鈷基非晶絲的巨磁阻抗效應實驗裝置設計

王錦輝,夏成杰,孫晶晶,沈學浩,黃學東,周 紅,楊文明

(上海交通大學物理系,上海200240)

鈷基非晶絲的巨磁阻抗效應實驗裝置設計

王錦輝,夏成杰,孫晶晶,沈學浩,黃學東,周 紅,楊文明

(上海交通大學物理系,上海200240)

介紹了巨磁阻抗效應的原理,提出了測量方法,分析巨磁阻抗效應隨頻率、外加磁場的變化規律.研究表明在6～21 M Hz范圍內,100 m T磁場下巨磁阻抗可達-50%以上,并且在30～40 m T磁場下巨磁阻抗即可達到-40%.

巨磁阻抗;Co基非晶絲;趨膚效應

1 引 言

1992年日本名古屋大學毛利佳年雄教授發現鈷基非晶絲通以高頻交流電時,絲兩端交流電壓振幅隨外加磁場改變而發生很大變化,這主要是由于材料阻抗的改變導致的[1-2].材料的交流阻抗隨外加直流磁場而發生很大變化的現象稱為巨磁阻抗(giant magnetoimpedance,簡稱 GM I,用MG表示)效應.巨磁阻抗效應在高靈敏度新型傳感器、磁記錄頭、電磁參數測量等方面具有比傳統的磁敏元件更高的靈敏度,更快的響應速度并且溫度穩定、無磁滯現象,近來成為凝聚態物理研究領域的一個熱點.

當頻率較低時,趨膚效應可以忽略.阻抗中的電阻隨外磁場變化較小,阻抗隨外磁場的改變主要源自于電感的變化.電感與磁導率有關,當磁場變化時,磁疇結構發生改變,進而影響磁導率.當頻率較高時,趨膚效應不可忽略.電阻和電感分量都是頻率和磁導率的函數,當外磁場改變時,磁導率改變,趨膚深度也發生變化.進而電阻和電感分量都會發生較大變化[3-4].

本文搭建了巨磁阻抗測試裝置,研究了磁場、交流頻率等因素對Co基非晶絲的巨磁阻抗效應的影響.

2 原 理

通常利用阻抗分析儀測量巨磁阻抗效應,然而阻抗分析儀較為昂貴,本文利用非晶絲和直流電阻串聯,分別測量電阻兩端的電壓振幅Ur和高頻信號源輸出的電壓振幅Us(圖1).有:

式中 Z為Co基非晶絲的阻抗,Z=R+j X,R和X分別是阻抗的電阻和電抗部分.則有

因此

測量結果表明當 r較小,且交流信號頻率在幾M Hz到幾十M Hz時,Ur比Us小得多.又由于r基本不受磁場、頻率等參數的影響.因此可以用來表示|Z|隨外場和頻率的變化.定義:

圖1 實驗原理圖

3 實驗裝置簡介

利用W Y1053B高頻信號發生器產生高頻信號,最高頻率為50 M Hz.采用JBP-150(30 V,5 A)可編程直流恒流源提供電磁鐵電流,產生200 m T以下的均勻磁場.特斯拉計實時檢測磁場大小,40 M Hz數字存儲示波器 TDS210測量Ur和Us.長2 cm直徑約為130μm的Co基非晶絲固定在夾具上,放入均勻的磁場中.圖2為測試原理圖.所有實驗均在室溫下進行.

圖2 測試原理圖

4 實驗結果與分析

圖3(a)為信號幅度為1 V時,rUs/Ur以及MG隨頻率變化曲線.從圖中可以看出:不加磁場時,rUs/Ur在0.5～15 M Hz范圍內基本保持不變;加上100 m T磁場后,rUs/Ur有較大幅度的增加,而且隨頻率變化呈現一個峰.當頻率超過25 M Hz時加場和不加場兩條曲線基本重合,并呈諧振特性.這可能是外加頻率接近電路的固有共振頻率.在 6～21 M Hz范圍內,MG約為-55%.對于信號幅度為2 V時[圖3(b)],rUs/Ur以及 MG隨頻率變化基本類似.在5～20 M Hz范圍內,MG約為-50%.

圖4為信號頻率分別是9 M Hz和19 M Hz時,MG隨外加磁場的變化曲線.在 f=9 M Hz,當外場從0增加到40 m T時,MG從0迅速減小到-40%左右.進一步增加磁場,MG變化較小.當頻率固定為19 M Hz時,外場僅是30 m T,MG可達-45%.當外場增加至 100 m T,MG為-48%.

圖3 巨磁阻抗M G以及 rU s/U r隨頻率變化

圖4 巨磁阻抗M G隨外加磁場變化

5 結束語

該巨磁阻抗實驗裝置可在較弱的磁場下得到較大的巨磁阻抗效應.同時與巨磁電阻實驗相比[5],巨磁阻抗實驗不需要低溫.因此可作為當前物理學科研成果與高等學校物理實驗教學相結合的一個較容易開展的新實驗、新項目.在實驗過程中,能幫助學生理解交流阻抗、趨膚效應、磁導率、磁疇等概念以及巨磁阻抗效應的物理機制.

[1]Mohri K,Kawashima K,Kohzawa T,et al.Magnetoinductive effect in amo rphous w ires[J].IEEE Trans.Magn.,1992,28(5):3150-3152.

[2]Panina L V,Mohri K.Magneto impedance effect in amorphous w ires[J].App l.Phy.Lett.,1994,65(9):1189-1191.

[3]劉宜華.磁電子學講座:第一講新一類磁傳感效應——巨磁阻抗效應[J].物理,1997,26(7):437-440.

[4]尹昭泰,鄭法偉,朱峰.鎳絲在不同頻率下的趨膚深度的測量[J].物理實驗,2004,24(1):44-45.

[5]張朝民,張欣,陸申龍,等.巨磁電阻效應實驗儀的研制與應用[J].物理實驗,2009,29(6):15-19.

[責任編輯:郭 偉]

Experimental equipment for giantmagnetic impedance effect of Co-based amorphous wires

WANG Jin-hui,X IA Cheng-jie,SUN Jing-jing,SHENG Xue-hao,HUANG Xue-dong,ZHOU Hong,YANGWen-ming
(Department of Physics,Shanghai Jiao Tong U niversity,Shanghai 200240,China)

The giantmagnetic impedance effects(GM I)of Co-based amorphousw ireswere measured.The effects of frequency and externalmagnetic field H on GM Iwere investigated.It was found that GM Iwasmo re than-50%at H=100 m T w ith f requencies range f rom 6 M Hz to 21 M Hz,and about-40%w ith magnetic field range from 30 m T to 40 m T.

giant magnetic impedance;Co-based amo rphous w ires;skin effect

O482.5

A

1005-4642(2011)02-0035-03

“第6屆全國高等學校物理實驗教學研討會”論文

2010-06-01;修改日期:2010-09-03

國家級實驗教學示范中心創新性實驗教學項目;上海大學生創新活動計劃(No.IAP3041)

王錦輝(1969-),男,江蘇淮安人,上海交通大學物理系副教授,研究方向為磁性材料.