磁性材料的交流磁化率测定实验报告-所用仪器南大万和ND-AS-01型交流磁化率测试系统

磁性材料的交流磁化率测定

一、实验目的

1. 观察铁磁性转变及转变温度（居里温度）T_C。

2. 测量不同铁磁样品的交流磁化率随温度的变化曲线，

3. 掌握测量不同铁磁样品的交流磁化率;

二、实验说明

2.1 磁化率和物质磁性的分类

研究材料磁性的基本任务是确定材料的磁化强度M与外磁场强度H和温度T的关系，即确定磁状态方程M = f (H,T)，在给定的外界条件(T＝常数)下，若所研究的材料向异性，且M // H，则上述关系可表为：

M = χH 或者χ = M / H           (15-1)

式中，χ称为物质的磁化率，它把物质的磁化强度与外磁场强度联系了起来，显然它的大小反映了物质磁化的难易程度，仅与磁介质性质有关，没有单位，为一纯数。χ可正、可负，决定于材料的不同磁性类别。

图15.1 五类磁体的磁化曲线

若对原无不存在宏观磁性的材料施加一个由零逐渐增大的磁场，则对不同的材料都可得一不同的M-H曲线，称为基本磁化曲线，如图15.1示。显然，曲线上任意一点都对应着材料的某种磁化状态，它与坐标原点连线的斜率即表示材料在该磁场下的磁化率。通常磁化率有三种表示形式，χ_v表示单位体积(每cm³)的磁化率，χ_A表示每摩尔的磁化率，χ_g表示单位质量(每克)的磁化率，它们之间的关系为：

                 χ_A = χ_v V = χ_g A = χ_A A/δ           (15-2)

式中，A为原子量，V为每摩尔的体积，δ为比重。

磁体在磁性质上有很大的不同，可以根据物质的磁化率大小和符号大致分为五类：

(1) 抗磁性：是一种原子系统在外磁场作用下，获得与外磁场方向反向的磁矩的现象。某些物质当它们受到外磁场作用后，感生出与方向相反的磁化强度，其磁化率。这种物质称为抗磁性物质。

(2) 顺磁性：许多物质在受到外磁场作用后，感生出与磁化磁场同方向的磁化强度，其磁化率，但数值很小，仅显示微弱磁性。这种磁性称为顺磁性。多数顺磁性物质的与温度有密切关系，服从居里定律，即

                           （15-3）

式中，为居里常数，它的值为，其中N为阿伏加德罗常数，μ_B为波尔磁子．k为波尔兹曼常数；为温度。然而，更多的顺磁性物质的与温度的关系，遵守居里-外斯定律（Curie-Weiss law），即

                         （15-4）

式中，为临界温度，称为顺磁居里温度。

(3) 反铁磁性：另有一类物质，当温度达到某个临界值(奈耳温度)以上，其磁化率与温度的关系与正常顺磁性物质的相似，服从居里－外斯定律，但是，表现出在式(15-4)中的常小于零。当<时，磁化率不是继续增大，而是降低，并逐渐趋于定值。所以，这类物质的磁化率在温度等于的地方存在极大值。显然，是个临界温度，它是奈耳发现的，被命名为奈耳温度。上述磁性称为反铁磁性。

(4) 铁磁性：这种磁性物质和前述磁性物质大不相同，它们只要在很小的磁场作用下就能被磁化到饱和，不但磁化率，而且数值大到10~10⁶数量级，其磁化强度与磁场强度之间的关系是非线性的复杂函数关系。反复磁化时出现磁滞现象，物质内部的原子磁矩是按区域自发平行取向的。上述类型的磁性称为铁磁性。铁磁性物质的磁特性随温度的变化而改变。当温度上升到某一温度时，铁磁性材料就由铁磁状态转变为顺磁状态，即失掉铁磁性物质的特性而转变为顺磁性物质，这个温度称之为居里温度，以表示，并服从居里－外斯定律，即

           （15-5）

式中，仍然是居里常数。

居里温度是磁性材料的本征参数之一，它仅与材料的化学成分和晶体结构有关，几乎与晶粒的大小、取向以及应力分布等结构因素无关，因此又称它为结构不灵敏参数。测定铁磁材料的居里温度不仅对磁材料、磁性器件的研究和研制，而且对工程技术的应用都具有十分重要的意义。

(5) 亚铁磁性：除了上面四种物质具有的磁性以外，另有一类物质，它们的宏观磁性与铁磁性相同，仅仅是磁化率的数量级稍低一些，大约为1~10³数量级。它们的内部磁结构却与反铁磁性的相同，但相反排列的磁矩不等量。所以，亚铁磁性是未抵消的反铁磁性结构的铁磁性。

2.2 交流磁化率的测量

磁性物质具有自发性的磁偶极矩，在外加磁场下，物质中的磁偶极方向会因外界磁场作用而倾向沿着外加磁场方向。而当外加磁场是交变磁场且交流频率不太高时（一般在微波频率以下），磁偶极的方向可随着此外加交变磁场，做来回周期性振荡，此即交流磁化率的物理原因。磁偶极的振荡频率与外加交变磁场频率一致，但瞬间磁偶极方向并不一定与外加磁场方向相同，其间的差异可用磁偶极相对外加交变磁场的周期性振荡相位差来代表。因此，一个材料的交流磁化率Χ_oc可以表示成Χ_oe^-iθ，其中Χ_o代表材料磁导率强度，而θ就是材料磁偶距相对外加交变磁场的周期性振荡相位差，即当某一瞬间时间点，H到达值，但M却尚未到达值，而是在该瞬间点一段时间后（Δt），才到达值。这样的现象即称为磁偶极与外加交变磁场间的相位差，相位差θ的大小为（Δt/T/π）×180°，其中T为外加交变磁场振荡周期。

除了以磁导率强度Χ_o及相位差θ来表示材料的交流磁导率Χ_oc外，若将Χ_oe^-iθ展开成复数形式Χ_ocosθ-iΧ_osinθ，Χ_αc可表示为Χ_r+iΧ_i，Χ_r=Χ_ocosθ，称为交流磁化率实部(real part，R_e[Χ_αc])，而Χ_i=-Χ_osinθ，称为交流磁化率虚部(imaginary part，I_m[Χ_αc])。所以，材料的交流磁化率Χ_αc亦可用Re[Χ_αc]及I_m[Χ_αc]来表示。

上述可简单描述为任何一种物质的交流磁化率χ可表示为：

χ(ω) = χ′(ω) + iχ″(ω)   （15-6）

χ′(ω)是交流磁化率的实数部分, 它正比于线圈的电感或互感的变化，是该磁性材料对外加交变磁场能量的吸收。在ω=0时, χ′(ω) =χ₀称为静磁磁化率。在用低频测试时，χ′(ω)近似等于χ₀。χ″(ω)是交流磁化率的虚数部分, 它正比于材料的交流损耗，表示该磁性材料愈会吸收外加磁场的能量。

交流磁化率测试方法主要有两类：(l) 交流互感电桥，如哈特森(Hartshorn)电桥; (2) 自感法，即测量样品在线圈中引起的电感变化。其中交流互感电桥方法使用的很普遍，并且随着电子技术的发展，它的测量灵敏度和测试精度都有很大提高。灵敏度可达到10^-8emu , 相对精度达到0.1%。自感法是将一对绕在同一空心轴上的线圈和锁相放大器连接，线圈分为初级线圈和次级线圈，初级线圈由锁相放大器提供交变信号，产生交变磁场.样品放置在线圈的中心，当在初级线圈的交变磁场作用下，产生磁性改变时将引起次级线圈中的感生电流的变化而由锁相放大器测出，其工作原理如图15.2所示。

图15.2互感式单对线圈测量交流磁化率的示意图

图15.3互感式四线圈测量交流磁化率的示意图

当感应线圈所在空间的磁性发生变化时，在感应线圈中就会产生感应电动势，由电磁感应定律有：

                                （15-7）

式中S为线圈的面积，N为线圈的匝数，将此感应电动势ε送入测试电路板中，测试电路板的积分电路将对ε作时间积分得：

                                  （15-8）

故由积分电路输出的信号即正比于总的磁感应强度B。

若采用标准样品-莫尔盐(NH₄)₂Fe(SO₄)₂·6H₂O作为标准样品，测量莫尔盐在不同温度下锁相放大器的输出电压V，然后根据测量温度并计算磁化率χ，画出磁化率与输出电压的线性关系曲线，并由直线的斜率得到该互感电桥的常数C (C=2.562×10^-6 emu/g/μV，该常数是在测量频率f = 275H_Z，测量磁场H= 3Oe下测定)。其中，莫尔盐的磁化率为：

emu/g                 （15-9）

T是温度。

然后, 我们就能计算出由锁相放大器输出的单位电压值所对应的单位质量(每克)的磁化率。在放入样品后，测量不同温度下得到锁相放大器输出电压值的变化，这样就能计算出具有铁磁性转变样品磁化率。

三、实验设备

1. ND-AS-01型交流磁化率测试系统

（内含锁相放大器、锁相波形发生器和加热炉）

2. 待测样品, 计算机等

四、实验内容和步骤

1．将锁相放大器、锁相波形发生器和加热炉一一对应连接，并将其与计算机相连，选择温度及锁相放大器的串口号。

2. 将温控器的温度设置到300度左右，升温。

3．将待测样品插入加热炉，在计算机上观察交流磁化率随温度的变化。

4. 保存待测样品的实验数据。

五、数据处理

1. 将测量数据采用Excel或Origin软件进行分析，绘制出锁相放大器输出电压随温度的变化，求出居里温度和所测样品的磁化率。

2. 根据升温过程中电压随温度的变化和降温过程中电压随温度的变化，绘制出所测样品的铁磁性转变的迟滞效应。

3. 铁磁性转变应是怎样的曲线，陡峭与否与哪些因数有关？

4. 为什么必须缓慢加热试样？