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1、近代物理实验讲义BH特性测量南京理工大学物理实验中心2009.1.20BH特性测量引言磁性材料是我们广泛使用的一类材料，它与我们的生产生活紧密相关。许多生产设备上都安装有由磁性材料制成的部件，比如发电机中的永磁体、电动机中的转子、各类电磁铁中的铁芯、用于密封润滑的磁性液体，还有磁性液体选矿。近年来兴起的纳米技术更是使磁性材料研究和应用达到了新的高度。纳米磁性材料由于具有单畴结构导致的高矫顽力或者尺度小于磁畴而导致的超顺磁状态而在高密度磁存储和生物医学方面展现出了诱人的应用前景。我们使用的磁性材料根据其矫顽力的大小可以分成三类，即硬磁材料、半硬磁材料、软磁材料。其中硬磁材料具有很高的矫顽力，适合
2、用于需要永久磁场的场合，比如电机定子中的磁瓦、扬声器中的永磁体等等。磁性参数的测试是评价一种磁性材料应用潜力的一个重要手段，因此我们有必对各种磁性材料的次性能进行测量。一、 实验目的A 掌握磁化曲线和磁滞回线中涉及的各类物理量的物理含义，及其对于应用的参考价值；B掌握HT610 B-H硬磁材料测量系统的结构和测量原理；C 掌握利用该系统研究硬磁材料（AlNiCo合金）的退磁曲线、磁滞回线；研究被测材料的磁特性，即Br（剩磁）、Hc（矫顽力）、（BH）max（最大磁能积）、Rs（矩形比）等几项基本磁性能参数的方法。二、 实验设备HT610 B-H硬磁材料磁特性测量仪，计算机，待测的硬磁样品（Al
3、NiCo合金）三、 实验原理图 1 磁化曲线和磁滞回线在铁磁性材料中由于磁矩之间的交换作用，它们会自发的沿平行方向进行排列。由于磁体本身具有一定的几何尺寸，当所有原子的磁矩都同向排列时将会导致磁体表面产生表面磁极。表面磁极会在磁体内部产生退磁场，磁体内的原子磁矩与退磁场相互作用，具有退磁场能。为了降低退磁场能磁体会由单畴结构转变为多畴结构，即由整个磁体内部所有原子磁矩一致取向转变为由一系列小的区域构成，在每个小的区域内部原子磁矩取向基本相同，但是不同区域内部的原子磁矩取向具有随机性。我们把原子磁矩取向基本相同的小区域称为磁畴。磁畴与磁畴之间存在磁矩取向的过渡层，这就是畴壁。畴壁具有畴壁能。磁畴
4、大小的分布主要是由畴壁能和退磁场能之和的极小值决定的。当外磁场由零逐步增大时，处于其中的磁体对外磁场做出响应，原子磁矩发生转动使其沿外磁场方向排列，主要表现为磁畴畴壁的移动，即磁矩与外磁场方向相同的磁畴的畴壁向外扩张，磁矩与外磁场不同的磁畴的磁畴收缩，或者表现为磁畴的转动。通过畴壁的移动或者磁畴的转动，使磁体内部的磁化强度随外磁场的增强而逐步增强，当所有的原子磁矩都沿外磁场方向排列时达到磁化饱和。从磁中性开始，磁体内部随外磁场增大而逐步增大最终达到饱和这样一个过程中磁感应强度B与外磁场强度H之间的关系曲线称起始磁化曲线。达到饱和时对应的磁感应强度称为饱和磁感应强度，记为Bs（对应的有饱和磁化强
5、度Ms）。达到磁化饱和后，如果减小外部磁场强度，磁体内的磁感应强度也相应减小，但是并不严格遵从磁化时的函数关系，而是会存在一定的滞后性，即在相同的外磁场强度下，外场减弱的过程中对应的B会比磁化过程中的B大一些，我们把这种滞后现象称为磁滞。产生磁滞的原因主要是由于磁体内部存在应力、杂质等缺陷，这些缺陷将会阻碍畴壁的自由移动和磁畴的转动。当磁体被磁化到饱和后，减小外磁场并不能使畴壁回到初始状态，而是出现滞后效应。当外磁场减小到0时，由于磁滞效应，磁体内的磁感应强度并不同时减小为0，而是有一定的值，我们称此时的磁感应强度为剩余磁感应强度，记为Br（对应的有剩余磁化强度Mr）。Br与Bs的比值称为矩形
6、比Rs。对于磁记录材料要求有尽可能大的矩形比值，这样材料被磁化后能更好的保持信息。矩形比的极限值为1。如果我们反向增加磁场，则外磁场需要反向增强到BHc时才能使磁体内部的磁感应强度减小为0，我们称BHc为矫顽力（M较小为0对应的外磁场强度MHc称内禀矫顽力）。当外磁场在-Hmax和+Hmax之间扫描一个来回后，由对应的B和H值可画出如图1所示的闭合曲线，我们称为磁滞回线。磁滞回线的第二和第四象限部分对应的是利用反向的外磁场将磁体内部的磁感应强度降为0，使磁体去磁，我们称之为退磁曲线。退磁曲线上磁感应强度B与磁化强度H的乘积称为磁能积，其中达到最大值时的磁能积为最大磁能积，记作(BH)max，此
7、时对应的B和H分别记作Bd和Hd。在硬磁磁路的设计中，磁体的静态工作点都选在（BH）max点，以便使磁体处于最佳工作状态。通过磁化曲线和磁滞回线的测量，我们可以得到被测样品的诸多磁性参数。要测量材料的磁滞回线或磁化曲线，最关键的就是测量磁体内部的磁感应强度B与外磁场强度H之间的函数关系。图 2 硬磁材料BH特性测量装置原理图图 3 电子磁通计电路原理图磁感应强度的测量主要是通过电子磁通计实现的。当样品内部的磁感应强度发生变化时，绕制在样品表面的检测线圈内的磁通量也将发生变化，并在线圈两端感应出电动势。如果线圈横截面积、匝数均为定值，则。对感生电动势积分有，即，因此我们只需要利用积分电路得到，即
8、可获得，若令，则我们就可以得到。通过如图3图3 积分器工作原理所示的积分电路完成计算。由于运算放大器具有很大的输入阻抗，因此我们可以将输入端视为虚地，因此有，若RC1/2f, 其中f为信号的频率，则可以得到和。由得，也就是，若使初始时刻的磁感应强度示数，则所以通过测量运算放大器输出端的电压，根据电路选用原件的参数R、C、N2、S就可以确定任意时刻样品内的磁感应强度。由于硬磁材料需要较大的外磁场才能使其达到磁化饱和状态，为了降低退磁场的强度，而提高磁体内部的有效磁场强度，待测样品被夹持在磁路中进行磁化，而且待测样品的上下端面要求非常平整，保证能与磁化电磁铁的磁极紧密接触，抑制表面磁极的产生，削弱
9、退磁场强度。由于磁路中不可避免的存在漏磁现象，因此此处并没有像软磁磁特性测量仪中那样利用磁化电流对磁化强度进行定标，而是利用数字特斯拉计测量磁场强度。数字特斯拉计的构造与测量磁感应强度的磁通计的构造和原理是一样的，也是利用感应线圈检测磁通变化，并利用运算放大器将磁通变化转化为电压输出。由于磁场在切向具有连续性，因此将数字特斯拉计紧贴待测样品放置就可测得磁体内部的磁化强度H。根据和就可以画出磁化曲线或磁滞回线。通过对磁化曲线和磁滞回线的分析计算就可以得到测量对象的一系列磁学参数。四、 实验内容与步骤1. 准备a. 认真阅读仪器使用说明熟悉仪器的操作方法和注意事项。b. 用电缆线将扫描电源、积分器
10、的电源插座与市电相连。注意：市电的最大电流应该大于30A，且来自于电网的干扰必须较小。c. 将扫描电源的输出端同电磁铁相连。d. 根据需要在待测样品上绕上匝数适当的漆包线作为测量B的感应线圈，并通过转接插座连接到B放大器后面的信号输入口。e. 将数字特斯拉计紧贴待测磁体放置，特斯拉计伸出的两根导线连接到H运算放大器背面的两个输入端钮上。f. 为了在扫描过程中控制B值的变化快慢，HT610测量仪利用高斯计测量样品中的磁感应强度，并将其作为反馈信号输入主机用于控制扫描电流变化的快慢。将高斯计紧贴待测磁体放置，并将电缆连接到测量主机背面的磁场输入插口。放置高斯计时要确认高斯计的正反面是否正确。g.
11、打开电脑，运行“hysteresis.exe”测试软件。h. 打开主机电源，调节B、H测量积分器漂移，如使数字表显示的读数变慢则表示漂移调节方向正确，直到数字表显示的读数在短时期内保持不变，则认为漂移基本调节完毕，按“复位”按钮使数字显示为0。2.测量a. 磁滞回线在程序主界面单击“设置”按钮，进入测量参数设置对话框，选择“磁滞回线”测量类型。并根据测量样品的实际情况设置其它参数。“确认”后返回主界面。在测量之前重新将B和H放大器的示数清零。按一下主机上的“启动”按钮并单击“测量”按钮开始测量。测量完毕后程序显示磁滞回线，保存数据。b. 退磁曲线在程序主界面单击“设置”按钮，进入测量参数设置对
12、话框，选择“退磁曲线”测量类型。并根据测量样品的实际情况设置其它参数。“确认”后返回主界面。在测量之前重新将B和H放大器的示数清零。单击“测量”按钮开始测量。测量完毕后程序显示磁滞回线，保存数据。五、 数据记录与处理对测得的磁化曲线和磁滞回线进行分析，确定所测样品的各种磁学参量，比较软磁硬磁材料磁滞回线的差异。六、 注意事项1. 高斯计探头需要放置在紧靠待测样品的位置，从而可以更好地测得材料内部的磁场强度，同时高斯计探头放置时要注意正反面。一旦正反面搞错将会导致扫描电流过载而跳闸。2. 样品放置时一定要确保电磁铁磁极表面与样品上下表面的紧密接触，这样有利于减小磁阻，从而能够使矫顽力较大的样品达到磁化饱和状态。七、 思考题1. 磁性可分为几类，各有什么特点？2. 软磁、硬磁、半硬磁材料的区分依据是什么？3. HT600和HT610 BH特性测试仪有什么相同之处，又有什么不同之处，原因何在？参考资料:1 宛德福、马兴隆.磁性物理学,电子工业出版社2 姜寿亭，李卫. 凝聚态磁性物理,科学出版社3 吕斯骅，朱印康. 近代物理实验技术I,高等教育出版社
