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1、 实验 巨磁阻抗效应 巨磁阻抗效应，简称 GMI（Giant magnetoimpedance） ，是指某些材料在通以一定频率 的交变电流时，其交流阻抗随外加轴向磁场迅速变化的现象，常见的这种材料为 Co 基非晶 丝等。这种效应具有快速响应，温度稳定，无磁滞现象等特点，在高灵敏度新型传感器、磁 记录头、电磁参数测量等方面具有应用前景，正成为近来凝聚态物理研究领域的一个热点。 本实验对 Co 基非晶丝的 GMI 基本特性作初步地了解和研究。 巨磁阻抗实验装置图 【实验目的】 1 了解和研究铁磁性材料的 GMI 效应的规律和特点； 2 深入理解磁畴、磁化、趋肤效应、阻抗等物理意义； 3 学会使用高
2、频信号发生器、模拟信号示波器、电磁铁、高斯计等实验设备。 【实验原理】 1基本物理概念 交流阻抗 在交流电路中，电压、电流之间存在量值（峰值或有效值）大小的关系，还有相位关系。 某一元件上电压电流二者峰值之比（等于有效值之比）叫做该元件的交流阻抗，用 Z 表示： 趋肤效应 图 2 实验设备框图 在直流电路中，均匀导线截面上的电流密度是均匀的。但在交流电路里，随着频率的增 加，在导线截面上的电流分布愈来愈向导线表面集中。 这种现象叫做趋肤效应 （skin effect） 。 趋肤效应使导线的有效截面减少了， 从而使它的等效电阻增加。 趋肤效应的强弱可以用趋肤深度表示： 式中,是射频电流角频率,是
3、导体的电导率，是材料的磁导率。是指：在导体内距表面处，振幅衰减到表面处振幅的。 磁畴 在没有外场的情况下，铁磁质中的电子自旋磁矩可以在小范围内“自发地”排列起来， 形成一个个小的“自发磁化区” 。这种自发磁化区被称作磁畴。通常在未磁化的铁磁质中， 各磁畴自发磁化方向不同，不显示出宏观上的磁性。当外磁场不断加大时，磁畴发生畴壁移 动和磁畴转动，磁化方向渐渐以不同程度趋向磁化场的方向，介质就显示出宏观的磁性。 2GMI 效应的物理机理 对于铁磁材料，磁导率不但与频率、磁场强度有关，而且还与其它参数有关，如机械 形变、温度等。GMI 效应的起源主要就在于软磁材料的磁导率与外加磁场密切相关。 在适当成
4、分下，FeCoSiB非晶软磁丝具有良好的软磁特性。磁致伸缩系数趋近于零(10 7) ，因为负的磁致伸缩导致切向各向异性，从而使磁畴结构沿着丝呈环形排列。而当非晶丝中通过轴向交变电流时，将在圆周方向产生一个交变磁场，（如图 1），该方向恰与磁畴排 列方向相同，于是磁畴在此方向上产生环形磁化。而外加的轴向磁场与磁畴排列方向垂直， 将阻止磁畴在圆周方向磁化，称作难轴场。所以，当外磁场从零开始增加时，切向磁导率随 之急剧减小，这就是巨磁阻抗效应产生的主要原因。 在公式中，磁导率实际上是频率的函数：当频率升高时，趋肤效应增强，这有利于磁阻抗效应，但另一方面，频率升高会使有效磁导率下降，这使有效磁导率受外
5、磁场的影 响减小，这又不利于磁阻抗效应。这两个因素互相竞争，导致在不同频率下出现各种不同的 GMI 效应，即阻抗在各种不同频率下随外磁场增大而改变的形式有所不同：若阻抗最终小于 零磁场下的阻抗， 这种现象被称作负 GMI 效应，反之为正 GMI 效应。 3测量原理 实验设备框图如图 2。 实验中， 采用图 1 软磁非晶材料磁化示意图 图 3 Co 基非晶丝 Zf 曲线 (a) 负 GMI 效应 (b)正 GMI 效应 图 4 Co 基非晶丝 GMIB 曲线 四端法测量电阻，消除接触电阻带来的误差。其中 R 为取样电阻，非晶丝阻抗 Z 的值以定值 电阻 R 的大小为参照。样品非晶丝的长度约为cm
6、。 使用高频信号发生器作为驱动电源； 存储示波器读取非晶丝及电阻 R 两端的交流电压振 幅；用直流恒流电源以及换向开关控制电磁铁磁场的大小及方向，最大磁场强度控制在 150mT；使用特斯拉计测量磁场强度。 定义 利用： 故，其中与为在添加样品轴向磁场的情况下测得的电压值，而与是在外磁场为零的情况下测得的。 以上定义方式将对于阻抗的测量转化为对于交流电压振幅的测量。 4GMI 效应的规律 正如上文所述，非晶丝阻抗会 随着驱动电压的频率的变化而变 化。（图 3）由于软磁材料对于外 界调节非常敏感， 温度、 机械应力、 磁化过程等都会对非晶丝内在磁 畴结构造成影响，所以不同样品间 的 Z-f 曲线一
7、定存在差异。 阻抗还将随外磁场的变化发 生急剧变化。如图 4。非晶丝阻抗 在磁场很小的情况下即发生剧烈变化，在某些频率下为正 GMI 效应，某些频率下为负 GMI 效应。在某些频率下，还将观察到 阻抗在磁场很小时先稍稍增加后急剧降低的现象。 测量不同信号幅度下的 Z-f 曲线， 可以发现各条曲线差异较小， 证明 GMI 效应与交流电 压振幅关系不大。 【实验仪器】 高频信号发生器，模拟信号示波器，恒流电源，电磁铁，高斯计，定值电阻等。 1 高频信号发生器可控制输出波形、振幅、频率等。振幅范围为 03V，频率输出上 限 50MHz。 2 模拟信号示波器：自动读取交流电压峰峰值（可取均值） 。 3
8、 高斯计：测量磁场强度，精度 0.1mT。 4 恒流源：控制电磁铁产生磁场强度及方向。 【实验内容】 1 连续改变频率，测量记录 Co 基非晶丝与取样电阻两端电压，计算出不同频率下阻 抗 Z 的大小，绘制 Zf 曲线。分别在外磁场为零与外磁场较大情况下测量。注意取 点疏密适中。F 变化范围为 1MHz 到 50MHz。 2 选取几个固定频率，连续变化磁场强度，测量记录 Co 基非晶丝与取样电阻两端电 压，根据 GMI 的定义计算，并绘制 GMIB 曲线。观察各个频率下不同的变化规律。 注意取点疏密适中，B 大小较小时应多取数据点，B 很大时可取点较为稀疏。 *3. 改变电压振幅，再次测量 Zf
9、 曲线，比较不同电压下的 Zf 曲线的形状、峰值。 【注意事项】 1 Co 基非晶丝样品应轻拿轻放，避免弯折拉伸等机械形变。实验中不得碰触、移动探 头和样品夹具。夹具使用前打磨弹簧铜片，去除氧化层。 2 正式实验前可对样品反复沿轴向磁化、退磁，即将磁场依次调整为正向最大、零磁 场、反向最大、零磁场，以使非晶丝磁畴磁化更为稳定。 3 高斯计探头平面应尽量垂直于磁场方向。 高斯计探头应轻拿轻放， 避免弯折、 冲击。 4 电磁铁磁场不应取得太大，一般在 100mT 曲线早已趋于稳定，场强不超过 150mT。 5 电磁铁在产生较大磁场后会有剩磁，此时反向增大磁场可抵消剩磁的影响，从而获 得零磁场。 【
10、思考题】 当 Co 基非晶丝通以交变电流时，样品电阻上存在分压、样品两端产生感生电动势、示 波器上测得了电压振幅，试具体分析此三者的关系。 【参考资料】 1 赵凯华，陈熙谋，电磁学（第二版），北京，高等教育出版社，2003 2 钟智勇， 张怀武， 刘颖力， 王豪才， 巨磁阻抗效应研究的最近进展， 功能材料， 2001， 32 (1)：16 3 董延峰， 王治， 丁燕红， 巨磁阻抗效应及其应用， 天津理工学院学报， 2002， Vol.118， No.14：74-75 4 刘宜华， 磁电子学讲座， 第一讲新一类磁传感效应巨磁阻抗效应， 物理， 1997， Vol.7，No.26：437-439
11、5 吴厚政，马正元，兰建胜，张林，萧淑琴，代由勇，刘宜华，钴基非晶软磁合金薄 带的磁特性和巨磁阻抗效应，青岛大学学报，2000，Vol.13，NO.3：63 【附录】 1 信号发生器使用方法 开机后按任意键进入工作界面。 选择波形：按“波形”键，用数码旋钮选择波形。供选波形有：正弦波、方波、指数形 波形等，实验中选择正弦波。 调整频率：按“频率”键，用数码旋钮调节，顺时针增加，逆时针减少，数位闪烁位置 数值发生改变。用“左” “右”方向键移动闪烁位置。单位部分闪烁时，也可转动旋钮，使 数值乘以或除以 10。单位有：MHz, KHz, Hz, mHz。 电压振幅：操作方法同“频率” 。单位有 V
12、, mV。注意读出的数值要除以探头的放大倍 数方能得到正确的幅度数值 2 示波器使用方法 CH1 与 CH2 为电压采集接口。 使用 AUTOSET 自动搜索合适的频率。 按下 ACQUIRE，用显示区右侧多功能菜单选择采样方式：有采样，平均 4 次，平均 16 次，平均 64 次等。实验中可选择平均 16 次。 按下 MEASURE，用显示区右侧多功能菜单选择测量项目：频率、峰峰值等。多功能 菜单第一个按钮控制切换“频道” ，或切换所需采集的项目，配合其余按键调整需要采集的 量。实验中采集频率，CH1 与 CH2 的电压峰峰值。 CH1(CH2)：用 VOLTS/DIV 调整放大倍数、用 P
13、OSITION 调整垂直位置。 CH1(CH2) MENU 显示或隐藏该频道。 HORIZONAL：扫描速度、水平位置调整。 3 可编程恒流电源使用方法 使用 OVP 设置电压上限：1.5V。可用数字按钮直接输入，按 ENTER 确认。 附图 示波器面板图 用 OUTPUT 键输出电流或停止输出电流。 用 S.V.C 在“步骤” “电压” “电流”间切换，当光标位置移动到电压处时，用 DISPLAY 和 CURSOR 向左或右调整光标所在的数位，用旋钮调整光标上数字大小，也可直接输入数 字，按 ENTER 确认。 使用 CLEAR 清除输错的数据。 若电压过大警报声响起，按 RESET 取消电源保护状态，重新启动正常工作模式。 4 高斯计使用方法 选择合适的量程，使用前需调零。高斯计探头平面应尽量垂直于磁场方向。高斯计探头 应轻拿轻放，避免弯折、冲击。
