服务案例

电子科技大学“强磁性物质对外加磁场响应行为的测试分析虚拟仿真实验”于2019年获批国家级一流本科课程。

实验目的

电子科技大学基于在磁学领域的长期积淀，围绕《磁性物理》课程教学的重点和难点—技术磁化过程及静态磁参数测试分析，开展强磁性物质对外加磁场响应行为测试虚拟仿真实验。

通过对不同材料静态磁化参数的测试分析，实现以下教学目的：

1. 了解振动样品磁强计（VSM）等设备的工作原理，熟悉设备操作。

2. 利用VSM测量软、硬磁材料的磁化曲线，掌握计算饱和磁化强度、磁晶各向异性常数和各向异性场的原理与方法，加深对磁化过程中磁化机制的理解。

3. 利用VSM测量软、硬磁材料的磁滞回线，计算饱和磁化强度、剩余磁化和矫顽力等参数，分析不同材料磁滞回线的差异；结合扫描电子显微镜观察，探讨结构、制备工艺等对材料基本静态磁参数的影响，加深对反磁化过程中磁化机制的理解。

4. 利用VSM测量饱和磁化强度的温度曲线，计算材料的居里温度，分析温度和离子占位对自发磁化强度温度特性和超交换作用的影响。

实验原理

本实验教学项目涉及《磁性物理》课程中的技术磁化过程及静态磁参数测试分析，旨在培养学生对磁性物理、材料及应用等方面知识的掌握和综合分析能力，加深学生对强磁性物质技术磁化过程及其物理机制的理解。

1. 磁化曲线测试原理

磁化过程指铁磁体在外磁场作用下，从磁中性状态到饱和状态的过程。磁化强度（M）与磁场强度（H）之间呈非线性关系，其物理根源在于磁性材料内存在自发磁化。在磁化曲线（图中的0-a曲线）上可分为四个磁化阶段，即：起始磁化区、瑞利区、陡峭区和趋近饱和区。

磁化曲线、磁滞回线示意图

磁化过程主要归纳为两种基本机制：畴壁位移（在有效场H作用下，自发磁化方向接近于H方向的磁畴长大，而与H方向偏离较大的近邻磁畴相应缩小，从而使畴壁发生位置变化的过程）和磁畴转动（在有效场H作用下，磁畴内所有磁矩一致向着H方向转动的过程）。磁化过程大致包括以下几个阶段：

（1）可逆磁化阶段：若H退回到零，其M趋于零。同时存在：畴壁位移（金属软磁材料和磁导率μ_i较高的铁氧体中以此为主）；磁畴磁矩转动（在μ_i不高的铁氧体中以此为主）。

（2）不可逆磁化阶段：主要指不可逆壁移，与材料晶格缺陷、掺杂和内应力等因素有关。

（3）磁畴磁矩的转动：此时样品内部的畴壁位移已基本完毕，要使M增加，只有靠磁畴磁矩的转动来实现。一般情况下，可逆与不可逆畴转同时发生与这个阶段。不可逆畴转过程来自各向异性的起伏变化，与缺陷无关。

（4）趋近饱和阶段：磁畴磁矩的可逆转动造成强H下M的缓慢增加，并逐渐趋于技术磁化饱和。符合趋近饱和定律，公式如下：

其中：系数a、b代表了技术磁化过程所受磁化阻力的大小，与材料性能有关；χ_p为顺磁磁化率。

利用磁化曲线测试可计算以下静态磁参数：

（1）饱和磁化强度Ms

逐渐增加磁场，将材料磁化至饱和状态，根据M-H曲线中的最大磁矩μ_max计算样品的饱和磁化强度Ms，计算方法如下公式：

其中：样品体积V可根据密度和质量进行计算。

（2）磁晶各向异性常数K₁测试

根据公式（1）对磁化曲线的趋近饱和区进行拟合，由拟合结果确定公式中的b值。

立方晶系各向异性多晶体b的表达式为：

由公式（3）可计算材料的磁晶各向异性常数K₁。

（3） 各向异性场Ha测试

对于取向的多晶永磁铁氧体片状样品，分别沿面内外磁化至饱和，测量面内外的磁化曲线，两条曲线的交点对应的磁场即为各向异性场Ha。面内外磁化方向分别为其难、易磁化方向。

2. 磁滞回线测试原理

铁磁体从一个方向上的技术饱和磁化状态变为反向的技术饱和磁化状态的过程称为反磁化过程。如图所示，磁化至趋近饱和后（图中a点)，如果将H降低到H=0（图中b点）时，M=Mr，称为剩余磁化。如果再使H反向增加至H=-Hc，磁化强度消失M=0，Hc称为矫顽力，其大小反映铁磁材料保持剩磁状态的能力。沿a→b→c→d→e→f→a顺序变化得到闭合的M-H曲线，称为磁滞回线。磁性材料的反磁化过程，包含在磁滞回线中，即从磁滞回线中第一象限技术磁化饱和状态至第三象限的技术磁化饱和状态的过程。

铁磁体内由于存在应力起伏、杂质及广义磁各向异性引起的不可逆磁化是导致磁滞并形成磁滞回线的原因。根据反磁化过程的阻滞原因分析，磁滞机制可分为：不可逆壁移、不可逆畴转、反磁化核成长。实验证明：磁化曲线和磁滞回线灵敏地依赖于磁性材料的微观结构，如晶粒大小、晶粒排列取向、内应力、成分起伏等。

3. 居里温度测试原理

铁磁体的磁化强度与温度密切相关，随着温度上升，自发磁化强度呈下降趋势，当温度上升至一定程度时，物质内部由磁有序转变为磁无序，即转变为顺磁性，此时磁矩混乱取向，总磁化强度矢量和为零，发生磁性转变的温度点称为居里温度。在居里温度以下，大多数尖晶石型和磁铅石型铁氧体的Ms-T曲线为P型和Q型，大多数石榴石铁氧体的Ms-T曲线为N型。由于晶体中各次晶格上磁性离子的种类和数量以及次晶格间的交换作用强弱，会导致各次晶格上自发磁化强度随温度的变化率不一样，从而使得其Ms-T曲线也不相同。

亚铁磁性物质磁化强度的温度曲线

实验内容

环节一、磁化曲线测试分析

本环节实验测试不同软、硬磁材料的磁化曲线，学会饱和磁化强度Ms、磁晶各向异性常数K₁、各向异性场Ha的测试原理与方法；熟悉技术磁化的基本理论，理解在外场作用下强磁性物质内部磁畴运动变化的规律，加深对磁化过程中磁化机制的理解。

不同材料磁化曲线测试虚拟仿真实验结果

环节二、磁滞回线测试分析

本环节实验测试不同软、硬磁材料的磁滞回线，确定各类材料的基本参数（4πMs，Hc, Mr等）；改变磁场条件，观察磁滞回线的变化，分析不同材料磁滞回线的差异。学生还可以选取不同结构与制备工艺的样品，进一步探究显微结构、制备工艺与材料物性参数之间的关系，加深对反磁化过程中磁化机制的理解。

不同材料磁滞回线测试虚拟仿真实验结果

磁滞回线测试分析虚拟仿真操作流程

环节三、居里温度测试分析

学生可以在本实验环节选择不同成分材料测试其Ms-T曲线，计算相应材料的居里温度，对照材料结构分析居里温度变化的机理。

居里温度测试虚拟仿真实验结果