高中物理论文：巨磁阻抗现象的研究

1、巨磁阻抗现象的研究要：本文研究了在纵向驱动下，fe基纳米晶带出现超巨磁阻抗现象的条件及出现此现象的原因。所谓超巨磁阻抗现象，即在纵向驱动下，fe基纳米晶带的阻抗曲线在某一个很小磁场范围内变化非常灵敏，此时阻抗值和巨磁阻抗效应均很大，阻抗最大值可达z=73187.5 k，巨磁阻抗效应最大值可达(z- z0)/ z0=z/ z0 =13758.036%。其原因之一可能为当样品本身的固有频率和由线圈和晶带共同组成的等效元件的lc共振频率一致时，出现双共振现象。关键词： 双共振 固有频率 lc共振 纵向驱动巨磁阻抗效应 fe基纳米晶带studies of the phenomenon of extra

2、 giant magneto-impedance wang xiaoyan1 1（jiangshan middle school of ningbo, ningbozhejiang 315191）abstract: the condition and causation of the phenomenon of extra giant magneto-impedance on t he longitudinal driven in fe-based nanocrystalline ribbon was investigated .it is the phenomenon of the extr

3、a giant magneto-impedance that the impedance curve of fe-based nanocrystalline ribbon has changed very quickly in the small range of the magnetic field. also the impedance and giant magneto-impedance effect are very great. the max impedance can reach z=73187.5 k, and the max giant magneto-impedance

4、effect also can reach (z- z0)/ z0=z/ z0 =13758.036%. one of the reasons of this phenomenon maybe is double resonance. when the inherent frequency of the sample is according with the frequency of the lc resonance of the equivalent component which is made of coil and nanocrystalline ribbon, the double

5、 resonance is happened.keywords: double resonance; inherent frequency; lc resonance; longitudinal driven gmi effect; fe-based nanocrystalline ribbon; 1 引言自从1992年mohri等人首先在co基非晶丝中发现了巨磁阻抗效应1以来，后来，人们很快在fe基非晶丝、薄带中也发现了巨磁阻抗效应6。一般认为，具有优异软磁特性的材料是获得gmi效应的前提8，9。近年来有学者研究过纵向驱动巨磁阻抗效应，即用纳米晶带和线圈组成一个等效的阻抗元件，线圈通过的交变

6、电流对样品产生一个纵向的驱动磁场，线圈二端的磁致阻抗变化最高达1600%。这种驱动方式的交变电流并不直接通过样品，可避免样品引线的接触以及样品本身的焦耳热损耗。同时纵向驱动巨磁阻抗效应要远远大于横向驱动巨磁阻抗效应3，4。本文着重研究了fe73.5cu1nb3si13.5b9纳米晶带的纵向驱动巨磁阻抗效应，发现纳米晶带的超巨磁阻抗现象，即阻抗曲线在一个很小的磁场范围内变化非常灵敏，阻抗峰很尖很锐，同时阻抗值和巨磁阻抗效应也非常大。本文对巨磁阻抗曲线的形状和大小、阻抗效应的大小与线圈的规格和驱动电流的频率的关系进行了讨论，初步分析了出现超巨磁阻抗现象的原因。有关超巨磁阻抗现象还未有文献见报道。2

7、 实验本实验所采用的晶带是用单辊快淬法喷制fe73.5cu1nb3si13.5b9非晶薄带，然后在氮气保护下，温度在540，退火40分钟而制成。晶带为fe73.5cu1nb3si13.5b9粗晶带1/3的边部分，样品尺寸为24mm长，1.4mm宽和25m厚。实验通过一系列规格不同（即lc）不同线圈与纳米晶带组成等效元件来研究出现超巨磁阻抗现象的原因和条件。n30 n150为匝数从30到150管径为4.818mm，线径为0.1mm的线圈，n1 n6为匝数80管径不同，线径为0.1mm的线圈。将线圈（纵向）置于直流磁场中（方向与地磁场垂直），阻抗谱由hp4294a阻抗分析仪测得。3 结果与讨论图1

8、、n5置入fe73.5cu1nb3si13.5b9纳米晶薄带后阻抗频谱曲线图1是80匝管径4.164mm线圈放入fe基纳米晶带后在不同外加直流磁场下的纵向驱动阻抗频谱曲线。从图中可以看出，当外加磁场hex达到一定值时，阻抗频谱曲线的峰值迅速上升，上升到一个很大的值，阻抗峰变窄变锐。当外磁场hex增大到一定值时，阻抗频谱曲线的峰值又迅速降低，而这段外磁场的范围非常的小。我们把这种在很小的外磁场变化范围内，阻抗迅速变化并且变化量非常大的现象称为超巨磁阻抗现象。曲线c是在外加直流磁场hex=790.5a/m下的阻抗频谱曲线，它在f= 86.075 mhz处有一个峰值z=3483.566 k。图2、n

9、80放入纳米晶带后的巨磁阻抗效应频谱曲线图2是n80放入纳米晶带后在不同的外磁场下的巨磁阻抗效应频谱曲线。和阻抗频谱曲线一样，每一条阻抗效应曲线在一定的频率也有一个峰。并且随着外磁场hex的增大，峰位的频率向高频处移2。当hex达到一定值时，巨磁阻抗效应最大，（z- z0）/ z0=z/ z0最大值可达13758.036%。但是，并不是每一个线圈放入纳米晶带后都会出现超巨磁阻抗现象。出现超巨磁阻抗现象必须要有一定的条件。图3是n120放入纳米晶带后的阻抗频谱曲线，每一条阻抗频谱曲线都有一个峰，但是阻抗峰随着外磁场hex的增大反而减小，并且峰的变化不像n5变化来的快和大。图3、n120放入晶带后

10、的阻抗频谱曲线出现超巨磁阻抗现象对线圈的规格和晶带相对于线圈位置的有一定的要求，线圈的规格即空线圈的lc（或线圈加晶带后的lc），晶带的位置（形状、长短）和晶带本身的材料有关。在所做的实验中，发现放入fe基纳米晶带后，n1、n2、n3、n6、没有出现超巨磁阻抗现象，而n4和n5出现超巨磁阻抗现象，n30、n40、n120和n150也未出现此现象，n50、n80n和n100出现了超巨磁阻抗现象。线圈峰位频率（mhz）阻抗最大值（）阻抗效应最大值线圈峰位频率（mhz）阻抗最大值（）阻抗效应最大值n301106727.943-40.75164n11102919.9-78.17102n40110304

11、79.34-40.39976n21106721.343-87.98813n50106.8552947104977.4304n3109.1759728.486-69.14803n8073.18757318750013758.036n4104.77520243901049.6645n10061.162555271903996.1218n586.07534835701892.3601n12052.6625118378.656.48937n647.712594415.320.53684n15046.75159460.458.75376表格为不同的线圈放入同一根fe基纳米晶带后在外磁场的作用下，最大的阻

12、抗值和阻抗曲线的峰位频率及最大的巨磁阻抗效应（ 这里负指的是阻抗值减小，我们只要绝对值大，巨磁阻抗效应负的只要改变参照的z0就可以变为正）。从表格中我们可以看到，对于匝数相同管径不同的n1 n6，只有中间管径的线圈n4和n5出现了超巨磁阻抗现象，同样对于管径相同匝数不同的n30 n150也只有n50、n80、n100出现了超巨磁阻抗现象。图4、管径与巨磁阻抗效应曲线 图5、匝数与巨磁阻抗效应曲线图4和图5分别描述了巨磁阻抗效应与管径和匝数的关系，从曲线的趋势可以看到，两条曲线都存在着一个峰，也就是说有一个最佳的匝数和管径，即有最佳的电感和电容，线圈和纳米晶带组成的等效元件的巨磁阻抗效应最大。此

13、时，线圈和纳米晶带组成的等效元件lc共振频率与fe基纳米晶带固有频率相同，发生双共振，即lc共振和样品本身的机械共振同时发生，此时能量损耗最大，阻抗值也最大，这可能是出现超巨磁阻抗现象之一。图6、n80放入fe基纳米晶带后的阻抗频谱曲线图6描述了n80放入fe基纳米晶带后在频宽为64.9811mhz 81.5688 mhz的阻抗频谱曲线，因为等效元件的lc共振频率与纳米晶带固有频率比较接近，出现超巨磁阻抗现象。但是当这根晶带被剪断后，再从新用双面胶把它粘成原来的样子，放入n80组成等效元件。此时，剪断的晶带的固有频率fr已经发生变化，跟等效元件lc共振频率必然相差比较大，不会发生双共振。图7描

14、述的就是剪断的fe基纳米晶带放入线圈后的阻抗频谱曲线，它没有很锐的峰，阻抗值z下降了很多，未出现超巨磁阻抗现象，并且峰位频率比未剪断时的阻抗频谱曲线峰位频率高了8.6 mhz。图7、n80放入剪断的fe基纳米晶带后的阻抗频谱曲线对于同一根fe基纳米晶带其固有频率应该是不变的，也就是说发生双共振的驱动电流的频率应该也是一定的。但是我们从上表中可以发现，随着匝数和管径（lc）的不同，发生双共振的交变电流的驱动频率也是不一样的，当管径相同时，随着匝数的增加，发生双共振的交变电流的驱动频率变小。原因之一是因为在我们的实验当中，晶带的长度都要大于线圈的长度，所以线圈产生的磁场所作用的范围是线圈长度内的晶

15、带。随着匝数的增加，线圈的长度增加，那么受到磁场作用的晶带的长度也增加，而晶带的固有频率随着长度的增加而变小，所以发生超巨磁阻抗现象的交变电流的驱动频率也降低。当然我们认为还存在着其他的原因，需要进一步地探索。4.结论（1）fe基纳米晶带放入一定规格的线圈（lc），会出现超巨磁阻抗现象，即阻抗值z和阻抗效应z/ z0会达到一个很大的值。（2）出现超巨磁阻抗现象的原因之一是出现了双共振，即lc共振和样品本身的机械共振同时发生。当线圈和晶带组成的等效元件的lc共振频率与样品fe基纳米晶带的固有频率接近时，随着外磁场的变化，阻抗值和阻抗效应会在很小的磁场变化范围迅速得增大，之后又迅速减小。参考文献1

16、 mohri k, kohzawa t, kawashima k, etal. magneto-induced effect in amorphous wires , ieee trans magn, 1992, 28: 3150-31522 方允樟，赵振杰，杨燮龙，fe基纳米晶粉芯磁致频移特性的研究，浙江大学学报，2002，29（3）：280-2833 杨介信，杨燮龙等，一种新型的纵向驱动巨磁致阻抗效应，科学通报，1998，43（10）：1051-10534 王宗篪，纵向驱动巨磁阻抗效应的解释，集美大学学报，2002.7（1）：66-695 姜寿亭，李卫著，凝聚态磁性物理，科学出版社6 se

17、rgey tarapov, magnetoimpedace of the novel magnetic nanostructures in extra high frequency band: physics, technique and application, nanostructured magnetic materials and their application, 2004, 421-432 7 f. mazaleyrat, zs. gercsi, l.k. varga, m. lecrivain, a novel method determining longitudinally induced magnetic anisotropy in amorphous and nanocrystalline soft materials, magnetism and magnetic materials 2004, 280: 391-3948 machado f l a, martins c s, rezen