《静态技术磁化》PPT课件.pptVIP

第五章静态技术磁化 改变磁场时 磁化强度的变化 第i个磁畴的磁化矢量与磁场方向的夹角 第i个磁畴的体积 忽略畴璧磁矩 求和在单位体积内进行 磁畴体积的变化 畴壁位移 磁矩转动 顺磁磁化 技术磁化 5 1静态磁化与反磁化 不可逆转动 可逆转动 纳米材料 磁中性 畴壁位移 磁畴转动 不存在不可逆过程 存在不可逆和不可逆过程 传统材料 畴壁位移也是磁矩的转动 i 初始状态是退磁状态 H M B 0ii 起始磁化区 磁场很小 磁化基本上是可逆畴壁位移过程称为起始磁导率 iii 瑞利区 磁场较小时 磁化满足瑞利的经验公式主要可逆畴壁位移过程 iv 不可逆畴壁位移 磁化曲线变陡 磁导率越来越大 在矫顽力附近达到最大值 主要是不可逆畴壁位移过程 Barkhausen跳跃 v 磁导率开始减小 主要过程是可逆和不可逆磁转动 vi 磁化曲线接近饱和 磁化过程主要是可逆磁转动 vii 磁化饱和 磁化变化非常小 是顺磁磁化过程 5 1 1磁化曲线 起始磁导率 最大磁导率 发电机 电动机 变压器的铁心是电力工业的核心材料 以电力变压器为例 铁心上绕有原线圈和副线圈 一个线圈两端的电压是 无线电通讯 收音机 电视机 手机等电子器件中使用的铁心 以调谐回路电感为例 所使用软磁材料的磁场H很小 电感L与起始磁导率成正比 因此选用起始磁导率大的材料 对于给定电压 所需要的铁心体积与Bmx成反比 因此 用大饱和磁化强度材料可以减少铁心体积 当H从足够使磁化饱和的幅值Hm减小到 Hm时i 在第一象限 磁矩从磁场方向向最接近磁场方向的易磁化方向可逆转动 ii 当经过剩磁进入退磁曲线时 在一些晶粒边界附近生成反磁化核 在小区域发生不可逆磁转动 并扩展为反向磁化的楔形畴 可逆磁转动逐步被楔形畴的扩展以及随后的可逆 不可逆畴壁位移取代 iii 在矫顽力附近 微分磁导率和不可逆微分磁导率的绝对值变最大 Barkhausen跳跃最活跃 当沿着磁滞回线磁化一个周期时 外部对单位体积磁体所做的功是磁化能 它全部变成热能 当Hm不足以使样品磁化到饱和时 磁滞回线的和面积随的减小而减小 5 1 2磁滞回线 永磁磁路设计的主要任务是把外部磁场能集中到所需要的空间 同时使磁体处于最大磁能积状态 从而把磁体体积减小到最小 f叫HM磁带 磁记录材料包括记录信息的磁记录介质 录音带 录像带 计算机磁带 软盘 硬盘 各类磁卡 随机磁存储元件等 写入磁头和读出磁头 以计算机磁带为例 在写入磁头铁心上绕有电流线圈 负向均匀磁化了的磁带紧贴铁心空隙下面 以一定速度移动 在线圈中流过代表数字信息的由按一定时间间隔流过的零电流 代表0 和单向脉冲电流 代表1 组成的脉冲电流序列 当脉冲电流流过时 铁心被磁化 在磁头空隙下面的磁带部位散发磁场 和磁带平行的正向磁场分量把该部位的磁化方向由负向倒向正向 从而计入数据1 当磁带的这个部位离开磁头空隙磁场区时 在这个部位铁心产生的磁场变零 部位两头产生的磁荷产生的退磁场是负向 但由于磁滞回线是矩形的 矫顽力比退磁场大 正向磁化的状态被保存下来 当磁头中没有电流流过时 磁带不被磁化 保持原来的负向磁化状态 因此存有原来的数据0 如此把脉冲电流序列的信息存入磁带中 图中的磁带的一段部位存储着数列1001 在1和0区之间出现磁荷 这些磁荷在磁带外部发出散磁场 当存有信息的磁带在读出磁头下面以一定速度移动时 读出磁头捕获这些散磁场 把它们变成相应的脉冲电流信息序列 完成读出功能 感应式磁头利用Faraday感应定律的原理读出散磁场 这类磁头的结构与写入磁头一样 磁电阻磁头是利用磁电阻效应 磁头电阻跟着散磁场的变化而变化 通过测电阻读出信息 写入磁头在空隙产生的磁场与磁头铁心的磁化强度成正比 当脉冲电流流过时 磁头要产生足够把磁带反磁化的磁场 没有电流时 磁头的剩余磁化产生的磁场要小到不至于改变磁带的磁化状态 为了低功率下运作 脉冲电流越小越好 因此铁心材料应该具有细长的磁滞回线 即大的饱和磁化强度 小矫顽力 在磁带中 磁矩受有磁荷产生的反向磁场 为了在反向场中保持稳定的磁化状态 磁滞回线应该具有矩形退磁曲线和足够大的矫顽力 随着存储密度的提高 反向磁场越来越大 要求材料具有越来越大的矫顽力 但矫顽力要小于磁头写入时产生的磁场 否则写入不充分 磁头产生的磁场受磁头磁化强度的限制 因此矫顽力的上限也受到制约 对感应式磁头材料的要求同于写入磁头材料 磁电阻磁头材料应该在比较小的磁场变化下具有大的磁电阻效应 增加H 使得 畴壁从b点Barkhausen跳跃到c点 去掉磁场 畴壁只能回复到K点 不可逆畴壁位移 从0开始增加磁场H 畴壁从a点向b点运动 去掉磁场又返回a点 可逆畴壁位移 当H 0 K 施加反向磁场 畴壁越高最高的势垒h点 Barkhausen跳跃到i点 5 2畴壁位移 N 单位长度内畴壁数 以K1 0 K2 0 的立方晶体为例 考察起始磁导率 令 100 x轴 001 轴 内应力沿 001 轴 l 畴壁厚度 相对体积 畴壁跨过一排 100 面的点阵中心 以便保持畴壁的面积最小 从而自由能最小 当施加很小的磁场H时 畴壁受磁场的压力 离开杂质中心x 体积 推导中假设了晶体和畴壁是无限大的 忽略了畴壁边缘的作用 实际上 在多晶体中 各晶粒内部的畴壁大小有限 它们常常跨过晶界 在晶界往往出现附加楔形畴 畴壁位移受晶界和近邻晶粒的磁畴分布的影响 情况非常复杂 实验表明 晶粒越大 起始磁导率越大 值在接近磁性转变温度区随温度提高而增加 在转变温度附近呈现明显的极大峰 在转变温度变零 图6 2 4 称这个现象为Hopkinson效应 它起因于在磁性转变温度附近随温度的提高 当H较小 对各向同性样品 5 3磁畴转动 接近饱和的多晶体的磁化是可逆转动过程 磁化曲线的经验关系是 a b c是常数 顺磁磁化率 来自参杂 内应力等微结构因素 来自克服磁晶各向异性的可逆磁转动过程 趋近饱和定律 沿易轴 的回线 非稳定状态 稳定状态 磁滞回线 临界状态 沿难磁化面 的回线 若一个单畴颗粒的体积v很小 磁晶各向异性能的位垒Kv和热起伏能kBT差不多或比它小 则在零磁场中磁化矢量受热起伏的影响 从一个易磁化方向 转动到反方向的几率 不能忽略 磁化矢量一会儿沿正易磁化方向 一会儿沿负易磁化方向 磁化强度对时间的平均等于零 这种行为和原子的顺磁性类似 这里 磁矩为磁性粒子的磁矩 远比原子磁矩大 称这种磁性为超顺磁性 超顺磁性 微小颗粒的矫顽力实验表明 随颗粒尺寸减小 矫顽力增加 经过最大值后减小颗粒尺寸远大于单畴临界尺寸时 颗粒处于多畴状态 矫顽力由畴壁位移决定 其值比较小 颗粒尺寸减少到单畴临界值附近时 磁化是转动过程 矫顽力大 进一步减小尺寸时 颗粒磁性向超顺磁性接近 矫顽力接近零 应力 含杂 畴壁位移 应力 磁畴转动 磁晶各向异性 实际得到的矫顽力 两种矫顽力机理 反磁化形核畴壁钉扎 SmCo5 Nd Fe B 两种矫顽力机理 反磁化机理 矫顽力的来源1 反磁化畴的形核2 畴壁钉扎一般认为在烧结的NdFeB和SmCo5磁体中 反磁化的过程是由反磁化核的形核控制的 这种材料饱和磁化以后 加上反向磁场 磁矩并不马上反转 只有反向磁场增大到某一数值时 局部区域开始出现反磁化核并长大到一个临界尺寸 出现了畴壁 由于材料内的缺陷对畴壁的钉扎作用很弱 刚形成的畴壁迅速移动 带动了材料整体磁矩发生反转 而Sm2Co17烧结磁体的反磁化过程是由畴壁钉扎控制的 饱和磁化的磁体整体磁矩反转之前 材料内部已经存在畴壁 但畴壁被缺陷钉扎不能移动 只有磁场强到将能够将畴壁从钉扎出拉出 整个材料的磁矩才能反转 究竟是那种模型控制着材料的反磁化过程 要看磁体整体磁矩发生反转的两个过程哪一个难于发生 如果反磁化畴的形核和长大比较困难 反磁化过程就由形核模型控制 如果畴壁移动比较困难 就由钉扎模型控制 当然也可能存在两种机理都存在的混合模型 形核特征 晶粒较大 烧结NdFeB为几个微米 表面光滑 晶粒间为几个微米米左右的非磁性相 晶粒之间去耦 交换作用很弱 钉扎特征 晶粒较小 复相 胞状结构 内部为2 17相 边界为1 5相 矫顽力与两相畴壁能的差成正比 一般来说 磁晶各向异性常数大的单相磁体 其反磁化机理以形核为主 如单相的稀土钴合金1 5型和2 17型磁体 钡锶铁氧体磁体 形核为主的磁体 反磁化核长大时的畴壁移动也遇到钉扎 这时矫顽力由形核场和临界场同时决定 凡是磁晶各向异性常数大的两相磁体 反磁化机理则以钉扎为主 如两相的稀土钴合金1 5型和2 17型 1 形核场决定的矫顽力 长旋转椭球形 l d 的反磁化畴核长大的能量条件为 第一项为反磁化场作用下静磁能的变化 第二项为反磁化核长大时 畴壁能的增加 dS为畴壁面积的变化 第三项为反磁化核长大时 退磁能的变化 椭球体积为 面积为 第四项为反磁化核长大时 畴壁位移克服最大阻力所做的功 H0为临界磁场 可以求得形成一个临界大小的反磁化畴核所需要的磁场Hs 由上式可知 形核场与畴壁能密度成正比 SmCo5材料畴壁能密度很大 其矫顽力可达到1200 4800kA m 由于反磁化畴核的形成中心机理不同 其形核场也是不同的 但最大限度的减少反磁化畴的形核中心 是提高矫顽力的重要途径 d为椭球短轴直径 2 钉扎场决定的矫顽力 热退磁状态下 畴壁一般都处于畴壁能最低处 当施加外磁场时 畴壁很难离开畴壁能最低处 即畴壁被钉扎了 复相永磁体的钉扎中心可以是第二项或相边界或晶体缺陷如晶界 位错 堆垛层错 反向畴边界等 一般耒说