磁性材料BH特性測量講義(共8頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上近代物理實(shí)驗講義BH特性測量南京理工大學(xué)物理實(shí)驗中心2009.1.20BH特性測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、電動機(jī)中的轉(zhuǎn)子、各類電磁鐵中的鐵芯、用于密封潤滑的磁性液體，還有磁性液體選礦。近年來興起的納米技術(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的場合，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)的測試是評價一種磁性材料應(yīng)用潛力的一個重要手段，因此我們有必對各種磁性材料的次性能進(jìn)行測量。一、 實(shí)驗?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，及其對于應(yīng)用的參考價值；B掌握HT610 B-H硬磁材料測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和測量原理；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）等幾項基本磁性能參數(shù)的方法。二、 實(shí)驗設(shè)備HT610 B-H硬磁材料磁特性測量儀，計

3、算機(jī)，待測的硬磁樣品（AlNiCo合金）三、 實(shí)驗原理圖 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將會導(dǎo)致磁體表面產(chǎn)生表面磁極。表面磁極會在磁體內(nèi)部產(chǎn)生退磁場，磁體內(nèi)的原子磁矩與退磁場相互作用，具有退磁場能。為了降低退磁場能磁體會由單疇結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)槎喈牻Y(jié)構(gòu)，即由整個磁體內(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能之和的極小值決定的。當(dāng)外磁場由零逐步增大時，處于其中的磁體對外磁場做出響應(yīng)，原子磁矩發(fā)生轉(zhuǎn)動使其沿外磁場方向排列，主要表現(xiàn)為磁疇疇壁的移動，即磁矩與外磁場方向相同的磁疇的疇壁向外擴(kuò)張，磁矩與外磁場不同的磁疇的磁疇收縮，或者表現(xiàn)為磁疇的轉(zhuǎn)動。通過疇壁的移動或者磁疇的轉(zhuǎn)動，使磁體內(nèi)部的磁化強(qiáng)度隨外磁場的增強(qiáng)而逐步增強(qiáng)，當(dāng)所有的原子磁矩都沿外磁場方向排列時達(dá)到磁化飽和。從磁中性開始，磁體內(nèi)部隨外磁場增大而逐步增大最終達(dá)到飽和這樣一個過程中磁感應(yīng)強(qiáng)度B與外磁場強(qiáng)度H之間的關(guān)系曲線稱起始磁化曲線。達(dá)到飽和時對應(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)格遵從磁化時的函數(shù)關(guān)系，而是會存在一定的滯后性，即在相同的外磁場強(qiáng)度下，外場減弱的過程中對應(yīng)的B會比磁化過程中的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，這些缺陷將會阻礙疇壁的自由移動和磁疇的轉(zhuǎn)動。當(dāng)磁體被磁化到飽和后，減小外磁場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)外磁場減小到0時，由于磁滯效應(yīng)，磁體內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度并不同時減小為0，而是有一定的值，我們稱此時的磁感應(yīng)強(qiáng)度為剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度，記為Br（對應(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，則外磁場需要反向增強(qiáng)到BHc時才能使磁體內(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對應(yīng)的外磁場強(qiáng)度MHc稱內(nèi)稟矯頑力）。當(dāng)外磁場在-Hmax和+Hmax之間掃描一個來回后，由對應(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應(yīng)的是利用反向的外磁場將磁體內(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)到最大值時的磁能積為最大磁能

7、積，記作(BH)max，此時對應(yīng)的B和H分別記作Bd和Hd。在硬磁磁路的設(shè)計中，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)。通過磁化曲線和磁滯回線的測量，我們可以得到被測樣品的諸多磁性參數(shù)。要測量材料的磁滯回線或磁化曲線，最關(guān)鍵的就是測量磁體內(nèi)部的磁感應(yīng)強(qiáng)度B與外磁場強(qiáng)度H之間的函數(shù)關(guān)系。圖 2 硬磁材料BH特性測量裝置原理圖圖 3 電子磁通計電路原理圖磁感應(yīng)強(qiáng)度的測量主要是通過電子磁通計實(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，繞制在樣品表面的檢測線圈內(nèi)的磁通量也將發(fā)生變化，并在線圈兩端感應(yīng)出電動勢。如果線圈橫截面積、匝數(shù)均為定值，則。對感生電動勢積分有，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。通過如圖3圖3 積分器工作原理所示的積分電路完成計算。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為信號的頻率，則可以得到和。由得，也就是，若使初始時刻的磁感應(yīng)強(qiáng)度示數(shù)，則所以通過測量運(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才能使其達(dá)到磁化飽和狀態(tài)，為了降低退磁場的強(qiáng)度，而提高磁體內(nèi)部的有效磁場強(qiáng)度，待測樣品被夾持在磁路中進(jìn)行磁化，而且待測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，因此此處并沒有像軟磁磁特性測量儀中那樣利用磁化電流對磁化強(qiáng)度進(jìn)行定標(biāo)，而是利用數(shù)字特斯拉計測量磁場強(qiáng)度。數(shù)字特斯拉計的構(gòu)造與測量磁感應(yīng)強(qiáng)度的磁通計的構(gòu)造和原理是一樣的，也是利用感應(yīng)線圈檢測磁通變化，并利用運(yùn)算放大器將磁通變化轉(zhuǎn)化為電壓輸出。由于磁場在切向具有連續(xù)性，因此將數(shù)字特斯拉計緊貼待測樣品放置就可測得磁體內(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。通過對磁化曲線和磁滯回線的分析計算就可以得到測量對象的一系列磁學(xué)參數(shù)。四、 實(shí)驗內(nèi)容與步驟1. 準(zhǔn)備a. 認(rèn)真閱讀儀器使用說明熟悉儀器的操作方法和

10、注意事項。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)需要在待測樣品上繞上匝數(shù)適當(dāng)?shù)钠岚€作為測量B的感應(yīng)線圈，并通過轉(zhuǎn)接插座連接到B放大器后面的信號輸入口。e. 將數(shù)字特斯拉計緊貼待測磁體放置，特斯拉計伸出的兩根導(dǎo)線連接到H運(yùn)算放大器背面的兩個輸入端鈕上。f. 為了在掃描過程中控制B值的變化快慢，HT610測量儀利用高斯計測量樣品中的磁感應(yīng)強(qiáng)度，并將其作為反饋信號輸入主機(jī)用于控制掃描電流變化的快慢。將高斯計緊貼待測磁體放置，并將電纜連接到測量主機(jī)背面的磁場輸入插口。放置高

11、斯計時要確認(rèn)高斯計的正反面是否正確。g. 打開電腦，運(yùn)行“hysteresis.exe”測試軟件。h. 打開主機(jī)電源，調(diào)節(jié)B、H測量積分器漂移，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.測量a. 磁滯回線在程序主界面單擊“設(shè)置”按鈕，進(jìn)入測量參數(shù)設(shè)置對話框，選擇“磁滯回線”測量類型。并根據(jù)測量樣品的實(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”按鈕并單擊“測量”按鈕開始測量。測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)入測量參數(shù)設(shè)置對話框，選擇“退磁曲線”測量類型。并根據(jù)測量樣品的實(shí)際情況設(shè)置其它參數(shù)。“確認(rèn)”后返回主界面。在測量之前重新將B和H放大器的示數(shù)清零。單擊“測量”按鈕開始測量。測量完畢后程序顯示磁滯回線，保存數(shù)據(jù)。五、 數(shù)據(jù)記錄與處理對測得的磁化曲線和磁滯回線進(jìn)行分析，確定所測樣品的各種磁學(xué)參量，比較軟磁硬磁材料磁滯回線的差異。六、 注意事項1. 高斯計探頭需要放置在緊靠待測樣品的位置，從而可以更好地測得材料內(nèi)部的磁場強(qiáng)度，同時高斯計探頭放置時要注意正反面。一旦正反面搞錯將會導(dǎo)致掃描電流過載而跳閘。2. 樣品放置時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