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常用磁性测量仪器（ II） （ 共 78 页）

常用磁性测量仪器（ II） （ 共 78 页）. 磁性信号的测量仪器 （ II ） 磁－力学效应. 关 注. 磁－力学效应包括 哪些物理现象 ？ 磁－力学效应可测 哪些参数 ？ 磁各向异性的测量 极弱磁矩信号的测量方法 磁天平 磁致伸缩效应. 磁－力效应. Magnetomechanical Effect ( 磁－力学效应 ) Magnetostatic Force ( 静磁力 ) Magnetic Torsion ( 扭矩 ). 磁－力1. 磁 － 力 效 应. 原理（一）

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常用磁性测量仪器（ II） （ 共 78 页）

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Presentation Transcript

  1. 常用磁性测量仪器（II）（共 78 页） • 磁性信号的测量仪器（II） 磁－力学效应

  2. 关 注 • 磁－力学效应包括哪些物理现象？ • 磁－力学效应可测哪些参数？ 磁各向异性的测量 极弱磁矩信号的测量方法 磁天平 磁致伸缩效应

  3. 磁－力效应 Magnetomechanical Effect (磁－力学效应) Magnetostatic Force (静磁力) Magnetic Torsion (扭矩)

  4. 磁－力1 磁 － 力 效 应 原理（一） 把含有磁矩 m 的物体放在非均匀的磁场中时，物体将受到沿磁场梯度方向的力的作用。 此力的大小正比于磁场梯度和物体的磁矩。 磁矩 m 沿任意轴向所受的力： m 为样品的磁矩 磁天平 为沿任意轴向的磁场梯度

  5. 磁－力2 磁 － 力 效 应 原理（二） 当具有磁各向异性的物体在磁场中转动时， 物体将受到转矩 L 的作用。其大小等于磁场强度与垂直于磁场方向磁化强度分量的乘积。 转矩与磁各向异性的关系： V 为样品的体积 转矩磁强计 为与磁各向异性相关的能量

  6. 磁－力3 磁 － 力 效 应 原理（三） 当磁性材料在磁场中被磁化时，材料的力学性质发生变化的效应。也存在逆效应。 这里通称为磁致伸缩效应。 磁致伸缩系数λ： • 可以是样品的体积、长度、 弹性模量、刚度系数，等等。 磁致伸缩仪

  7. 磁－力4 磁 － 力 效 应 • 原理（四） • Barnett效应（1915年）当磁性圆柱体在绕其柱轴作高速旋转时会产生微弱的磁化强度，其大小与角速度成比例。即，旋转致磁化效应。 • Einstein－de Hass效应（1915年）当自由悬挂的磁性圆柱体突然被磁化时会产生微弱的旋转。即，磁化致旋转效应。是Barnett效应的逆效应。 旋磁比

  8. 磁－力5 磁 － 力 效 应 相应的磁性测量仪器

  9. 磁各向异性 磁各向异性：magnetic anisotropy 相同磁场强度时，磁化强度的方向相关性 或者 沿不同方向磁化时，磁化曲线及达到饱和的磁场强度不同

  10. 磁各向异性的测量

  11. 磁各向异性的测量

  12. 转矩磁强计 Torque Magnetometer (Tq-M) talk 磁各向异性的测量

  13. Torque1 转 矩 磁 强 计 转矩磁强计的原理 晶轴方向 磁化强度M方向 初始方向 磁场H、磁化强度M、晶轴 三者重合在一个方向 样品 H H θ 磁场H、磁化强度M、晶轴 三者不重合 样品 α

  14. Torque2 L θ N S 转 矩 磁 强 计 转矩磁强计的原理 样品：饱和磁化

  15. Torque3 转 矩 磁 强 计 仪器设备 TRT－2型转矩磁强计： 日本东英工业株式会社，1985年 Torque Magnetometer： 美国Quantum Design公司，2002年 详见本系列的《PPMS－Tq_Mag》

  16. Torque4 HR 转 矩 磁 强 计 PPMS的转矩磁强计

  17. Torque5 磁转矩测量的要求 磁场强度：样品饱和磁化 Easy axis 使得转矩不依赖于磁场的强度 M  ＝ 0  H 测量过程：补偿－非补偿 当外加磁场相对于样品旋转时， 补偿：施加补偿扭矩使样品保持在原方向 非补偿：直接测量样品所受到的扭矩 PPMS的Micro－Tq 一般转矩磁强计

  18. Torque6 磁转矩测量的要求 样品：晶轴取向 单晶体 取向多晶 H，M  单位：量程 力矩单位：N·m 1 N·m ＝ 1 J ＝ 1 A · m2· T ＝ 1×103 emu · T PPMS的Tq－Mag上限： 1×10－5N · m ＝ 1×10－2 emu · T 噪声：1×10－9N · m < 7×10－4emuat 14 T < 7×10－8emuat 14 T

  19. 补充 磁晶各向异性的测量 奇点探测法 Singular Point Detection (SPD) 磁化曲线方法 非磁－力效应

  20. SPD1 Singular Point Detection (SPD) 本 质：磁化曲线的测量－磁各向异性等效场 原 理： 材料的磁化强度 M对磁场强度 H的 n次导数dnM/dHn是磁场强度 H的函数，当 H等于材料的各向异性场 HA时，dnM/dHn ～ H曲线会出现尖锐的奇点。求导次数 n 取决于沿各向异性场 HA方向晶体的对称性。 单轴各向异性的难磁化方向的 n ＝ 2。

  21. SPD2 Singular Point Detection (SPD) SPD技术的发展状况：文献

  22. SPD3 Singular Point Detection (SPD) Sucksmith_SPD技术说明 Sucksmith和Thompson在1954年并没有提出SPD检测技术 “The magnetic anisotropy of cobalt” 假 设： 1、材料具有单轴磁各向异性； 2、材料为单晶体或者取向多晶体； 3、磁场沿着材料的难磁化方向

  23. SPD4 Singular Point Detection (SPD) Sucksmith_SPD技术说明 使用磁天平 Stoner关系式： 六角Co难磁化轴的磁化曲线： 立方Co难磁化轴的磁化曲线：

  24. SPD5 c轴 H M Singular Point Detection (SPD) Sucksmith_SPD技术说明 HA M H Sucksmith方法的示意图

  25. SPD6 Singular Point Detection (SPD) Asti_SPD技术说明 Asti和Rinaldi在1972年首次提出SPD检测技术 “Nonanaliticity of the Magnetization Curve: Application to the Measurement of Anisotropy in Polycrystalline Samples” Asti和Rinaldi在1974年给出SPD的理论结果 “Singular points in the magnetization curve of a polycrystalline ferromagnet”

  26. SPD7 Singular Point Detection (SPD) Asti_SPD技术说明 α x hard direction θ φ c axis

  27. SPD8 Singular Point Detection (SPD) Asti_SPD技术说明 各向异性能量： 平衡条件：

  28. SPD9 Singular Point Detection (SPD) Asti_SPD技术说明 约化磁化强度： 随机取向的多晶体： 磁化强度t对磁场强度γ的一阶导数： 积分下极限： 积分上极限： γ＝0有奇点

  29. SPD10 Singular Point Detection (SPD) Asti_SPD技术说明 磁化强度 t 对磁场强度 γ 的二阶导数： 最高求导次数 n* 的确定： 0.5 1 2 H/HA 其中， λ，S，δ和P(λ)为依赖于材料晶体对称性的常数。

  30. SPD11 Singular Point Detection (SPD) 磁学室有一台自建脉冲磁场SPD装置（M05组） /t I M/t C A 电源 H/t  dt A 样品 检测系统 2003年转给内蒙古师范大学

  31. 磁 天 平 Magnetic Balance (MB) 磁矩的测量

  32. 磁天平1 Lewis Coil z’ z’ z’ dH/dz H Sucksmith极头 Lewis梯度磁场 磁 天 平 一、梯度磁场的产生

  33. 磁天平2 R E mA 磁 天 平 二、力的测量 直接测量力的方法 利用力敏－换能器件

  34. 磁天平3 磁 天 平 三、测量方式：绝对测量－相对测量 绝对测量法： 直接测量磁场梯度H/z、样品 质量M及所受到的力F，确定磁 矩。不使用标准样品对磁矩进 行定标， 相对测量法： 使用标准样品对磁矩进行定标， 通过比例常数，确定磁矩。

  35. 磁天平4 磁 天 平 四、磁天平的历史评价 • 最早用于测量材料的磁矩与磁化率；M. Faraday（1855年） P. Curie（1895年） • 对磁场强度、磁矩进行绝对测量；L.G. Gouy（1895年） • 种类最多的磁性测量仪器。

  36. 磁天平5 磁 天 平 四、磁天平的类型（一）

  37. 磁天平6 Sample Beam Coil Photodiscs 磁 天 平 四、磁天平的类型（二）

  38. 磁天平7 磁 天 平 四、磁天平的类型－Faraday法 适合于球形小样品 特殊设计的磁铁极头 电磁换能器 应变电阻换能器 电容换能器 电磁秤 Sucksmith 环秤

  39. 磁天平8 磁 天 平 四、磁天平的类型－Gouy法 截面积A 磁 场H：可精确测量； 截面积A：可精确测量； 作用力F：可精确测量； 样 品：径向严格均匀； 粉末须压实； 重复性：较差

  40. 磁天平9 磁 天 平 四、磁天平的类型－总结

  41. 磁天平10 磁 天 平 磁学室的磁天平

  42. 交变梯度磁强计 Alternating (Magnetic Field) Gradient Force Magnetometer (AGFM) 磁矩的测量

  43. 振动样品磁强计 成本低 AGFM 灵敏度高 超导量子磁强计

  44. AGFM1 交变梯度磁强计 交变梯度磁强计的本质 交变梯度磁强计的历史 交变梯度磁强计的原理 交变梯度磁强计的仪器 交变梯度磁强计的特点

  45. AGFM2 交变梯度磁强计 交变梯度磁强计的本质 交变梯度磁场法拉第天平 Alternating Magnetic Field Gradient Faraday Balance

  46. AGFM3 交变梯度磁强计 交变梯度磁强计的研究历史 • H. Zijlstra, Rev. Sci. Instrum. 41, 1241 (1970) • R. Reeves, J. Phys. E 5, 547 (1972) • W. Roos, K.A. Hempel, C. Voight, H. Dedericks, R. Schippan, Rev. Sci. Instrum. 51, 612 (1980) • H. J. Richter, K. A. Hempel, J. Pfeiffer, Rev. Sci. Instrum. 59, 1388 (1988) • P. J. Flanders, J. Appl. Phys. 63, 3940 (1988) • Th. Frey, W. Jantz, R. Stibal, J. Appl. Phys. 64, 6002 (1988) • P. J. Flanders, Rev. Sci. Instrum. 61, 839 (1990) • K. O’Grady, V. G. Lewis, D. P. E. Dickson, J. Appl. Phys. 73, 5608 (1993)

  47. AGFM4 交变梯度磁强计 交变梯度磁强计的研究历史 Vibrating Reed Magnetometer Alternating Gradient Force Magnetometer

  48. AGFM5 交变梯度磁强计 交变梯度磁强计的研究历史

  49. AGFM6 交变梯度磁强计 交变梯度磁强计的开发历史

  50. AGFM7 交变梯度磁强计 交变梯度磁强计的商业开发历史 • Princeton Measurements CorporationAugust 1987, Princeton, NJ 08540 USA • MicroMagTM Magnetometer SystemsJanuary 1989

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