王锦辉,夏成杰,孙晶晶,沈学浩,黄学东,周 红,杨文明

(上海交通大学物理系,上海200240)

钴基非晶丝的巨磁阻抗效应实验装置设计

王锦辉,夏成杰,孙晶晶,沈学浩,黄学东,周 红,杨文明

(上海交通大学物理系,上海200240)

介绍了巨磁阻抗效应的原理,提出了测量方法,分析巨磁阻抗效应随频率、外加磁场的变化规律.研究表明在6～21 M Hz范围内,100 m T磁场下巨磁阻抗可达-50%以上,并且在30～40 m T磁场下巨磁阻抗即可达到-40%.

巨磁阻抗;Co基非晶丝;趋肤效应

1 引 言

1992年日本名古屋大学毛利佳年雄教授发现钴基非晶丝通以高频交流电时,丝两端交流电压振幅随外加磁场改变而发生很大变化,这主要是由于材料阻抗的改变导致的[1-2].材料的交流阻抗随外加直流磁场而发生很大变化的现象称为巨磁阻抗(giant magnetoimpedance,简称 GM I,用MG表示)效应.巨磁阻抗效应在高灵敏度新型传感器、磁记录头、电磁参数测量等方面具有比传统的磁敏元件更高的灵敏度,更快的响应速度并且温度稳定、无磁滞现象,近来成为凝聚态物理研究领域的一个热点.

当频率较低时,趋肤效应可以忽略.阻抗中的电阻随外磁场变化较小,阻抗随外磁场的改变主要源自于电感的变化.电感与磁导率有关,当磁场变化时,磁畴结构发生改变,进而影响磁导率.当频率较高时,趋肤效应不可忽略.电阻和电感分量都是频率和磁导率的函数,当外磁场改变时,磁导率改变,趋肤深度也发生变化.进而电阻和电感分量都会发生较大变化[3-4].

本文搭建了巨磁阻抗测试装置,研究了磁场、交流频率等因素对Co基非晶丝的巨磁阻抗效应的影响.

2 原 理

通常利用阻抗分析仪测量巨磁阻抗效应,然而阻抗分析仪较为昂贵,本文利用非晶丝和直流电阻串联,分别测量电阻两端的电压振幅Ur和高频信号源输出的电压振幅Us(图1).有:

式中 Z为Co基非晶丝的阻抗,Z=R+j X,R和X分别是阻抗的电阻和电抗部分.则有

因此

测量结果表明当 r较小,且交流信号频率在几M Hz到几十M Hz时,Ur比Us小得多.又由于r基本不受磁场、频率等参数的影响.因此可以用来表示|Z|随外场和频率的变化.定义:

图1 实验原理图

3 实验装置简介

利用W Y1053B高频信号发生器产生高频信号,最高频率为50 M Hz.采用JBP-150(30 V,5 A)可编程直流恒流源提供电磁铁电流,产生200 m T以下的均匀磁场.特斯拉计实时检测磁场大小,40 M Hz数字存储示波器 TDS210测量Ur和Us.长2 cm直径约为130μm的Co基非晶丝固定在夹具上,放入均匀的磁场中.图2为测试原理图.所有实验均在室温下进行.

图2 测试原理图

4 实验结果与分析

图3(a)为信号幅度为1 V时,rUs/Ur以及MG随频率变化曲线.从图中可以看出:不加磁场时,rUs/Ur在0.5～15 M Hz范围内基本保持不变;加上100 m T磁场后,rUs/Ur有较大幅度的增加,而且随频率变化呈现一个峰.当频率超过25 M Hz时加场和不加场两条曲线基本重合,并呈谐振特性.这可能是外加频率接近电路的固有共振频率.在 6～21 M Hz范围内,MG约为-55%.对于信号幅度为2 V时[图3(b)],rUs/Ur以及 MG随频率变化基本类似.在5～20 M Hz范围内,MG约为-50%.

图4为信号频率分别是9 M Hz和19 M Hz时,MG随外加磁场的变化曲线.在 f=9 M Hz,当外场从0增加到40 m T时,MG从0迅速减小到-40%左右.进一步增加磁场,MG变化较小.当频率固定为19 M Hz时,外场仅是30 m T,MG可达-45%.当外场增加至 100 m T,MG为-48%.

图3 巨磁阻抗M G以及 rU s/U r随频率变化

图4 巨磁阻抗M G随外加磁场变化

5 结束语

该巨磁阻抗实验装置可在较弱的磁场下得到较大的巨磁阻抗效应.同时与巨磁电阻实验相比[5],巨磁阻抗实验不需要低温.因此可作为当前物理学科研成果与高等学校物理实验教学相结合的一个较容易开展的新实验、新项目.在实验过程中,能帮助学生理解交流阻抗、趋肤效应、磁导率、磁畴等概念以及巨磁阻抗效应的物理机制.

[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]刘宜华.磁电子学讲座:第一讲新一类磁传感效应——巨磁阻抗效应[J].物理,1997,26(7):437-440.

[4]尹昭泰,郑法伟,朱峰.镍丝在不同频率下的趋肤深度的测量[J].物理实验,2004,24(1):44-45.

[5]张朝民,张欣,陆申龙,等.巨磁电阻效应实验仪的研制与应用[J].物理实验,2009,29(6):15-19.

[责任编辑:郭 伟]

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届全国高等学校物理实验教学研讨会”论文

2010-06-01;修改日期:2010-09-03

国家级实验教学示范中心创新性实验教学项目;上海大学生创新活动计划(No.IAP3041)

王锦辉(1969-),男,江苏淮安人,上海交通大学物理系副教授,研究方向为磁性材料.