振动样品磁强计的..ppt

1、振动样品磁强计的原理,报告人：熊元强 导 师：陈鹏 教授,目录,一、物质的磁性,二、磁性的来源,四、几种常用磁性测量仪,三、磁性测量原理,一、物质的磁性,1.1、磁性的简单认识,1.2、磁偶极子,磁偶极子产生的磁偶级矩为：,是一个从-m到+m的矢量，单位是Wbm.,设环形电流为i，电流回路包围的面积为d，此电流回路对远区而言就相当于一个磁偶极子，并具有磁矩：,图2、环形电流产生磁矩,1.3、磁偶极子的磁位和磁场强度,由电磁学可知，磁偶极子在空间某点p的磁位为：,令，于是当忽略l2项时，将,其中为 和l的夹角。,与,代入上式中有：,根据磁场强度H与磁位的关系，得：,2、磁体的磁化,磁体受磁化磁场

2、作用后将会感应出磁矩，处于磁化状态。磁化磁场，一般是指用来使磁体感应出磁矩的外加磁场。任何磁性材料在磁化以后，它们均将具有自己的磁化行为。,2.1、磁化强度,和,和 亦有关系：,和 都是矢量，数值上两者相差，物理意义上，都是用来描述磁体被磁化的方向和强度。,磁化强度是描述宏观磁性体磁性强弱程度的物理量。如果在磁性体内取一个宏观体积元，在这个体积元内包含了大量的磁偶极矩 或磁矩，分别用 和 代表。定义单位体积磁体内具有的磁偶极矩矢量和称为磁极化强度，用 表示；单位体积磁体内具有的磁短矢量和称为磁化强度，用 表示。,则有：,2.2、磁化率,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

3、磁场H的关系由下式表达；,其中，称为磁体的磁化率。磁化率是单位磁场强度在磁体中所感生的磁化强度，是表征磁体磁化难易程度的一个参量。,2.3、磁化曲线和磁滞回线,磁化曲线是磁性物质的磁感应强度B与外磁场的磁场强度H之间的关系曲线,所以又叫B-H曲线。,(a)磁化曲线,图中 段曲线称为起始磁化曲线，封闭曲线 称为磁滞回线，铁磁材料在磁化一周期内所损耗的能量的大小就等于磁滞回线所包括面积的大小。在此过程中要消耗额外的能量，并以热的形式释放，为磁滞损耗。可以证明，磁滞损耗与磁滞回线所围面积成正比。,（b）磁滞回线,当磁化磁场作周期的变化时，磁性材料中的磁感应强度与磁场强度的关系是一条闭合线，这条闭合线

4、叫做磁滞回线。,当磁性物质质达到磁饱和状态后，如果减小磁化场H，介质的磁化强度M（或磁感应强度B）并不沿着起始磁化曲线减小，M（或B）的变化滞后于H的变化。这种现象叫磁滞。,(1)当铁磁物质开始磁化时，B随H增加。H增大到 时，B几乎不变，说明磁化已达到饱和。由 可见，磁导率并非常数，即 为非线性函数。,(2)当H0，说明铁磁材料还残留一定值，称 其为剩磁。,(3)要使铁磁物质完全退磁，必须加一反向磁场，称 为矫顽磁力。图中的bc段曲线称为退磁曲线。,(4)定义退磁曲线上每一点的B和H的乘积(BH)为磁能积，磁能积(BH)是表征永磁材料中能量大小的物理量。,有关磁滞回线的几个分析：,（b）磁滞

5、回线,3、物质磁性的分类,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。从这个意义上说，这种被磁化了的物体就称为磁性物质。磁性物质在性质上有很大的不问，因此，有必要把磁性物质分类。从实用的观点，可以根据磁性物质的磁化率大小和符号来分。,3.1、抗磁性,某些物质当它们受到外磁场H作用后，感生出与H方向相反的磁化强度，其磁化率。这种磁性称为抗磁性。表现出磁化率小于零的物质称为抗磁性物质 不但小于零，而且绝对数值也很小，一般为10-6的数量级。的性质和磁场、温度均无关。抗磁性物质有：惰性气体、许多有机化合物、若干金属(如Bi、Zn、Ag和Mg等)、非金属(如Si、P和S等)等

6、。这些物质的磁化曲线为一直线,抗磁性 曲线,3.2、顺磁性,式中，为临界温度，称为顺磁居里温度。,许多物质在受到外磁场作用后，感生出与磁化磁场同方向的磁化强度，其磁化率，但数值很小，仅显示微弱磁性。这种磁性称为顺磁性，具有这种磁性的物质称为顺磁性物质。室温下 为 数量级。多数顺磁性物质的 与温度T有密切关系，服从居里定律，即:,式中，C为居里常数，T为绝对温度。然而，更多的顺磁性物质的 与温度的关系，遵守居里外斯定律，即：,3.3、反铁磁性,另有一类物质，当温度达到某个临界值 以上，磁化率与温度的关系与正常顺磁性物质的相似，服从居里外斯定律，但是，表现出在式中的 常小于零当，磁化率不是继续增大

7、，而是降低，并逐渐趋于定值。所以，这类物质的磁化率在温度等于 的地方存在极大值。显然，是个临界温度，它是奈耳发现的，被命名为奈耳温度。上述磁性称为反铁磁性。,3.4、铁磁性,铁磁性物质和前述三种磁性物质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，不但磁化率，而且数值大到10106数量级，其磁化强度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。上述类型的磁性称为铁磁性。当铁磁性物质的温度比某一临界温度 高时，铁磁性将转变成顺磁性，并服从居里外斯定律，即:,式中，C仍然是居里常数；是铁磁性物质的顺磁性居里温度。,3.5、亚铁磁性,除了上面四种磁性以外，另有一类物质

8、，它们的宏观磁性与铁磁性相同，仅仅是磁化率的数量级稍低一些，大约为10103数量级。,五类磁体的磁化曲线示,现代科学认为物质的磁性来源于组成物质中原子的磁性 1.原子中外层电子的轨道磁矩 2.电子的自旋磁矩 3.原子核的核磁矩,二、磁性的来源,众所周知，任何物质都是由原子组成的，而原子又是由带正电荷的原子核(简称核子)和带负电荷的电子所构成的。近代物理的理论和实验都证明了核子和电子的本身都在作着自旋运动，而电子又沿着一定轨道绕核子做循轨运动。显然，带电粒子的这些运动必然要产生磁矩。,1、电子的磁矩,1）电子的轨道磁矩、轨道角动量,2）电子的自旋磁矩 自旋角动量,3）分子（原子）磁矩,每个电子都

9、有一定的磁矩 和一定的角动量，磁矩与角动量成正比，两者的方向相反。,原子的总磁矩应是按照原子结构和量子力学规律将原子中各个电子的轨道磁矩和自旋磁矩相加起来的合磁矩，即：,总的来说，组成宏观物质的原子有两类：,另一类原子中的电子数为奇数，或者虽为偶数但其磁矩由于一些特殊原因而没有完全抵消使原子中电子的总磁矩（有时叫净磁矩，剩余磁矩）不为零，带有电子剩余磁矩的原子称作磁性原子。,一类原子中的电子数为偶数，即电子成对地存在于原子中。这些成对电子的自旋磁矩和轨道磁矩方向相反而互相抵消，使原子中的电子总磁矩为零，整个原子就好像没有磁矩一样，习惯上称他们为非磁原子。,由于不同的原子具有不同的电子壳层结构，

10、因而对外表现出不同的磁矩，所以当这些原子组成不同的物质时也要表明出不同的磁性来。必须指出的是，原子的磁性虽然是物质磁性的基础，但却不能完全决定凝聚态物质的磁性，这是因原子间的相互作用(包括磁的和电的作用)对物质磁性往往起着更重要的影响。,2.1、抗磁性,其产生机理是：外磁场穿过电子轨道时，引起的电磁感应使电子加速。根据楞次定律，由轨道电子的这种加速运动引起的磁通，总是与外磁场的变化相反，因而，磁化率为负值。,抗磁质分子本身不具有固有磁矩，但在外磁场 的作用下，可以产生与 相反的附加磁矩,2.2、顺磁性,无外场时：,有外场时：,顺磁在顺磁材料中，磁性原子或离子分开的距离很远，以至它们之间没有明显

11、的相互作用。顺磁性物质有一个固有原子磁矩，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，但它的数值很小。,顺磁性物质的磁化过程,2.3、铁磁性,铁磁物质内部存在很强交换作用，交换作用的作用下，原子磁矩趋于同向平行排列，即自发磁化至饱和，称为自发磁化；铁磁体自发磁化分成若干个小区域，区域内部的原子磁矩是按平行取向排列的。这种自发磁化至饱和的小区域称为磁畴，由于各个区域(磁畴)的磁化方向各不相同，其磁性彼此相互抵消，所以大块铁磁体对外不显示磁性。,铁磁性物质的磁化过程如下：,2.4、反铁磁性,反铁磁性物质

12、的内部原子之间也存在交换作用，与铁磁性不同的是，在这种交换作用的作用下，原子磁矩不是趋于平行排列而是反平行排列，这样就使得反铁磁性表现出一种弱磁性。,反铁磁性的磁结构,2.4、亚铁磁性,亚铁磁性物质由磁矩大小不同的两种离子(或原子)组成，相同磁性的离子磁矩同向平行排列，而不同磁性的离子磁矩是反向平行排列。由于两种离子的磁矩不相等，反向平行的磁矩就不能恰好抵消，二者之差表现为宏观磁矩，这就是亚铁磁性。,亚铁磁性的磁结构,二、磁性测量原理,磁性测量原理有很多，根据不同的物理作用有不同的测量原理。,1、电磁感应,2、霍尔效应,3、约瑟夫逊效应,振动样品磁强计（VSM）,超导量子磁强计（SQUID）,

13、2.1、电磁感应原理,面积A,磁通量,2.2、霍尔效应原理,在外磁场中的载流导体会在与电流和外磁场垂直的方向上出现电荷分离而产生电势差，这种现象称为霍尔效应。,当电流Is通过霍尔元件（假设为P型）时，空穴有一定的漂移速度v，垂直磁场对运动电荷产生一个洛沦兹力,式中q为电子电荷。洛沦兹力使电荷产生横向的偏转，由于样品有边界，所以有些偏转的载流子将在边界积累起来，产生一个横向电场E，直到电场对载流子的作用力FE=qE与磁场作用的洛沦兹力相抵消为止，即:,这时电荷在样品中流动时将不再偏转，霍尔电势差就是由这个电场建立起来的。,霍尔效应原理图,设P型样品的载流子浓度为p，宽度为l，厚度为d。通过样品电

14、流Ispqvld，则空穴的速度vIHpqld，,上式两边各乘以l，便得到,比例系数KH称为霍尔元件灵敏度，单位为mV/(mAT)。,霍尔效应原理图,一般要求KH愈大愈好。KH与载流子浓度p成反比。半导体内载流子浓度远比金属载流子浓度小，所以都用半导体材料作为霍尔元件。KH与片厚d成反比，所以霍尔元件都做的很薄，一般只有0.2mm厚。,知道了霍尔片的灵敏度KH，只要分别测出霍尔电流Is及霍尔电势差VH就可算出磁场B的大小。这就是霍尔效应测磁场的原理。,关于KH的一点讨论：,2.3、约瑟夫逊效应,如果两块金属导体相隔的空间是绝缘的,对于导体中的电子来说,相当于一个势垒。当两导体间隔较大时,电子很难

15、从一块金属穿过绝缘层而到达另一块金属,即使加电压也观察不到电流。但是,如果在低温下,两金属导体是超导体,并且绝缘层的厚度很小,达到左右时,超导体中的库伯对电子对可以穿过绝缘势垒层,这一现象称为约瑟夫逊效应。,1）薄膜隧道结,2）点接触隧道结,3）超导桥隧道结,约瑟夫逊隧道结通常有以下形式：,现代超导理论指出；电子在超导体内是按特殊方式成对地结合着，即费米面附近动量为p，自族为s的电子与角动量为-p,自旋为-s的电子相结合，称为库相电子对。所谓超导电流，就是库柏电子对的整体运动。超导体的状态与这种电子对的密度 及相位 有关，表示为宏观波函数。在一块超导体中若无电磁场存在，相位 为一常数。在两块相

16、互无关的超导体中，它们的状态各自独立，因而它们的相位 也相互无关。但在弱耦合的情况下，两块超导体中电子对的相位即不相等，又不相互独立，而维持一定的相位关系。,现在考虑一个含有约瑟夫逊结的超导环(右图所示)。穿过环中的磁感强度为B。如果B低于超导环的临界磁场，那么既使在结两端没有电压的情况下，超导电子对也可能通过约瑟夫逊结形成无阻的超导电流(电流密度为is）。这种零压电流现象称为直流约瑟夫逊效应。is的大小使超导环所包围的总磁通(包括外加磁通与is产生的磁通)为磁通量子 的整数倍。这就是磁通量子化现象。,含有约瑟夫逊超导环,通过推导可得超导电流与外加磁通的函数关系为：,上式表明：超导电流密度 是

17、超导环所包围外磁通 的周期函数，其周期为。,其中，为临界电流，它是超导电流的极大值，只与结的性质有关。,由上式可以看出回路的磁通 中每变化一个磁通量子,电流便变化一个周期,通过测定改变的完整周期数和不满一周期的改变可以精确测量回路所包围的磁通。这就是利用约瑟夫逊效应测量磁通的原理。,三、几种常用磁性测量仪,1、振动样品磁强计,2、超导量子磁强计,振动样品磁强计,Vibrating Sample Magnetometer(VSM),振动样品磁强计，首先由弗尼尔(s.Foner)提出，他对磁强计的结构、各种检测线圈及其对灵敏度的影响等问题作了详尽的讨论。近年来由于锁相放大技术在振动样品磁强计中的应

18、用，大大提高了振动样品磁强的灵敏度和扩大了使用范围。,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。,振动样品磁强计,设线圈面积为S，匝数为N,振动样品磁强计,其中,并且由,和,可得：,由于样品在x方向上做小振动，可以将 在原点附近做泰勒展开：,当样品在x方向上磁化时，其磁矩，根据磁偶极子场强公式，可得到：,故由此得到：,令：,则上式简化为：,其中，值可以通过磁矩的校准确定。,因此，只要知道感应电动势的大小，就可以知道被测样品磁矩的大小。这就是振动样品磁强计的工作原理。,VSM的优点 1、非积分式同步采集，无零漂移；2、原理简单，使用方便，适用面广；3、单点测量所需时间短；4、灵敏度较高。VSM的缺点 1、只能开路测量退磁修正；2、样品大小、位置影响测量结果。,超导量子磁强计,Superconducting Quantum Interference Device Magnetometer,1、灵敏度高：优于VSM；2、单点测量时间较长：已得到改善；3、使用液氦；4、超导磁体中有残余磁场；,谢谢！,