振动样品磁强计(VSM)原理

振动样品磁强计测量内禀磁特性

实验7.2振动样品磁强计测量内禀磁特性 引言 1959年美国的Ｓ．Ｆｏｎｅｒ在前人的研究基础上制成实用的振动样品磁强计（简记为ＶＳＭ）。由于其具有很多优异特性而被磁学研究者们广泛采用，并又经许多人的改进，使ＶＳＭ成为检测物质内禀磁特性的标准通用设备。所谓“内禀”磁特性，主要是指物质的磁化强度而言，即体积磁化强度Ｍ——单位体积内的磁矩，和质量磁化强度σ——单位质量的磁矩。设被测样品的体积为Ｖ（或质量为ｍ），由于样品很小，如直径１ｍｍ的小球，当被磁化后，在远处，可将其视为磁偶极子：如将样品按一定方式振动，就等同于磁偶极场在振动。于是，放置在样品附近的检测线圈内就有磁通量的变化，产生感生电压。将此电压放大变成直流并加以记录，再通过电压磁矩的已知关系，即可求出被测样品的Ｍ或σ。 实验目的 掌握ＶＳＭ工作原理；利用实验室提供的设备，具体测量实际材料的Ｍ或σ值。 实验原理 如图7.4-1所示，体积为Ｖ、磁化强度为Ｍ的样品Ｓ沿Ｚ轴方向振动。在其附近放一个轴线和Ｚ轴平行的多匝线圈Ｌ，在Ｌ内的第ｎ匝内取面积元ｄＳn，其与坐标原点的矢径为ｒｎ，磁场沿Ｘ方向施加。由于Ｓ的尺度与ｒｎ相比非常小，故Ｓ在空间的场可表为偶极场形式： （7.4-1） 注意到Ｍ值有Ｘ分量，则可得到检测线圈Ｌ内第ｎ匝中ｄＳn面积元的磁通为 （7.4-2）

其中μ0为真空磁导率。而第ｎ匝内的总磁通则为 整个Ｌ的总磁通则为 （7.4-3）其中，Ｘn为ｒn的Ｘ轴分量，不随时间而变；Ｚn为ｒn的Ｚ轴分量，是时间的函数。为方便计，现认为Ｓ不动而Ｌ以Ｓ原有的方式振动，此时可有 ， 为第ｎ匝的坐标，ａ为Ｌ的振幅。由此可得到检测线圈内的感应电压为 （7.4-4）显然，精确求解上式是困难的，但从该方程却能得到一些有意义的定性结论，那就是：检测线圈中的感应电压幅值正比于被测样品的总磁矩Ｊ＝ＭＶ（或Ｊ＝σｍ），且和检测线圈的结构、振动频率和振幅有关。如果将（7.4-4）式中的Ｋ保持不变，则感应信号仅和样品总磁矩成正比。预先标定感应信号与磁矩的关系后，就可根据测定的感应信号的大小而推知被测磁矩值，因此，在测出样品的质量和密度后，即可计算出被测样品的磁化强度Ｍ、　σ。Ｍ＝ρσ，ρ为材料的密度。 振动样品磁强计主要工作原理如下：信号发生器产生的功率信号加到振动子上，使振动子驱动振动杆作周期性运动，

振动样品磁强计(VSM)实验

振动样品磁强计（VSM）实验 一、实验目的 掌握用振动样品磁强计测量材料的磁性质的原理与方法。 二、实验原理 本实验采用Lake Shore振动样品磁强计(Vibrating sample magnetometer 7407)，磁场线圈由扫描电源激磁，产生Hmax＝±21000Оe的磁化场，其扫描速度和幅度均可自由调节。检测线圈采用全封闭型四线圈无净差式，具有较强的抑制噪音能力和大的有效输出信号，保证了整机的高分辨性能。 振动样品磁强计是一种常用的磁性测量装置。利用它可以直接测量磁性材料的磁化强度随温度变化曲线、磁化曲线和磁滞回线，能给出磁性的相关参数诸如矫顽力H c，饱和磁化强度M s，和剩磁M r等。还可以得到磁性多层膜有关层间耦合的信息。图1是VSM的结构简图。它由直流线绕磁铁，振动系统和检测系 其测量原理如下: 装在振动杆上的样品位于磁极中央感应线圈中心连线处，位于外加均匀磁场中的小样品在外磁场中被均匀磁化，小样品可等效为一个磁偶极子。其磁化方向平行于原磁场方向，并将在周围空间产生磁场。在驱动线圈的作用下，小样品围绕其平衡位置作频率为ω的简谐振动而形成一个振动偶极子。振动的偶极子产生的交变磁场导致了穿过探测线圈中产生交变的磁通量，从而产生感生电动势ε，其大小正比于样品的总磁矩μ：

ε = K μ 其中K 为与线圈结构， 振动频率， 振幅和相对位置有关的比例系数。当它们固定后， K 为常数，可用标准样品标定。因此由感生电动势的大小可得出样品的总磁矩，再除以样品的体积即可得到磁化强度。因此，记录下磁场和总磁矩的关系后，即可得到被测样品的磁化曲线和磁滞回线。 在感应线圈的范围内，小样品垂直磁场方向振动。根据法拉第电磁感应定律，通过线圈的总磁通为： t BM AH ωsin +=Φ 此处A 和B 是感应线圈相关的几何因子，M 是样品的磁化强度，ω是振动频率，H 是电磁铁产生的直流磁场。线圈中产生的感应电动势为： ()t KM dt d t E ωcos =Φ= 式中K 为常数，一般用已知磁化强度的标准样品（如Ni ）定出。 但是只有在可以忽略样品的“退磁场”情况下，利用VSM 测得的回线，方能代表材料的真实特征，否则，必须对磁场进行修正后所得到的回线形状，才能表示材料的真实特征。所谓“退磁场”，可作如下的理解：当样品被磁化后，其M 将在样品两端产生“磁荷”，此“磁荷对”将产生与磁化场相反方向的磁场，从而减弱了外加磁化场H 的磁化作用，故称为退磁场。可将退磁场H d 表示为H d =－NM ，称N 为“退磁因子”，取决样品的形状，一般来说非常复杂，甚至其为张量形式，只有旋转椭球体，方能计算出三个方向的具体数值；磁性测量中，通常样品均制成旋转椭球体的几种退化形：圆球形、细线形、薄膜形，此时，这些样品的特定方向的Ｎ是定值，如细线形时，沿细线的轴线Ｎ＝0，薄膜形时，沿膜面Ｎ＝0，而球形时 。 三、实验仪器的组成 除了上面提到的VSM 系统所需要的电磁铁、振动系统、检测系统之外，实际的振动样品磁强计通常还包括锁相放大器、特斯拉计，分别用于小信号的检测以及磁场的检测，同时还包括计算机系统。 1．电磁铁

振动样品磁强计-实验报告

固体物理学实验报告 振动样品磁强计 一．实验目的 1、掌握振动样品磁强计的基本原理、结构，了解其使用方法； 2、掌握磁性样品的起始磁化曲线和磁滞回线的测量，了解由此分析材料磁性参数的方法。 二．VSM工作原理 2.1 VSM设备种类介绍 振动样品磁强计主要由电磁铁系统、样品强迫震动系统和信号检测系统组成。根据驱动样品振动的方式不同，振动样品磁强计可分为机械式驱动式(静电驱动式(图1a)、(图1b)和电磁驱动式(图1c)和等多种。 图1 (a)静电驱动式；(b)机械驱动式；(c)电磁驱动式 2.2 VSM工作原理 振动样品磁强计的工作原理的物理本质是电磁感应，通过小尺寸样品在均匀磁场中振动，利用邻近线圈中的感生电动势进行磁化强度测量的非积分式感应法系统，是磁性测量技术中的主要设备之一。 测量线圈中的感应信号，来源于被磁化的振动样品在周围产生的周期性变化磁场。若把小样品近似看作磁偶极子，则测量线圈中感应电动势是具有基波和各级谐波成份的频谱信号。通过理论推导可知，在由基波线圈几何因子所确定的位置和线圈长度范围内，二次谐波在串联反接的线圈对中的感应电动势等于零。又

由于样品振幅很小（约0.1 mm ）,其它高次谐波的作用可忽略不计。因此，振动 样品磁强计中只需要考虑基波成份。这样，可得振动样品磁强计的测量方程为： x m V kM = 其中，Vx 为线圈输出电压的有效值；M m 为样品的磁矩；k 为振动样品磁强 计的灵敏度，可由比较法测定，又叫振动样品磁强计的校准或定标。比较法是用 饱和磁化强度 σs0已知的标准样品进行比较测定k 。若标准样品的质量为mS0 ， 装入磁强计中的振动输出信号为00s s s V km =σ，则00s s V k=s m σ。校准后，将质量为 mX 的被测样品替换标准样品。在振动输出为V x 时，样品的比磁化强度为： 00s x x x s V =V km m V s x m =σσ 在测量线圈横截面内磁场平均值可用中心点磁场表示的近似下，线圈的直径 要非常小，如内径不超过 5 mm 。两个测量线圈的总匝数必须一样，约为1000 匝。考虑到线圈中的感应电动势在样品所处的磁场中心位置附近有个非敏感区 （鞍点区），线圈与样品的距离也要满足一定条件。减小线圈间的距离可使测量 线圈的输出信号增大，但鞍点区将缩小。如果采用四线圈制探测时鞍点区比双线 圈大些，但灵敏度会降低。 振动样品磁强计的测量方法有两种：绝对法和差值法。绝对法是根据测量方 程由电压V x 直接测量样品的比磁化强度或磁矩的方法。这种方法容易受系统的 机械稳定性、振源频率稳定性、反馈电路的稳定性和放大器的线性度的影响。差 值法在磁强计振动杆中部装一个磁矩已知的基准样品，并在样品两侧对称安装 一对串联反接的基准线圈，用以产生基准信号与测量信号进行差值比较，就可消 除共有的干扰信号。这种方法可以避免频率和振幅波动引入测量误差。由于振动 样品磁强计测得的是相对信号而不是绝对信号，所以每次使用前必须对仪器进行 定标。通过对标准样品的测量得到比例系数，从而才能确定待测样品的磁学参数。 2.3 VSM 应用范围 适用于各种磁性材料：磁性粉末、超导材料、磁性薄膜、各向异性材料、磁 记录材料、块状、单晶和液体等材料的测量。可完成磁滞回线、起始磁化曲线、 退磁曲线及温度特性曲线、IRM 和DCD 曲线的测量，具有测量简单、快速和界面

实验三 磁性材料的VSM测量

实验三、磁性材料的VSM 测量 一、实验目的 1．了解VSM 仪器的测量原理。 2．了解VSM 的操作要领和注意事项。 3．了解样品磁性测量的方法。 二、实验设备 天平、VSM 等。 三、原理说明 VSM 系统的主体部件是由直流线绕磁铁、振动器和感应线圈组成。装在振动杆上的样品位于磁极中央感应线圈中心连线处，在感应线圈的范围内垂直磁场方向振动。图1是VSM 的结构简图，图2是VSM 的实物图。振动样品磁强计的原理就是将一个小尺度的被磁化了的样品视为磁偶极子并使其在原点附近作等幅振动，利用电子放大系统，将处于上述偶极场中的检测线圈中的感生电压进行放大检测，再根据已知的放大后的电压和磁矩关系求出被测磁矩。 图2 VSM 实物图 设磁化场沿x 轴向，而样品S 沿z 向作等幅振动。在磁铁极头端面处对称放置匝数为N 、截面为S 的检测线圈，其对称轴垂直于z 轴。则可得到穿过第n 匝内dsn 面积元的磁通为： 5n n n n n z r 4Z MX 3ds )r (H d π= =φ 而n n φ∑=φ，由此可得出检测线圈内的总感生电压为： n 7n n 2 n n n 0ds r )z 5r (X ∑t ωcos ωa π4M 3dt φd )t (ε∫== 其中a 0为样品的振幅，ω为振动频率。从方程可以得到，检测线圈中的感生电势正比于样品总磁矩M 及其振动频率ω和振幅a 0，同时和线圈的匝数、大小形状及线圈和样品间的距离有

关。因此，将线圈的几何因素及与样品的间距固定，样品的振幅和频率也固定，则感生电压仅和样品的总磁矩成正比。经过定标以后，就可根据感生电压的大小推知样品的总磁矩：将该磁矩除以样品体积或质量，就可得出该样品的单位质量或单位体积的磁矩。如果将高斯计的输出信号和感生电压分别输入到X-Y记录仪的两个输入端，就可以得到样品的磁滞回线。 四、实验步骤 1.开机预热30分钟 ①打开电源，打开电脑，启动VSM软件。 ②观察了解仪器的结构。 ③学习仪器的原理和测量方法。 2.仪器校准 ①取下样品，磁矩调零。 ②磁场对中，使得正向加磁场的剩磁约80 Oe，反向磁场的剩磁约-80 Oe。 ③用已知质量、磁矩的纯镍球定标。 3.样品测量 ①增加磁场，将待测样品反复磁化多次。 ②将样品固定到样品杆，粗测磁矩。 ③确定所用磁场大小、磁矩量程。 ④测量样品的磁滞回线。 4.根据测量结果，绘出样品的磁滞回线，由此确定样品饱和磁化强度、矫顽力等参数。 五、思考题 1．VSM如何实现磁矩测量的？ 2. 正是测试前磁矩是如何定标的？ 3．为何要进行磁场零点调节？如果不调零，对测量结果有何影响？

振动样品磁强计测量内禀磁特性

振动样品磁强计测量内禀磁特性 一、引言 1959年美国的Ｓ．Ｆｏｎｅｒ在前人的研究基础上制成实用的振动样品磁强计（简记为ＶＳＭ）。由于其具有很多优异特性而被磁学研究者们广泛采用，并又经许多人的改进，使ＶＳＭ成为检测物质内禀磁特性的标准通用设备。所谓“内禀”磁特性，主要是指物质的磁化强度而言，即体积磁化强度Ｍ——单位体积内的磁矩，和质量磁化强度σ——单位质量的磁矩。设被测样品的体积为Ｖ（或质量为ｍ），由于样品很小，如直径１ｍｍ的小球，当被磁化后，在远处，可将其视为磁偶极子：如将样品按一定方式振动，就等同于磁偶极场在振动。于是，放置在样品附近的检测线圈内就有磁通量的变化，产生感生电压。将此电压放大变成直流并加以记录，再通过电压磁矩的已知关系，即可求出被测样品的Ｍ或σ。 二、实验目的 掌握ＶＳＭ工作原理；利用实验室提供的设备，具体测量实际材料的Ｍ或σ值。 三、实验原理 如图7.4-1所示，体积为Ｖ、磁 化强度为Ｍ的样品Ｓ沿Ｚ轴方向振 动。在其附近放一个轴线和Ｚ轴平 行的多匝线圈Ｌ，在Ｌ内的第ｎ匝 内取面积元ｄＳn ，其与坐标原点的 矢径为ｒｎ，磁场沿Ｘ方向施加。由 于Ｓ的尺度与ｒｎ相比非常小，故Ｓ 在空间的场可表为偶极场形式： （7.4-1） 注意到Ｍ 值有Ｘ分量，则可得到检测线圈Ｌ内第ｎ匝中ｄＳ

n 面积元的磁通为 n n n n n z n dS r V Z MX dS H d 50043πμμφ== （7.4-2） 其中μ0为真空磁导率。而第ｎ匝内的总磁通则为 ??==n n n n n n dS r V Z MX d 5043πμφφ 整个Ｌ的总磁通则为 n n n n n n n dS r V Z MX ∑∑?==5043πμφφ （7.4-3） 其中，Ｘn 为ｒn 的Ｘ轴分量，不随时间而变；Ｚn 为ｒn 的Ｚ轴分量，是时间的函数。为方便计，现认为Ｓ不动而Ｌ以Ｓ 原有的方式振动，此时可有，为第ｎ匝的坐标，ａ为Ｌ的振幅。由此可得到检测线圈内的感应电压为 t dS r Z r X MV dt d t n n n n n n ωπμφεαωcos )5(43)(7220??????--=-=∑? t KJ t KMT ωωcos cos == （7.4-4） 显然，精确求解上式是困难的，但从该方程却能得到一些有意义的定性结论，那就是：检测线圈中的感应电压幅值正比于被测样品的总磁矩Ｊ＝ＭＶ（或Ｊ＝σｍ），且和检测线圈的结构、振动频率和振幅有关。如果将（7.4-4）式中的Ｋ保持不变，则感应信号仅和样品总磁矩成正比。预先标定感应信号与磁矩的关系后，就可根据测定的感应信号的大小而推知被测磁矩值，因此，在测出样品的质量和密度后，即可计算出被测样品的磁化强度Ｍ、 σ。Ｍ＝ρσ，ρ为材料的密度。 振动样品磁强计主要工作原理如下：信号发生器产生的功率信号加到振动子上，使振动子驱动振动杆作周期性运动，

(参考资料)振动样品磁强计(VSM)原理

振动样品磁强计(VSM)原理 The Principle of Vibrating Sample Magnetometer

1、振动样品磁强计介绍 振动样品磁强计一种是灵敏度高、应用最广的磁性测量仪器。 基本原理：振动样品磁强计采用尺寸较小的样品。由于体积很小，样品在被磁场磁化后，在远处可以近似的看做一个磁偶极子。如样品按一定方式振动，就等同于磁偶极场在振动。于是，放置在样品附近的检测线圈内就有磁通量的变化，产生正比于磁化强度的感应电动势。

2、振动样品磁强计结构原理图

3、VSM 检测原理 如图所示，体积为Ｖ、磁化强度为Ｍ的样品Ｓ沿Ｚ轴方向振动。在其附近放一个轴线和Ｚ轴平行的多匝线圈Ｌ，在Ｌ内的第ｎ匝内取面积元dS n ，其与坐标原点的矢径为r n ，磁场 沿Ｘ方向施加。 由于Ｓ的尺度与r n 相比非常小，故Ｓ在空间的场可表为偶极场形式： ]r )r M (3M [4)r (5 3n n n n n r r V H ??--= （3-1）

由于M 只有x 方向分量，所以：5 43n n n Z r r VMx H π?=（3-3） k z j y i x r n n n n ++=（3-2）dS n 面积元的磁通量： 线圈L 的总磁通量： n n n n Z n dS r V z Mx dS H d 50043πμμφ==（3-4） ∑?∑?∑===n n n n n n n n dS r V z Mx d 5 043πμφφφ（3-5） 其中， ]r )r M (3M [4)r (5 3n n n n n r r V H ??--=π（3-1）

振动样品磁强计(VSM)实验报告

振动样品磁强计(VSM)实验报告 实验目的： 1、掌握振动样品磁强计的基本原理、结构，了解其使用方法 2、掌握磁性样品的起始磁化曲线和磁滞回线的测量，了解由此分析材料磁性参数的方法 仪器工作原理： 如果将一个开路磁体置于磁场中，则此样品外一定距离的探测线圈感应到的磁通可被视作外磁化场及由该样品带来的扰动之和。多数情况下测量者更关心的是这个扰动量。例如，可以让被测样品以一定方式振动，探测线圈感应到的样品磁通信号因此不断快速的交变，保持环境磁场等其他量不做任何变化，即可实现这一目的，这是一种用交流信号完成对磁性材料直流磁特性测量的方法。 振动样品磁强计（Vibrating Sample Magnetometer）是基于电磁感应原理制成的仪器。VSM是一种高灵敏度的磁矩测量仪器，测量在一组探测线圈中心以固定频率和振幅作微振动的样品的磁矩。采用尺寸较小的样品，它在磁场中被磁化后可近似看作一个磁矩为m的磁偶极子，使样品在某一方向做小幅振动，用一组互相串联反接的探测线圈在样品周围感应这磁偶极子场的变化，可以得到探测线圈的感应电动势直接正比于样品的磁化强度。用锁相放大器测量这一电压，即可计算出待测样品的磁矩。 由于测量线圈中的感应信号来源于被磁化的振动样品在周围产生的周期性变化磁场，那么位于坐标原点O的磁偶极子在空间任意一点P产生的磁场可表示为： H r=?1 4π(M m r3 ?3 M m?r r5 r) (1) 式中r=xi +yj+zk，其中i、j、k分别为x，y，z的单位矢量。若在距偶极子处的P点放置一匝面积为S的小测量线圈，则通过线圈的磁通量为： ?=B?dS=μ0H(r)?dS S S (2) 若偶极子沿着z轴做αe jωt简谐振动时，（a是振幅，ω为振动角频率），有r=xi+yj+(z+αe jωt)k (3) 则偶极子磁场在N匝线圈中激起的感应电动势为：

振动样品磁强计

振动样品磁强计（Vibrating sample magnetometer，VSM）是一种常用的磁性测量装置。利用它可以直接测量磁性材料的磁化强度随温度变化曲线、磁化曲线和磁滞回线, 测量原理 装在振动杆上的样品位于磁极中央感应线圈中心连线处，位于外加均匀磁场中的小样品在外磁场中被均匀磁化，小样品在远处可等效为一个磁偶极子。其磁化方向平行于原磁场方向，并将在周围空间产生磁场。在驱动线圈的作用下,小样品围绕其平衡位置作频率为ω的简谐振动而形成一个振动偶极子。振动的偶极子产生的交变磁场导致了穿过探测线圈中产生交变的磁通量, 从而产生感生电动势ε由感生电动势的大小可得出样品的总磁矩，再除以样品的体积即可得到磁化强度。因此，记录下磁场和总磁矩的关系后，即可得到被测样品的磁化曲线和磁滞回线。 实验仪器的组成 1．电磁铁 提供均匀磁场，并决定样品的磁化程度，即磁矩的大小。需要测量的也是样品在 不同外加均匀磁场的磁矩大小。 2．振动系统 小样品置放于样品杆上，在驱动源的作用下可以作Z方向（垂直方向）的固定频 率的小幅度振动，以此在空间形成振动磁偶极子，产生的交变磁场在检测线圈中 产生感生电动势。 3．探测线圈

探测i、j、k分量的磁通 4．锁相放大器 小样品的磁性是非常微弱的，在检测线圈中产生的交变磁场产生的感应电动势也是非常微弱，一般为10-6~10-4伏。与外部空间的干扰信号——噪声——可以比拟甚至更小。这么微弱的信号要能够从噪声中有效地采集出来，目前对这种小讯号的测量最好的方法是采用锁相放大器，锁相放大器是成品仪器，它能在很大噪音讯号下检测出微弱信号来 特斯拉计 特斯拉计的原理是采用霍尔探头来测量磁场。 H(oe) 剩磁比为0.24 下周自己做实验将VSM 和MOKE测量的实验结果进行对比，说出二者之间的差异

07.02 振动样品磁强计测量内禀磁特性

振动样品磁强计测量内禀磁特性1. 实验目的 (1) 掌握VSM工作原理； (2) 利用实验室提供的设备，具体测量实际材料的M或值。 2. 实验原理 2.1 振动样品磁强计磁性检测原理 如图1所示，体积为V、磁化强度为M的样品 S沿Z轴方向振动。在其附近放一个轴线和Z轴平 行的多匝线圈L，在L内的第n 匝内取面积元， 其与坐标原点的矢径为，磁场沿M方向施加。由 于M的尺度与相比非常小，故S 在空间的场可表 为偶极场形式： (1) 注意到M值有X 分量，则可得到检测线圈L内第n 匝中面积元的磁通为 (2) 其中为真空磁导率。而第n 匝内的总磁通则为 整个L的总磁通则为 (3) 其中，为的X轴分量，不随时间而变；为的Z轴分量，是时间的函数。为方便计， 现认为S 不动而L以S原有的方式振动，此时可有，为第n匝的坐标，a 为L的振幅。由此可得到检测线圈内的感应电压为 (4) 显然，精确求解上式是困难的，但从该方程却能得到一些有意义的定性结论，那就是： 检测线圈中的感应电压幅值正比于被测样品的总磁矩J=MV （或J=m），且和检测线圈的结 构、振动频率和振幅有关。如果将(4)式中的K保持不变，则感应信号仅和样品总磁矩成正 比。预先标定感应信号与磁矩的关系后，就可根据测定的感应信号的大小而推知被测磁矩值， 因此，在测出样品的质量和密度后，即可计算出被测样品的磁化强度。，为材 料的密度。 2.2 振动样品磁强计工作原理 信号发生器产生的功率信号加到振动子上，使振动子驱动振动杆作周期性运动从而带动 图1 振动样品磁强计磁性检测原理

粘附在振杆下端的样品作同频同相位振动，扫描电源供电磁铁产生可变磁化外场H而使样品磁化，从而在检测线圈中产生感应信号，此信号经放大并检测后，馈给X-Y记录仪的Y轴。而测量磁场用的毫特斯拉计的输出则馈给记录仪X轴。这样，当扫描电源变化一个周期后，记录仪将描出J-H回线。J的大小，又必须由已知磁矩的标准样品定标后求得。如已知Ni 标样的质量磁矩为 ，质量为，其。用Ni标样取代被测样品，在完全相同的条 件下加磁场使Ni饱和磁化后测得Y轴偏转 为，则单位偏转所对应的磁矩数应为 ，再由样品的J-H回线上量得 样品某磁场下的Y轴高度，则被测样品 在该磁场下的磁化强度应为 (5) 被测样品的质量磁化强度为 (6) 其中为样品密度，为样品的质量。这样，我们即可根据实测的J-H回线推算出被测样品材料的M-H回线，所要注意的是，这里的H为外磁场。也就是说，只有在可以忽略样品的“退磁场”情况下，利用VSM测得的回线，方能代表材料的真实特征，否则，必须对磁场进行修正后所得到的回线形状，才能表示材料的真实特征。所谓“退磁场”，可作如下的理解：当样品被磁化后，其Ｍ将在样品两端产生“磁荷”，此“磁荷对”将产生与磁化场相反 方向的磁场，从而减弱了外加磁化场Ｈ的磁化作用，故称为退磁场。可将退磁场表示为，称N为“退磁因子”，取决样品的形状，一般来说非常复杂，甚至其为张量形式， 只有旋转椭球体，方能计算出三个方向的具体数值；磁性测量中，通常样品均制成旋转椭球体的几种退化形：圆球形、细线形、薄膜形，此时，这些样品的特定方向的Ｎ是定值，如球 形时，沿细线的轴线N=0，沿膜面N=0等。 通常，检测线圈都经过仔细调整，成对地配置在样品两侧，并按一定的绕向和联接方式组成线圈对，使外界杂散信号尽可能互相抵消，而被测样品所产生的信号则相互加强，从而提高检测系统的灵敏度和信噪比。 3. 实验描述 3.1 实验仪器 实验采用振动样品磁强计测量样品的内禀磁特性。 3.2 实验内容 (1) 依次打开仪器电源； 图2 振动样品磁强计结构原理图

振动样品磁强计(VSM)实验

振动样品磁强计（VSM ）实验 一、实验目的 掌握用振动样品磁强计测量材料的磁性质的原理与方法。 二、实验原理 本实验采用Lake Shore 振动样品磁强计（Vibrating sample magnetometer 7407），磁场线圈由扫描电源激磁，产生Hmax =±21000 O e 的磁化场，其扫描速度和幅度均可自由调节。检测线圈采用全封闭型四线圈无净差式，具有较强的抑制噪音能力和大的有效输出信号，保证了整机的高分辨性能。 振动样品磁强计是一种常用的磁性测量装置。利用它可以直接测量磁性材料 的磁化强度随温度变化曲线、磁化曲线和磁滞回线，能给出磁性的相关参数诸如矫顽力H e,饱和磁化强度M s,和剩磁M r等。还可以得到磁性多层膜有关层间耦合的信息。图1是VSM的结构简图。它由直流线绕磁铁，振动系统和检测 系统（感应线圈）组成。 振动头az 图1振动样品磁强计结构简图 其测量原理如下： 装在振动杆上的样品位于磁极中央感应线圈中心连线处，位于外加均匀磁场

中的小样品在外磁场中被均匀磁化，小样品可等效为一个磁偶极子。其磁化方向平行于原磁场方向，并将在周围空间产生磁场。在驱动线圈的作用下，小样品围绕其平衡位置作频率为的简谐振动而形成一个振动偶极子。振动的偶极子产生的交变磁场导致了穿过探测线圈中产生交变的磁通量，从而产生感生电动势， 其大小正比于样品的总磁矩： =K 其中K为与线圈结构，振动频率，振幅和相对位置有关的比例系数。当它们固定后，K为常数，可用标准样品标定。因此由感生电动势的大小可得出样品的总磁矩，再除以样品的体积即可得到磁化强度。因此，记录下磁场和总磁矩的关系后，即可得到被测样品的磁化曲线和磁滞回线。 在感应线圈的范围内，小样品垂直磁场方向振动。根据法拉第电磁感应定律， 通过线圈的总磁通为： AH BM sin t 此处A和B是感应线圈相关的几何因子，M是样品的磁化强度，是振动频率， H是电磁铁产生的直流磁场。线圈中产生的感应电动势为： pl E t ——KM cos t dt 式中K为常数，一般用已知磁化强度的标准样品（如Ni）定出。 但是只有在可以忽略样品的退磁场”情况下，利用VSM测得的回线，方能代表材料的真实特征，否则，必须对磁场进行修正后所得到的回线形状，才能表示材料的真实特征。所谓退磁场”可作如下的理解：当样品被磁化后，其M 将在样品两端产生磁荷”此磁荷对”将产生与磁化场相反方向的磁场，从而减弱了外加磁化场H的磁化作用，故称为退磁场。可将退磁

实验讲义-用振动样品磁强计测量磁性测量磁性能

实验讲义 用振动样品磁强计测量铁氧体永磁磁性能 吉林大学物理实验中心

第一节 预备知识 一 物质磁性 磁性是在自然界所有物质中广泛存在的一种物理性质。任何物质放在磁场H 中，都会或多或少地被磁化。通常用磁极化强度J 或磁化强度M （J 、M 为单位体积内的磁矩，M J 0μ=）表示磁化状态，即磁化的方向和磁化程度的大小。H M χ=，χ为磁化率。磁感应强度H J B 0μ+=或)(0H M B +=μ。依据χ的正负和大小，物质磁性体可以分为抗磁性，顺磁性，铁磁性，反铁磁性，亚铁磁性和磁性玻璃等。 1.抗磁性 抗磁性物质没有固有的原子磁矩，磁矩是被磁场感应出来的，所以磁矩方向与磁场方向相反，即磁化率χ是负的。抗磁性物质磁化率χ的数值很小，约为10-6。在一般实验室条件下，χ与H 和温度T 无关。在超导体内，0)(0=+=M H B μ，因此1-=χ。这个现 象称为Meissner 效应。 2．顺磁性 顺磁性物质中原子或离子具有固有磁矩，磁矩间相互作用很弱，没有外磁场时，磁矩在热扰动作用下混乱排列，宏观磁化强度为零。在磁场中，磁矩受到力矩的作用向磁场方向转动，在磁场方向显现出宏观的磁化强度，所以顺磁性磁化率为正。然而由于磁矩在外磁场中 的位能远比热能小，磁化很弱，χ大小约为56 10~10--。在一般实验室的磁场中，χ与H 无关，但与温度满足Curie 定律T C =χ 或Curie-Weiss 定律C T C θχ-=，C 和C θ分别为 Curie 常数和顺磁Curie 温度。 3. 铁磁性 铁磁性物质具有固有磁矩，并且磁矩之间存在较强的相互作用，虽然不存在外磁场，所 有的磁矩也都沿着同一方向排列，形成自发磁化。为了降低退磁场能，铁磁体内部分成多个磁畴。在磁畴内，所有磁矩平行排列，自发磁化到饱和值s J 。不同磁畴的磁化方向不同，没有磁化的样品总体磁化强度为零。磁畴之间存在畴壁，在畴壁内沿着厚度方向磁矩从一个磁畴的磁化方向逐步过渡到近邻磁畴的磁化方向。铁磁体的磁化主要是通过畴壁位移和磁矩转动两个过程进行。 铁磁性的磁化率χ大的多，约为7 10~10。χ对H 和T 的依赖关系很复杂，一般用J (或M 、B )与H 的关系 )(H J （或)(H M 、)(H B )描写其磁性。 由图1可以看出，J 不是H 的单值函数，而是与H 变化的历史有关；存在磁滞现象，J 的变化落后于H 的变化。热退磁的样品按曲线a （称为初始磁化曲线）磁化饱和后，减小磁化场H ，磁极化矢量J 并不按原路返回，而是比磁场H 的变化滞后（曲线b ）。当H 减小到零时，样品还保留着一定的磁极化强度r J ，r J 称为剩磁。只有在反向加上一定的磁场 c i H ，磁极化强度才降为零，c i H 称为内禀矫顽力。继续增大反向磁场，样品逐渐在反向趋近饱和。改变磁场从负的最大值到正的最大值，J 按着与曲线b 对称的曲线c 变化，曲线b 和c 构成的闭合曲线叫磁滞回线。在第二象限(J >0, H <0)，从（0，r J ）到（c i H -，0）的一段曲线称为退磁曲线。由公式H J B 0μ+=或)(0H M B +=μ可以得到与)(H J 相似 的)(H B 曲线。在)(H B 的初始磁化曲线上，H B =μ称为磁导率。磁导率是衡量软磁材料

VSM实验报告

实验报告 振动样品磁强计（VSM ） 实验目的 1、掌握振动样品磁强计的基本原理、结构，了解其使用方法 2、掌握磁性样品的起始磁化曲线和磁滞回线的测量，了解由此分析材料磁性参 数的方法 实验原理 1.简介 振动样品磁强计（Vibrating Sample Magnetometer VSM ）是基于电磁感应原理制成的仪器。采用尺寸较小的样品，它在磁场中被磁化后可近似看作一个磁矩为m 的磁偶极子，使样品在某一方向做小幅振动，用一组互相串联反接的探测线圈在样品周围感应这磁偶极子场的变化，可以得到探测线圈的感应电动势直接正比于样品的磁化强度。 2.基本原理 由于测量线圈中的感应信号来源于被磁化的振动样品在周围产生的周期性变化磁场，那么位于坐标原点O 的磁偶极子在空间任意一点P 产生的磁场可表示为： 式中矢量→→→→++=k z j y i x r ，其中→i 、→j 、→ k 分别为x 、y 、z 的单位矢量。若在距偶极子 处的P 点放置一匝面积为S 的小测量线圈，则通过线圈的磁通量为： 若偶极子沿着z 轴做简谐振动t j ae ω时，（a 是振幅，ω为振动角频率），有： 则偶极子磁场在N 匝线圈中激起的感应电动势为： ))(3(41)(53→→→→→ →?--=r r r M r M r H m m π→→→→?=?=??S d r H S d B S S )(0μ φ→ →→→+++=k ae z j y i x r t j )( ω∑?=→→???-=??-=N i S S d t t r H t t e 10),()(μ φ

因样品沿着x 方向磁化，且线圈截面较小时，可用线圈中间的性质代表每匝线圈的平均性质，若线圈尺寸和位置固定不变，上式中积分式的数值是常数，故： 振幅E m 与样品磁矩成正比。因而线圈输出电压的有效值V x 正比于样品的磁矩测量方程： m x kM V = （6） 其中k 为振动样品磁强计的灵敏度，可用比较法测定，该过程称为振动样品磁强计的校准或定标。比较法是用饱和磁化强度0s σ已知的标准样品（如高纯镍球样品），若已知表样的质量为m s0,校准时振动输出信号为Vs : （7） 则有： 8） 为使直径约为2毫米的样品符合偶极子条件，化方向的长度l 之间应满足22)2(l r >>。在2)2 (l 不大于2r 的1%时，5r l <。则mm l 2≈时，mm r 10=。在线圈面积内磁场平均值可用中心点磁场表示的条件下，线圈直径必须很小，如内径不超过5毫米，两线圈总匝数约为1000匝，而且两者必须相同。 在对称双线圈串联反接的结构中，线圈中的感应电势对样品所处磁场区中心位置附近，有一个 “鞍点区”，即x 方向信号最小，y 、z 方向信号最强，其中x t E t e m ωcos )(=0 0s s s km V σ=00s s s m V k σ=

振动样品磁强计的原理与磁性测量实验

振动样品磁强计及物质磁性测量实验 【实验目的】 1．了解振动样品磁强计测量材料磁化曲线的原理； 2．用已知磁化曲线的镍球对振动样品磁强计进行定标； 3．用振动样品磁强计测量锰锌铁氧体小球的磁化曲线，计算饱和磁化强度。 【实验原理】 磁性是自然科学史上最古老的科学现象之一。据传说，磁性首先是被一个牧羊人发现的，他注意到他的木棍的铁端，被一块石头所吸引。这种石块在小亚细亚（Asia Minor）、马其顿的Magnesia地区以及爱奥利亚的Magnesia城被发现过。人们相信“磁性（Magnetism）”一词就是来源于这些地名1。我国是世界上最早发现物质磁性现象和应用磁性材料的国家，早在战国时期就有关于天然磁性材料（如磁铁矿）的记载，11世纪就发明了制造人工永磁材料的方法，沈括在《梦溪笔谈》中记载了指南针的制作和使用。1099～1102年有指南针用于航海的记述，同时还发现了地磁偏角的现象2。在现代，磁性材料已进入人们生活的各个方面，如计算机的硬盘、汽车传感器、玩具等。对磁性的测量是认识、设计和利用磁性材料必不可少的环节。 如果将一个球状磁体置于磁场中，则此样品外一定距离的探测线圈感应到的磁通可被视作外磁化场及由该样品产生的附加磁场之和。多数情况下测量者更关心的是这个附加磁场量值。在磁性测量领域，区分这种扰动与环境磁场的方法有很多种。例如，可以让被测样品以一定方式振动，探测线圈感应到的样品磁通信号因此不断快速的交变，保持环境磁场等其他量不作任何变化，即可实现这一目的。这是一种用交流信号完成对磁性材料直流磁特性测量的方法。因为在测试过程中，恒定的环境磁场可以直接扣除，而有用信号则可以通过控制线圈位置，振动频率、振幅等得以优化。 振动样品磁强计（以下简称VSM）正是基于上述理论。VSM是一种高灵敏度的磁矩测量仪器。它采用电磁感应原理，测量在一组探测线圈中心以固定频率和振幅作微振动的样品的磁矩。对于足够小的样品，它在探测线圈中振动所产生的感应电压与样品磁矩、振幅、振动频率成正比。在保证振幅、振动频率不变的基础上。用锁相放大器测量这一电压，即可计算出待测样品的磁矩。VSM可以实现很高灵敏度的测量，商业产品的磁矩灵敏度往往优于 1铁磁性物理，葛世慧译，近角聪信著，兰州大学出版社，2002 2百度百科

振动样品磁强计

振动样品磁强计测量内禀磁特性 一、实验目的 掌握ＶＳＭ工作原理；利用实验室提供的设备，具体测量实际材料的Ｍ或σ值 二、实验原理 1.背景 1959年美国的Ｓ．Ｆｏｎｅｒ在前人的研究基础上制成实用的振动样品磁强计（简记为ＶＳＭ）。由于其具有很多优异特性而被磁学研究者们广泛采用，并又经许多人的改进，使ＶＳＭ成为检测物质内禀磁特性的标准通用设备。所谓“内禀”磁特性，主要是指物质的磁化强度而言，即体积磁化强度Ｍ——单位体积内的磁矩，和质量磁化强度σ——单位质量的磁矩。设被测样品的体积为Ｖ（或质量为ｍ），由于样品很小，如直径１ｍｍ的小球，当被磁化后，在远处，可将其视为磁偶极子：如将样品按一定方式振动，就等同于磁偶极场在振动。于是，放置在样品附近的检测线圈内就有磁通量的变化，产生感生电压。将此电压放大变成直流并加以记录，再通过电压磁矩的已知关系，即可求出被测样品的Ｍ或σ。 2. 如图7.4-1所示，体积为Ｖ、磁化强度为 Ｍ的样品Ｓ沿Ｚ轴方向振动。在其附近放 一个轴线和Ｚ轴平行的多匝线圈Ｌ，在Ｌ内的第 ｎ匝内取面积元ｄＳn，其与坐标原点的矢径为ｒ ｎ，磁场沿Ｘ方向施加。由于Ｓ的尺度与ｒｎ相比 非常小，故Ｓ在空间的场可表为偶极场形式： （7.4-1） 注意到Ｍ值有Ｘ分量，则可得到检测线圈Ｌ内第ｎ匝中ｄＳn面积元的磁通为 （7.4-2）其中μ0为真空磁导率。而第ｎ匝内的总磁通则为 整个Ｌ的总磁通则为 （7.4-3）其中，Ｘn为ｒn的Ｘ轴分量，不随时间而变；Ｚn为ｒn的Ｚ轴分量，是时间的函数。为 方便计，现认为Ｓ不动而Ｌ以Ｓ原有的方式振动，此时可有，为第ｎ匝的坐标，ａ为Ｌ的振幅。由此可得到检测线圈内的感应电压为 （7.4-4）