Материал: Методические указания к лабораторным работам по курсу «Основы магнетизма» для студентов направления «Нанотехнологии и микросистемная техника». Стогней О.В., Бабкина И.В

измерительными катушками 2, обладая собственным магнитным моментом p_m , создает вокруг себя магнитное поле (собственное поле образца), которое пересекает витки измерительных катушек 2. Если образец совершает колебания (вибрирует в вертикальном направлении), то вместе с ним в вертикальном направлении перемещается и магнитный поток (его собственное магнитное поле), связанный с образцом. Таким образом, получается, что поле, в котором находятся витки измерительных катушек 2, постоянно меняется.Еще раз следует подчеркнуть, что поле, пронизывающее катушки 2, меняется потому что сам образец перемещается относительно катушек. Изменяющееся магнитное поле индуцирует в витках измерительных катушек ЭДС e_И, пропорциональную магнитному моменту образца в соответствии с выражением (7). Если образец неподвижен, то тогда изменение потока в измерительных катушках отсутствует и ЭДС, соответственно, не возникает.

Образец закреплен на длинном штоке (3), передающем ему колебания от специального устройства (4), в котором механические колебания возбуждаются благодаря электрическому синусоидальному сигналу, поступающему с генератора (5). Полезный сигнал, возникающий в измерительных катушках, представляет собой синусоиду с частотой, равной частоте колебания образца. Сигнал, возникающий в измерительных катушках, как правило, очень слабый, поэтому он подается на селективный усилитель УПИ-2 (6). С помощью этого усилителя сигнал, идущий от измерительных катушек, преобразуется в постоянный и усиливается до значений, которые могут быть зарегистрированы с помощью обычных приборов (в данном случае это плата аналого-цифрового преобразования компьютера). Особенностью усилителя УПИ-2 является то, что он усиливает лишь те колебания, частота которых совпадает с частотой опорного сигнала (7). Поскольку в качестве опорного сигнала используется тот же сигнал, что и сигнал, поступающий на устройство возбуждения механических колебаний (4), именно ЭДС, наводимая образцом в измерительных катушках (2), будет усиливаться УПИ-2, в то время как колебания других частот (различные шумы) усиливаться не будут. Усиленный полезный сигнал поступает на плату АЦП регистрирующего компьютера (8). Этот сигнал, пропорциональный по величине магнитному моменту образца, будет откладываться по оси ординат на измеряемой зависимости.

При исследовании кривых намагничивания (или кривых перемагничивания) необходимо плавно менять магнитное поле, воздействующее на образец. C этой целью вибрационный магнетометр смонтирован в зазоре между кернами электромагнита. Цепь питания электромагнита показана на (рис. 4). Она включает в себя переменный трехфазный автотрансформатор 1 с помощью которого можно изменять питающее напряжение катушек электромагнита (5) от нуля до 150 В. Переменное напряжение с автотрансформатора подается на диодный выпрямитель (2) и R-C фильтр (3), после чего (уже постоянное и с минимальными биениями) через переключатель полярности магнита (4) поступает на катушки (5).

Рис. 3. Система создания внешнего магнитного поля

для перемагничивания образца:

1 – трехфазный переменный автотрансформатор, 2 – выпрямитель, 3- RC-фильтр, 4 – переключатель полярности электромагнита, 5 -катушки электромагнита, 6 – источник постоянного тока, 7 – амперметр, 8 – измерительные катушки магнетометра (на рис. 2 они обозначены цифрой 2), 9 - датчик Холла

Таким образом, цепь питания позволяет плавно и равномерно менять магнитное поле в зазоре между кернами электромагнита в пределах 0 – 11 кЭ. Напряженность магнитного поля в зазоре электромагнита определяется с помощью датчика Холла 9, запитываемого источником постоянного тока (6), стабильность которого контролируется амперметром (7). Холловское напряжение, пропорциональное напряженности магнитного поля в зазоре электромагнита, подается на регистрирующий компьютер (на рис. 3, поз. 8).

3. Калибровка магнетометра

Как следует из выражения (9) величина ЭДС зависит от магнитного момента образца p_m. При этом необходимо помнить, что магнитный момент любого ферромагнитного объекта являясь величиной аддитивной и поэтому зависит от количества вещества. Иными словами, величина ЭДС, возникающей в измерительных катушках, определяется не только свойствами исследуемого материала, но и массой этого самого материала. Следовательно, любые измерения, проводимые на вибрационном магнетометре, должны быть калиброваны. Это значит, что проведенные измерения исследуемого образца должны быть сопоставлены с результатами измерения калибровочного образца, для которого известны как магнитные характеристики (намагниченность насыщения), так и масса. В качестве такого стандартного, калибровочного образца используют никелевый образец. Дело в том, что никель достигает технического насыщения в относительно невысоких магнитных полях, и поэтому получить сигнал от полностью намагниченного никеля (удельное значение намагниченности насыщения которого известно) достаточно просто. Значение удельной намагниченности насыщения никеля при 289 К составляет: _S(Ni) = 54.39 [Aм²/кг].

В соответствии с (9), ЭДС e пропорциональна частоте, амплитуде колебаний, площади контура, объёму и магнитному моменту образца. Ясно, что в двух последовательно проведенных измерениях частота, амплитуда и площадь измерительных катушек остаются одинаковыми. Кроме того, объём образца пренебрежимо мал по отношению к объёму всего пространства между измерительными катушками. Это дает возможность записать упрощенный вид зависимости для e в виде:

e = Cp_m, (10)

где С – константа, включающая в себя:

(11)

С другой стороны, в состоянии магнитного насыщения, магнитный момент образца p_m зависит от его массы и удельной намагниченности и может быть записан в виде:

p_m = _Sm, (12)

где m – это масса образца, _S – удельная намагниченность насыщения образца. Таким образом, если провести два последовательных измерения сначала никелевого образца, а затем исследуемого образца, можно получить две зависимости e=f(H), причем для состояния насыщения можно записать, что

e_(Ni) = С_S(Ni)m_(Ni) и (13)

e_(Обр) = С_S(Обр)m_(Обр). (14)

Разделив одно на другое получим:

(15)

отсюда

(16)

Вторая дробь в (16) фактически представляет собой постоянную магнетометра или коэффициент калибровки. Действительно, зная численное значение этого коэффициента и массу образца можно легко пересчитать измеренные значения ЭДС (e_(Обр), выраженные, в милли- или микровольтах) к значениям удельной намагниченности в стандартных единицах (Aм²/кг).

3. Практическое задание

1. Получив образцы никеля и исследуемого материала взвесить их на лабораторных весах.

2. С помощью преподавателя измерить кривые намагничивания этих двух образцов.

3. Зная массу никеля (результат взвешивания), значение его удельной намагниченности насыщения (справочное значение) и значение ЭДС, наведенной в измерительных катушках в тот момент когда никель вышел в состояние насыщения (внешнее поле примерно 2-3 кЭ), определить постоянную магнетометра (коэффициент калибровки).

4. Зная массу образца (результат взвешивания) и значение постоянной магнетометра построить зависимость удельной намагниченности ферромагнитного сплава от напряженности внешнего магнитного поля в реальных единицах намагниченности.

5. Определить значение удельной намагниченности насыщения исследуемого материала во внешнем магнитном поле, напряженностью 8 кЭ.

6. Определить значение коэрцитивной силы никеля и исследуемого ферромагнитного сплава.

7. Определить значение остаточной удельной намагниченности никеля и исследуемого материала.

4. Контрольные вопросы

1. Дать определение терминов намагниченность, удельная намагниченность, коэрцитивная сила.

2. Что понимается под «начальным» состояние ферромагнетика

3. Что такое намагниченность насыщения?

4. Как происходит процесс перемагничивания ферромагнетика? Стадии процесса намагничивания.

5. В чем суть закона электромагнитной индукции?

6. Объяснить принцип работы вибрационного магнетометра.

7. От чего зависит сигнал, возникающий в измерительных катушках магнетометра?

8. Для чего необходима вибрация образца при проведении измерений с помощью вибрационного магнетометра?

9. Почему образец расположен в зазоре электромагнита? Для чего необходимо внешнее магнитное поле?

10. Если внешнее магнитное поле отсутствует, будет ли возникать сигнал в измерительных катушках?

11. Какая величина реально измеряется при проведении исследований с помощью вибрационного магнетометра (имеется в виду, какая величина фиксируется компьютером)?

12. Для чего проводится калибровка магнетометра? Как она осуществляется?

13. Почему для калибровки магнетометра используют никелевый образец?

14. Почему численное значение магнитного момента измеряемого образца не может служить характеристикой материала, из которого сделан образец?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2

Исследование концентрационной зависимости

комплексной магнитной проницаемости

двухфазных образцов ферромагнетик-диэлектрик

Цель: Ознакомиться с резонансным методом измерения магнитной проницаемости с помощью измерителя добротности.

Измерить зависимость величины комплексной магнитной проницаемости двухфазных образцов от концентрации ферромагнитной фазы в двухфазных композитах..

Объекты исследования:

Тонкие пленки двухфазного композитного материала, состоящего из двух фаз (ферромагнитной и немагнитной) с различным объемным соотношением этих фаз.

1. Магнитная проницаемость

В общем случае магнитная проницаемость () это коэффициент, характеризующий связь между магнитной индукцией (B) материала и напряжённостью магнитного поля (H), воздействующего на этот материал:

, (1)

здесь ₀ это магнитная постоянная (иногда её называют магнитной проницаемостью вакуума), которая входит в выражения некоторых законов электромагнетизма в виде коэффициента пропорциональности. В упрощенном виде можно представить себе, что В - это магнитное поле внутри материала, а Н - это магнитное поле, которое воздействует на материал. Магнитная проницаемость это характеристика материала, показывающая, как вещество реагирует на прикладываемое к нему внешнее магнитное поле: каким образом элементарные (атомные или спиновые магнитные моменты) ориентируются относительно внешнего поля. В общем случае  это тензор, но для макроскопически изотропных сред принимают, что проницаемость это скалярный коэффициент, одинаковый относительно любого направления внутри среды.

В Международной системе единиц (СИ) размерность абсолютной магнитной проницаемости такая же, как и размерность магнитной постоянной ₀, то есть Гн/м или Н/А². Однако гораздо чаще используют величину, которая называется относительная магнитная проницаемость (_r), и представляет собой отношение абсолютной проницаемости и магнитной постоянной:

(2)

В этом случае магнитная проницаемость (как любая относительная величина) будет безразмерной. На практике, в большинстве случаев используют относительную магнитную проницаемость, причем, по умолчанию, термин «относительная» не применяют. В таблице приведены значения абсолютной проницаемости и значения относительной проницаемости - удобства использования относительных единиц очевидны.

Таблица

Значения магнитной проницаемости у разных типов магнетиков отличаются качественно. У диамагнетиков (например, Cu, сапфир) магнитная проницаемость всегда чуть меньше единицы; у парамагнетиков (платина, алюминий) она всегда чуть больше единицы; у ферромагнетиков магнитная проницаемость значительно больше единицы.

С одной стороны, магнитная проницаемость  является индивидуальной характеристикой материала, меняясь в очень широких пределах в зависимости от элементного состава вещества (см. таблицу). С другой стороны, для любого конкретного материала  зависит от температуры, давления и прочих внешних условий. Помимо этого магнитная проницаемость вещества зависит от напряженности магнитного поля, воздействующего на материал. Для ферромагнетиков эта зависимость носит сложный, нелинейный характер (рис. 1).

Рис. 1. Схематическое изображение зависимости магнитной проницаемости ферромагнитного материала от напряженности внешнего магнитного поля

Обычно рассматривают начальную магнитную проницаемость

(3)