材料的性能检测

Northeastern

University第5讲 材料的性能检测材

料

概

论李

阳东北大学2006年11月Northeastern

University材料概论： 第5讲 材料的性能检测第5讲 材料的性能检测基本力学性能及测试方法磁学性能及测试方法热学性能及测试方法光学性能及测试方法声学性能及测试方法电学性能及测试方法低维材料的性能与测试技术Northeastern

University材料概论： 第5讲 材料的性能检测5.2磁学性能及测试方法1磁各向异性2磁致伸缩3磁畴4静态磁化过程5动态磁化过程6自旋共振7电磁特性8磁光效应9磁致热效应Northeastern

University材料概论： 第5讲 材料的性能检测5.2磁学性能及测试方法1磁各向异性磁各向异性是指沿铁磁材料不同晶体轴方向自发磁化的内能不同，当外磁场不存在时，自发磁化沿内能最低的晶体轴方问磁化。通常这一方向被称为易磁化轴、内能最大得方向被称为难磁化轴。导致磁各向异性得原因有多个方面。主要分磁晶各向异性、感生磁各向异性、形状各向异性、磁表面各向异性等几种类型。测量磁各向异性的方法有磁转矩仪法、磁化曲线法、磁共振法、奇异点探测法等。Northeastern

University材料概论： 第5讲 材料的性能检测5.2磁学性能及测试方法1.1磁各向异性类型铁磁性或反铁磁性物体的磁性一般都呈现出反映晶体对称性的各向异性，通常称为磁晶各向异性。磁晶各向异性的产生是出于离子的磁矩直接或间接地与晶格相耦合引起的，并敏感地依赖于磁性离子的电子状态。一般仅考虑电子的轨道角动量与晶格进行直接耦合的贡献而忽略电子的自旋与晶格直接耦合的影响。Fe单晶体在三个轴上的极化曲线（1）磁晶各向异性Northeastern

University材料概论： 第5讲 材料的性能检测（2）感生磁各向异性感生磁各向异性是指对磁性物体沿某方向施以某种作用或处理时产生的磁各向异性，包括感生单轴各向异性、轧制磁各向异性和交换各向异性等。如果对一些铁磁性合金和铁氧体在磁场中进行热处理则会感生单轴各向异性，称之为磁退火效应。轧制磁各向异性主要是通过轧制产生取向的有序排列或部分合金的压缩或拉伸来产生。铁磁件和反铁磁性共存的磁性物体在磁场中冷却时，可以感生一个单向各向异性，称之为交换各向异性。5.2磁学性能及测试方法Northeastern

University材料概论： 第5讲 材料的性能检测（3）形状各向异性由于晶粒或薄膜材料的形状可产生形状各向异性。形状各向异性产生的根源是长程的磁双极化交换作用。这种形状各向异性在薄膜材料中尤为重要，通常是贡献一个易面的磁各向异性能对于析出晶粒的块体材料，由析出物的择优生长产生的形状各向异性亦可导致一个单轴各向异性。如假定析出物以针状的形式发展长大，则其形状各向异性能可表示为5.2磁学性能及测试方法Northeastern

University材料概论： 第5讲 材料的性能检测（4）表面磁各向异性由于薄膜材料在表面的不对称性可以产生—个表面磁各向异性。可将薄膜的各向异性能描写成5.2磁学性能及测试方法Northeastern

University材料概论： 第5讲 材料的性能检测5.2磁学性能及测试方法1.2磁各向异性的测试方法（1）磁转矩法磁转矩法是利用转矩磁强计测定在磁场中单晶的易磁化轴和磁各向异性。在均匀磁场中作用在单晶体上的转矩L为实验上可以测出转矩L

与φ

的关系曲线，利用上式拟合实验曲线，可以求得磁各向异性常数。通过对实验曲线做傅立叶分析，可确定观测曲线中不同磁各向异性的贡献。Northeastern

University材料概论： 第5讲 材料的性能检测（2）磁化率法当把单晶试样置于磁场中，自旋轴就从易磁化方向转到磁场H

条件下的自由能最小位置。对自由能求极小可推导出其平衡位置。材料的磁化率为若在反铁磁体的易磁化方向上加一磁场并逐渐增加其强度，则在临界磁场时自旋轴将向垂直于易磁化方向突然转动，对于不同的磁场强度上式有不同的近似表达式，从中可以得x-φ

曲线求得临界磁场。5.2磁学性能及测试方法Northeastern

University材料概论： 第5讲 材料的性能检测（3）磁化曲线法磁化曲线法是测量铁磁性晶体的一种简便方法，对于单晶体可以测量沿不同晶轴方向加磁场时的磁化强度曲线。对于多晶样品可以先将粉末沿磁场取向后用环氧树脂固定后，再分别沿易磁化轴和难磁化轴方向加磁场测量磁化强度。沿难磁化轴方向加磁场使磁化强度得到饱和的磁场即为磁各向异性场。难轴和易轴方向的磁化曲线所围成的区域的面积即为磁晶各向异性能。5.2磁学性能及测试方法Northeastern

University材料概论： 第5讲 材料的性能检测（4）奇异点探测法对某磁性材料沿难磁化方向加磁场测量其磁化曲线M-H，在磁场等于磁各向异性场时磁化曲线达到饱，M-H

曲线从倾斜向上的形状变为与H

轴平行的直线，从而在H=HA

处形成一个拐点。对

M

求

H

的二次导数可以发现存在一个峰，峰值的位置正对应磁各向异性场。利用这一性质可以用一脉冲磁场探测

曲线上的奇异点直接测量出磁各向异性场HA。这种方法不仅适用于单晶材料的测量，还可测定多晶样品的磁各向异性场。为了在多晶测量中得到明锐的奇异峰，常用多晶取向样品。5.2磁学性能及测试方法Northeastern

University材料概论： 第5讲 材料的性能检测2磁致伸缩退磁状态的铁磁体磁化时，其长度和体积均发生微小的变化。这种现象称为磁致伸缩。其中长度的变化称为线磁致伸缩，通常磁致伸缩系数λ

表示为由于铁磁或亚铁磁材料从高温顺磁状态转变到低温磁性状态、产生自发磁化导致原来完整的晶格发生扭曲，从而产生自发磁致伸缩，晶粒取向随机分布的材料不能表现磁致伸缩，通常加外磁场磁化是材料表现出磁致伸缩的必要手段。磁体磁化时体积发生改变的现象称为体积磁致伸缩。为了测量磁致伸缩，最早使用光学杠杆法，近年来应变仪测定法得到普及。此外，还有电容或电感测定法、X射线衍射法等。5.2磁学性能及测试方法Northeastern

University材料概论： 第5讲 材料的性能检测5.2磁学性能及测试方法2.1磁致伸缩类型（1）方向性磁致伸缩改变磁致伸缩的观测方向与磁场方向的相对关系，因磁场转动而使磁性物质的磁致伸缩的大小产生相应的变化，称之为方向性磁致伸缩。它可用弹性能和磁弹性耦合能之间的平衡来说明。磁致伸缩的测量值因试样形状不同而不同的现象称为磁致伸缩的形状效应。即使在经典的各向同性磁性材料中也可以出现这种方向性磁致伸缩。方向性的磁致伸缩的起因有多种，可以分为偶极子间相互作用机制、晶格受到的均匀应变对铁磁性3d带电子能量的影响机制、晶格形变对4f电子轨道的影响机制等。Northeastern

University材料概论： 第5讲 材料的性能检测（2）体积磁致伸缩铁磁性材料在磁场作用下体积发生改变的现象称为体积磁致伸缩。由于磁致伸缩一般都很小，通常令体积磁致伸缩等于三个相互垂直方向的线磁致伸缩之和磁性原子的偶极-偶极交互作用对线性磁致伸缩做出主要贡献，这种偶极间交互作用与磁化方向有关。铁磁性交换作用主要引起自发磁化时材料自发体积磁致伸缩，与自发磁化对晶轴的取向无关。这种自发体积磁致伸缩的起因涉及弹性能和交换能的竞争导致的能量减少。自发体积磁致伸缩仅在立方晶系材料中是各向同性的。5.2磁学性能及测试方法Northeastern

University材料概论： 第5讲 材料的性能检测（3）磁机械效应磁机械效应为磁化强度的变化与应力或应变等力学量的变化密切相关的现象，包括磁致伸缩及其逆效应。磁致伸缩的逆效应主要有逆威德曼效应、ΔE效应、自发磁化强度的压力效应、磁转变点的压力效应、交换相互作用的压力效应、磁晶各向异性的压力效应等。主要是由于加上应力或压力后产生应变，自发磁化强度的大小及方向、磁畴排列等磁性性质发生相应的变化。5.2磁学性能及测试方法Northeastern

University材料概论： 第5讲 材料的性能检测5.2磁学性能及测试方法2.2磁致伸缩测试方法（1）光学杠杆法光学杠杆法是最早用来测定磁致伸缩系数的方法之一。放在螺线管S内的样品A，两端的黄铜杆B和B/固定。当样品A被磁化而伸缩时，通过黄铜杆B的一端而使杠杆M连动，从而使悬线H所带动的光杆θ转动，从而使固定在θ上的镜子m偏转。这样，通过测量光点位置的变化即可求得样品A的磁致伸缩。Northeastern

University材料概论： 第5讲 材料的性能检测（2）应变仪测定法应变仪测定法是一种利用形变电阻测量磁致伸缩的方法。将普通应变片贴在磁性晶体上，通过一种带有惠斯顿电桥的应变仪来测量应变片的电阻变化。将应变片的电阻丝绕成片状。将应变片贴在样品上，当样品发生形变时，从形变电阻值的改变由下式求得样品的长度变化还可以将材料磁化时长度的变化变换为电容量的变化。按照三端法用电容电桥和锁相放大器测定电容值，计算出磁性具体的磁致伸缩，这种方法称为电容测定法。类似地，通过测定材料磁致伸缩引起电感的变化来测量磁致伸缩的方法称为电感测定法。5.2磁学性能及测试方法Northeastern

University材料概论： 第5讲 材料的性能检测（3）X射线衍射法X光射线衍射法可用来直接测量材料的自发磁致伸缩。根据晶格畸变的类型和大小，可以计算出磁致伸缩常数。设坐标轴x、y、z与立方晶系的[100]、[010]和[00l]轴一致，则根据自由能极小原理和晶体对称性，立方晶系单晶体面致伸缩表达式为5.2磁学性能及测试方法Northeastern

University材料概论： 第5讲 材料的性能检测3磁畴在铁磁物体的内部分成了许多小的区域，即磁畴。虽然每个磁畴内的原子磁矩都整齐地排列起来，但这些磁畴的磁矩可以分别取不同的方向。从整体上说，所有磁畴的磁距叠加起来为零，铁磁体的总磁化强度为零，对外并不显示磁性，在磁畴与磁畴之间有一过渡层被称为磁壁。磁畴的形状、大小及它们之间的搭配方式，被统称为磁畴结构。在材料内部出现磁畴结构主要是为了降低退磁能。而磁畴结构的形式以及其在外部因亲(磁场、应力等)作用下的变化直接决定了磁性材料技术性能的好坏。观察磁畴的实验方法主要有：粉纹法、磁光法、洛仑兹电子显微法、X射线形貌学法、磁力显微镜法等。5.2磁学性能及测试方法Northeastern

University材料概论： 第5讲 材料的性能检测3.1磁畴结构从在片能形量畴的结角构度中，仍实然存际在上着存退在磁的能磁，在畴在畴其结端构面一仍定有是磁能荷，量只最是小比的不，分其畴大时小小很、多形。状等取决于在材封料闭的畴交结构换构换的能样、品磁的晶端各面向上出异现性了能塞和漏易畴磁，化使磁方通向量等闭因合素在。样品由品由内于部各，种不磁向性空材料间发散，因此样品端面上不出现磁荷。封闭畴结构的中间部分为主畴。这种结构旋转畴的特点是原子磁矩的方向一个接一个地逐渐旋转，形成封闭回线，磁力线的上述不内露禀到样磁品性的能端各面异上，。磁样品畴的的端宽面度上从没几有磁十磁十荷纳，米也到就0没.0有01退1退c磁m变能化。样，品由的于内材部料也的易磁虽然可以排除退磁能，但却增加了塞漏畴的各向异性能。化方向就不没同有畴，壁相，邻畴磁壁畴能的为自零。发磁化强度可以形成几种不同的角度。5.2磁学性能及测试方法Northeastern

University材料概论： 第5讲 材料的性能检测5.2磁学性能及测试方法3.2磁畴检测方法（1）粉纹法粉纹法是观察磁畴的最早应用的方法。粉纹法需要一台金相显微镜、样品表面抛光设备以及制作含铁磁微粒的混悬胶体溶液。能否在金相显微镜下观察到清晰的磁畴花样，关键在于能否去除存在于试样表面的形变层和制作优质的混悬胶体溶液。在机械研磨之后，应使用电解抛光法去除试样表面的形变层。➢粉纹法的特点是设备简单、适用范围大。➢其局限性是不能观察各向异性低的样品，不能在较高温度（>100ºC）和较低（<-90ºC）温度下操作，很难观察磁畴的快速变化。Northeastern

University材料概论： 第5讲 材料的性能检测（2）磁光法磁光法利用透射平面偏振光偏置面的旋转（法拉第效应）或反射平面偏振光的旋转（磁克尔效应）来显示磁畴结构。偏置面旋转的角度与畴内的自发磁化强度成正比，旋转的方向与自发磁化强度的取向有关。如果使起偏镜与验偏镜正交，预先令整个视场为暗视场，这是由磁畴引起的偏置面的微小转动也能产生衬度，从各磁畴显示的明暗程度的差别就可以观察到磁畴结构。➢磁光法的优点是不受材料性能高低温的限制，配以高速摄影装置可观察磁畴结构的运动变化过程。➢由于偏置面一般仅转动5/，至多20/左右，要求采用优质的起偏器和验偏器。5.2磁学性能及测试方法Northeastern

University材料概论： 第5讲 材料的性能检测（3）洛仑兹电子显微法电子显微镜的洛仑兹法是利用电子射线通过铁磁性薄膜样品时受到洛仑兹力的作用，使得电子束发生偏转而形成的图象与磁畴结构有关。洛仑兹力与样品内的磁场分布有关，具体的方法分反射、透射、扫描等多种。畴壁的黑线和白线交替出现，且随聚焦是通过聚焦和次聚焦而互相换位。电子显微镜的洛仑兹法的优点是分辨率高，能研究精细结构，如自发磁化强度的分布与晶体结构不完整性的关系、畴壁内原子矩的分布状态等，也可以在不同温度和外磁场下进行观察。5.2磁学性能及测试方法Northeastern

University材料概论： 第5讲 材料的性能检测（4）

X射线形貌学法X射线形貌学法是利用X光束检测晶体内部磁致伸缩应变的方法。当应变造成晶格间距变化时，布拉格反射角也因此产生微小变化。由于相邻磁场磁致伸缩应变不同，利用X射线技术就可以观察磁场结构。X射线形貌学法的优点是分辨率高，在观察磁场的同时能观察结构的相互关系，并可研究反铁磁性磁体的磁畴。5.2磁学性能及测试方法Northeastern

University材料概论： 第5讲 材料的性能检测（5）磁力显微镜法磁力显微镜是原子显微镜的一个变种，利用一根镀上磁性材料的探针，探测探针尖端的磁性材料与样品表面不同磁畴内磁矩的磁性作用力大小来显示磁畴结构。磁力显微镜法的优点是分辨率高，能与原子力显微镜配套使用从而实现微观结构与磁畴结构的对照。磁力显微镜是20世纪80年代发展起来的新技术，已显示出其技术优势。Nb2Fe14B/Fe钠米复合稀土永磁薄膜的磁畴结构5.2磁学性能及测试方法Northeastern

University材料概论： 第5讲 材料的性能检测5.2磁学性能及测试方法4静态磁化过程加准静态变化的外磁场于磁性材料时，材料的磁性强度随外磁场值的逐渐增大的过程称为静态磁化过程。静态磁化过程是自发磁化或材料中自旋分布发生变化的磁化过程，由于外磁场使磁畴结构发生变化和自发磁化矢量分布发生变化使总的磁化强度发生变化。Northeastern

University材料概论： 第5讲 材料的性能检测5.2磁学性能及测试方法4.1磁场的产生和测量磁场的产生和测量是磁性材料的基础之一。磁场可以用空心线圈、超导线圈、电磁铁、永久磁铁、脉冲线圈等方法产生。按照磁场测量原理可以将磁场的测量分为以下几类：利用磁场作用于线圈或磁铁的旋转力、利用电磁感应、利用磁化特性的非线性、利用电磁场引起的物性变化以及利用磁共振等方法。Northeastern

University材料概论： 第5讲 材料的性能检测5.2磁学性能及测试方法4.2磁矩物质的磁性源于原子的磁矩，原子的磁矩来源于核外电子和原子核。由于原子核的质量远大于电子，所以原子核的磁矩远小于电子的磁矩，可以忽略原子核的磁矩对物质宏观磁性的贡献。电子的磁矩由轨道磁矩和自旋磁矩两部分组成。依据量子力学理论，一个电子的轨道磁矩与其轨道角动量密切相关，轨道磁矩为l

为轨道量子数；μB

为玻尔磁子，μB

=1.165×10-29

Wb/m总的轨道磁偶极矩的绝对值相应为L为总轨道角量子数电子具有自旋运动，一个电子自旋角动量对应的自旋磁矩为在填满电子的次壳层个的电子自旋角动量互相抵消了，仅需考虑未填满的次壳层中各个电子的自旋角动量的组合贡献。Northeastern

University材料概论： 第5讲 材料的性能检测5.2磁学性能及测试方法4.3磁化强度测量通过测量磁化强度可以得到磁性材料磁矩的信息。测量磁化强度的方法从原理上可分为电磁感应法、测量作用力法、测量磁场法等。（1）电磁感应法电磁感应法是将放在次级线圈中磁化了的样品从线圈中拔出。或让磁场强度变化，使通过线圈的磁通发生变化，积分由电磁感应所产生的电动势来测量磁通的方法。当形成磁路的横截面积为S1

的磁芯被磁场H

磁化到强度为I

时，通过其周围绕有n

匝横截面积S2

的次级线圈的磁通为Northeastern

University材料概论： 第5讲 材料的性能检测（2）测量作用力法测量作用于样品力的方法是利用如下原理。当有一定磁矩M

的样品处于在M方向上不均匀磁场中时，会受到一个来自于磁场的拉力F

，其值为V

为样品体积、I

为磁化强度通常用电磁铁来设计和产生不同的磁场梯度。而测量力的方法有以下几种：➢改进的普通化学天平，用动态微分电路式的线圈实现电磁平衡代替砝码的平衡➢塞克斯密斯环秤，用小镜反射光线，通过测量光线的偏转测量作用于样品上的力➢摆杆法，用动态微分电路式的线圈平衡对样品的横向作用力➢扭秤法，用光线的偏移测量细弹性丝的扭转5.2磁学性能及测试方法Northeastern

University材料概论： 第5讲 材料的性能检测（3）测量磁场法利用测量磁化后的样品所产生磁场的方法的原理，距离磁矩M

的某点（θ，r）的法向和切向方向的磁场随角度θ

的微小变化为从该点的Hr

、H

θ

值，或即可计算出M。5.2磁学性能及测试方法Northeastern

University材料概论： 第5讲 材料的性能检测5.2磁学性能及测试方法4.4磁化曲线当加于磁性材料的磁场值逐渐增加时，磁性物质的磁化强度随之增加，磁化强度与磁场的关系曲线即为磁化曲线。磁化曲线不仅依赖于磁性材料的内禀磁性如磁矩、磁各向异性、不同类型的磁性等，还与磁畴结构紧密相关。对于多畴结构的磁性材料，其初始磁化曲线可以分为畴壁的可逆位移、由磁畴突变引起的不可逆磁化、磁畴的磁矩的转动、趋近饱和等四个阶段。当然对于硬磁材料很难分清这四种具体的阶段，因为它们往往是同时发生的。对于单畴晶体或单畴聚合体，通常仅考虑磁矩的可逆与不可逆转动磁化过程对磁化曲线的贡献，不存在壁移过程。抗磁性、顺磁性或反铁磁性物质的磁化曲线不浮在磁滞，而铁磁性物质的磁化曲线具有磁滞现象的特征。当施加反向磁场对铁磁性材料进行退磁时可得到磁滞回线。Northeastern

University材料概论： 第5讲 材料的性能检测磁矩转动的磁化曲线与材料的磁性、自旋织构、磁矩大小和磁各向异性能有关。对于反铁磁体，为了产生比平行于磁场方向时更强的磁化强度，会产生一种使自旋轴垂直于磁场的倾向。在某一临界磁场下会产生自旋轴陡转的跳跃。在小于／大于临界磁场时，磁化曲线为直线。对于铁磁性材料，由于磁晶各向异性的贡献，磁以发生磁化强度的跳变，称之为一级磁化过程。超顺磁性的磁化曲线常常对应于朗之万函数的原点附近的直线部分直到饱和的整个范围。当微粒尺寸略大于超顺磁性尺寸时、可以产生一种称之为热波动磁后效的磁化时间的滞后现象。铁磁性物质通过技术磁化达到饱和后进一步磁化，磁化强度可进一步地稍有增加，称之为强磁场磁化率，对于单晶体材料，沿不同的晶轴方向磁化可以获得不同的磁化曲线。5.2磁学性能及测试方法Northeastern

University材料概论： 第5讲 材料的性能检测5.2磁学性能及测试方法4.5磁滞回线铁磁性材料磁化后，逐渐减小磁场到零并反向加磁场磁化，得到的磁化曲线称之为反磁化曲线。进一步正向加磁场，形成一闭合回线称为磁滞回线。磁滞回线实际上对应于磁场循环变化时，磁化强度M(或磁通密度B)随磁场变化的轨迹。在饱和磁场F的磁滞回线为饱和磁滞回线。不同磁性材料的磁滞回线形状不同，从而可应用于不同的领域。永磁材料的磁滞回线面积大，要求有高的剩余磁感应强度，高矫顽力和高最大磁能积。软磁材料要求有高的磁感应强度和低的矫顽力。记忆磁芯的磁滞回线不但要窄，还要近于矩形。Northeastern

University材料概论： 第5讲 材料的性能检测5.2磁学性能及测试方法4.6冲击法冲击法测磁感应强度是将绕在样品上匝数为N2

的探测线圈与冲击电流计串联，冲击电流计起积分作用。闭磁路样品是用螺绕环来磁化环状样品。由于螺绕环产生的磁场不强，因此闭磁路样品主要是软磁材料。螺绕环产生的磁场可通过测量磁化电流计算出来，所以测量闭磁路样品的磁化曲线和磁滞回线就归结为测量各磁化电流下的磁感应强度。冲击法是测量磁性材料静态磁性的标准方法。开磁路样品一般是指在螺线管形磁场中测量的样品的磁化，主要用于永磁材料。由电磁学可知在介质界面上磁场的切线分量连续。又由于在外磁场均匀的范围内，在样品横截面上的纵向内场是均匀的，因此测定内场就归结为测定样品表面的磁场了。探测线圈的结构主要有：磁位计、串联反接的同轴线圈、扁平线圈等。Northeastern

University材料概论： 第5讲 材料的性能检测5.2磁学性能及测试方法4.7振动样品磁强计振动样品磁强计是基于电磁感应原理制成的测量磁性能的仪器。被磁化的样品在包围它的测量线圈或在两个串联反接的线路之间以某一频率往复运动，将产生的感应电动势积分后输出与磁通量变化成正比的电压；采用小样品在探测线圈之间做小振幅振动，将样品视为一个磁偶极子，探测由于样品振动而感应的偶极场的变化，可以推出线圈的感应电动势与样品的磁化强度成正比，通常的振动样品磁强计那是采用第二种类型。振动样品磁强计分为磁化装置、振动系统、探测线圈和检测系统。磁化装置主要由电磁铁组成。振动系统可由马达带动的机械振动器、扬声器驱动装置或压电元件驱动。探测线圈主要要求能产生大的感应电动势、对样品位置和磁化场波动及其他干扰信号不敏感、信号噪声比大等。振动样品磁强计具有较高的灵敏度，可测定磁化强度或磁化率温度的变化。Northeastern

University材料概论： 第5讲 材料的性能检测5.2磁学性能及测试方法4.8脉冲强场磁强计脉冲强场磁强计主要是利用大电流在短时间内通过螺线管产生脉冲强磁场磁化样品，利用探测线圈探测由于脉冲场导致的磁通量的变化来测量永磁材料磁性能的设备。其特点是磁场强，脉冲磁场还可作充磁用途用来磁化永磁材料。产生脉冲磁场的方法有电容式放电法、可控硅式脉冲放电法等。电容式放电法通过一个双向开关分别连接电容器充电、电流通过螺管充电、在放电过程出观一个电流脉冲，从而产生脉冲磁场。可控硅式脉冲放电法利用可控硅控制交流电流的通过螺线管线圈，获得一个脉冲半波电流产生脉冲磁场。脉冲强场磁强计可以用来测量铁磁材料的磁化曲线、磁滞回线等，还可以配备微分电路用奇异点探测法直接测量磁化曲线二次导数曲线确定磁各向异性场、—级磁化过程的临界场、交换作用导致的低场峰等。Northeastern

University材料概论： 第5讲 材料的性能检测5.2磁学性能及测试方法4.9磁秤法利用磁秤法测量样品在梯度磁场中受到的力来确定共磁矩，获得磁化强度或磁化率。要求有一定的均匀范围的大的磁场梯度。在电磁铁极头间产生梯度磁场的两种方法：（1）利用特殊形状的电磁铁极头产生非均匀磁场；（2）在均匀磁场上附加电流线圈产生梯度磁场。测量力方法的不同导致磁秤法的结构有多种：➢用精密天平直接测量样品所受力；➢用萨克斯密斯环秤将力变换为与样品连接的圆环的形变再用光杠杆放大；➢用电器秤将力转变为电信号，用摆式磁杆测量样品的摆动频率；➢用左依磁化率秤。磁秤法可测量饱和磁化强度及磁化率随温度的变化以及观察磁相变。Northeastern

University材料概论： 第5讲 材料的性能检测5.2磁学性能及测试方法4.10超导量子干涉器件磁强计超导量子干涉器件磁强计是基于磁通量子化概念和超导约瑟夫逊效应制成的一种灵敏度很高的磁通探测器。其分辨本领可达10-19

Wb。SQUID不仅可以测量极弱的磁场和磁矩，还可以测量弱电压、电流，建立电压基准、并可直接测量基本物理常数

e

/

（e为电子电荷，为普朗克常数）。在宏观尺度上验证量子力学的基本原理。Northeastern

University材料概论： 第5讲 材料的性能检测5.2磁学性能及测试方法5动态磁化过程在交变磁场作用力下，由于存在磁滞效应、涡流效应、磁后效、畴壁共振、自然共振等现象，铁磁性物质的磁性质与在静磁场作用下的磁性质大不相同。在交变磁场中的磁感应强度比外加的交变磁场落后一相位，因而磁导率为一复数。复磁导率随外加磁场的幅值和频率变化，且对应于不同频率的磁场有不同的物理机制。另外，在高频交变场作用下，铁磁性物质(往往也是电解质)同时显示其铁磁性和介电性。Northeastern

University材料概论： 第5讲 材料的性能检测5.2磁学性能及测试方法5.1交流磁化率铁磁材料在交变磁场中的磁化率为磁化率是描述顺磁、抗磁、反铁磁、自旋玻璃、弱铁磁性等各种弱磁性物质的一个重要多数。测量磁化率及其温度的依赖关系是研究各种磁相变的一种极其有效的方法。按照热力学原理，磁化率反常是二级相变的一个重要标志。在相变点附近，低磁化率常常出现一个峰或突变。测量直流弱磁磁化率可用任何一种灵敏度高的测量磁化强度的方法，如磁秤、振动样品磁强计，SQUID磁强计等。测量低场交流磁化率通常用互感电桥法。这种仪器的特点是结构简单，灵敏度高，可以达到10-10~10-11

A·m2。Northeastern

University材料概论： 第5讲 材料的性能检测5.2

磁滞效应磁滞效应为，在小于1MHz的低频下，由畴壁的不可逆移动或磁矩的不可逆转动所引起的磁感应强度随磁场强度变化的滞后效应。当外加磁场非常小且铁磁体的磁化是可逆时，磁化过程在起始磁化率范围。如果外场超过起始磁化率范围但仍保持小的振幅，磁化过程已不再是完全可逆，其磁滞回线可用解析式表示，称为瑞利磁滞回线。其能量损耗系数5.2磁学性能及测试方法Northeastern

University材料概论： 第5讲 材料的性能检测5.2磁学性能及测试方法5.3涡流损耗当作用于磁性物质的外加磁场随时间变化时，磁性体中磁通量及磁感应强度也发生相应的变化。根据电磁感应定律，磁性体中任一回路将产生一定的电动势。如果磁性材料具有一定的电导率，则这种变化将在磁性导体中产生垂直于磁通量的环形感应电流，即涡电流。根据楞次定律，这种涡电流又将激发一个阻碍外磁场引发的磁通量变化的磁场，结果在磁性材料内部产生了抑制磁化强度变化的倾向。因此磁性导体内的实际磁场(或磁感应强度)总是滞后于外磁场，这就是涡流对磁化的滞后效应。Northeastern

University材料概论： 第5讲 材料的性能检测5.2磁学性能及测试方法5.4磁后效除了涡流引起的延迟现象以外，通常将磁感应强度(或磁化强度)随磁场变化而滞后变化的延迟现象称为磁后效现象。永磁体的剩余磁化强度及磁芯材料的导磁率随时间逐渐减弱(老化)的现象是一种广义的磁后效。磁后效的机制有扩散磁后效、热涨落磁后效、减落现象等。Northeastern

University材料概论： 第5讲 材料的性能检测5.2磁学性能及测试方法5.5高频损耗从千赫到兆赫波段的磁芯材料的高频损耗可表示为磁滞损耗角为涡流损耗角为剩余损耗角为Northeastern

University材料概论： 第5讲 材料的性能检测5.2磁学性能及测试方法5.6动态磁性测量利用电子积分器将样品次级线圈的感应电动势积分，经过各种模拟运算后记录软磁材料音频磁特性如磁滞回线、磁化曲线、磁导率曲线、交直流叠加磁化、交流损耗曲线等。自动测量交流磁滞曲线时，样品做成环形，并绕有初级和次级线圈。前者由音频电源供电，电源的输出功率和频率均可调。后者的检出经比例器后至积分器进行积分运算，得到与磁感应强度B成正比的电压值。用控制器来控制积分器，释放积分电容上的积累电荷以确保积分精度。用采样变换器来变换与B、H成正比的电压的周期以便于记录。Northeastern

University材料概论： 第5讲 材料的性能检测交流磁化曲线（

Bm-Hm

）的自动测量原理是从串联于初级回线中的电阻上读出与磁化场成正比的电压，经比例器后送人峰值整流器，共输出电压对电容充电进行保持，从而得到与H

的峰值Hm

成正比的电压值。从探测线圈产生的感应电动势经积分后至比例器后送人峰值整流器，而得到与B

成正比的电压值。交流磁导率曲线的测量只要在磁化曲线（μm-Hm

）测量的基础上加一除法器将Bm

和Hm

做除法运算即得与μm

成正比的电压。5.2磁学性能及测试方法Northeastern

University材料概论： 第5讲 材料的性能检测5.2磁学性能及测试方法6自旋共振对于具有自旋的体系，在外加静磁场上叠加一弱电磁场（如微波），则在输出的微波中某些频率的电磁场强度比其他频率的小得多，在不加外静磁场时则无此现象。这表明外加磁场在自旋体系内引起了一种特殊的过程，称之为磁共振吸收现象。磁共振现象不仅在具有电子自旋的磁性体中发生，而且在具有核自旋的物

质中也会发生。不仅在顺磁体中，而且在铁磁体、反铁磁体和亚铁磁体中发生。Northeastern

University材料概论： 第5讲 材料的性能检测5.2磁学性能及测试方法6.1顺磁共振在顺磁体中发生的磁共振现象称为顺磁共振。通常以最常用的X频率(9-l0GHz，波长约3cm)为中心，自几百兆赫(波长约1m)到几十万兆赫(波长几毫米)。测试方法包括反射型谐振腔的纯电桥法、微波电路法、透过式测试法等。从电磁学观点，测量磁共振相当于测量交流磁化率的实部和虚部，它们不是彼此独立的，有如下关系Northeastern

University材料概论： 第5讲 材料的性能检测5.2磁学性能及测试方法6.2铁磁共振和顺磁共振类似，在铁磁性材料中也存在铁磁共振现象。铁磁体的磁化强度M在均匀磁场中以磁场方向为轴作拉莫旋进。对于均匀各向同性的无穷大样品同时加外加稳幅磁场(使样品磁化)和微波磁化时，其交变磁化强度为张量磁化率Northeastern

University材料概论： 第5讲 材料的性能检测5.2磁学性能及测试方法6.3亚铁磁共振亚铁磁体具有两个以上的亚晶格结构，可以有共线、非共线的亚铁磁性。如果不考虑磁晶各向异性和样品形状的影响。则自由能可写成可求得共线自旋组态的平衡条件。对于有磁晶各向异性时，情况将变得更为复杂，在无磁场时就可以存在非共线的平衡态。Northeastern

University材料概论： 第5讲 材料的性能检测虑5.2磁学性能及测试方法6.4反铁磁共振反铁磁体的磁性亚格子的磁化强度运动仍遵从朗道-栗弗席茨运动方程。为简单起见，仅考 态的情况，可求出本征进动的圆频率反铁磁共振线宽在强迫进动共振条件下，有Northeastern

University材料概论： 第5讲 材料的性能检测5.2磁学性能及测试方法6.5核磁共振原于核由质子和中子构成。质子和中子都有自旋的本征角动量，再加上与这些粒子轨道运动有关的角动量构成原子核的核自旋角动量。核磁共振的测量入法可分为稳定法、自旋回波法两种。稳定法的特点是：在改变磁场时进行低频磁场调制、在改变频率时进行低频频率调制。在调制过程中测量对应于调制部分的核磁共振微分信号。主要有电桥法、临界振荡器法。自旋回波法是利用核自旋运动的力学性质的微妙方法。在t=0、t=τ时加高频脉冲磁场，则在t=2τ以后，由于核自旋在某种程度上重新整齐排列而能观察到回波电信号。Northeastern

University材料概论： 第5讲 材料的性能检测5.2磁学性能及测试方法7电磁特性若对通电流的物质施加磁场，就会使该物质的电位差发生变化，还会产生温度梯度，其电阻率也会发生改变，称为磁场电效应。磁场电效应包括各类磁阻效应、霍尔效应、磁场热效应等。磁性物质受电场作用产生与电场成正比的磁化强度现象或受磁场作用产生与磁场成正比的电极化强度的现象为磁电效应，其逆效应为压磁效应。通常把依赖于磁场H

的磁场电效应称为正常效应，依赖于磁性物质的磁化强度的效应称为反常效应。Northeastern

University材料概论： 第5讲 材料的性能检测5.2磁学性能及测试方法7.1磁阻效应对通电流的物质施加磁场改变物质在一定温度下的电阻率值称为磁电阻效应。磁阻效应包括正常磁阻效应、各向异性磁阻效应、巨磁电阻效应、庞磁电阻效应、隧穿电阻效应等。根据磁场作用下电阻的变化情况，磁电阻效应分为正磁电阻效应和负磁电阻效应两种类型。传统意义上的磁电阻效应一般是指正常磁电阻效应和各向异性磁电阻效应。正常磁电阻效应是指在非磁性金属中，电子在磁场中运动时受到洛仑兹力的作用，产生回旋运动，从而增加了电子受散射的几率，导致电阻上升。各向异性磁电阻效应是指在铁磁金属和合金中，磁场方向与电流方向平行时产生的电阻率和磁场方向与电流方向垂直的电阻率不一致造成的效应。Northeastern

University材料概论： 第5讲 材料的性能检测5.2磁学性能及测试方法7.2霍尔效应当电荷载流子电子或空穴在磁场作用下受到洛仑兹力，并在附加产生的电场作用下，达到平衡分布时将出现电位差，为磁场对于电流的一次效应，称为霍尔效应。霍尔效应是磁场电效应的一种，其磁场、电流和霍尔电压三者的方向是相互垂直的，一般以磁场的奇函数描述。霍尔效应有正常霍尔效应、反常霍尔效应、量子霍尔效应、分数量子霍尔效应等几种类型。Northeastern

University材料概论： 第5讲 材料的性能检测5.2磁学性能及测试方法7.3磁电效应及压磁