（三）、試驗內(nèi)容測量不一樣磁場下磁滯回線，計算材料飽和磁感應(yīng)強度，探討磁場對磁感應(yīng)強度影響。（四）、試驗步驟1.將GHY-6儀器后板上X(H)和Y(B)接口和示波器對應(yīng)X、Y接口相連接。然后打開GHY-6乘積法功耗測試儀，預(yù)熱10分鐘。2．將W1（功率）向左旋至最小，接通電源，B、E之間接被測電感Lx；A、E之間接諧振電容Cx，預(yù)熱5分鐘后，調(diào)整W2（調(diào)零）使D（功耗）指示為0。3．將S1（頻率）置于測試頻率，S4（電壓）置于合適檔位（按工作磁感應(yīng)強度計算Lx上電壓），S5（檔位）置于0.1檔，S3（電流）置于合適檔位，使M1（電流表）指示值盡可能大而又不超出滿刻度值。4．調(diào)整W1和Cx使被測電感Lx在諧振情況下加上要求電壓（這么判定諧振，單獨調(diào)整Cx使M1和M2（電壓表）全部指示最大）記下D讀數(shù)。5．S3、S4、S5開關(guān)下面標(biāo)有各量程對應(yīng)倍率值，將D讀數(shù)乘以S3、S4及S5倍率就得到Lx功耗，單位是瓦（W）。和此同時，能夠經(jīng)過示波器觀察到B-H回線隨頻率及外加電壓改變。（五）、注意事項1.開關(guān)S50.2檔是在測試損耗尤其大樣品或純電阻時用。2.假如得到限幅報警叫聲，應(yīng)將S2提到高一檔位置。3.在功率輸出較大時，Lx短路時間不應(yīng)超出1分鐘。所以，在不進行測試時，應(yīng)將功率輸出調(diào)至最小。六、磁疇結(jié)構(gòu)分析表征一、試驗?zāi)繕?biāo)經(jīng)過對(YluBi)3(FeGa)5O12石榴石薄膜磁泡靜態(tài)、動