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“變頻交流磁化率測(cè)定儀”讓使用者測(cè)量磁性樣品在不同頻率的交變磁場(chǎng)下的交流磁化率的實(shí)部與虛部。此測(cè)量儀不僅可作為測(cè)量磁性物質(zhì)磁性特點(diǎn)的分析儀，亦可用作測(cè)量磁性物質(zhì)濃度的儀器。由于此測(cè)定儀具有操作簡單、測(cè)量時(shí)間短、重復(fù)性好、所需樣品量少等特點(diǎn)，目前已逐漸被應(yīng)用于磁性研究、大學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)及磁性材料生產(chǎn)品管等。本文將介紹此變頻交流磁化率測(cè)量儀設(shè)計(jì)原理、功能及應(yīng)用范例。

原理：

磁性物質(zhì)具有自發(fā)性的磁偶極（Magnetic dipole），在外加磁場(chǎng)下，物質(zhì)中的磁偶極方向會(huì)因外界磁場(chǎng)作用而傾向沿著外加磁場(chǎng)方向。而當(dāng)外加磁場(chǎng)是交變磁場(chǎng)且交流頻率不太高時(shí)（一般在微波頻率以下），磁偶極的方向可隨著此外加交變磁場(chǎng)，做來回周期性振蕩，此即交流磁化率的物理原因。

磁偶極的振蕩頻率與外加交變磁場(chǎng)頻率一致，但瞬間磁偶極方向并不一定與外加磁場(chǎng)方向相同，其間的差異可用磁偶極相對(duì)外加交變磁場(chǎng)的周期性振蕩相位差來代表。因此，一個(gè)材料的交流磁化率X_oc可以表示成X_oe^-iθ，其中X_o代表材料磁導(dǎo)率強(qiáng)度，而θ就是材料磁偶距相對(duì)外加交變磁場(chǎng)的周期性振蕩相位差。為充分說明相位差的概念，圖1中畫出外加交變磁場(chǎng)H與樣品磁偶極M隨時(shí)間的變化。當(dāng)某一瞬間時(shí)間點(diǎn)，H到達(dá)**值，但M卻尚未到達(dá)**值，而是在該瞬間點(diǎn)一段時(shí)間后（ㅿt），才到達(dá)**值。這樣的現(xiàn)象即稱為磁偶極與外加交變磁場(chǎng)間的相位差。相位差θ的大小為（ㅿt/T/π）×180°，其中T為外加交變磁場(chǎng)振蕩周期。

除了以磁導(dǎo)率強(qiáng)度X_o及相位差θ來表示材料的交流磁導(dǎo)率X_oc外，若將X_oe^-iθ展開成復(fù)數(shù)形式X_ocosθ-iX_osinθ，X_αc可表示為X_r+iX_i，X_r=X_ocosθ，稱為交流磁化率實(shí)部（real part，Re[X_αc]），而X_i=-X_osinθ，稱為交流磁化率虛部（imaginary part，Im[X_αc]）。所以，材料的交流磁化率X_αc亦可用Re[X_αc]及Im[X_αc]來表示。而交流磁化率測(cè)量儀就是在測(cè)量Re[X_αc]及Im[X_αc]（或X_o及θ）。其中值得注意的是，Im[X_αc]所代表的物理意義，是該磁性材料對(duì)外加交變磁場(chǎng)能量的吸收；Im[X_αc]愈大，表示該磁性材料愈會(huì)吸收外加磁場(chǎng)的能量。

當(dāng)外加交變磁場(chǎng)的頻率改變時(shí)，磁性物質(zhì)之交流磁化率也會(huì)隨之變化；但各種磁性材料交流磁化率隨外加交流磁場(chǎng)頻率的變化反應(yīng)不盡相同。本文中所述及的變頻交流磁化率測(cè)量儀，其主要功能即是測(cè)量磁性物質(zhì)在不同頻率下的Re[X_αc]及Im[X_αc]，調(diào)頻范圍為10Hz到25KHz。

應(yīng)用：

實(shí)例一：磁性流體交流磁化率隨外加交變磁場(chǎng)頻率的特性研究

磁性流體是一種含有磁性粒子的液體，例如我們可以將Fe3O4磁性納米粒子用親水性的葡聚糖（dextran）包覆著，再將這些磁性納米粒子分散在水中，即是水基磁性流體。我們?nèi)∑骄Ｗ又睆酱蠹s為60納米、飽和磁化率為8.4emu/g的水基磁性流體0.1ml，注入樣品管中。使用此臺(tái)變頻交流磁化率測(cè)量儀測(cè)量此磁性流體在不同頻率下的Re[X_αc]和Im[X_αc]，結(jié)果如圖2所示。

由圖2的結(jié)果可知，在低頻下（＜3000Hz），Re[X_αc]_Nor幾乎是個(gè)定值，不隨外加交變磁場(chǎng)的頻率而改變。而當(dāng)外加交變磁場(chǎng)頻率高于3000Hz后，Re[X_αc]_Nor隨著頻率的增加而持續(xù)降低。而Im[X_αc]_Nor隨外加交變磁場(chǎng)頻率的變化表現(xiàn)與Re[X_αc]_Nor完全不同，Im[X_αc]_Nor在某一特定頻率時(shí)（如圖2中的13000Hz）出現(xiàn)**值。此結(jié)果表示，該磁性流體對(duì)頻率為13000Hz的交流磁場(chǎng)之能量吸收*強(qiáng)。

相對(duì)應(yīng)于Im[X_αc]_Nor**值的頻率，會(huì)隨許多材料因素而定，如磁性材料的組成成分、磁性納米粒子的大小、測(cè)量溫度等。因此，現(xiàn)今有許多合成磁性材料的研究人員，使用本變頻交流磁化率儀測(cè)量當(dāng)磁性材料本身組成改變時(shí)，材料Re[X_αc]_Nor及Im[X_αc]_Nor隨外加交變磁場(chǎng)頻率的變化行為，籍以探討材料組成成分對(duì)材料中磁偶極動(dòng)力學(xué)特性的影響。

實(shí)例二：材料磁性濃度測(cè)量

當(dāng)合成出磁性材料后，我們經(jīng)常要測(cè)量該磁性材料的磁性濃度。現(xiàn)今有許多儀器可供做磁性濃度測(cè)量，如震動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)（Vibrating Sample Magnetometer VSM）、超導(dǎo)量子干涉振動(dòng)磁量儀（SQUID magnetometer）及電感耦合等離子發(fā)射光譜儀（ICP）。這些儀器雖然有很好的功能，但都是高價(jià)儀器，不僅價(jià)格高、操作不易，使用及維護(hù)成本也不低，一般實(shí)驗(yàn)室購買有困難。因此讓許多研究單位或磁性材料生產(chǎn)廠商不易對(duì)所生產(chǎn)或合成出的磁性材料進(jìn)行檢測(cè)，及時(shí)測(cè)知該材料的磁性濃度。本文中所介紹的變頻交流磁化率測(cè)量儀，可解決使用者這些方面的困擾。

一般磁性材料的磁性濃度表示法有兩種：其一是以emu/g表示，其二是以鐵含量mg-Fe/ml(或mg-Fe/Kg)表示。而本變頻交流磁化率測(cè)量儀乃是藉由測(cè)量磁性材料在特定交流頻率下的Re[X_αc]大小來決定磁性濃度。理論上，磁性濃度愈高時(shí)，表示單位體積（或質(zhì)量）材料中的磁偶極強(qiáng)度愈強(qiáng)，這會(huì)反映出愈高的Re[X_αc]。所以，透過磁性濃度與Re[X_αc]間的關(guān)系，我們可以從測(cè)量到的Re[X_αc]得到待測(cè)樣品的磁性濃度。圖3即是一例。

圖3中，我們?nèi)∫桓叽判詽舛鹊拇郎y(cè)樣品（如磁性流體），先使用高價(jià)儀器測(cè)得該樣品的實(shí)際磁性濃度（如5.0mg-Fe/ml），接著將高濃度的樣品稀釋成不同磁性濃度的樣品，此時(shí)這些樣品的濃度都可以依稀釋倍率得知。使用可變頻交流磁化率測(cè)量儀測(cè)量這些不同磁性濃度的樣品，可得到每一個(gè)樣品的Re[X_αc]。如此，我們可以建立一條磁性濃度與Re[X_αc]的相關(guān)曲線，如圖3所示。往后，使用者只要是合成出相同材料的磁性樣品，就可透過如圖3中的曲線，在短短的3分鐘內(nèi)，測(cè)出材料的磁性濃度。

特點(diǎn)說明：

1. 所需樣品量小：僅需0.1ml磁性樣品，即可進(jìn)行測(cè)量
2. 測(cè)量速度快：每秒鐘采樣一次，每個(gè)樣品測(cè)量時(shí)間少于一分鐘
3. 軟件界面簡單，操作方便
4. 儀器體積小、重量輕、方便移動(dòng)
5. 可針對(duì)各種樣品形態(tài)進(jìn)行測(cè)試，例如：液體、粉體、薄膜、塊狀樣品