王錦輝,夏成杰,孫晶晶,沈?qū)W浩,黃學(xué)東,周 紅,楊文明

(上海交通大學(xué)物理系,上海200240)

鈷基非晶絲的巨磁阻抗效應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

王錦輝,夏成杰,孫晶晶,沈?qū)W浩,黃學(xué)東,周 紅,楊文明

(上海交通大學(xué)物理系,上海200240)

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

巨磁阻抗;Co基非晶絲;趨膚效應(yīng)

1 引 言

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

當(dāng)頻率較低時(shí),趨膚效應(yīng)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(dǎo)率有關(guān),當(dāng)磁場變化時(shí),磁疇結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,進(jìn)而影響磁導(dǎo)率.當(dāng)頻率較高時(shí),趨膚效應(yīng)不可忽略.電阻和電感分量都是頻率和磁導(dǎo)率的函數(shù),當(dāng)外磁場改變時(shí),磁導(dǎo)率改變,趨膚深度也發(fā)生變化.進(jìn)而電阻和電感分量都會發(fā)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(yīng)的影響.

2 原 理

通常利用阻抗分析儀測量巨磁阻抗效應(yīng),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(lián),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(jié)果表明當(dāng) r較小,且交流信號頻率在幾M Hz到幾十M Hz時(shí),Ur比Us小得多.又由于r基本不受磁場、頻率等參數(shù)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(shí)驗(yàn)原理圖

3 實(shí)驗(yàn)裝置簡介

利用W Y1053B高頻信號發(fā)生器產(chǎn)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(chǎn)生200 m T以下的均勻磁場.特斯拉計(jì)實(shí)時(shí)檢測磁場大小,40 M Hz數(shù)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(shí)驗(yàn)均在室溫下進(jìn)行.

圖2 測試原理圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

圖3(a)為信號幅度為1 V時(shí),rUs/Ur以及MG隨頻率變化曲線.從圖中可以看出:不加磁場時(shí),rUs/Ur在0.5～15 M Hz范圍內(nèi)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(xiàn)一個(gè)峰.當(dāng)頻率超過25 M Hz時(shí)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(nèi),MG約為-55%.對于信號幅度為2 V時(shí)[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(nèi),MG約為-50%.

圖4為信號頻率分別是9 M Hz和19 M Hz時(shí),MG隨外加磁場的變化曲線.在 f=9 M Hz,當(dāng)外場從0增加到40 m T時(shí),MG從0迅速減小到-40%左右.進(jìn)一步增加磁場,MG變化較小.當(dāng)頻率固定為19 M Hz時(shí),外場僅是30 m T,MG可達(dá)-45%.當(dāng)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(jié)束語

該巨磁阻抗實(shí)驗(yàn)裝置可在較弱的磁場下得到較大的巨磁阻抗效應(yīng).同時(shí)與巨磁電阻實(shí)驗(yàn)相比[5],巨磁阻抗實(shí)驗(yàn)不需要低溫.因此可作為當(dāng)前物理學(xué)科研成果與高等學(xué)校物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合的一個(gè)較容易開展的新實(shí)驗(yàn)、新項(xiàng)目.在實(shí)驗(yàn)過程中,能幫助學(xué)生理解交流阻抗、趨膚效應(yīng)、磁導(dǎo)率、磁疇等概念以及巨磁阻抗效應(yīng)的物理機(jī)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(xué)講座:第一講新一類磁傳感效應(yīng)——巨磁阻抗效應(yīng)[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(shí)驗(yàn),2004,24(1):44-45.

[5]張朝民,張欣,陸申龍,等.巨磁電阻效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀的研制與應(yīng)用[J].物理實(shí)驗(yàn),2009,29(6):15-19.

[責(zé)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(xué)校物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)研討會”論文

2010-06-01;修改日期:2010-09-03

國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目;上海大學(xué)生創(chuàng)新活動(dòng)計(jì)劃(No.IAP3041)

王錦輝(1969-),男,江蘇淮安人,上海交通大學(xué)物理系副教授,研究方向?yàn)榇判圆牧?