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第一章溫度習(xí)題課第一章溫度基本內(nèi)容1、平衡態(tài)狀態(tài)參量2、溫度和溫標(biāo)幾種常用的溫度計(jì)3、物態(tài)方程理想氣體理想氣體狀態(tài)方程基本要求(1)闡明平衡態(tài)的概念,指出熱力學(xué)平衡與力學(xué)平衡的區(qū)別和聯(lián)系。(2)從熱力學(xué)第零定律引入溫度概念。著重理解理想氣體溫標(biāo),指出經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)對(duì)測(cè)量物質(zhì)及其物理屬性的依賴(lài)性。簡(jiǎn)要介紹熱力學(xué)溫標(biāo)與理想氣體溫標(biāo)的一致性。(3)在中學(xué)知識(shí)基礎(chǔ)上,復(fù)習(xí)氣體的實(shí)驗(yàn)定律,建立理想氣體模型,推導(dǎo)理想氣體狀態(tài)方程,加深對(duì)理想氣體的認(rèn)識(shí)。思考題1.水銀氣壓計(jì)中上面空著的部分為什么要保持真空?如果混進(jìn)了空氣,將產(chǎn)生什么影響?能通過(guò)刻度修正這一影響嗎?答:只有氣壓計(jì)上面空著的部分是真空,才能用氣壓計(jì)水銀柱高度直接指示所測(cè)氣體的壓強(qiáng)。如果氣壓計(jì)內(nèi)混進(jìn)了一些空氣,則這種氣體也具有一定的壓強(qiáng)。這時(shí),水銀柱高度所指示的壓強(qiáng)將小于所測(cè)氣體的真實(shí)壓強(qiáng),而成了待測(cè)氣體與氣壓計(jì)內(nèi)氣體的壓強(qiáng)之差。不行,因?yàn)樗y氣壓計(jì)內(nèi)部氣體的壓強(qiáng)隨著溫度和體積的變化而變化,對(duì)不同壓強(qiáng)和不同溫度的待測(cè)氣體測(cè)量時(shí),內(nèi)部氣體的壓強(qiáng)是不同的。

思考題2.從理想氣體的實(shí)驗(yàn)定律,我們推出方程(1)對(duì)于摩爾數(shù)相同但種類(lèi)不同的氣體,此恒量是否相同。(2)對(duì)于一定量的同一種氣體,在不同狀態(tài)時(shí)此恒量是否相同?(3)對(duì)與同一種的氣體在質(zhì)量不同時(shí),此恒量是否相同?

答:方程中,。表示某種氣體的摩爾數(shù),R是普適氣體常數(shù)。(2)m一定的同一種氣體,在不同狀態(tài)時(shí),不變,恒量仍相同。(1)相同的不同種類(lèi)氣體,其恒量也相同。思考題(3)同一種氣體(M相同)在質(zhì)量m不同時(shí),將隨的不同而改變??梢?jiàn),此方程在質(zhì)量變化時(shí),是不適用的。3.人坐在橡皮艇里,艇浸入水中一定的深度,到夜晚大氣壓強(qiáng)不變,溫度降低了,問(wèn)艇浸入水中的深度將怎樣變化?答:人和艇的重量即為艇所排開(kāi)水的重量。因此,白天和夜晚艇所排開(kāi)水的體積不變,由于艇內(nèi)所充氣體的量不變,大氣壓不變,則所充氣體的壓強(qiáng)P也不變(忽略橡皮艇本身彈力的變化)。當(dāng)夜晚溫度T降低后,充氣橡皮艇體積V便縮小。為了使艇排開(kāi)水的體積保持不變,所以到了夜晚,艇浸入水中的深度將增加。因此,從理想氣體狀態(tài)方程中可見(jiàn),4.(1)在一個(gè)封閉容器中裝有某種理想氣體,如果保持它的壓強(qiáng)和體積不變,問(wèn)溫度能否改變?(2)又有兩個(gè)同樣大小的封閉容器,裝著同一種氣體,壓強(qiáng)相同,問(wèn)他們的溫度是否一定相同?答:(1)在封閉容器內(nèi),氣體質(zhì)量不變,滿(mǎn)足氣態(tài)方程??梢?jiàn),在P、V不變的條件下,T保持不變。(2)兩容器內(nèi)裝同一種氣體(即M相同),在壓強(qiáng)P、體積V相同時(shí),若兩容器內(nèi)氣體的質(zhì)量m不同,則他們的溫度便不同。5.兩個(gè)相同的容器裝著氫氣,以一玻璃管相接通,管中用一水銀滴作為活塞。當(dāng)左邊容器的溫度為0℃而右邊為20℃時(shí),水銀滴剛好在管的中央而維持平衡(見(jiàn)圖)。(1)當(dāng)左邊容器的溫度由0℃升到10℃時(shí),水銀滴是否會(huì)移動(dòng),怎樣移動(dòng)?(2)如果左邊升到10℃,而右邊升到30℃,水銀滴是否會(huì)移動(dòng)?(3)如果要使水銀滴在溫度變化時(shí)不移動(dòng),則左、右兩邊容器的溫度應(yīng)遵循什么規(guī)律?答:水銀滴平衡的條件是兩邊壓強(qiáng)相等。(1)左邊容器的溫度從0℃升高到10℃時(shí),左邊氫氣的壓強(qiáng)增大,于是,水銀滴將在較大的壓力作用下向右移動(dòng),直至右邊氣體因體積減小,壓強(qiáng)增大到與左邊壓強(qiáng)相同時(shí)為止。水銀滴在中央偏右的地方達(dá)到新的平衡。(2)對(duì)一定量的氣體(m一定)在溫度升高時(shí),若體積不變,則壓強(qiáng)的增量為ΔP=(m/MV)RΔT?,F(xiàn)假定兩邊氣體的體積相同,則當(dāng)溫度的增量相同時(shí),壓強(qiáng)增量ΔP取決于兩邊氫氣的質(zhì)量,質(zhì)量大的一邊壓強(qiáng)增量大,將使水銀滴向另一邊移動(dòng)。根據(jù)題意,左邊0℃和右邊20℃時(shí),水銀滴在中央,處于平衡,兩邊的壓強(qiáng)和體積相同。由PV=(m/M)RT可知,左邊溫度低,則質(zhì)量大。因此,當(dāng)兩邊溫度增量相同時(shí),左方壓強(qiáng)增量大于右方,故水銀滴仍將向右方移動(dòng)。(3)根據(jù)題設(shè)條件,溫度變化只要滿(mǎn)足關(guān)系式

T左/T右=273/(273+20),則V左=V右,水銀滴不動(dòng)。6.一容器中裝著一定量的某種氣體,試分別討論下面三種狀態(tài):(1)容器內(nèi)各部分壓強(qiáng)相等,這狀態(tài)是否一定是平衡狀態(tài)?(2)其各部分的溫度相等,這狀態(tài)是否一定是平衡態(tài)?(3)各部分壓強(qiáng)相等,并且各部分密度也相同,這狀態(tài)是否一定是平衡態(tài)?答:一個(gè)封閉的容器內(nèi)各部分氣體具有相同的溫度和壓強(qiáng),并且不隨時(shí)間而改變,通常就稱(chēng)該系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)。(1)因?yàn)镻=nkT,當(dāng)容器內(nèi)各部分氣體壓強(qiáng)相同時(shí),各部分氣體仍可能具有不同的溫度和密度,因而系統(tǒng)不一定是平衡態(tài)。(2)同樣道理,各部分溫度相同時(shí),如果各處密度不同,壓強(qiáng)也可以不相同,所以系統(tǒng)也不一定是平衡態(tài)。(3)P=nkT中,各部分壓強(qiáng)P相同,密度處處相同,則各處的溫度T也相同,因而系統(tǒng)一定是處于平衡狀態(tài)。7.1衡量永磁材料的指標(biāo)

永磁材料又稱(chēng)硬磁材料,是一類(lèi)經(jīng)過(guò)外加強(qiáng)磁場(chǎng)磁化再去掉外磁場(chǎng)以后能長(zhǎng)期保持其較高剩磁性,并能經(jīng)受不太強(qiáng)的外加磁場(chǎng)和其他環(huán)境因素(如溫度和振動(dòng)等)的干擾的強(qiáng)磁材料。

一般說(shuō)來(lái),永磁材料必須具有下面四種主要的磁性上的特點(diǎn):一是高的最大磁能積。最大磁能積是指單位體積的永磁材料中具有高的可以利用的磁能量,用符號(hào)表示。二是高的矯頑力。矯頑力(用是指使永磁材料的磁通密度減小到零時(shí)的磁場(chǎng)強(qiáng)度,矯頑力要使已經(jīng)磁化的永磁材料退磁到其失去永磁性能,都需要表示)高即表示要使永磁材料磁化已獲得永磁性能以及永磁材料的概述施加高的磁場(chǎng)。

三是高的剩磁。剩磁是剩余磁通密度的簡(jiǎn)稱(chēng),用它是指永磁材料在施加強(qiáng)的外磁場(chǎng)磁化以后,將外磁場(chǎng)降到零時(shí)所剩余的磁通密度。永磁材料的剩磁越高,則可資利用的磁性和磁場(chǎng)也越強(qiáng),即永磁性能越好。四是高的居里溫度。居里溫度(用材料的強(qiáng)磁性轉(zhuǎn)變?yōu)槿醯捻槾判缘呐R界溫度。永磁材料的和就降低的越快越顯著,在達(dá)到居里溫度時(shí),就減小到零,失去永磁性。因此,實(shí)際應(yīng)用要求永磁材料具有高的居里溫度。這就是說(shuō),對(duì)永磁材料的主要要求是最大磁能積、矯頑力、剩磁和居里溫度等。四種磁性都盡可能高的磁性材料,常稱(chēng)“四高”表示,表示)是永磁強(qiáng)磁性(包括等)在越接近居里溫度時(shí)永磁材料。

永磁材料種類(lèi)多、用途廣。現(xiàn)在所應(yīng)用的永磁材料主要有:金屬永磁材料,主要包括鋁鎳鉆(AI一Ni一Co)系和鐵鉻鉆(Fe一Cr一Co)系兩類(lèi)永磁合金;鐵氧體永磁材料,這是一類(lèi)以Fe2O3為主要組元的復(fù)合氧化物強(qiáng)磁材料,其電阻率高,特別適合在高頻和微波領(lǐng)域應(yīng)用;稀土永磁材料,這是一類(lèi)以稀土族元素和鐵族元素為主要成分的金屬間化合物,包括SmCo5系、Sm2Co17系以及Nd一Fe一B系永磁材料,其磁能積高,應(yīng)用領(lǐng)域廣闊。永磁材料的概述1880年左右,首先采用碳鋼制成了永磁材料,其最大磁能積(BH)max約為l.6kJ/m3。緊接著,人們又發(fā)現(xiàn)了鎢鋼、鉆鋼等金屬永磁材料。1931年以來(lái),相繼開(kāi)發(fā)出鋁鎳鐵(MK鋼和鋁鎳鉆(Al一Ni一Co)系磁鋼。最初鋁鎳鉆磁鋼的最大磁能積(BH)max、僅為14.3kJ/m3,人們對(duì)合金成分和工藝進(jìn)行調(diào)整后,(BH)躍升到39.8kJ/m3。從此,鋁鎳鉆磁鋼在永磁材料中占據(jù)了主導(dǎo)地位,一直到60年代。20世紀(jì)60年代Sm一Co系稀土永磁材料問(wèn)世,80年代Nd一Fe一B系稀土永磁材料問(wèn)世,這是永磁材料領(lǐng)域一次革命性的變革。Nd一Fe一B永磁體磁能積可高達(dá)460kJ/m3,因此有“磁王”的美譽(yù)。近年來(lái),稀土永磁材料的發(fā)展又出現(xiàn)一些新的動(dòng)向,交換藕合作用機(jī)制的納米雙相永磁材料和RE(稀土元素一Fe一N系永磁體的開(kāi)發(fā)正成為磁性材料領(lǐng)域的熱門(mén)研究課題。

永磁材料的概述7.1.1衡量永磁材料的重要指標(biāo)對(duì)永磁體最基本的要求是,一旦被磁化,其磁化應(yīng)該具有難以失去的特性。永磁體被磁化到飽和以后,如果撤去外加磁場(chǎng),在磁鐵兩個(gè)磁極之間的空隙中便產(chǎn)生恒定磁場(chǎng),對(duì)外界提供有用的磁能。永磁體由外界儲(chǔ)存的靜磁能U可以表示為:7.1.1衡量永磁材料的重要指標(biāo)式中,dV為永磁體的體積元。顯然,我們希望U越大越好。然而,與此同時(shí),磁鐵本身將受一退磁作用,退磁場(chǎng)的方向和原來(lái)外加磁化場(chǎng)的方向是相反的,因此永磁體的工作點(diǎn)將從剩磁點(diǎn)Br移到磁滯回線(xiàn)的第二象限,即退磁曲線(xiàn)上的某點(diǎn)上,如圖5.1所示。圖中,永磁的實(shí)際工作點(diǎn)用D表示。由此可知,永磁材料性能的好壞,應(yīng)該用退磁曲線(xiàn)上的有關(guān)物理量表征,它們是剩磁Br,矯頑力Hc,最大磁能積(BH)max

等。此外,永磁材料在使用過(guò)程中性能的穩(wěn)定性如何,往往也是實(shí)際應(yīng)用中所要考察的重要指標(biāo)。、剩磁Br

硬磁性材料被磁化到飽和以后.當(dāng)外磁場(chǎng)降為零時(shí)所剩的磁感應(yīng)強(qiáng)度稱(chēng)為剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度.簡(jiǎn)稱(chēng)剩磁,用Br表示。但是永磁體由于磁路中存在空隙,因此處于開(kāi)路應(yīng)用狀態(tài)。在這種工昨狀態(tài)下,永磁體的工作點(diǎn)在退磁場(chǎng)作用下由Br點(diǎn)移到D點(diǎn),這時(shí),永磁體所具有的剩磁已不再等于Br,而是應(yīng)該等于Bd。一般,Bd

稱(chēng)為表觀(guān)剩磁。退磁曲線(xiàn)上,連結(jié)永磁體的工作點(diǎn)D和坐標(biāo)原點(diǎn)O的連線(xiàn)OP稱(chēng)為開(kāi)路磁導(dǎo)線(xiàn),OP的斜率稱(chēng)為磁導(dǎo)系數(shù),表示為:7.1.1衡量永磁材料的重要指標(biāo)式中,N為退磁因子。由于N與永磁體的形狀有關(guān),因此P值也是一個(gè)由永磁體形狀所決定的一個(gè)量。例如,對(duì)于薄板磁體,沿厚度方向即使被磁化,由于N≈1,則P≈

0,Bd也幾乎等于零,盡管是磁體,卻難以發(fā)揮永磁體的功能;二、矯頑力Hc

永磁材料的矯頑力Hc有兩種定義:一個(gè)是使磁感應(yīng)強(qiáng)度B=0所需的磁場(chǎng)值,常用BHc

表示;一個(gè)是使磁化強(qiáng)度M=0所需的磁場(chǎng)值,常用MMc

表示。在比較不同永磁材料的磁性能或設(shè)計(jì)永磁磁路時(shí)不能混淆。7.1.1衡量永磁材料的重要指標(biāo)根據(jù)退磁曲線(xiàn)特征和基本關(guān)系:

7.1.1衡量永磁材料的重要指標(biāo)7.1.1衡量永磁材料的重要指標(biāo)由(5.5)式可知,一種永磁材料只有具備足夠高的內(nèi)稟矯頑力Hc

和盡可能高的飽和磁化強(qiáng)度Ms,才能使(BH)max最大程度地接近其理論值。四、穩(wěn)定性

永磁體的穩(wěn)定性是指它的有關(guān)磁性能在長(zhǎng)時(shí)間使用過(guò)程中或受到溫度、外磁場(chǎng)、沖擊、陣動(dòng)等外界因素影響時(shí)保持不變的能力。材料穩(wěn)定性的好壞直接關(guān)系到永磁體工作的可靠性。設(shè)描述永磁體磁性能的某一參數(shù)為z,則其穩(wěn)定性可用它的變化率來(lái)表示:式中,△Z是該參數(shù)的變化量。參數(shù)Z可以代表永磁材料的剩磁Br,或者永磁體實(shí)際工作點(diǎn)所的表觀(guān)剩磁Bd

,還可以代表永磁材料的矯頑力Hc

。7.2提高永磁體性能的途徑

永磁體的最大磁能積(BH)max是表征永磁體性能的最主要指標(biāo)。為使材料的最大磁能積max盡可能大,要求材料的剩磁Br和矯頑力Hc

要高。因此下面主要談?wù)勌岣連r和Hc

的途經(jīng)。7.2.1如何提高材料的剩磁剩磁Br

要提高材料的剩磁,要求材料有高的飽和磁化強(qiáng)度Ms,同時(shí)矩形比Br/Bs應(yīng)接近于1,飽和磁化強(qiáng)度場(chǎng)是物質(zhì)的固有屬性,由材料的成分決定,要想通過(guò)改變成分來(lái)大幅度高材料的Ms是不可能的。因此對(duì)于成分基本給定的永磁材料,如何提高矩形比是提高Br的關(guān)鍵。根據(jù)目前永磁體生產(chǎn)的實(shí)踐來(lái)看,提高Br/Bs的基本途徑有:

①定向結(jié)晶②塑性變形③磁場(chǎng)成型

④磁場(chǎng)處理7.2.2如何提高材料的矯頑力Hc永磁體在磁化過(guò)程中,經(jīng)歷可逆的疇壁移動(dòng)、不可逆的疇壁移動(dòng),經(jīng)磁化轉(zhuǎn)動(dòng)最后達(dá)到飽和。材料的矯頑力主要由疇壁的不可逆移動(dòng)和不可逆磁疇轉(zhuǎn)動(dòng)形成的。永磁材料矯頑力的大小主要由各種因素(如磁各向異性、參雜、晶界等)對(duì)疇壁不可逆位移和磁疇不可逆轉(zhuǎn)動(dòng)的阻滯作用的大小來(lái)決定的。那么,如何提高材料的矯頑力Hc

,就應(yīng)該從這兩個(gè)方面著手。

7.2.2如何提高材料的矯頑力Hc一、磁疇的不可逆轉(zhuǎn)動(dòng)

有一些永磁材料是由許多鐵磁性的微細(xì)顆粒和將這些顆粒彼此分隔開(kāi)的非磁性或弱磁性基體組成的,這些鐵磁性顆粒是如此之細(xì)小,以至于每一顆粒內(nèi)部只包含一個(gè)磁疇,這種可以稱(chēng)為單疇顆粒。單疇顆粒得以存在的條件是其半徑必須小于某一臨界半徑rc,對(duì)于單一磁化軸晶體,由式3.38知,其臨界半徑rc

為:式中,為材料的疇壁能密度。

由于單疇顆粒不具有疇壁,因此磁化機(jī)制僅考慮磁疇旋轉(zhuǎn)即可。磁疇內(nèi)的磁化矢量從一種取向轉(zhuǎn)動(dòng)到另一種取向,必須克服來(lái)自各種磁各向異性對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的阻滯。

二、疇壁的不可逆位移

在永磁合金叫常見(jiàn)的磁各向異性主要有三種,即磁晶各向異性、形狀各向異性和應(yīng)力各向異性。永磁材料的反磁化過(guò)程如果由疇壁的不可逆位移所控制,則一般有兩種情況:一種從磁化時(shí)材料內(nèi)部存在著磁化在反方向的磁疇,一種是不存在這種反向疇。在永磁材料中,不可避免地會(huì)有各種晶體缺陷、雜質(zhì)、晶界等存在,在這些區(qū)域內(nèi)由于內(nèi)應(yīng)力或內(nèi)退磁場(chǎng)的作用不可避免地會(huì)有各種陣磁化矢量很難改變?nèi)∠?,以至于?dāng)晶體中其他部分在外磁場(chǎng)飽和磁化以后,這部分的磁化方向仍沿著相反方向取向,因此,在反磁化時(shí),它們就構(gòu)成反磁化核。這些反磁化核在反用下將長(zhǎng)大成反磁化疇,為疇壁位移準(zhǔn)備了條件。在此情況下,要想得到高矯頑力,于反向磁場(chǎng)必須大于大多數(shù)疇壁出現(xiàn)不可逆位移的臨界磁場(chǎng),而臨界磁場(chǎng)的大小則依巨于各種因素對(duì)疇壁移動(dòng)的阻滯。如果永磁體在反磁化開(kāi)始時(shí),根本不存在反磁化核,那么計(jì)地阻止反磁化核的出現(xiàn)也是提高矯頑力的重要途徑。7.3

稀土永磁材料7.3.1稀土永磁材料概述稀土永磁材料是稀土元素RE(Sm,Nd,Pr等)與過(guò)渡金屬TM(Fe,Co等)所形成材料。在元素周期表里,稀土元素是15個(gè)鑭系元素的總稱(chēng),它們依次是La(Pr)、(Nd

)、(Pm)、Sm、(Eu

)、(Gd

)、Tb、(Er

)、(Tm)、(Yb

)和(Lu)其中,排列次序位于Gd

之前為輕稀土元素,其他則稱(chēng)為重稀土元素。需要指出的是,人們常把第Ⅲ副族元素鈧(Sc,原子序數(shù)21)和(Y,原子序數(shù)39)也列入稀土元素之中。稀土元素未滿(mǎn)電子殼層為4f,由于受到5s,5p,6s電子層的屏蔽,受晶體電場(chǎng)的影響小,其軌道磁矩未被“凍結(jié)”,因而原子磁矩大。

7.3.1稀土永磁材料概述

由于軌道磁矩的存在,自旋磁矩與軌道磁矩間的藕合作用很強(qiáng),表現(xiàn)在稀土永磁合金的磁晶各向異性能和磁彈性能很大,即K和很大。同時(shí),稀土永磁合金的晶體結(jié)構(gòu)為六角晶系和四方晶系,因此具有強(qiáng)烈的單軸各向異性,這是稀土永磁獲得高矯頑力的基礎(chǔ)。對(duì)于純稀土合金,4f電子層受到屏蔽,因此稀土原子間4f-4f電子云交換作用較弱,交換積分常數(shù)A較小,故合金居里溫度低。純稀土合金的居里溫度大部分在室溫以下,因此很難獲得實(shí)用的永磁材料。鐵鉆鎳一類(lèi)過(guò)渡族金屬在室溫下具有很強(qiáng)的鐵磁性,同時(shí)具有高居里溫度。那么,稀土族金屬和鐵、鉆等過(guò)渡族金屬能否組成合金,從而提高稀土族金屬的距離溫度,獲得性能優(yōu)良的磁性材料呢?于是,從50年代起人們開(kāi)始對(duì)稀土一過(guò)渡族合金的磁性能進(jìn)行了一系列深入的研究,并很快獲得突破性進(jìn)展7.3.1稀土永磁材料概述

60年代開(kāi)發(fā)的以SmCo5為代表的第一代稀土永磁材料和70年代開(kāi)發(fā)的以Sm2Co17為代表的第二代稀土永磁材料都具有良好的永磁性能,其最大磁能積(BH)max分別達(dá)到147.3kj/m3

和238.8kJ/m3,但是這些磁體都含有金屬鉆和儲(chǔ)量較少的稀土元素衫,存在原材料的供應(yīng)和價(jià)格問(wèn)題,使其發(fā)展受到影響。1983年佐川真人等對(duì)RE一Fe一X三元合金進(jìn)行了廣泛的實(shí)驗(yàn)研究,發(fā)現(xiàn)了具有單軸各向異性的金屬間化合物Nd2Fel4B(四方晶結(jié)構(gòu)),并制成了(BH)max達(dá)446.4kJ/m3的高磁能積Nd一Fe一B磁體。這種高磁能積的Nd一Fe一B磁體被稱(chēng)為第三代稀土永磁材料。與前兩代稀上永磁不同,Nd一Fe一B磁體為鐵基

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