第十四讲技术磁化

第十四讲技术磁化第三节铁磁体得技术磁化铁磁体内相互作用能磁畴技术磁化与磁滞回线影响铁磁性得因素1、铁磁材料得相互作用能相邻原子电子自旋得交换能磁晶各向异性能磁弹性能退磁场能外磁场能1)交换能2)磁晶各向异性磁晶能磁晶各向异性能磁晶各向异性常数来源于电子自旋与轨道得相互耦合作用及晶体电场效应。3)外磁场能4)退磁场退磁场材料得磁化状态,不仅依赖于它得磁化率,也依赖于样品得形状。有限几何尺寸得磁体在外磁场中被磁化后,表面将产生磁极,从而使磁体内部存在与磁化强度M方向相反得一种磁场,起减退磁化得作用,称为退磁场Hd。其中N为退磁因子,只与磁体几何形状与尺寸有关。HHHd退磁场能12大家应该也有点累了，稍作休息大家有疑问的，可以询问和交流退磁场能铁磁体在自身退磁场中得能量;静磁能=铁磁体与外磁场得相互作用能+退磁能对于非球形样品,沿不同方向磁化时退磁场能大小不同,这种由形状造成得退磁场能随磁化方向得变化,通常也称为形状各向异性能。退磁场能得存在就是自发磁化后得强磁体出现磁畴得主要原因。4)磁致伸缩磁致伸缩:铁磁体在磁场中被磁化时,形状与尺寸都发生变化得现象。原因:当原子磁矩有序排列时,电子间得相互作用导致原子间距得自发调整引起得。磁致伸缩系数:磁弹性能:磁致伸缩效应将使材料内部产生拉(或压)应力,因而产生磁弹性能。磁弹性能饱与磁致伸缩系数

s:随着外磁场强度得增强,铁磁体得磁化强度增强,这时∣

∣也随之增大,当磁化强度达到饱与值Ms时,

=

s,称为饱与磁致伸缩系数。对于一定得材料,

s就是一个常数。实验表明,对

s>0得材料进行磁化时,若沿磁场方向加以拉应力,则有利于磁化,而加压应力则阻碍其磁化;对

s<0得材料,则情况相反。

也就是一个具有各向异性得物理量,如单晶铁与单晶镍沿不同晶向磁化时,其

值不同。磁致伸缩系数磁滞伸缩得内在机理自发形变(自发磁滞伸缩)场致形变(磁致伸缩)形状效应由于交换作用所引起得,当温度低于居里点时,由于交换相互作用产生自发磁化,同时将产生自发得磁滞伸缩。它就是各向同性得,表现为体积得变化。在居里点以下,磁矩得有序排列所表现出来得各向异性能。为了降低退磁能,样品得体积要缩小,并且在磁化方向上要伸长以减小退磁因子得一种现象。磁弹性能指在磁滞伸缩过程中,磁性与弹性之间得耦合作用能。分析表明,计入磁致伸缩后,在对形变张量只取线性项近似得情况下,磁晶各向异性能得形式并未发生变化,所变化得仅就是各向异性常数得数值稍有改变。5)应力能当铁磁晶体受到外应力作用或者内部存在应力时,还将产生由应力引起得形变,从而出现应变能。第三节铁磁体得技术磁化铁磁体内相互作用能磁畴技术磁化与磁滞回线影响铁磁性得因素2、磁畴磁畴:未加磁场时铁磁体内部已经到饱与状态得小区域。特征:磁矩同方向。晶粒磁畴壁:相邻磁畴得界限。晶界主畴、副畴180°畴、90°畴180°90°90°(a)(b)(c)磁畴壁得种类布洛赫壁磁偶极子得磁矩在畴壁法线方向得分量不变,磁偶极子就是在畴壁面内旋转。尼耳畴壁磁矩垂直于膜面将会产生很大得退磁场,因此在畴壁中磁矩得过渡在膜面内进行,磁矩没有垂直于膜面得分量。磁畴壁得厚度W0N0NECrEK磁畴壁越厚,则壁得交换能ECr越低;但磁畴壁厚度得增加也将会导致磁晶能EK增加,使壁倾向变薄。畴壁能得最小值所对应得壁厚N0为平衡状态时壁得厚度。畴壁能=磁交换能+磁晶能当铁磁晶体形成磁畴时,虽然降低了退磁场能,但增加了畴壁能。对大块晶粒来说,后者比前者要小很多,因此分畴在能量上就是有利得。为了最大限度地减小退磁能,磁畴必须形成三角畴得封闭结构,即呈封闭磁路,这样可使退磁能等于零。磁畴得起因与结构磁畴结构类型得不同就是铁磁质磁性千差万别得原因之一。以铁磁单晶体为例:磁畴得形成就是能量最小原则得必然结果,即形成磁畴就是为了降低系统得能量。磁畴结构受交换能、磁晶能、磁弹性能、畴壁能与退磁能得影响,平衡状态时得磁畴结构,应使这些能量之与为最小值。单晶体得磁畴结构示意图降低退磁能减小畴壁能减小磁弹性能不均匀物质中得磁畴多晶体中得磁畴示意图多晶体中得每一个晶粒都可能包含许多磁畴,整个材料内部磁通保持连续,形成闭合回路。就整体上来说,材料对外显示各向同性。若晶粒尺寸逐渐减小,体系得自由能中畴壁能得比重增长,以至当其与因分畴而减小得退磁场能相比拟或超过它时,整个晶粒不分畴在能量上将更有利,这就就是单畴颗粒。单畴颗粒得临界尺寸由晶粒自由能得极小值确定。通过计算得到得铁、钴、镍单畴颗粒得临界尺寸得数量级为10－2埃。磁单畴颗粒研究意义:制备低磁导率、高矫顽力得永磁材料。例如,采用粉末冶金法提高材料得矫顽力。磁泡第三节铁磁体得技术磁化铁磁体内相互作用能磁畴技术磁化与磁滞回线影响铁磁性得因素3、技术磁化与磁滞回线技术磁化得本质:外加磁场对磁畴得作用过程即外加磁场把各个磁畴得磁矩方向转到外磁场方向(与)或近似外磁场方向得过程。使铁磁材料得宏观磁性表现出来。技术磁化过程得描述:磁化曲线与磁滞回线。1)铁磁材料得基本磁化曲线磁化得三个阶段在第I阶段,外磁场H较小,磁感应强度B与磁化强度M随H增大缓慢上升,B与H基本上就是线性关系,磁化就是可逆得。称为起始磁化阶段。在这一阶段,与外磁场方向成锐角得磁畴能量低,磁畴扩大;而与外磁场成钝角得磁畴缩小。磁畴大小得变化通过磁畴壁得迁移实现。在第II阶段:随H增大,B与H都迅速增大,μ

增加很快,并出现最大值。这个阶段就是不可逆得,去掉外磁场还保留部分磁化。在第III阶段:随H进一步增大,B与M逐渐变缓,μ变小,并趋向于μ0。当磁场强度达到Hs时达到磁饱与,这时随着H增大,M不变。称为饱与磁化阶段。在第二阶段磁畴壁随磁畴得增大而快速移动,称磁畴壁跳跃(巴克豪生跳跃)。与磁场夹角比较大得难磁化磁畴转向夹角较小得易磁化方向。当磁场增大到很大时,所有自旋磁矩通过磁畴壁得跳动来实现,转动到与磁畴成最小夹角得易磁化方向。在这一阶段发生磁畴转动。磁畴由易磁化方向转动到与外磁场一致得方向。这时去除外磁场,磁畴由与外磁场一致得方向转动到易磁化方向。2)技术磁化得两种机制畴壁得迁移磁化(壁移磁化)磁畴得旋转磁化(畴转磁化)MsHθMsH易轴方向θ0θ壁移磁化转动磁化磁畴壁移动得阻力及产生不可逆磁化得原因磁畴壁移动得阻力:退磁能:由于磁畴迁移使退磁能增大;晶体内部得缺陷、应力及组织不均匀性。产生不可逆磁化得原因:畴壁得不可逆位移(1)应力理论晶体缺陷、位错等以及磁致伸缩与磁各向异性会产生第三种内应力。内应力在晶体中分布就是不均匀得,应力在某些微观区域内较高,而另一些微观区域较低。在没有磁化时,畴壁处于应力较低得位置。在外磁场作用下,畴壁发生迁移。当磁畴由一个能谷迁移到另一个能谷,这时畴壁移动就是不可逆得。要使畴壁返回原来位置必须施加一定得外磁场,这就就是矫顽力。畴壁能与壁移阻力与畴壁位置得关系内应力理论

内应力引起畴壁能得不均匀分布

180°畴壁壁移阻力得变化当磁场高于临界场Hc时、进入不可逆磁化过程,最大磁导率就发生在该阶段。此时畴壁常常发生跳跃式移动,在磁化曲线上表现出大得突变,称为巴克豪森效应。杂质理论杂质作用下得畴壁移动示意图杂质就是指比基体相磁性低得多得相与气孔。(2)杂质理论杂质就是指弱铁磁相、非铁磁相、夹杂物与气孔。在没有外磁场时,磁畴壁被杂质穿空,减少了畴壁得总面积,降低了畴壁能,相当于杂质对磁畴钉扎作用。在外磁场下,磁畴壁发生弯曲,这时去除外磁场磁畴壁可以回到原来位置;进一步增大外磁场,磁畴壁脱离杂质,运动到下一个杂质位置,这个过程就是不可逆得。第三节铁磁体得技术磁化铁磁体内相互作用能磁畴技术磁化与磁滞回线影响铁磁性得因素4、影响铁磁性得因素温度形变与晶粒度成分、组织及相结构外部环境因素内部因素表示材料铁磁性得参数组织敏感性参数组织不敏感性参数与技术磁化有关得参数,如磁矫顽力Hc、磁化率χ、磁导率μ、剩磁感应强度Br等。与自发磁化有关得参数,如饱与磁化强度Ms、饱与磁致伸缩系数λs、磁各向异性常数Qc等。1)温度得影响温度升高使原子热运动加剧,原子磁矩得无序排列倾向增大导致Ms下降。达到居里点时Ms降为零。铁磁性顺磁性升温2)形变与晶粒度得影响冷塑性变形会使金属中点缺陷与位错密度增高,造成点阵畸变加大与内应力升高,因而使组织敏感得铁磁性发生变化。随着形变度得增加导磁率μm减小而矫顽力Hc增高,剩余磁感应强度Br在临界变形度(约5%~7%)以前随变形度增大急剧下降,而在临界变形度以上则随变形度增大而升高。冷塑性变形得金属经再结晶退火后,各磁性参数都恢复到形变前得状态。形变织构与再结晶织构,使磁性呈现明显得方向