振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)的原理

振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)可以測(cè)出在不同的環(huán)境下材料多種磁特性。由于它易于發(fā)揮電子技術(shù)的作用及其采用靈活的設(shè)計(jì)，使之有*的靈敏度并兼?zhèn)湟子诎惭b定位，更換樣品的優(yōu)點(diǎn)。測(cè)量磁矩靈敏度在磁場(chǎng)中零場(chǎng)到磁鐵可達(dá)到的大場(chǎng)范圍內(nèi)，可小到5x10-9A/m2以下。 由于其具有很多優(yōu)異特性而被磁學(xué)研究者們廣泛采用，又經(jīng)許多人改進(jìn)，使VSM成為檢測(cè)物質(zhì)內(nèi)稟磁特性的標(biāo)準(zhǔn)通用設(shè)備。

　　內(nèi)稟磁特性主要是指物質(zhì)的磁化強(qiáng)度而言，即體積磁化強(qiáng)度——M 單位體積內(nèi)的磁矩，和質(zhì)量磁化強(qiáng)度σ——單位質(zhì)量的磁矩。

　　設(shè)被測(cè)樣品的體積為V，由于樣品很小，當(dāng)被磁化后，在遠(yuǎn)處可將其視為磁偶極子：如將樣品按一定方式振動(dòng)，就等同于磁偶極場(chǎng)在振動(dòng)。于是，放置在樣品附近的檢測(cè)線圈內(nèi)就有磁通量的變化，產(chǎn)生感生電壓。將此電壓放大并記錄，再通過(guò)電壓-磁矩的已知關(guān)系，即可求出被測(cè)樣品的M或σ。

　　將小球型樣品（體積位V，磁化強(qiáng)度為M）放在平行于X軸方向的均勻磁場(chǎng)H中，并使它在Z方向做小幅度等幅振動(dòng)，在其附近放一個(gè)軸線和Z軸平行的多匝線圈L，在L內(nèi)的第n匝內(nèi)取面積元，其與坐標(biāo)原點(diǎn)的矢徑為，磁場(chǎng)延X(jué)方向施加將小球型樣品（體積位V，磁化強(qiáng)度為M）放在平行于X軸方向的均勻磁場(chǎng)H中，并使它在Z方向做小幅度等幅振動(dòng)，在其附近放一個(gè)軸線和Z軸平行的多匝線圈L，在L內(nèi)的第n匝內(nèi)取面積元dSn，其與坐標(biāo)原點(diǎn)的矢徑為 rn，磁場(chǎng)延X(jué)方向施加。由于S的尺度與非常小，故S在空間的場(chǎng)可表示為偶極場(chǎng)形勢(shì)：

　　H(rn)=V/4π[M/rn3+3(M.rn)rn/rn5(1)由此H(rn)的Z方向分量為： Hz(rn)=3m/r5.XZ (m為樣品磁矩)注意到rn值有X分量，則可得到檢測(cè)線圈L內(nèi)第n匝中dSn面積元的磁通量：

　　dΦn=µ0HzdSn=3µ0MXnZnV/4πrn5.dSn

　　(2)其中µ0為真空磁導(dǎo)率。第n匝內(nèi)的總磁通為：Φn=∫dΦn=∫3µ0MXnZnV/4rn5.dSn

　　(3)整個(gè)L的總磁通則為： Φ=∑nΦn=∑n∫3µ0MXnZnV/4πrn5.dSn

　　(4)其中，Xn為rn 的X軸分量，不隨時(shí)間而變, Zn為 rn 的Z軸分量，是時(shí)間的函數(shù) 現(xiàn)在認(rèn)為S不動(dòng)而L以S原有的方式振動(dòng)，此時(shí)可有Zn=Zn0+a.sinωt, Zn0 為第n匝的坐標(biāo)，a為L(zhǎng)的振幅。由此可得到檢測(cè)線圈內(nèi)的感應(yīng)電壓為：

　　(t)=-dΦ/dt=[-3µ0/4πMVaω∑n∫Xn(rn2-5Zn2)/rn7. dSn]COSωt=KMV COSωt=KJ COSωt

　　(5)檢測(cè)線圈中的感應(yīng)電壓幅值正比于被測(cè)樣品的總磁矩J=MV（或J=σm），且和檢測(cè)線圈的結(jié)構(gòu)，振動(dòng)頻率和振幅有關(guān) 如果將K保持不變，則感應(yīng)信號(hào)僅和樣品總磁矩成正比 。預(yù)先標(biāo)定感應(yīng)信號(hào)與磁矩的對(duì)應(yīng)關(guān)系后，就可以根據(jù)測(cè)定的感應(yīng)信號(hào)的大小而推知被測(cè)磁矩值。因此，在測(cè)出樣品的質(zhì)量和密度后，即可計(jì)算出被測(cè)樣品的磁化強(qiáng)度M ,σ。M=ρσ，ρ為材料的密度。

　　由式（5）可以看出，信號(hào)的電動(dòng)勢(shì)為線圈到樣品間距離r的靈敏圈數(shù)。因此減小距離r，增強(qiáng)樣品與線圈的耦合，將會(huì)使靈敏度大為提高。但是隨著距離的減小，樣品所在位置的偏差對(duì)信號(hào)影響就會(huì)越大，對(duì)樣品取放位置的重復(fù)性要求就會(huì)更加苛刻可以使用成對(duì)的線圈對(duì)稱的放置在樣品兩邊是這種情況得到改善。在（5）式中，將X用-X代入，信號(hào)將改變符號(hào)這說(shuō)明同樣線圈在樣品兩邊對(duì)稱位置其輸出信號(hào)相等，相位相反。因此在實(shí)用中制成成對(duì)的線圈彼此串聯(lián)反接，對(duì)稱地放置在樣品兩邊，這樣不僅可以保證在每對(duì)線圈中由樣品偶極子振動(dòng)產(chǎn)生的信號(hào)彼此相加，而且它對(duì)位置尚有相互"補(bǔ)償"的作用使信號(hào)對(duì)位置的便宜變得不敏感了。探測(cè)線圈這樣串聯(lián)反接的結(jié)果還可使來(lái)自磁化場(chǎng)的波動(dòng)和來(lái)自其它空間的干擾信號(hào)互相抵消，因而改善了抗干擾的能力。

　　信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的功率信號(hào)加到振動(dòng)子上，使振動(dòng)子驅(qū)動(dòng)振動(dòng)桿做周期性運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)黏附在振桿下端的樣品作同頻同相位振動(dòng)，掃描電源供電磁鐵產(chǎn)生可變磁化外場(chǎng)H而使樣品磁化，從而在檢測(cè)線圈中產(chǎn)生感應(yīng)信號(hào)，此信號(hào)經(jīng)放大并檢測(cè)后，饋給X-Y記錄儀的Y軸。而測(cè)量磁場(chǎng)用的毫特斯拉計(jì)的輸出則饋給X軸。這樣，當(dāng)掃描電源變化一個(gè)周期后，記錄儀將描出J-H回線。

　　J的大小，又必須由已知磁矩的標(biāo)準(zhǔn)樣品定標(biāo)后求得。如：已知Ni標(biāo)樣的質(zhì)量磁矩為σ0，質(zhì)量為m0，其J0=σ0m0。用Ni標(biāo)樣取代被測(cè)樣品，在*相同的條件下加磁場(chǎng)使Ni飽和磁化后測(cè)得Y軸偏轉(zhuǎn)為 Y0，則單位偏轉(zhuǎn)所對(duì)應(yīng)的磁矩?cái)?shù)應(yīng)為K=σ0m0/Y0，再由樣品的J-H回線上量得樣品某磁場(chǎng)下的Y軸高度YH，則被測(cè)樣品在該磁場(chǎng)下的磁化強(qiáng)度MH=KYH/V=σ0m0/ Y0*ρ/m*YH, 或被測(cè)樣品的質(zhì)量磁化強(qiáng)度σH=K*YH/m= YH/ Y0*m0/m*σ0，ρ為樣品密度，σ0 為樣品質(zhì)量。這樣，我們既可根據(jù)實(shí)測(cè)的J-H回線推算出被測(cè)樣品材料的M-H回線。

　　注意：這里的H為外磁場(chǎng)。也就是說(shuō)，只有在可以忽略樣品的"退磁場(chǎng)"情況下，利用VSM測(cè)得的回線，方能代表材料的特征，否則，必須對(duì)磁場(chǎng)進(jìn)行修正后所得到的回線形狀，才能表示材料的真實(shí)特征。所謂"退磁場(chǎng)"，即當(dāng)樣品被磁化后，其M將在樣品兩端產(chǎn)生"磁荷"，此"磁荷對(duì)"將產(chǎn)生于磁化場(chǎng)方向相反的磁場(chǎng)，從而減弱了外加磁化場(chǎng)H的磁化作用，故稱為退磁場(chǎng)。可將退磁場(chǎng)表示為,稱為"退磁因子"，取決于樣品的形狀，一般來(lái)說(shuō)非常復(fù)雜，甚至其為張量形式，只有旋轉(zhuǎn)橢球體，方能計(jì)算出三個(gè)方向的具體數(shù)值。