B H特性测量ppt课件

磁性材料B H特性测量 近代物理实验之 南京理工大学物理实验中心 提纲 一 序言二 磁性物理基础三 B H特性测量原理四 软磁B H特性测量五 硬磁B H特性测量六 注意事项七 思考题 序言 磁性材料与我们的生产生活 指南针 磁悬浮列车 发电机 电动机 变压器 磁存储 磁性液体润滑密封 磁性液体选矿 肿瘤诊断 磁性物理基础 磁性的分类 根据磁化率的大小和符号磁性可分为 抗磁性 顺磁性 反铁磁性 铁磁性 亚铁磁性 抗磁性 磁体中的原子原本没有磁矩 当处在外磁场中时感生出与外磁场方向相反的磁矩 因此磁化率 d M H 0 且绝对数值为10 5量级 磁化率曲线为一直线 与温度 外磁场等因素无关 具有抗磁性的物质 惰性气体 部分金属 Bi Zn Ag Mg 非金属 Si P S 抗磁性的磁结构 抗磁性磁化率与温度的关系 顺磁性 磁体中的原子本身具有磁矩 但磁矩之间的相互作用很弱 不足以使磁矩呈有序排列 因此不显示出宏观磁性 当处于外磁场中时 由于磁场对磁矩的作用 使原子磁矩沿外磁场方向有序排列 表现出宏观磁性 但磁化率非常小 部分顺磁性物质满足居里定律 绝大多数的顺磁性物质满足居里 外斯定律 C为居里常数 T为绝对温度 Tp为顺磁居里温度 具有顺磁性的物质 稀土金属或铁族元素的盐类 顺磁性的磁结构 顺磁性磁化率与温度的关系 居里 外斯定律 反铁磁性 反铁磁性材料中原子本身具有磁矩 但是相邻的原子之间磁矩的取向相反 磁矩的大小相同 因此合磁矩为零 对外不显示出磁性 反铁磁性材料存在一临界温度 在这个温度之上由于热扰动的能量大于相邻磁矩之间的相互作用 导致有序的磁矩排列被破坏 进入顺磁状态 这一临界温度称为奈尔温度 TN 具有反铁磁性的物质 过渡族元素的盐类及化合物 如MnO CrO CoO等 反铁磁性的磁结构 反铁磁性磁化率与温度的关系 奈尔温度 铁磁性 铁磁性材料中的原子本身具有磁矩 并且在同一磁畴内磁矩之间平行取向 但磁畴之间磁矩的取向具有随机性 合磁矩为零 无宏观磁性 当施加外场时 各磁畴的磁矩取向变得一致 呈现出宏观磁性 磁化率非常大 在101 106量级 磁化强度M与磁场强度H呈复杂的函数关系 反复磁化时出现磁滞现象 在温度高于临界温度时铁磁性转变为顺磁性 具有铁磁性的物质 3d金属铁 钴 镍 部分4f金属 铁磁性的磁结构 T Tc时的铁磁性 铁磁性 顺磁性 居里温度 亚铁磁性 亚铁磁性物质中的磁矩排列方式类似于反铁磁物质 相邻磁矩反向排列 不过磁矩的大小不一样 因此合磁矩不为零 对外表现出来的磁性类似于铁磁性 其磁化率比铁磁体稍低 在100 103量级 具有亚铁磁性的物质铁氧体 亚铁磁性的磁结构 亚铁磁性磁化率与温度的关系 铁磁性和亚铁磁性材料称为强磁性材料 而另外三类磁性材料称为弱磁性材料 根据矫顽力的大小可以将强磁性材料分为硬磁材料 半硬磁材料 软磁材料 硬磁材料主要用于提供磁场 如各类永磁体 软磁材料因为磁滞损耗较小 主要用于能量的转化 如各种变压器中的铁芯 磁性材料分类 磁矩自发有序排列的基础 磁矩相互作用 假设有两相邻磁矩Sa和Sb 则两者之间的交换能为 其中A为交换积分 r A B两电子的间距 ra rb 电子到对应原子核的距离 铁磁 反铁磁 亚铁磁材料中磁矩的自发有序排列源于相邻磁矩之间的交换作用 系统处于基态要求Eex0 则磁矩平行排列为基态 铁磁 如A 0 则磁矩反平行排列为基态 反铁磁和亚铁磁 当A 0时 要满足 必须 铁磁 即 当A 0时 要满足 必须 即 反铁磁亚铁磁 由于磁矩之间的交换作用 将会导致铁磁性和亚铁磁性物质中的磁矩出现完全有序的排列 从而自发的表现出宏观磁性 但实际情况并非如此 现实的宏观磁体是由许多小磁畴构成 同一磁畴内的磁矩基本有序排列 而不同磁畴之间是磁矩排列具有随机性 磁畴的出现是磁体内多种能量相互竞争 体系能量达到最小值的结果 其中包括磁场能 退磁场能 畴壁能 磁各向异性能 磁弹性能 为什么铁不会自发磁化 退磁场和退磁场能 Hd NMN退磁因子张量 磁体在其自身产生的退磁场中所具有的位能即为退磁场能 外场H 表面磁极 退磁场Hd 当有限尺寸的磁体处在外磁场中时将会在磁体表面产生表面磁极 表面磁极的存在会在磁体内部产生与外磁场方向相反的附加磁场 此即为退磁场 退磁场在磁体内起减弱有效磁场的作用 磁畴的形成 为了降低退磁场能 磁体倾向于由单畴结构转变为多畴结构 即由整个磁体由一个磁畴构成转变为由一系列小的磁畴构成 磁畴内磁矩有序排列 磁畴之间的磁矩取向具有随机性 总体呈磁中性状态 当磁体由单畴变成磁矩反向的多畴结构时 磁体的退磁场能减小为原来的1 n n为磁畴数目 磁畴的出现导致磁畴交界处的磁矩不再平行取向 使得畴壁内磁矩之间的交换能 畴壁能 增加 系统平衡时的磁结构主要由退磁场能和畴壁能之和的最小值决定 退磁场能 Fd 退磁场能 Fd 5 起始磁化曲线 样品从磁中性状态开始 外加磁场从零一直加到磁化强度达到饱和Ms的磁化过程 1 起始或可逆区域 5 顺磁区域 技术饱和以上的区域 或 a或 a称为起始磁化率或起始磁导率 2 瑞利 Rayleigh 区域 b为瑞利系数 3 最大磁化率区域 磁化强度M和磁感应强度B急剧地增加 磁化率和磁导率经过其最大值 m或 m 在这个区域产生巴克豪生跳跃 4 趋近饱和区域 磁化曲线缓慢地升高 最后趋近一水平线 技术饱和 磁滞回线 矩形比Rs Br Bm B H特性曲线测量原理 H定标 i1 R1 U1 N1为励磁绕组匝数 R1为励磁电流分流电阻 同时也是输出U1的取样电阻 设通过励磁线圈的励磁电流为i1 则根据安培环路定律 样品的磁化场强为 H dl I H i1N1 L i1 U1 R1L为样品的平均磁路长度 H N LR1 U1所以 我们可以通过测量U1 计算出场强H B测量 次级线圈N内的磁通发生变化时 其两端产生感应电动势 如果线圈横截面积 匝数 均为定值 则 对感应电压积分 则 磁感应强度B测量原理图 积分器工作原理 即 考虑到运算放大器有很大的输入阻抗 输入端可看成 虚地 的性质 因此有如下关系 若 则 若令B 0 0 则B t RCe0 NS 可见只要测得积分器的输出电压e0即可得到相应的磁感应强度B 根据测得的H和B 对应的可以绘制出B H特性曲线 B H回线测量仪原理图 函数发生器输出扫描电流波形 经功率放大器放大 流经初级线圈对样品进行有规律的磁化 在磁场扫描过程中 磁通变化率检测装置和磁场检测装置测量对应的B和H值 输入计算机绘出磁化曲线或磁滞回线 同时通过反馈网络调节初级线圈中磁化电流的大小 使其在设定的范围内扫描 软磁B H特性测量 实验目的了解磁性材料的分类及各自的特性 了解HT600B H软磁材料测量系统的结构和测量原理 掌握利用该系统研究软磁材料磁化曲线 磁滞回线和 H关系曲线的实验方法和技能 仪器设备HT600B H软磁材料测量系统计算机待测的软磁样品 HT600软磁测量仪原理图 HT600软磁测量仪主机前面板 1 电源开关2 磁通计部分3 功率输出转换开关4 样品连接插座5 扫描波形控制开关6 准备 启动转换开关7 磁化电流及输出电压指示8 电流输出切换板 HT600软磁测量系统软件主界面 样品外形参数 测量类型选择 磁化和检测线圈匝数 测量参数设置 实验内容 1 测量软磁样品的磁化曲线2 测量软磁样品的磁滞回线 实验步骤 1 按仪器说明书指示连接好测量主机的电源 主机与计算机之间的电缆 2 在待测样品上缠绕上两组适量匝数的漆包线作为初级线圈和次级线圈 并接到相应端钮上 3 打开主机电源开关 调节积分器漂移 使示数在较长的时间内保持不变 调节完毕后重置B为零 4 打开测量软件 根据测量样品的具体参数在测量参数对话框中输入测量参数 5 测量磁化曲线和磁滞回线 并记录测量条件 测量磁化曲线前首先需要对样品进行交流退磁 6 分析实验结果 撰写实验报告 Bm Hm 软磁材料的磁滞回线 Br Hc 磁化曲线 磁导率曲线 Um Bs Hum 软磁材料的磁化曲线 Bum 功率输出为40VA 如果输入的电压在 20V 2A之内 则开关打到准备1测量 如电流大于 2A 则开关打到准备2 但这时不能超过其功率输出40VA 即电压不能超过8V 出厂时反馈系数 增量 及电压输出已调节好 不能随意改动 当更换样品时 需把功率放大器的功能开关放至STAND BY 准备 状态 以保护功放不会受大电流长期通入 当测试样品时 发现已经有一电流流过N1时 应先把功放功能放至STAND BY 准备 状态 重新测试 或打开DAQ文件 使D A输出为 0 注意事项 硬磁B H特性测量 实验目的了解磁性材料的分类及各自的特性 了解HT610B H硬磁材料测量系统的结构和测量原理 掌握利用该系统研究硬磁材料磁滞回线和退磁曲线的实验方法和技能 HT610B H硬磁材料测量系统计算机待测的硬磁样品 AlNiCo合金 仪器设备 为了减小退磁场 被测样品夹持在磁化电磁铁的两极之间 使样品上下表面与磁极上下断面紧密结合 在外磁场对样品进行有规律的磁化过程中 电子积分器采集B值 数字特斯拉计 霍耳效应 采集对应H值 并将结果送往计算机绘制出B H关系曲线 HT610硬磁测量仪原理图 H测量单元 B测量单元 测量主机 HT610硬磁测量系统软件主界面 测量参数设置 实验内容 1 测量硬磁材料的磁滞回线2 测量硬磁材料的退磁曲线 实验步骤 1 按仪器说明书指示连接好测量主机的电源 主机与计算机之间的通讯电缆 2 在待测样品上绕上适量匝数的线圈作为感应线圈 将待测样品夹持在磁化电磁铁两极之间 连接好感应线圈与主机之间的连线 放置好高斯计和数字特斯拉计 3 打开主机电源开关 调节积分器漂移 使示数在较长的时间内保持不变 调节完毕后重置B H为零 4 打开测量软件 根据测量样品的具体参数在测量参数对话框中输入测量参数 5 测量磁滞回线和退磁曲线 6 分析实验结果 撰写实验报告 Hm 磁滞回线 Bm Mm Hd Bd bHc jHc