物理靜態(tài)技術(shù)磁化PPT學(xué)習(xí)教案

1、會計(jì)學(xué)1物理靜態(tài)技術(shù)磁化物理靜態(tài)技術(shù)磁化iiisvMMcoscos)(coscossiiiisiiisMvvMvMMiviM改變磁場時(shí)，磁化強(qiáng)度的變化第i個磁疇的磁化矢量與磁場方向的夾角第i個磁疇的體積忽略疇璧磁矩，求和在單位體積內(nèi)進(jìn)行磁疇體積的變化：疇壁位移磁矩轉(zhuǎn)動 順磁磁化 技術(shù)磁化 5. 1靜態(tài)磁化與反磁化靜態(tài)磁化與反磁化第1頁/共38頁H不可逆轉(zhuǎn)動可逆轉(zhuǎn)動納米材料第2頁/共38頁H磁中性磁中性疇壁位移疇壁位移磁疇轉(zhuǎn)動磁疇轉(zhuǎn)動不存在不可逆過程存在不可逆和不可逆過程傳統(tǒng)材料第3頁/共38頁疇壁位移也是磁矩的轉(zhuǎn)動！疇壁位移也是磁矩的轉(zhuǎn)動！第4頁/共38頁)(20bHHBii.初始狀態(tài)是退磁狀

2、態(tài):H=M=B=0ii.起始磁化區(qū)。 磁場很小，磁化基本上是可逆疇壁位移過程稱為起始磁導(dǎo)率。iii.瑞利區(qū)。 磁場較小時(shí)，磁化滿足瑞利的經(jīng)驗(yàn)公式主要可逆疇壁位移過程。iv.不可逆疇壁位移。磁化曲線變陡，磁導(dǎo)率越來越大，在矯頑力附近達(dá)到最大值。主要是不可逆疇壁位移過程（ Barkhausen跳躍）。v.磁導(dǎo)率開始減小。主要過程是可逆和不可逆磁轉(zhuǎn)動。vi.磁化曲線接近飽和，磁化過程主要是可逆磁轉(zhuǎn)動。vii.磁化飽和。磁化變化非常小，是順磁磁化過程。 5. 1. 1磁化曲線磁化曲線第5頁/共38頁第6頁/共38頁MHBH-100Hm rrBHBH 0001limiHHBH起始磁導(dǎo)率：maxmax01

3、BH最大磁導(dǎo)率：第7頁/共38頁maxM,H M i發(fā)電機(jī)、電動機(jī)、變壓器的鐵心是電力工業(yè)的核心材料。以電力變壓器為例,鐵心上繞有原線圈和副線圈。一個線圈兩端的電壓是 mxnlSBdtdBNSV無線電通訊、收音機(jī)、電視機(jī)、手機(jī)等電子器件中使用的鐵心。 以調(diào)諧回路電感為例，所使用軟磁材料的磁場H很小，電感L與起始磁導(dǎo)率成正比，因此選用起始磁導(dǎo)率大的材料。對于給定電壓，所需要的鐵心體積與Bmx成反比，因此，用大飽和磁化強(qiáng)度材料可以減少鐵心體積。第8頁/共38頁當(dāng)H從足夠使磁化飽和的幅值Hm減小到-Hm時(shí)i. ，在第一象限，磁矩從磁場方向向最接近磁場方向的易磁化方向可逆轉(zhuǎn)動。ii.當(dāng)經(jīng)過剩磁進(jìn)入退磁

4、曲線時(shí)，在一些晶粒邊界附近生成反磁化核(在小區(qū)域發(fā)生不可逆磁轉(zhuǎn)動)，并擴(kuò)展為反向磁化的楔形疇?？赡娲呸D(zhuǎn)動逐步被楔形疇的擴(kuò)展以及隨后的可逆、不可逆疇壁位移取代。iii.在矯頑力附近，微分磁導(dǎo)率和不可逆微分磁導(dǎo)率的絕對值變最大,Barkhausen 跳躍最活躍。當(dāng)沿著磁滯回線磁化一個周期時(shí)，外部對單位體積磁體所做的功是磁化能BdHJdHW它全部變成熱能。當(dāng)Hm 不足以使樣品磁化到飽和時(shí)，磁滯回線的和面積隨的減小而減小。 5. 1. 2磁滯回線磁滯回線第9頁/共38頁202max020max0()()mmggmmggmmggmmmmggggmmmgggggmggggmH LH LNIH LH LB

5、SB SH L B SH L B SV B HV B HVHVBHVHVHVBH 永磁磁路設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是把外部磁場能集中到所需要的空間，同時(shí)使磁體處于最大磁能積狀態(tài)，從而把磁體體積減小到最小。 第10頁/共38頁f 叫 H M 磁帶磁記錄材料包括記錄信息的磁記錄介質(zhì)(錄音帶、錄像帶、計(jì)算機(jī)磁帶、軟盤、硬盤，各類磁卡、隨機(jī)磁存儲元件等)，寫入磁頭和讀出磁頭。以計(jì)算機(jī)磁帶為例。在寫入磁頭鐵心上繞有電流線圈。負(fù)向均勻磁化了的磁帶緊貼鐵心空隙下面，以一定速度移動。在線圈中流過代表數(shù)字信息的由按一定時(shí)間間隔流過的零電流(代表0)和單向脈沖電流(代表1)組成的脈沖電流序列。當(dāng)脈沖電流流過時(shí)，鐵心被磁化，

6、在磁頭空隙下面的磁帶部位散發(fā)磁場。和磁帶平行的正向磁場分量把該部位的磁化方向由負(fù)向倒向正向，從而計(jì)入數(shù)據(jù)1。當(dāng)磁帶的這個部位離開磁頭空隙磁場區(qū)時(shí)，在這個部位鐵心產(chǎn)生的磁場變零，部位兩頭產(chǎn)生的磁荷產(chǎn)生的退磁場是負(fù)向，但由于磁滯回線是矩形的，矯頑力比退磁場大，正向磁化的狀態(tài)被保存下來。當(dāng)磁頭中沒有電流流過時(shí)，磁帶不被磁化，保持原來的負(fù)向磁化狀態(tài)，因此存有原來的數(shù)據(jù)0。如此把脈沖電流序列的信息存入磁帶中。圖中的磁帶的一段部位存儲著數(shù)列1001。第11頁/共38頁在1和0區(qū)之間出現(xiàn)磁荷，這些磁荷在磁帶外部發(fā)出散磁場。當(dāng)存有信息的磁帶在讀出磁頭下面以一定速度移動時(shí)，讀出磁頭捕獲這些散磁場，把它們變成相應(yīng)

7、的脈沖電流信息序列，完成讀出功能。感應(yīng)式磁頭利用Faraday感應(yīng)定律的原理讀出散磁場。這類磁頭的結(jié)構(gòu)與寫入磁頭一樣。磁電阻磁頭是利用磁電阻效應(yīng)，磁頭電阻跟著散磁場的變化而變化，通過測電阻讀出信息。寫入磁頭在空隙產(chǎn)生的磁場與磁頭鐵心的磁化強(qiáng)度成正比。當(dāng)脈沖電流流過時(shí)，磁頭要產(chǎn)生足夠把磁帶反磁化的磁場；沒有電流時(shí)，磁頭的剩余磁化產(chǎn)生的磁場要小到不至于改變磁帶的磁化狀態(tài)。為了低功率下運(yùn)作，脈沖電流越小越好。因此鐵心材料應(yīng)該具有細(xì)長的磁滯回線，即大的飽和磁化強(qiáng)度，小矯頑力。在磁帶中，磁矩受有磁荷產(chǎn)生的反向磁場。為了在反向場中保持穩(wěn)定的磁化狀態(tài)，磁滯回線應(yīng)該具有矩形退磁曲線和足夠大的矯頑力。隨著存儲密

8、度的提高，反向磁場越來越大，要求材料具有越來越大的矯頑力。但矯頑力要小于磁頭寫入時(shí)產(chǎn)生的磁場，否則寫入不充分。磁頭產(chǎn)生的磁場受磁頭磁化強(qiáng)度的限制，因此矯頑力的上限也受到制約。對感應(yīng)式磁頭材料的要求同于寫入磁頭材料。磁電阻磁頭材料應(yīng)該在比較小的磁場變化下具有大的磁電阻效應(yīng)。 第12頁/共38頁0(/)2cos0( )2cos2cossHsHsHdF dx dxJ dxHdF xJ HM Hdx增加H，使得( )2cos|1( )|2cossHbbsHdF xJ HdxdF xHJdx疇壁從b點(diǎn)Barkhausen跳躍到c點(diǎn)。去掉磁場，疇壁只能回復(fù)到K點(diǎn)（不可逆疇壁位移）。從0開始增加磁場H，疇壁

9、從a點(diǎn)向b點(diǎn)運(yùn)動，去掉磁場又返回a點(diǎn)（可逆疇壁位移）。當(dāng)H0，K施加反向磁場，疇壁越高最高的勢壘h點(diǎn)， Barkhausen跳躍到i點(diǎn)。hHscidxdFJH|cos212020( )|2cos2cosxxasHsHxxdF xd FdxF dxM HdxdxM HdxF2202cos4cossHsHixxM dxMHF 5. 2疇壁位移疇壁位移第13頁/共38頁bdF/dxxadx(d2F/dx2)dx第14頁/共38頁xxHsiFNM220cos4N：單位長度內(nèi)疇壁數(shù)以K10, K2=0, 的立方晶體為例，考察起始磁導(dǎo)率。令 100/x軸，001/ 軸。 1001110s內(nèi)應(yīng)力沿001軸

10、。)2sin(2)(0 xlx0wl疇壁厚度 ( )wAxc AKcKc KK23cos2sF 0000222222|()()|xxwwwwxxxxddddFdxdxdxdx2342sin(2 )2xxssx nlxFll 012x0 x( )wsx 222204coscossHsHixxsNMMF 第15頁/共38頁33313134( )32( )66ddaada相對體積x疇壁跨過一排(100)面的點(diǎn)陣中心，以便保持疇壁的面積最小，從而自由能最小。當(dāng)施加很小的磁場H時(shí)，疇壁受磁場的壓力，離開雜質(zhì)中心x, d/2xVNaNaNa體積2222( )()2dS xNax2222220()22wsd

11、FNaxxN aM H222020220wsswFNxN aM Hxa MxH 122232223001133333312221163()2sssssiwwsN xN a MM aM HN aMMddN aHN aHA K 第16頁/共38頁推導(dǎo)中假設(shè)了晶體和疇壁是無限大的，忽略了疇壁邊緣的作用。實(shí)際上，在多晶體中，各晶粒內(nèi)部的疇壁大小有限，它們常?？邕^晶界，在晶界往往出現(xiàn)附加楔形疇，疇壁位移受晶界和近鄰晶粒的磁疇分布的影響，情況非常復(fù)雜。實(shí)驗(yàn)表明，晶粒越大，起始磁導(dǎo)率越大。第17頁/共38頁值在接近磁性轉(zhuǎn)變溫度區(qū)隨溫度提高而增加，在轉(zhuǎn)變溫度附近呈現(xiàn)明顯的極大峰，在轉(zhuǎn)變溫度變零(圖6.2.4)

12、。稱這個現(xiàn)象為Hopkinson效應(yīng)。它起因于在磁性轉(zhuǎn)變溫度附近隨溫度的提高 第18頁/共38頁0max1122()cos()222sssssdFHxJdxJllJ ( )wsx )2sin(2)(0 xlx222222max()22wdwwxdFNaxFxNdx 0max1()2wssddFHJdxJ第19頁/共38頁HMsxy2sinKF )cos(sin)(2HsHJKG2sincossin()0sHdGKJ Hd0)cos()sin(cos22222HsHJKdGdHsHJKsin222200cos()sinlimsin()sinsin22sHsHssiHsHHHKd MJMMdMdd

13、HKKH KssHHHHKsiHMKMddHM323sinsin41202200 當(dāng)H較小，對各向同性樣品， 5. 3磁疇轉(zhuǎn)動磁疇轉(zhuǎn)動第20頁/共38頁接近飽和的多晶體的磁化是可逆轉(zhuǎn)動過程。磁化曲線的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系是 HHcHbHaMMps )1 (32pHa /2/ Hba、b、c是常數(shù)，順磁磁化率。來自參雜、內(nèi)應(yīng)力等微結(jié)構(gòu)因素，來自克服磁晶各向異性的可逆磁轉(zhuǎn)動過程。 趨近飽和定律第21頁/共38頁0H(沿易軸)的回線 HMsxy22222sincossin02(cossin)cos0ssdGKJ Hdd GKJ Hd22222sincossin()02(cossin)cos()0sHsHdGKJ

14、 Hdd GKJ Hd0cos/ 2sJ HK 2220sd GKJ Hd2KsKHHJ 2220sd GKJ Hd2KsKHHJ2222()2(2cos1)cos202ssJ Hd GKJ HKdK2KsKHHJ非穩(wěn)定狀態(tài)穩(wěn)定狀態(tài)磁滯回線 2KsKHHJ臨界狀態(tài)第22頁/共38頁-HK=-2K/0MsHK=2K/0Ms-MsMsMH第23頁/共38頁2/H(沿難磁化面)的回線 22222sincossin()02(cossin)cos()0sHsHdGKJ Hdd GKJ Hd22222sincoscos02(cossin)sin0ssdGKJ Hdd GKJ Hd2322220sd GKJ

15、 Hd KHJs2/sinHMsxy2KsKHHJ2220sd GKJ Hd 2KsKHHJ 2222222(cossin)sin2(1 2sin)sin()202sssd GKJ HdKJ HJ HKK2KsKHHJ20sin2sssKMMMMHHKH2KsKHHJ第24頁/共38頁M=H/HK)Ms-HK=-2K/0MsHK=2K/0Ms-MsMsMH第25頁/共38頁exp(/)BfKv k T若一個單疇顆粒的體積v很小，磁晶各向異性能的位壘Kv和熱起伏能kBT差不多或比它小，則在零磁場中磁化矢量受熱起伏的影響，從一個易磁化方向，轉(zhuǎn)動到反方向的幾率不能忽略，磁化矢量一會兒沿正易磁化方向，

16、一會兒沿負(fù)易磁化方向，磁化強(qiáng)度對時(shí)間的平均等于零。這種行為和原子的順磁性類似。這里，磁矩為磁性粒子的磁矩，遠(yuǎn)比原子磁矩大。稱這種磁性為超順磁性。 超順磁性微小顆粒的矯頑力 實(shí)驗(yàn)表明，隨顆粒尺寸減小，矯頑力增加，經(jīng)過最大值后減小顆粒尺寸遠(yuǎn)大于單疇臨界尺寸時(shí)，顆粒處于多疇狀態(tài)，矯頑力由疇壁位移決定，其值比較小。顆粒尺寸減少到單疇臨界值附近時(shí)，磁化是轉(zhuǎn)動過程，矯頑力大。進(jìn)一步減小尺寸時(shí)，顆粒磁性向超順磁性接近，矯頑力接近零。 第26頁/共38頁第27頁/共38頁20ssM 213sM d21sMK20ssM 應(yīng)力應(yīng)力含雜含雜疇壁位移疇壁位移應(yīng)力應(yīng)力磁疇轉(zhuǎn)動磁疇轉(zhuǎn)動sicsHM 23icsHM d磁晶

17、各向異性磁晶各向異性102icKsKHHM0sicsHM 第28頁/共38頁第29頁/共38頁實(shí)際得到的矯頑力11310icAAHHH兩種矯頑力機(jī)理：反磁化形核疇壁釘扎第30頁/共38頁770A4102.9 1036.4TmAH770A4100.55 106.9TmAHSmCo5Nd-Fe-B第31頁/共38頁兩種矯頑力機(jī)理（反磁化機(jī)理）：矯頑力的來源1.反磁化疇的形核2.疇壁釘扎一般認(rèn)為在燒結(jié)的NdFeB和SmCo5磁體中，反磁化的過程是由反磁化核的形核控制的。這種材料飽和磁化以后，加上反向磁場，磁矩并不馬上反轉(zhuǎn)，只有反向磁場增大到某一數(shù)值時(shí)，局部區(qū)域開始出現(xiàn)反磁化核并長大到一個臨界尺寸，出

18、現(xiàn)了疇壁。由于材料內(nèi)的缺陷對疇壁的釘扎作用很弱，剛形成的疇壁迅速移動，帶動了材料整體磁矩發(fā)生反轉(zhuǎn)。而Sm2Co17燒結(jié)磁體的反磁化過程是由疇壁釘扎控制的。飽和磁化的磁體整體磁矩反轉(zhuǎn)之前，材料內(nèi)部已經(jīng)存在疇壁，但疇壁被缺陷釘扎不能移動，只有磁場強(qiáng)到將能夠?qū)牨趶尼斣隼觯麄€材料的磁矩才能反轉(zhuǎn)。究竟是那種模型控制著材料的反磁化過程，要看磁體整體磁矩發(fā)生反轉(zhuǎn)的兩個過程哪一個難于發(fā)生。如果反磁化疇的形核和長大比較困難，反磁化過程就由形核模型控制，如果疇壁移動比較困難，就由釘扎模型控制。當(dāng)然也可能存在兩種機(jī)理都存在的混合模型。 第32頁/共38頁形核特征：晶粒較大（燒結(jié)NdFeB為幾個微米），表面光

19、滑，晶粒間為幾個微米米左右的非磁性相，晶粒之間去耦，交換作用很弱。 第33頁/共38頁釘扎特征：晶粒較小，復(fù)相，胞狀結(jié)構(gòu)（內(nèi)部為2：17相，邊界為1：5相），矯頑力與兩相疇壁能的差成正比。第34頁/共38頁 一般來說，磁晶各向異性常數(shù)大的單相磁體，其反磁化機(jī)理以形核為主，如單相的稀土鈷合金1：5型和2：17型磁體，鋇鍶鐵氧體磁體。形核為主的磁體，反磁化核長大時(shí)的疇壁移動也遇到釘扎，這時(shí)矯頑力由形核場和臨界場同時(shí)決定。凡是磁晶各向異性常數(shù)大的兩相磁體，反磁化機(jī)理則以釘扎為主，如兩相的稀土鈷合金1：5型和2：17型。第35頁/共38頁( 1 )形核場決定的矯頑力：長旋轉(zhuǎn)橢球形(l,d)的反磁化疇核長大的能量條件為dVMHdEdSdVHMsdws0