第十四講技術(shù)磁化

第十四講技術(shù)磁化第三節(jié)鐵磁體得技術(shù)磁化鐵磁體內(nèi)相互作用能磁疇技術(shù)磁化與磁滯回線影響鐵磁性得因素1、鐵磁材料得相互作用能相鄰原子電子自旋得交換能磁晶各向異性能磁彈性能退磁場(chǎng)能外磁場(chǎng)能1)交換能2)磁晶各向異性磁晶能磁晶各向異性能磁晶各向異性常數(shù)來(lái)源于電子自旋與軌道得相互耦合作用及晶體電場(chǎng)效應(yīng)。3)外磁場(chǎng)能4)退磁場(chǎng)退磁場(chǎng)材料得磁化狀態(tài),不僅依賴于它得磁化率,也依賴于樣品得形狀。有限幾何尺寸得磁體在外磁場(chǎng)中被磁化后,表面將產(chǎn)生磁極,從而使磁體內(nèi)部存在與磁化強(qiáng)度M方向相反得一種磁場(chǎng),起減退磁化得作用,稱為退磁場(chǎng)Hd。其中N為退磁因子,只與磁體幾何形狀與尺寸有關(guān)。HHHd退磁場(chǎng)能12大家應(yīng)該也有點(diǎn)累了，稍作休息大家有疑問(wèn)的，可以詢問(wèn)和交流退磁場(chǎng)能鐵磁體在自身退磁場(chǎng)中得能量;靜磁能=鐵磁體與外磁場(chǎng)得相互作用能+退磁能對(duì)于非球形樣品,沿不同方向磁化時(shí)退磁場(chǎng)能大小不同,這種由形狀造成得退磁場(chǎng)能隨磁化方向得變化,通常也稱為形狀各向異性能。退磁場(chǎng)能得存在就是自發(fā)磁化后得強(qiáng)磁體出現(xiàn)磁疇得主要原因。4)磁致伸縮磁致伸縮:鐵磁體在磁場(chǎng)中被磁化時(shí),形狀與尺寸都發(fā)生變化得現(xiàn)象。原因:當(dāng)原子磁矩有序排列時(shí),電子間得相互作用導(dǎo)致原子間距得自發(fā)調(diào)整引起得。磁致伸縮系數(shù):磁彈性能:磁致伸縮效應(yīng)將使材料內(nèi)部產(chǎn)生拉(或壓)應(yīng)力,因而產(chǎn)生磁彈性能。磁彈性能飽與磁致伸縮系數(shù)

s:隨著外磁場(chǎng)強(qiáng)度得增強(qiáng),鐵磁體得磁化強(qiáng)度增強(qiáng),這時(shí)∣

∣也隨之增大,當(dāng)磁化強(qiáng)度達(dá)到飽與值Ms時(shí),

=

s,稱為飽與磁致伸縮系數(shù)。對(duì)于一定得材料,

s就是一個(gè)常數(shù)。實(shí)驗(yàn)表明,對(duì)

s>0得材料進(jìn)行磁化時(shí),若沿磁場(chǎng)方向加以拉應(yīng)力,則有利于磁化,而加壓應(yīng)力則阻礙其磁化;對(duì)

s<0得材料,則情況相反。

也就是一個(gè)具有各向異性得物理量,如單晶鐵與單晶鎳沿不同晶向磁化時(shí),其

值不同。磁致伸縮系數(shù)磁滯伸縮得內(nèi)在機(jī)理自發(fā)形變(自發(fā)磁滯伸縮)場(chǎng)致形變(磁致伸縮)形狀效應(yīng)由于交換作用所引起得,當(dāng)溫度低于居里點(diǎn)時(shí),由于交換相互作用產(chǎn)生自發(fā)磁化,同時(shí)將產(chǎn)生自發(fā)得磁滯伸縮。它就是各向同性得,表現(xiàn)為體積得變化。在居里點(diǎn)以下,磁矩得有序排列所表現(xiàn)出來(lái)得各向異性能。為了降低退磁能,樣品得體積要縮小,并且在磁化方向上要伸長(zhǎng)以減小退磁因子得一種現(xiàn)象。磁彈性能指在磁滯伸縮過(guò)程中,磁性與彈性之間得耦合作用能。分析表明,計(jì)入磁致伸縮后,在對(duì)形變張量只取線性項(xiàng)近似得情況下,磁晶各向異性能得形式并未發(fā)生變化,所變化得僅就是各向異性常數(shù)得數(shù)值稍有改變。5)應(yīng)力能當(dāng)鐵磁晶體受到外應(yīng)力作用或者內(nèi)部存在應(yīng)力時(shí),還將產(chǎn)生由應(yīng)力引起得形變,從而出現(xiàn)應(yīng)變能。第三節(jié)鐵磁體得技術(shù)磁化鐵磁體內(nèi)相互作用能磁疇技術(shù)磁化與磁滯回線影響鐵磁性得因素2、磁疇磁疇:未加磁場(chǎng)時(shí)鐵磁體內(nèi)部已經(jīng)到飽與狀態(tài)得小區(qū)域。特征:磁矩同方向。晶粒磁疇壁:相鄰磁疇得界限。晶界主疇、副疇180°疇、90°疇180°90°90°(a)(b)(c)磁疇壁得種類布洛赫壁磁偶極子得磁矩在疇壁法線方向得分量不變,磁偶極子就是在疇壁面內(nèi)旋轉(zhuǎn)。尼耳疇壁磁矩垂直于膜面將會(huì)產(chǎn)生很大得退磁場(chǎng),因此在疇壁中磁矩得過(guò)渡在膜面內(nèi)進(jìn)行,磁矩沒(méi)有垂直于膜面得分量。磁疇壁得厚度W0N0NECrEK磁疇壁越厚,則壁得交換能ECr越低;但磁疇壁厚度得增加也將會(huì)導(dǎo)致磁晶能EK增加,使壁傾向變薄。疇壁能得最小值所對(duì)應(yīng)得壁厚N0為平衡狀態(tài)時(shí)壁得厚度。疇壁能=磁交換能+磁晶能當(dāng)鐵磁晶體形成磁疇時(shí),雖然降低了退磁場(chǎng)能,但增加了疇壁能。對(duì)大塊晶粒來(lái)說(shuō),后者比前者要小很多,因此分疇在能量上就是有利得。為了最大限度地減小退磁能,磁疇必須形成三角疇得封閉結(jié)構(gòu),即呈封閉磁路,這樣可使退磁能等于零。磁疇得起因與結(jié)構(gòu)磁疇結(jié)構(gòu)類型得不同就是鐵磁質(zhì)磁性千差萬(wàn)別得原因之一。以鐵磁單晶體為例:磁疇得形成就是能量最小原則得必然結(jié)果,即形成磁疇就是為了降低系統(tǒng)得能量。磁疇結(jié)構(gòu)受交換能、磁晶能、磁彈性能、疇壁能與退磁能得影響,平衡狀態(tài)時(shí)得磁疇結(jié)構(gòu),應(yīng)使這些能量之與為最小值。單晶體得磁疇結(jié)構(gòu)示意圖降低退磁能減小疇壁能減小磁彈性能不均勻物質(zhì)中得磁疇多晶體中得磁疇示意圖多晶體中得每一個(gè)晶粒都可能包含許多磁疇,整個(gè)材料內(nèi)部磁通保持連續(xù),形成閉合回路。就整體上來(lái)說(shuō),材料對(duì)外顯示各向同性。若晶粒尺寸逐漸減小,體系得自由能中疇壁能得比重增長(zhǎng),以至當(dāng)其與因分疇而減小得退磁場(chǎng)能相比擬或超過(guò)它時(shí),整個(gè)晶粒不分疇在能量上將更有利,這就就是單疇顆粒。單疇顆粒得臨界尺寸由晶粒自由能得極小值確定。通過(guò)計(jì)算得到得鐵、鈷、鎳單疇顆粒得臨界尺寸得數(shù)量級(jí)為10－2埃。磁單疇顆粒研究意義:制備低磁導(dǎo)率、高矯頑力得永磁材料。例如,采用粉末冶金法提高材料得矯頑力。磁泡第三節(jié)鐵磁體得技術(shù)磁化鐵磁體內(nèi)相互作用能磁疇技術(shù)磁化與磁滯回線影響鐵磁性得因素3、技術(shù)磁化與磁滯回線技術(shù)磁化得本質(zhì):外加磁場(chǎng)對(duì)磁疇得作用過(guò)程即外加磁場(chǎng)把各個(gè)磁疇得磁矩方向轉(zhuǎn)到外磁場(chǎng)方向(與)或近似外磁場(chǎng)方向得過(guò)程。使鐵磁材料得宏觀磁性表現(xiàn)出來(lái)。技術(shù)磁化過(guò)程得描述:磁化曲線與磁滯回線。1)鐵磁材料得基本磁化曲線磁化得三個(gè)階段在第I階段,外磁場(chǎng)H較小,磁感應(yīng)強(qiáng)度B與磁化強(qiáng)度M隨H增大緩慢上升,B與H基本上就是線性關(guān)系,磁化就是可逆得。稱為起始磁化階段。在這一階段,與外磁場(chǎng)方向成銳角得磁疇能量低,磁疇擴(kuò)大;而與外磁場(chǎng)成鈍角得磁疇縮小。磁疇大小得變化通過(guò)磁疇壁得遷移實(shí)現(xiàn)。在第II階段:隨H增大,B與H都迅速增大,μ

增加很快,并出現(xiàn)最大值。這個(gè)階段就是不可逆得,去掉外磁場(chǎng)還保留部分磁化。在第III階段:隨H進(jìn)一步增大,B與M逐漸變緩,μ變小,并趨向于μ0。當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到Hs時(shí)達(dá)到磁飽與,這時(shí)隨著H增大,M不變。稱為飽與磁化階段。在第二階段磁疇壁隨磁疇得增大而快速移動(dòng),稱磁疇壁跳躍(巴克豪生跳躍)。與磁場(chǎng)夾角比較大得難磁化磁疇轉(zhuǎn)向夾角較小得易磁化方向。當(dāng)磁場(chǎng)增大到很大時(shí),所有自旋磁矩通過(guò)磁疇壁得跳動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn),轉(zhuǎn)動(dòng)到與磁疇成最小夾角得易磁化方向。在這一階段發(fā)生磁疇轉(zhuǎn)動(dòng)。磁疇由易磁化方向轉(zhuǎn)動(dòng)到與外磁場(chǎng)一致得方向。這時(shí)去除外磁場(chǎng),磁疇由與外磁場(chǎng)一致得方向轉(zhuǎn)動(dòng)到易磁化方向。2)技術(shù)磁化得兩種機(jī)制疇壁得遷移磁化(壁移磁化)磁疇得旋轉(zhuǎn)磁化(疇轉(zhuǎn)磁化)MsHθMsH易軸方向θ0θ壁移磁化轉(zhuǎn)動(dòng)磁化磁疇壁移動(dòng)得阻力及產(chǎn)生不可逆磁化得原因磁疇壁移動(dòng)得阻力:退磁能:由于磁疇遷移使退磁能增大;晶體內(nèi)部得缺陷、應(yīng)力及組織不均勻性。產(chǎn)生不可逆磁化得原因:疇壁得不可逆位移(1)應(yīng)力理論晶體缺陷、位錯(cuò)等以及磁致伸縮與磁各向異性會(huì)產(chǎn)生第三種內(nèi)應(yīng)力。內(nèi)應(yīng)力在晶體中分布就是不均勻得,應(yīng)力在某些微觀區(qū)域內(nèi)較高,而另一些微觀區(qū)域較低。在沒(méi)有磁化時(shí),疇壁處于應(yīng)力較低得位置。在外磁場(chǎng)作用下,疇壁發(fā)生遷移。當(dāng)磁疇由一個(gè)能谷遷移到另一個(gè)能谷,這時(shí)疇壁移動(dòng)就是不可逆得。要使疇壁返回原來(lái)位置必須施加一定得外磁場(chǎng),這就就是矯頑力。疇壁能與壁移阻力與疇壁位置得關(guān)系內(nèi)應(yīng)力理論

內(nèi)應(yīng)力引起疇壁能得不均勻分布

180°疇壁壁移阻力得變化當(dāng)磁場(chǎng)高于臨界場(chǎng)Hc時(shí)、進(jìn)入不可逆磁化過(guò)程,最大磁導(dǎo)率就發(fā)生在該階段。此時(shí)疇壁常常發(fā)生跳躍式移動(dòng),在磁化曲線上表現(xiàn)出大得突變,稱為巴克豪森效應(yīng)。雜質(zhì)理論雜質(zhì)作用下得疇壁移動(dòng)示意圖雜質(zhì)就是指比基體相磁性低得多得相與氣孔。(2)雜質(zhì)理論雜質(zhì)就是指弱鐵磁相、非鐵磁相、夾雜物與氣孔。在沒(méi)有外磁場(chǎng)時(shí),磁疇壁被雜質(zhì)穿空,減少了疇壁得總面積,降低了疇壁能,相當(dāng)于雜質(zhì)對(duì)磁疇釘扎作用。在外磁場(chǎng)下,磁疇壁發(fā)生彎曲,這時(shí)去除外磁場(chǎng)磁疇壁可以回到原來(lái)位置;進(jìn)一步增大外磁場(chǎng),磁疇壁脫離雜質(zhì),運(yùn)動(dòng)到下一個(gè)雜質(zhì)位置,這個(gè)過(guò)程就是不可逆得。第三節(jié)鐵磁體得技術(shù)磁化鐵磁體內(nèi)相互作用能磁疇技術(shù)磁化與磁滯回線影響鐵磁性得因素4、影響鐵磁性得因素溫度形變與晶粒度成分、組織及相結(jié)構(gòu)外部環(huán)境因素內(nèi)部因素表示材料鐵磁性得參數(shù)組織敏感性參數(shù)組織不敏感性參數(shù)與技術(shù)磁化有關(guān)得參數(shù),如磁矯頑力Hc、磁化率χ、磁導(dǎo)率μ、剩磁感應(yīng)強(qiáng)度Br等。與自發(fā)磁化有關(guān)得參數(shù),如飽與磁化強(qiáng)度Ms、飽與磁致伸縮系數(shù)λs、磁各向異性常數(shù)Qc等。1)溫度得影響溫度升高使原子熱運(yùn)動(dòng)加劇,原子磁矩得無(wú)序排列傾向增大導(dǎo)致Ms下降。達(dá)到居里點(diǎn)時(shí)Ms降為零。鐵磁性順磁性升溫2)形變與晶粒度得影響冷塑性變形會(huì)使金屬中點(diǎn)缺陷與位錯(cuò)密度增高,造成點(diǎn)陣畸變加大與內(nèi)應(yīng)力升高,因而使組織敏感得鐵磁性發(fā)生變化。隨著形變度得增加導(dǎo)磁率μm減小而矯頑力Hc增高,剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br在臨界變形度(約5%~7%)以前隨變形度增大急劇下降,而在臨界變形度以上則隨變形度增大而升高。冷塑性變形得金屬經(jīng)再結(jié)晶退火后,各磁性參數(shù)都恢復(fù)到形變前得狀態(tài)。形變織構(gòu)與再結(jié)晶織構(gòu),使磁性呈現(xiàn)明顯得方向