实验名称： 静态磁特性测试

B的测量： 的测量： 的测量
本实验中通过电子积分器测量B。 电子积分器是一种实现积分运算的 电路，通过对连续变化的感应电动势进 行累加，来测量随时间变化的磁场。电 子积分器由运算放大器、R、C组成。电 子积分−1 / RC ∫ U i dt − U c
上式中Ui是积分器的输入电压，Uc是 积分器在0时刻的输出电压，Uc可以通过 在测量之前对电容C放电使之为0，这样 上式就简化成
• 铁磁性
这种磁性物体和前述磁性物体大不相 同。它们只要在很小的磁场作用下就能被磁 化到饱和外磁场除去后仍保持相当大的永久 磁性。不但磁化率 χ ＞0，而且数值大到 104一106数量级．其磁性强度M与磁场强度 H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。
电流换向开关 可调电源
M为互感器
复位按钮开关
选择测量开关
取样电阻
环状磁性材料
H的测量： 的测量： 的测量
磁化场H可以表示为： H= N1I0/L 上式中I0表示通过初级线圈的磁化电流， L为环型磁性材料的平均周长。H的变化是通过 改变I0实现的，因此H的测量就转换成了I0的测 量。但是计算机不能直接采集I0的信号，需通 过采样电阻R0将I0转化成与H成正比的电压信 号Ux。于是： H= N1Ux/L R0
• 材料是否具有铁磁性取决于两个因素：(1)原子是否 具有由未成对电子，即自旋磁矩贡献的净磁矩(本征 磁矩) • (2)原子在晶格中的排列方式 • 具有铁磁性的元素 铁磁性的元素不多，但具有铁磁性的合金 铁磁性的元素 和化台物却各种各样。到目前为止，发现九个纯元 素晶体具有铁磁性，它们是三个3d金属铁、钴、镍 和六个4f金属钆（ga）、铽（te）、镝（di）、钬 （huo）、铒（er）和铥（diu）。 • 当铁磁性物体的温度比临界温度Tc高时．铁磁 性将转变成顺磁性，并服从居里—外斯定律
实验名称： 实验名称： 静态磁特性测试
•
•
背景
所有的物质，不论处于什么状态，或 是晶态、非晶态，或是液态、气态、不 论在怎样的温度和压力条件下，实验证 明都显示或强或弱的磁性，所不同的是 不同的物质有不同的磁性。有的磁性强、 有的磁性弱。
磁性起源 1 电子的轨道成矩和自旋磁矩 原子中的电子同时具有两种运动形式，即 电子绕原子核的轨道运动和电子绕本身轴的旋 转。前者叫做电子轨道运动；后者叫做电子自 旋。
• •
抗磁性 某些物体当它们受到外磁场H作用 后，感生出与H方向相反的磁化强 度．其磁化率 ＜0。这种磁性称为抗 其 磁性。 不但小于零，而且绝对数值 也很小，一般 为10-5的数量级。 性质和磁场、温度均无关。 的性质和磁场、温度均无关。抗磁性物 体的磁化曲线为一直线。 体的磁化曲线为一直线。
• 所有材料都有抗磁性。因为它很弱，只 有当其它类型的磁性完全消失时才能被 观察 • 抗磁性物体有： 抗磁性物体有 • 惰性气体、许多有机化和物、 • 若干金属(如 Bi、Zn、Ag和Mg等)、 • 非金属(如Si、P和S等)。
τ的确定 的确定
τ的大小可以用互感器M测定。实验 时K2选择2。用互感器替代样品线圈。改 变流过M的电流I,则M产生的电动势ε1为
ε 1 = − MdI / dt
对ε1积分，积分器的输出电压：
U OM = MU XM /(τR0 )
由此可得，
τ = MU XM /( R0U OM )
当电流I从0逐渐增加到互感器的额定电流值 时，计算机将绘出一条直线，则B即为
磁性材料的磁化曲线和磁滞回线
• 如前述具有铁磁性或亚铁磁性的材料都属 于强磁性材料，通常就叫做磁性材料。 • 这类材料与抗、顺和反铁磁性的区别就 在于它们对外加磁场有明显的响应特性，即 被磁化。
这说明磁性材料的状态随外磁场强度 的变化而发生变化。这种变化可以用磁 磁 化曲线和磁滞回线来表征。 化曲线和磁滞回线来表征 • 磁化曲线是表示磁场强度H与所感生 的磁感应强度B或磁化强度M之间的关系。 B-H关系是工程技术 工程技术中常用的表示法； 工程技术 磁性物理学中常用的表示法。 M—H关系是磁性物理学 磁性物理学 •
B = MU XM U 0 /( N 2 SR0U 0 M )
四、实验设备
静态磁特性参数测量仪，直流电源，计 算机
五、实验步聚： 实验步聚：
1.打开电脑和测量仪的控制面板。 2.接入样品后，调节“平衡”旋钮，使得 数字表上的读数基本保持不变。 3.在测量条件、参数和显示区域设定后， 按下“记录”命令按钮，系统进入测量 状态。同时，一些相关的按钮和选单变 灰，此时“暂停”按钮有效。
处于旋转运动状态下的电子，相当于一个 电流闭合回路，必然伴随有磁矩发生。所以， 电子轨道运动产生电子轨道磁矩，电子自旋 产生电子自旋磁矩。原子系统内，原子核也 具有该磁矩，但是，核磁矩非常小，几乎对 原子磁性不起作用，故原子的总磁矩是由电 子轨道磁矩和电子自族磁矩所构成，物质磁 性起源于原子磁矩。
在许多场合，确定磁场效应的量是 磁感应强度B，而不是磁场强度H。B表 示材料在外磁场H的作用下在材料内部的 磁通量密度。 B的单位 T 或Wb/m2 的单位: 的单位
B = µ 0 (H + M )
µo是真空磁导率，其数值和单位由下式确定：
在自由空间里，B和H始终是平行的，数 值上成比例，两者的关系只曲真空磁导率来 联系，即 B＝ µ 0 H（由于真空中M=0 ）。但 是，在磁性体内部，两者的关系就夏杂得多， 必须由下式来描写，方向上也不一定平行。
4. 调节电流调节旋钮，以此改变磁场的大 小和方向（注意：测量时，请将电流控 制在0.8A以内）。 5. 测量过程中，按下“暂停”命令按钮， 系统进入待命状态，此时可以进行：变 更显示坐标，平滑测量曲线，保存数据， 打印曲线，更新显示区域等操作。按下 “继续“按钮，系统再次进入测量状态。
•
磁化曲线可以通过环形磁性材料样品 磁化曲线 测出，在圆环上绕初、次级线圈N1和N2， N1的两端接上直流电源，N2的两端接上电 子磁通计，当N1通以直流电时，磁环内部 就产生了磁场，其方向是沿着圆环轴线的。 此环形磁性材料将被磁化。设磁化达到的 磁化强度为M，则样品的磁感应强度为B= µ 0（H+M）。
反铁磁性物体有过渡族元素的盐类及化台物，如 MnO、CrO、CoO等。反铁磁性物体在奈耳温度以 下时，其内部磁结构按次晶格自旋呈反平行排列， 每一次晶格的磁矩大小相等方向相反，故它的宏观 磁性等于零．只有在很强的外磁场作用下才能显示 出微弱的磁性。 • 在有些材料中，相邻原子或离子的磁矩呈反方 向平行排列，结果总磁矩为零，叫反铁磁性。反铁 磁性物质有某些金属如Mn，Cr等，某些陶瓷如MnO， NiO等以及某些铁氧体如ZnFe2O4等。 •
•
具有顺磁性的物体很多，典型的有稀土金属 和铁族元素的盐类等。多数顺磁性物体的 与温度T有密切关系 有密切关系。服从居里定律。即 与温度 有密切关系 • ＝C / T • 式中，C为居里常数；T为绝对温度。然而,更 多的顺磁性物体的 与温度的关系，遵守居 里－外斯定律，即
• • 式中，Tp为临界温度，称为顺磁居里温度。
• B与H的关系，通过初级线圈电流从小逐 步变大。在次级线圈的磁感应强度对应 磁感应强度对应 发生变化从而使磁通量变化并在电子磁 通计反 通计反映出来，求得磁环的磁感应强度 的值。根据B= µ 0（H+M），还可以画 出 µ 0 M—H曲线。
• 下图作出铝镍钴合金的B-H和M-H两种磁 化曲线。
• 物质按磁性分类 把物体放在外加磁场中，物体就磁化 了，其磁化强度M和磁场强度H的关系为 M＝ χ H。 从这个意义上说，这种被磁化了的 物体就称为磁性物体。磁性物体在性质 上有很大则不同，因此，有必要把磁性 体分类。从实用的观点，可以根据磁性 体的磁化率大小和符号来分；从物理的 观点．可以根据构成磁性起源的磁结构 来分。
磁畴壁是一个有一定厚度的过渡层，在过渡 磁畴壁 层中磁矩方向逐渐改变宏观物体一般总是具有 很多磁畴，这样，磁畴的磁矩方向各不相同， 结果相互抵消，矢量和为零，整个物体的磁矩 为零，它也就不能吸引其它磁性材料。 也就是说磁性材料在正常情况下并不对 外显示磁性。只有当磁性材料被磁化以后，它 才能对外显示出磁性 • 任何铁磁体和亚铁磁体，在温度低于居里温度 Tc时，都是由磁畴 磁畴组成的。 磁畴
由上式可见积分器的输出电压U0正比 与输入电压Ui对时间的积分。式中的负 号表示U0与Ui反位相。
U 0 = −1 / RC ∫ U i dt
参照图中，在测量电路中，单调地改 变流过N1中的电流I0，样品内部的磁场H 发生变化，此时在N2中，将产生感应电 动势ε，ε的大小为：
式中，S为环状磁性材料的横截面积。 将N2接到积分器的输入端，对ε积分，得 到：
B = µ 0 (H + M )
• 磁化率和磁导率 • 磁性体被置于外磁场中，它的磁化强度 将发生变化，磁化强度M和磁场H的关系 由下式表达： • M＝ H或 M χ H χ ＝M／H M／ • 称为磁体的磁化率。上式说明，磁化率 是单位磁场强度在磁体中所感生的磁化 强度，表征磁体磁化难易程度的一个参 量。
• 顺磁性
许多物体在受外磁场作用后，感生出与磁 化磁场同方向的磁化强度．其磁化率 ＞ 0．但数值很小，仅显示微弱磁性。这种磁性 ． 称为顺磁性。 • 顺磁性物体有—个固有原子磁矩．但各原 子磁矩的方向混乱，对外不显示宏观磁性．在 磁化磁场作用下，原子磁矩转向磁场方向，感 生出与外磁场方向一致的磁化强度M。所以顺 磁性磁化率 ＞0，但它的数值很小。室温 下， 为10-3一10-6数量级 数量级。 •
• 磁场强度 和磁感应强度 磁场强度H和磁感应强度 和磁感应强度B • 实验证明，导体中的电流或一块永磁 体都会产生磁场。H和B符号都是描述空 和 符号都是描述空 间任一点的磁场参量。按照历史习惯，H 间任一点的磁场参量 称为磁场强度，B称为磁感应强度。它们 都是矢量，有大小和方向。