材料物理-23(1230)P.pdf

MSEMSE 6 2 4 铁磁体的形状各向异性及退磁能铁磁体的形状各向异性及退磁能 铁磁体在磁场中的能量为铁磁体在磁场中的能量为静磁能 静磁能 包括 铁磁体的形状不同 其 退磁能不同 导致磁化 形为不同 称为 包括 铁磁体的形状不同 其 退磁能不同 导致磁化 形为不同 称为形状各 向异性 形状各 向异性 铁磁体与外磁场的相互作用能 铁磁体与外磁场的相互作用能 铁磁体在自身退磁场中的能量 称为退 磁能 铁磁体在自身退磁场中的能量 称为退 磁能 MSEMSE 退磁场退磁场 当铁磁体表面出现磁极后 除在铁磁体周围空间产生磁场外 在铁磁体内部也产生磁场 这 一磁场与铁磁体的磁化方向相反 起到退磁作用 当铁磁体表面出现磁极后 除在铁磁体周围空间产生磁场外 在铁磁体内部也产生磁场 这 一磁场与铁磁体的磁化方向相反 起到退磁作用 称为退磁场 称为退磁场 d HNM N 退磁因子与铁磁体形状有关 退磁因子与铁磁体形状有关 退磁场与磁化强度成正比 退磁场与磁化强度成正比 退磁场与铁磁体形状有关 退磁场与铁磁体形状有关 负号表示退磁场方向与磁化强度相反 负号表示退磁场方向与磁化强度相反 6 25 MSEMSE 单位体积的退磁能单位体积的退磁能 0 M dd EH dM 2 0 1 2 M NM dMNM 6 27 MSEMSE 6 2 5 磁滞伸缩与磁弹性能磁滞伸缩与磁弹性能 线磁致伸缩系数 设铁磁体原来的尺寸为 线磁致伸缩系数 设铁磁体原来的尺寸为 l0 放在磁场中磁 化时 尺寸变化为 放在磁场中磁 化时 尺寸变化为 l 长度的相对变化为 长度的相对变化为 0 0 ll l 铁磁体在磁场中磁化 形状与尺寸均会发生铁磁体在磁场中磁化 形状与尺寸均会发生 变化 该现象称为磁致伸缩 变化 该现象称为磁致伸缩 6 28 MSEMSE 随着外磁场的增加 铁磁体的 磁化强度增加 也增大 铁磁体达到磁化饱和时 相应 的磁致伸缩系数也饱和 磁致 伸缩系数 随着外磁场的增加 铁磁体的 磁化强度增加 也增大 铁磁体达到磁化饱和时 相应 的磁致伸缩系数也饱和 磁致 伸缩系数 s 10 6 10 3之间 之间 沿磁场方向尺寸伸长 正磁致伸缩 沿磁场方向尺寸缩短 负磁致伸缩 沿磁场方向尺寸伸长 正磁致伸缩 沿磁场方向尺寸缩短 负磁致伸缩 0 0 磁滞伸缩系数磁滞伸缩系数 MSEMSE 体积磁致伸缩系数体积磁致伸缩系数 设铁磁体原来的体积为设铁磁体原来的体积为Vo 磁化后体积为 磁化后体积为V 体积的相对变化为 体积的相对变化为 体积磁致伸缩系数体积磁致伸缩系数 00 VVV 除因瓦合金以外 一般铁磁体的除因瓦合金以外 一般铁磁体的 在在10 8 10 10 可忽略 可忽略 磁化场小于饱和磁化场磁化场小于饱和磁化场 Hs 时 只有线磁 致伸缩 时 只有线磁 致伸缩 MSEMSE 有关磁致伸缩有关磁致伸缩 2 s 31 cos 23 6 30 对于正磁致伸缩的材料 其磁化方向伸长 时 横向要缩短 对于正磁致伸缩的材料 其磁化方向伸长 时 横向要缩短 与磁化方向成与磁化方向成 角的磁致伸缩系数角的磁致伸缩系数可表示 为 可表示 为 MSEMSE 磁致伸缩具有各向异性 磁致伸缩具有各向异性 有关磁致伸缩有关磁致伸缩 续续 对于多晶体 取磁致伸缩系数的平均值 对于多晶体 取磁致伸缩系数的平均值 s s 23 5 6 31 MSEMSE 磁弹性能磁弹性能 物体在磁化时尺寸发生变化 如果受到限 制 则在物体内部产生应力 由此物体能量 升高 高出的这部分能量就称为 物体在磁化时尺寸发生变化 如果受到限 制 则在物体内部产生应力 由此物体能量 升高 高出的这部分能量就称为磁弹性能磁弹性能 2 3 sin 2 s E 单位体积的磁弹性能单位体积的磁弹性能 6 32 磁化方向和应力方向的夹角 磁化方向和应力方向的夹角 材料所受应力 材料所受应力 多晶体磁化时由于应力存在而引起的磁弹性能为多晶体磁化时由于应力存在而引起的磁弹性能为 MSEMSE 第第6章 材料磁性能章 材料磁性能 6 1 磁学基本量及磁性分类磁学基本量及磁性分类 6 2 铁磁性和亚铁磁性材料的特性铁磁性和亚铁磁性材料的特性 6 3 磁性材料的自发磁化和技术磁化磁性材料的自发磁化和技术磁化 6 4 磁性材料的动态特性磁性材料的动态特性 6 5 磁性材料磁性材料 6 6 信息存储磁性材料信息存储磁性材料 MSEMSE 6 3 磁性材料的自发磁化和技术磁化磁性材料的自发磁化和技术磁化 铁磁性与顺磁性为什么不一样 铁磁性与顺磁性为什么不一样 外斯假说 铁磁体内部存在很强的外斯假说 铁磁体内部存在很强的 分子场分子场 在在 分 子场 分 子场 的作用下 原子磁矩趋于同向平行排列 即 自发磁化至饱和称为 的作用下 原子磁矩趋于同向平行排列 即 自发磁化至饱和称为自发磁化自发磁化 为什么许多铁磁体对外不显示磁性 为什么许多铁磁体对外不显示磁性 铁磁体自发磁化分成若干个小区域 这种自发磁化 至饱和的小区域称为 铁磁体自发磁化分成若干个小区域 这种自发磁化 至饱和的小区域称为磁畴磁畴 由于各个磁畴的磁化方 向各不相同 磁性彼此相互抵消 导致铁磁体对外不显示磁性 由于各个磁畴的磁化方 向各不相同 磁性彼此相互抵消 导致铁磁体对外不显示磁性 MSEMSE 6 3 1 自发磁化理论自发磁化理论 铁磁性材料的磁性是自发产生的 所谓磁化过程只不过是把物质本身的磁性 显示出来 而不是由外界向物质提供磁性 的过程 铁磁性材料的磁性是自发产生的 所谓磁化过程只不过是把物质本身的磁性 显示出来 而不是由外界向物质提供磁性 的过程 铁磁性 反铁磁性与亚铁磁性 磁畴 铁磁性 反铁磁性与亚铁磁性 磁畴 MSEMSE 铁磁性产生的原因铁磁性产生的原因 原子具有磁矩 原子具有磁矩 与电子结构有关 原子中存在没有被电子填满 的状态 与电子结构有关 原子中存在没有被电子填满 的状态 原子磁矩规则排列 原子磁矩规则排列 与晶体结构有关 形成晶体时 原子之间的相 互作用 与晶体结构有关 形成晶体时 原子之间的相 互作用 MSEMSE 自发磁化理论自发磁化理论 原子之间相互接近形成分子时 电子云相互 重叠 产生相互作用 对于过渡族元素 原子的 原子之间相互接近形成分子时 电子云相互 重叠 产生相互作用 对于过渡族元素 原子的 3d 状态与状态与 s 态能量 相差不大 它们的电子云相互重叠 使 态能量 相差不大 它们的电子云相互重叠 使 s d 态电 子再分配 这种作用便产生一种交换能 态电 子再分配 这种作用便产生一种交换能 Eex 由量 子力学得到 由量 子力学得到 2 2cos ex EA A 交换积分常数 交换积分常数 相邻原子磁矩夹角 相邻原子磁矩夹角 MSEMSE 交换积分常数交换积分常数 A 0 相邻原子磁矩排列相同 从而实现自发磁化 相邻原子磁矩排列相同 从而实现自发磁化 A 0 相邻原子磁矩排列紊乱 为顺磁 相邻原子磁矩排列紊乱 为顺磁 A 0 MSEMSE 温度对铁磁性的影响温度对铁磁性的影响 温度高于居里温度时 完全破坏了原子磁矩的 规则取向 铁磁性变为 顺磁性 温度高于居里温度时 完全破坏了原子磁矩的 规则取向 铁磁性变为 顺磁性 自发磁化强度降低自发磁化强度降低 当温度升高时原子 间距加大 降低了 交换作用 当温度升高时原子 间距加大 降低了 交换作用 热运动不断破坏原 子磁矩的规则取向 热运动不断破坏原 子磁矩的规则取向 MSEMSE 反铁磁性与亚铁磁性反铁磁性与亚铁磁性 交换积分常数交换积分常数 A 0 时 原子磁矩取反向平行排列 能量最低 时 原子磁矩取反向平行排列 能量最低 相邻原子磁矩相等时 原子磁矩相 互抵消 自发磁化强度为零 称为 相邻原子磁矩相等时 原子磁矩相 互抵消 自发磁化强度为零 称为 反铁磁性 反铁磁性 物质由磁矩大小不同的两种离子物质由磁矩大小不同的两种离子 或原子或原子 组成 二者之差表现为宏 观磁矩 称为 组成 二者之差表现为宏 观磁矩 称为亚铁磁性 亚铁磁性 MSEMSE 反铁磁性反铁磁性 磁化率与温度的关系曲线 上存在最大值 称为奈耳 温度 磁化率与温度的关系曲线 上存在最大值 称为奈耳 温度 当温度趋于当温度趋于 0K 时 时 趋 于定值 趋 于定值 MSEMSE 亚铁磁性亚铁磁性 亚铁磁性物质亚铁磁性物质由磁矩大小不同 的两种离子 由磁矩大小不同 的两种离子 或原子或原子 组成 组成 相 同磁性的离子磁矩同向平行排 列 而不同磁性的离子磁矩是 反向平行排列 由于两种离子 的磁矩不相等 反向平行的磁 矩就不能恰好抵消 二者之差 表现为宏观磁矩 具有亚铁磁性的物质绝大部分 是金属的氧化物 相 同磁性的离子磁矩同向平行排 列 而不同磁性的离子磁矩是 反向平行排列 由于两种离子 的磁矩不相等 反向平行的磁 矩就不能恰好抵消 二者之差 表现为宏观磁矩 具有亚铁磁性的物质绝大部分 是金属的氧化物 MSEMSE 6 3 磁性材料的自发磁化和技术磁化磁性材料的自发磁化和技术磁化 铁磁性与顺磁性为什么不一样 铁磁性与顺磁性为什么不一样 外斯假说 铁磁体内部存在很强的外斯假说 铁磁体内部存在很强的 分子场分子场 在在 分 子场 分 子场 的作用下 原子磁矩趋于同向平行排列 即 自发磁化至饱和称为 的作用下 原子磁矩趋于同向平行排列 即 自发磁化至饱和称为自发磁化自发磁化 为什么许多铁磁体对外不显示磁性 为什么许多铁磁体对外不显示磁性 铁磁体自发磁化分成若干个小区域 这种自发磁化 至饱和的小区域称为 铁磁体自发磁化分成若干个小区域 这种自发磁化 至饱和的小区域称为磁畴磁畴 由于各个磁畴的磁化方 向各不相同 磁性彼此相互抵消 导致铁磁体对外不显示磁性 由于各个磁畴的磁化方 向各不相同 磁性彼此相互抵消 导致铁磁体对外不显示磁性 MSEMSE 磁畴磁畴 铁磁体与亚铁磁体均有自发磁化 为什 么大块磁铁对外不显示磁性 铁磁体与亚铁磁体均有自发磁化 为什 么大块磁铁对外不显示磁性 自发磁化是以小区域磁畴 存在的 各磁畴的磁化方 向不同 自发磁化是以小区域磁畴 存在的 各磁畴的磁化方 向不同 外斯假说外斯假说 MSEMSE 磁畴的形成磁畴的形成 磁性体中自由能的影响磁性体中自由能的影响 交换能倾向于产生单畴结构 产生单畴之 后 其端面处产生磁极 从而增加退磁场能 交换能倾向于产生单畴结构 产生单畴之 后 其端面处产生磁极 从而增加退磁场能 交换能与退磁场能两个不同的竞争机制 使 单畴分割成小磁畴 交换能与退磁场能两个不同的竞争机制 使 单畴分割成小磁畴 MSEMSE 磁畴的形成磁畴的形成 续续 组织不均匀性的影响组织不均匀性的影响 一般不均匀性不仅导致进一步分畴 且畴 壁切割不均匀区域 这是因为 一般不均匀性不仅导致进一步分畴 且畴 壁切割不均匀区域 这是因为 夹杂物 应力 空洞夹杂物 应力 空洞 夹杂处磁通的连续性遭到破 坏 出现磁极和退磁场能 为 减少退磁场能 往往在夹杂物 附近出现附加畴 即 夹杂处磁通的连续性遭到破 坏 出现磁极和退磁场能 为 减少退磁场能 往往在夹杂物 附近出现附加畴 即分畴现象 分畴现象 畴壁切割不均匀区域 可以降 低畴壁的有效面积 畴壁切割不均匀区域 可以降 低畴壁的有效面积 MSEMSE 磁畴壁的特征磁畴壁的特征 磁畴壁是一个磁矩方 向转换过渡区 有一定厚 度 磁畴壁是一个磁矩方 向转换过渡区 有一定厚 度 换句话说 磁畴的磁化 方向在畴壁处不能突然转一 个很大角度 而是经过畴壁 的一定厚度逐步转过来的 即在过渡区中原子磁矩是逐 步改变方向的 换句话说 磁畴的磁化 方向在畴壁处不能突然转一 个很大角度 而是经过畴壁 的一定厚度逐步转过来的 即在过渡区中原子磁矩是逐 步改变方向的 布洛赫布洛赫 Bloch 畴壁 在整个磁畴壁中 原子 磁矩均平行于畴壁平面 这种畴壁叫布洛赫壁 畴壁 在整个磁畴壁中 原子 磁矩均平行于畴壁平面 这种畴壁叫布洛赫壁 MSEMSE 磁畴壁中的能量磁畴壁中的能量 畴壁是畴壁是原子磁矩方向由一个原子磁矩方向由一个磁畴的方向磁畴的方向转到相邻磁畴 的方向的逐渐 转到相邻磁畴 的方向的逐渐转向的一个过渡层 转向的一个过渡层 交换能交换能 磁晶各向异性能磁晶各向异性能 磁弹性能磁弹性能 壁内由于原子磁矩的逐渐转向 各方向上 的伸缩难易不同 因此产生磁弹性能 壁内由于原子磁矩的逐渐转向 各方向上 的伸缩难易不同 因此产生磁弹性能 MSEMSE 交换能与磁晶各向异性能交换能与磁晶各向异性能 原子磁矩之间有一定相互取向 即交换能相 对于磁畴内部升高 可以证明 逐渐转向比 突然转向的交换能小 所以 原子磁矩之间有一定相互取向 即交换能相 对于磁畴内部升高 可以证明 逐渐转向比 突然转向的交换能小 所以 畴壁的厚度越 大 可降低壁的交换能 畴壁的厚度越 大 可降低壁的交换能 原子磁矩的逐渐转向 使原子磁矩偏离易磁 化方向 使磁晶各向异性能增加 所以 原子磁矩的逐渐转向 使原子磁矩偏离易磁 化方向 使磁晶各向异性能增加 所以 磁 晶各向异性能倾向于使畴壁变薄 磁 晶各向异性能倾向于使畴壁变薄 MSEMSE 磁畴壁的厚度磁畴壁的厚度 畴壁能最小值时对应的 壁厚 畴壁能最小值时对应的 壁厚No 就是平衡状态 下壁的厚度 就是平衡状态 下壁的厚度 畴