磁性材料BH特性測(cè)量講義(共8頁(yè))

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上近代物理實(shí)驗(yàn)講義BH特性測(cè)量南京理工大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中心2009.1.20BH特性測(cè)量引言磁性材料是我們廣泛使用的一類材料，它與我們的生產(chǎn)生活緊密相關(guān)。許多生產(chǎn)設(shè)備上都安裝有由磁性材料制成的部件，比如發(fā)電機(jī)中的永磁體、電動(dòng)機(jī)中的轉(zhuǎn)子、各類電磁鐵中的鐵芯、用于密封潤(rùn)滑的磁性液體，還有磁性液體選礦。近年來(lái)興起的納米技術(shù)更是使磁性材料研究和應(yīng)用達(dá)到了新的高度。納米磁性材料由于具有單疇結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的高矯頑力或者尺度小于磁疇而導(dǎo)致的超順磁狀態(tài)而在高密度磁存儲(chǔ)和生物醫(yī)學(xué)方面展現(xiàn)出了誘人的應(yīng)用前景。我們使用的磁性材料根據(jù)其矯頑力的大小可以分成三類，即硬磁材料、半硬磁材料、軟磁材料。其中硬磁

2、材料具有很高的矯頑力，適合用于需要永久磁場(chǎng)的場(chǎng)合，比如電機(jī)定子中的磁瓦、揚(yáng)聲器中的永磁體等等。磁性參數(shù)的測(cè)試是評(píng)價(jià)一種磁性材料應(yīng)用潛力的一個(gè)重要手段，因此我們有必對(duì)各種磁性材料的次性能進(jìn)行測(cè)量。一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康腁 掌握磁化曲線和磁滯回線中涉及的各類物理量的物理含義，及其對(duì)于應(yīng)用的參考價(jià)值；B掌握HT610 B-H硬磁材料測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和測(cè)量原理；C 掌握利用該系統(tǒng)研究硬磁材料（AlNiCo合金）的退磁曲線、磁滯回線；研究被測(cè)材料的磁特性，即Br（剩磁）、Hc（矯頑力）、（BH）max（最大磁能積）、Rs（矩形比）等幾項(xiàng)基本磁性能參數(shù)的方法。二、 實(shí)驗(yàn)設(shè)備HT610 B-H硬磁材料磁特性測(cè)量?jī)x，計(jì)

3、算機(jī)，待測(cè)的硬磁樣品（AlNiCo合金）三、 實(shí)驗(yàn)原理圖 1 磁化曲線和磁滯回線在鐵磁性材料中由于磁矩之間的交換作用，它們會(huì)自發(fā)的沿平行方向進(jìn)行排列。由于磁體本身具有一定的幾何尺寸，當(dāng)所有原子的磁矩都同向排列時(shí)將會(huì)導(dǎo)致磁體表面產(chǎn)生表面磁極。表面磁極會(huì)在磁體內(nèi)部產(chǎn)生退磁場(chǎng)，磁體內(nèi)的原子磁矩與退磁場(chǎng)相互作用，具有退磁場(chǎng)能。為了降低退磁場(chǎng)能磁體會(huì)由單疇結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)槎喈牻Y(jié)構(gòu)，即由整個(gè)磁體內(nèi)部所有原子磁矩一致取向轉(zhuǎn)變?yōu)橛梢幌盗行〉膮^(qū)域構(gòu)成，在每個(gè)小的區(qū)域內(nèi)部原子磁矩取向基本相同，但是不同區(qū)域內(nèi)部的原子磁矩取向具有隨機(jī)性。我們把原子磁矩取向基本相同的小區(qū)域稱為磁疇。磁疇與磁疇之間存在磁矩取向的過(guò)渡層，這就是

4、疇壁。疇壁具有疇壁能。磁疇大小的分布主要是由疇壁能和退磁場(chǎng)能之和的極小值決定的。當(dāng)外磁場(chǎng)由零逐步增大時(shí)，處于其中的磁體對(duì)外磁場(chǎng)做出響應(yīng)，原子磁矩發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)使其沿外磁場(chǎng)方向排列，主要表現(xiàn)為磁疇疇壁的移動(dòng)，即磁矩與外磁場(chǎng)方向相同的磁疇的疇壁向外擴(kuò)張，磁矩與外磁場(chǎng)不同的磁疇的磁疇收縮，或者表現(xiàn)為磁疇的轉(zhuǎn)動(dòng)。通過(guò)疇壁的移動(dòng)或者磁疇的轉(zhuǎn)動(dòng)，使磁體內(nèi)部的磁化強(qiáng)度隨外磁場(chǎng)的增強(qiáng)而逐步增強(qiáng)，當(dāng)所有的原子磁矩都沿外磁場(chǎng)方向排列時(shí)達(dá)到磁化飽和。從磁中性開始，磁體內(nèi)部隨外磁場(chǎng)增大而逐步增大最終達(dá)到飽和這樣一個(gè)過(guò)程中磁感應(yīng)強(qiáng)度B與外磁場(chǎng)強(qiáng)度H之間的關(guān)系曲線稱起始磁化曲線。達(dá)到飽和時(shí)對(duì)應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度稱為飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度，記

5、為Bs（對(duì)應(yīng)的有飽和磁化強(qiáng)度Ms）。達(dá)到磁化飽和后，如果減小外部磁場(chǎng)強(qiáng)度，磁體內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度也相應(yīng)減小，但是并不嚴(yán)格遵從磁化時(shí)的函數(shù)關(guān)系，而是會(huì)存在一定的滯后性，即在相同的外磁場(chǎng)強(qiáng)度下，外場(chǎng)減弱的過(guò)程中對(duì)應(yīng)的B會(huì)比磁化過(guò)程中的B大一些，我們把這種滯后現(xiàn)象稱為磁滯。產(chǎn)生磁滯的原因主要是由于磁體內(nèi)部存在應(yīng)力、雜質(zhì)等缺陷，這些缺陷將會(huì)阻礙疇壁的自由移動(dòng)和磁疇的轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)磁體被磁化到飽和后，減小外磁場(chǎng)并不能使疇壁回到初始狀態(tài)，而是出現(xiàn)滯后效應(yīng)。當(dāng)外磁場(chǎng)減小到0時(shí)，由于磁滯效應(yīng)，磁體內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度并不同時(shí)減小為0，而是有一定的值，我們稱此時(shí)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度，記為Br（對(duì)應(yīng)的有剩余磁化強(qiáng)度Mr）

6、。Br與Bs的比值稱為矩形比Rs。對(duì)于磁記錄材料要求有盡可能大的矩形比值，這樣材料被磁化后能更好的保持信息。矩形比的極限值為1。如果我們反向增加磁場(chǎng)，則外磁場(chǎng)需要反向增強(qiáng)到BHc時(shí)才能使磁體內(nèi)部的磁感應(yīng)強(qiáng)度減小為0，我們稱BHc為矯頑力（M較小為0對(duì)應(yīng)的外磁場(chǎng)強(qiáng)度MHc稱內(nèi)稟矯頑力）。當(dāng)外磁場(chǎng)在-Hmax和+Hmax之間掃描一個(gè)來(lái)回后，由對(duì)應(yīng)的B和H值可畫出如圖1所示的閉合曲線，我們稱為磁滯回線。磁滯回線的第二和第四象限部分對(duì)應(yīng)的是利用反向的外磁場(chǎng)將磁體內(nèi)部的磁感應(yīng)強(qiáng)度降為0，使磁體去磁，我們稱之為退磁曲線。退磁曲線上磁感應(yīng)強(qiáng)度B與磁化強(qiáng)度H的乘積稱為磁能積，其中達(dá)到最大值時(shí)的磁能積為最大磁能

7、積，記作(BH)max，此時(shí)對(duì)應(yīng)的B和H分別記作Bd和Hd。在硬磁磁路的設(shè)計(jì)中，磁體的靜態(tài)工作點(diǎn)都選在（BH）max點(diǎn)，以便使磁體處于最佳工作狀態(tài)。通過(guò)磁化曲線和磁滯回線的測(cè)量，我們可以得到被測(cè)樣品的諸多磁性參數(shù)。要測(cè)量材料的磁滯回線或磁化曲線，最關(guān)鍵的就是測(cè)量磁體內(nèi)部的磁感應(yīng)強(qiáng)度B與外磁場(chǎng)強(qiáng)度H之間的函數(shù)關(guān)系。圖 2 硬磁材料BH特性測(cè)量裝置原理圖圖 3 電子磁通計(jì)電路原理圖磁感應(yīng)強(qiáng)度的測(cè)量主要是通過(guò)電子磁通計(jì)實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)樣品內(nèi)部的磁感應(yīng)強(qiáng)度發(fā)生變化時(shí)，繞制在樣品表面的檢測(cè)線圈內(nèi)的磁通量也將發(fā)生變化，并在線圈兩端感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)。如果線圈橫截面積、匝數(shù)均為定值，則。對(duì)感生電動(dòng)勢(shì)積分有，即，因此我們

8、只需要利用積分電路得到，即可獲得，若令，則我們就可以得到。通過(guò)如圖3圖3 積分器工作原理所示的積分電路完成計(jì)算。由于運(yùn)算放大器具有很大的輸入阻抗，因此我們可以將輸入端視為虛地，因此有，若RC>>1/2f, 其中f為信號(hào)的頻率，則可以得到和。由得，也就是，若使初始時(shí)刻的磁感應(yīng)強(qiáng)度示數(shù)，則所以通過(guò)測(cè)量運(yùn)算放大器輸出端的電壓，根據(jù)電路選用原件的參數(shù)R、C、N2、S就可以確定任意時(shí)刻樣品內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度。由于硬磁材料需要較大的外磁場(chǎng)才能使其達(dá)到磁化飽和狀態(tài)，為了降低退磁場(chǎng)的強(qiáng)度，而提高磁體內(nèi)部的有效磁場(chǎng)強(qiáng)度，待測(cè)樣品被夾持在磁路中進(jìn)行磁化，而且待測(cè)樣品的上下端面要求非常平整，保證能與磁化電磁

9、鐵的磁極緊密接觸，抑制表面磁極的產(chǎn)生，削弱退磁場(chǎng)強(qiáng)度。由于磁路中不可避免的存在漏磁現(xiàn)象，因此此處并沒(méi)有像軟磁磁特性測(cè)量?jī)x中那樣利用磁化電流對(duì)磁化強(qiáng)度進(jìn)行定標(biāo)，而是利用數(shù)字特斯拉計(jì)測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度。數(shù)字特斯拉計(jì)的構(gòu)造與測(cè)量磁感應(yīng)強(qiáng)度的磁通計(jì)的構(gòu)造和原理是一樣的，也是利用感應(yīng)線圈檢測(cè)磁通變化，并利用運(yùn)算放大器將磁通變化轉(zhuǎn)化為電壓輸出。由于磁場(chǎng)在切向具有連續(xù)性，因此將數(shù)字特斯拉計(jì)緊貼待測(cè)樣品放置就可測(cè)得磁體內(nèi)部的磁化強(qiáng)度H。根據(jù)和就可以畫出磁化曲線或磁滯回線。通過(guò)對(duì)磁化曲線和磁滯回線的分析計(jì)算就可以得到測(cè)量對(duì)象的一系列磁學(xué)參數(shù)。四、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟1. 準(zhǔn)備a. 認(rèn)真閱讀儀器使用說(shuō)明熟悉儀器的操作方法和

10、注意事項(xiàng)。b. 用電纜線將掃描電源、積分器的電源插座與市電相連。注意：市電的最大電流應(yīng)該大于30A，且來(lái)自于電網(wǎng)的干擾必須較小。c. 將掃描電源的輸出端同電磁鐵相連。d. 根據(jù)需要在待測(cè)樣品上繞上匝數(shù)適當(dāng)?shù)钠岚€作為測(cè)量B的感應(yīng)線圈，并通過(guò)轉(zhuǎn)接插座連接到B放大器后面的信號(hào)輸入口。e. 將數(shù)字特斯拉計(jì)緊貼待測(cè)磁體放置，特斯拉計(jì)伸出的兩根導(dǎo)線連接到H運(yùn)算放大器背面的兩個(gè)輸入端鈕上。f. 為了在掃描過(guò)程中控制B值的變化快慢，HT610測(cè)量?jī)x利用高斯計(jì)測(cè)量樣品中的磁感應(yīng)強(qiáng)度，并將其作為反饋信號(hào)輸入主機(jī)用于控制掃描電流變化的快慢。將高斯計(jì)緊貼待測(cè)磁體放置，并將電纜連接到測(cè)量主機(jī)背面的磁場(chǎng)輸入插口。放置高

11、斯計(jì)時(shí)要確認(rèn)高斯計(jì)的正反面是否正確。g. 打開電腦，運(yùn)行“hysteresis.exe”測(cè)試軟件。h. 打開主機(jī)電源，調(diào)節(jié)B、H測(cè)量積分器漂移，如使數(shù)字表顯示的讀數(shù)變慢則表示漂移調(diào)節(jié)方向正確，直到數(shù)字表顯示的讀數(shù)在短時(shí)期內(nèi)保持不變，則認(rèn)為漂移基本調(diào)節(jié)完畢，按“復(fù)位”按鈕使數(shù)字顯示為0。2.測(cè)量a. 磁滯回線在程序主界面單擊“設(shè)置”按鈕，進(jìn)入測(cè)量參數(shù)設(shè)置對(duì)話框，選擇“磁滯回線”測(cè)量類型。并根據(jù)測(cè)量樣品的實(shí)際情況設(shè)置其它參數(shù)?！按_認(rèn)”后返回主界面。在測(cè)量之前重新將B和H放大器的示數(shù)清零。按一下主機(jī)上的“啟動(dòng)”按鈕并單擊“測(cè)量”按鈕開始測(cè)量。測(cè)量完畢后程序顯示磁滯回線，保存數(shù)據(jù)。b. 退磁曲線在程序

12、主界面單擊“設(shè)置”按鈕，進(jìn)入測(cè)量參數(shù)設(shè)置對(duì)話框，選擇“退磁曲線”測(cè)量類型。并根據(jù)測(cè)量樣品的實(shí)際情況設(shè)置其它參數(shù)?！按_認(rèn)”后返回主界面。在測(cè)量之前重新將B和H放大器的示數(shù)清零。單擊“測(cè)量”按鈕開始測(cè)量。測(cè)量完畢后程序顯示磁滯回線，保存數(shù)據(jù)。五、 數(shù)據(jù)記錄與處理對(duì)測(cè)得的磁化曲線和磁滯回線進(jìn)行分析，確定所測(cè)樣品的各種磁學(xué)參量，比較軟磁硬磁材料磁滯回線的差異。六、 注意事項(xiàng)1. 高斯計(jì)探頭需要放置在緊靠待測(cè)樣品的位置，從而可以更好地測(cè)得材料內(nèi)部的磁場(chǎng)強(qiáng)度，同時(shí)高斯計(jì)探頭放置時(shí)要注意正反面。一旦正反面搞錯(cuò)將會(huì)導(dǎo)致掃描電流過(guò)載而跳閘。2. 樣品放置時(shí)一定要確保電磁鐵磁極表面與樣品上下表面的緊密接觸，這樣有利于減小磁阻，從而能夠使矯頑力較大