鐵磁性ppt課件

1、磁學(xué)與磁性材料（2） Magnetism and Magnetic Materials,材料科學(xué)與工程學(xué)院 李 軍,1,鐵磁性,2,鐵磁性的物理本質(zhì) Weiss假說 自發(fā)磁化 鐵磁性的判據(jù) 亞鐵磁性和反鐵磁性 鐵磁體的特征,3,鐵磁材料中的磁自由能 靜磁能 退磁能 磁晶各向異性能 磁致伸縮與磁彈性能,4,如果物質(zhì)的大于0，且數(shù)值很大，這類物質(zhì)為鐵磁性物質(zhì)，如Fe、Co、Ni等。 鐵磁性材料具有很強的磁性，在技術(shù)具有廣泛的應(yīng)用，通常所指的磁性材料就是這類材料。,電工純鐵,金屬鈷,金屬鎳,5,研究表明，鐵磁性和順磁性具有相同的來源。 對順磁體來說，要使順磁體中由于熱擾動而排列混亂的磁矩在室溫下達到

2、接近于整齊排列的狀態(tài)，需要8108A/m的強磁場，目前的極限磁場很難達到如此高的強度。 對鐵磁體來說，它的磁化強度容易改變，只需在很小的磁場下（1103A/m）就可以達到技術(shù)飽和；磁場去除后，這種排列仍然可以保持下去。,6,鐵磁性研究的核心問題就是為什么鐵磁體的原子磁矩比順磁體容易整列？,物質(zhì)內(nèi)部原子磁矩的排列 a:順磁性 b:鐵磁性 c:反鐵磁性 d:亞鐵磁性,7,鐵磁性的物理本質(zhì),8,Weiss假設(shè),Weiss提出第一個假設(shè)：磁體中存在與外場無關(guān)的自發(fā)磁化強度，在數(shù)值上等于技術(shù)飽和磁化強度Ms，而且這種自發(fā)磁化強度的大小與物體所處環(huán)境的溫度有關(guān)。對于每一種鐵磁體都有一個完全確定的溫度，在該

3、溫度以上，物質(zhì)就完全失去了其鐵磁性。 在外磁場為零的時候，鐵磁體不存在磁化強度； 根據(jù)Weiss的第一個假設(shè)，鐵磁體似乎是應(yīng)該有; 這個矛盾顯然是由另外一些原因所造成的。,9,為解決這個矛盾，Weiss提出第二個假設(shè)： 在居里點以下鐵磁體分成許多微小的區(qū)域，在這些區(qū)域中存在著與鐵磁體所處溫度對應(yīng)的自發(fā)磁化強度，這種區(qū)域為磁疇。,磁性材料中常見的磁疇形狀：條形疇，樹枝狀疇和迷宮疇,10,由于熱運動的無序性，在沒有外場的時候，鐵磁體內(nèi)部各磁疇的自發(fā)磁化強度混亂取向，相互抵消，致使整個磁體的宏觀磁化強度為零。 只有在外場的影響下，磁疇中磁化強度的取向和磁疇體積才會發(fā)生變化，使磁體中出現(xiàn)宏觀的磁化強度

4、。,11,盡管Weiss假設(shè)對鐵磁學(xué)有十分重要的意義，但限于當(dāng)時物理學(xué)的發(fā)展水平，它只是一種表象理論，并沒有揭示兩個基本假設(shè)的物理意義。 1929年，海森堡證明，相鄰原子間有靜電交換作用，并通過量子力學(xué)方法計算了鐵磁體的自發(fā)磁化強度，Weiss理論才以量子交換力作為相互作用力的起源，解釋了鐵磁性的物理本質(zhì)。,12,自發(fā)磁化,原子結(jié)構(gòu)表明，F(xiàn)e、Co、Ni和其相鄰元素Mn、Cr等原子磁性并無本質(zhì)差別，凝聚成晶體后，其磁性都來源于3d次殼層中電子沒有填滿的自旋磁矩，然而前者是鐵磁性的，后者是非鐵磁性的。 材料是否具有鐵磁性的關(guān)鍵不但在于組成材料的原子本身所具有的磁矩大小，還在于形成凝聚態(tài)后原子的相

5、互作用。,13,在有電子殼層參加的原子現(xiàn)象范圍內(nèi)，通常有兩種類型的力：磁相互作用力和靜電力。 為解釋W(xué)eiss的第一個假設(shè)，人們試圖用原子磁矩之間的磁相互作用力來解釋原子磁矩出現(xiàn)的自發(fā)平行取向。 磁相互作用力的能量與熱運動的能量相比太小了，根據(jù)計算，在磁相互作用力下，物體只需加熱到1K就可以破壞原子磁矩的自發(fā)平行取向，因而物體的居里溫度應(yīng)在1K左右。,14,實際鐵磁體的居里溫度在數(shù)百K甚至上千K。 引起鐵磁體內(nèi)原子磁矩排列整齊，并使有序狀態(tài)保持到如此高的溫度的力量顯然比磁相互作用力要大千百倍。,一些鐵磁體的居里溫度Tc,15,既然鐵磁體有居里溫度，說明在這個臨界溫度，原子熱運動能已經(jīng)和自發(fā)磁化

6、等效磁場與原子磁矩之間的能量相等。 在居里點，原子的熱運動能為kBTc的數(shù)量級，靜磁能也應(yīng)在kBTc的數(shù)量級。 式中，kB=1.38031023J/K為玻爾茲曼常數(shù)，B=1.165310-29Wbm為玻爾磁子。,16,顯然，原子范圍內(nèi)提供不了這樣大的磁場。因而，引起原子磁矩自發(fā)排列的力肯定不是原子磁矩之間磁的相互作用力。 人們把注意力轉(zhuǎn)向靜電力。但是，建立在Newton力學(xué)和Maxwell電磁力學(xué)上的經(jīng)典電子論也不能揭示鐵磁體自發(fā)磁化的本質(zhì)。 Heisenberg和Frank按照量子理論證明，物質(zhì)內(nèi)相鄰原子的電子間有一種來源于靜電的相互作用力。由于這種交換作用對系統(tǒng)能量的影響，迫使各原子的磁矩

7、平行或反平行排列。,17,當(dāng)兩個氫原子距離很遠時，因為無相互作用，電子的自旋取向是互不干擾的，此時每個原子都處于基態(tài)，其能量為E0。 當(dāng)兩原子接近后，在核與核、電子與電子之間、核與電子之間產(chǎn)生了新的靜電相互作用，,氫分子模型,18,氫分子的能量已經(jīng)不是簡單等于兩個原子基態(tài)能量E0之和，而是 E1為能量補充項，它不但與粒子的庫侖作用有關(guān)，還與電子自旋的相對取向有關(guān)。 考慮到電子自旋平行及反平行時系統(tǒng)的能量不同。用E1和E2分別表示這兩種狀態(tài)的氫分子能量，則上式可寫成,19,式中C和A的表達式為 式中a(1)和b(2)表示電子在核周圍運動的波函數(shù)；a(1)和b(2)表示相應(yīng)波函數(shù)的復(fù)數(shù)共軛值，d1

8、和d2為空間體積元。,20,C是由于電子之間、核與電子之間庫侖作用而增加的能量項， A可看成是兩個原子的電子交換位置產(chǎn)生的相互作用能，稱為交換積分，它與原子之間的電荷重疊有關(guān)。 自旋平行時的系統(tǒng)的能量E1和自旋反平行時的系統(tǒng)能量E2究竟哪一個處于穩(wěn)定狀態(tài)的關(guān)鍵在于交換積分A的符號。 AE2，電子自旋反平行排列為穩(wěn)定狀態(tài)； A0，則E1E2，電子自旋平行排列為穩(wěn)定狀態(tài)。,21,右圖為氫分子的能量與原子間距的關(guān)系， 從E1E2的實驗結(jié)果可知，A0，電子自旋是反平行的，所以氫是非鐵磁性的，它是一種抗磁性物質(zhì)，為-210-6。,氫原子的能量,22,3d金屬的自發(fā)磁化,在3d金屬如Fe、Co、Ni中，當(dāng)

9、3d電子云重疊時，相鄰原子的3d電子存在交換作用，它們以每秒108的頻率交換位置。相鄰原子3d電子的交換作用能Eex與兩個電子自旋磁矩的取向(夾角)有關(guān) 式中S代表以普朗克常數(shù)為單位的電子自旋角動量。若用經(jīng)典矢量模型來近似并且SiSj時，相鄰原子3d電子自旋磁矩的夾角為時，上式可變成,23,在平衡狀態(tài)，相鄰原子3d電子磁矩的夾角值應(yīng)遵循能量最小原理。 當(dāng)A0時，為使交換能最小，則相鄰原于3d電子的自旋磁矩夾角為0，即磁矩彼此同向平行排列，或稱鐵磁性耦合，即自發(fā)磁化，出現(xiàn)鐵磁性磁有序，,鐵磁性,24,當(dāng)A0時，為使交換能最小，相鄰原子3d電子自旋磁矩夾角為180，即相鄰原子3d電子自旋磁矩反向平

10、行排列，稱為反鐵磁性耦合，出現(xiàn)反鐵磁性磁有序,反鐵磁性,25,當(dāng)A=0時，相鄰原子3d電子自旋磁矩間彼此不存在交換作用，或者說交換作用十分微弱。 在這種情況下，由于熱運動的影響，原子自旋磁矩混亂取向，變成磁無序，即順磁性。,順磁性,26,稀土金屬及化合物的自發(fā)磁化,在稀土金屬中，對磁性有貢獻的是4f電子。 4f電子是局域化的，它的半徑僅0.6-0.810-1nm，外層還有5s和5p電子層對4f電子起屏蔽作用，相鄰的4f電子云不可能重疊，即不可能存在像3d金屬那樣的直接交換作用。 稀土金屬鐵磁性起源的解釋RKKY理論。,27,稀土金屬中，4f電子是局域化的，6s電子是巡游電子，4f電子和6s電子

11、要發(fā)生交換作用，使6s電子發(fā)生極化現(xiàn)象。 極化了的6s電子自旋對4f電子自旋有耦合作用，結(jié)果就形成了以巡游的6s電子為媒介，使磁性的4f電子自旋與相鄰原子的4f電子自旋間接地耦合起來，從而產(chǎn)生自發(fā)磁化。,28,在稀土化合物中，R-R以及R-M原子間距都較遠，不論是4f電子云間，還是3d-4f電子云間都不可能重疊，4f電子間不可能有直接交換作用，它也是以傳導(dǎo)電子為媒介，產(chǎn)生間接交換作用，使3d與4f電子磁矩耦合起來。 輕稀土化合物中3d與4f電子磁矩是鐵磁性耦合； 重稀土化合物中3d與4f電子磁矩是亞鐵磁性耦合，,亞鐵磁性,29,鐵磁性的判據(jù),周期表中各元素要出現(xiàn)鐵磁性，單有未填滿電子的d或f電

12、子殼層結(jié)構(gòu)(如過渡族元素和稀土元素)是不充分的，因為在原子間的靜電相互作用中，A值的符號和大小與原子核間的距離有顯著的關(guān)系。 為了定量表征原子核間距離與交換積分的關(guān)系，采用金屬點陣常數(shù)d與未填滿殼層半徑rn之比來觀察各金屬交換積分A的大小和符號。,30,當(dāng)v1時，物質(zhì)處于鐵磁狀態(tài)，此時電子云重疊，交換積分A0，且數(shù)值較大； 如果v太大，如稀土元素，電子云重疊很少或者不重疊，交換作用相對較弱，它們或者是順磁性或鐵磁性的（但居里點比過渡族元素低得多）； 原子間距離太小，則v1，交換積分A0，材料處于反鐵磁狀態(tài)。,交換能與d/rn的關(guān)系，d-晶格常數(shù)，rn-為未滿殼層的半徑,A,31,處于鐵磁狀態(tài)的

13、物質(zhì)除了原子具有未填滿電子的次殼層結(jié)構(gòu)外，還應(yīng)具有相當(dāng)?shù)脑娱g距。 既然Mn、Cr滿足了第一個條件，那么改變其點陣常數(shù)是否會使其轉(zhuǎn)入鐵磁狀態(tài)呢？ 研究表明，在Mn中滲入N后，Mn的點陣常數(shù)d增大，v值也增大，因而Mn變?yōu)殍F磁體。 MnCr、MnAlCu鐵磁性合金的存在也是因為點陣常數(shù)的增大而導(dǎo)致。,32,反鐵磁性,物質(zhì)原子間靜電交換作用使原子磁矩有序排列，當(dāng)交換積分A0時，原子磁矩反平行排列的狀態(tài)稱為反鐵磁態(tài)，處于反鐵磁態(tài)的物體稱為反鐵磁體。,某些反鐵磁體的磁性常數(shù),33,反鐵磁體都具有一定的轉(zhuǎn)變溫度，稱為反鐵磁居里點或者Neel點，以TN表示。 在Neel點附近，反鐵磁體除磁化率有反常變化外

14、，熱膨脹系數(shù)、楊氏模量等非磁性物理性能都出現(xiàn)反常的高峰。,MnO熱容隨溫度的變化,MnO磁化率隨溫度的變化,34,根據(jù)中子衍射的結(jié)果，把反鐵磁體看成是兩個放在一起的亞點陣組成，每個亞點陣中離子磁矩平行排列，相鄰亞點陣之間的磁矩方向卻反向平行。 如對于MnO晶體來說，其磁結(jié)構(gòu)為反平行排列的Mn+離子組成的兩個相互穿插在一起的立方點陣。,MnO的反鐵磁晶胞,35,亞鐵磁性,在反磁體中，兩個亞點陣的磁矩方向相反而數(shù)值相等，自發(fā)磁化強度為零，即MA+MB=0。 如果MA不等于MB，MA+MB不等于零，則存在自發(fā)的磁化強度，形成類似于鐵磁性的物質(zhì)。這種物質(zhì)被稱為亞鐵磁體。 目前所發(fā)現(xiàn)的亞鐵磁體一般都是F

15、e2O3和二價金屬氧化物所組成的復(fù)合氧化物，稱為鐵氧體，分子式為MeOFe2O3，這里Me為Fe、Ni、Zn、Co、Mg等二價金屬離子。,36,亞鐵磁性物質(zhì)也可以產(chǎn)生自發(fā)磁化，其作用原理為超交換作用。 在如圖所示的三原子系統(tǒng)中，中間為O2-離子，兩側(cè)分別布置有金屬磁性離子M1和M2。由于中間氧離子的屏蔽作用，兩側(cè)的金屬磁性離子難以發(fā)生直接相互作用。,金屬離子的超交換作用模型,37,當(dāng)O2-的2p軌道擴張到磁性M離子的電子軌道范圍，有可能進入到磁性M離子的3d軌道，即發(fā)生所謂p軌道與d軌道輕微重疊造成的電子交換。 假設(shè)磁性離子M1和M2都有3d軌道電子，M1的全自旋方向朝上，根據(jù)洪德法則，O2-

16、2p軌道電子中只有自旋方向朝下的電子才有可能進入M1的3d軌道。 由于氧離子中部分電子向3d軌道移動，能量升高進入激發(fā)態(tài)，進而具有磁矩；,38,O2-通過2p軌道中剩余電子，即自旋朝上的電子與M2相互作用，在M2中產(chǎn)生與Ml方向相反的磁矩。 由于氧這一非磁性中間離子的介入，使磁性離子M1和M2產(chǎn)生相互作用的現(xiàn)象稱為超交換作用。 反鐵磁性和亞鐵磁性都屬于這種模型。 在亞鐵磁體中，超交換作用使每個亞點陣內(nèi)的磁矩平行排列，相鄰亞點陣磁矩方向相反而大小不等，因而相互抵消了一部分，剩余部分則表現(xiàn)為自發(fā)磁化強度。 中間非磁性離子除了O2-之外，還有S2-，Se2-等。,39,隨著溫度升高，鐵氧體的飽和磁化

17、強度降低，當(dāng)達到足夠高的溫度時，自發(fā)磁化消失，鐵氧體變?yōu)轫槾判晕镔|(zhì)，該溫度就是鐵氧體的居里溫度。 超交換作用越強，參加交換作用的離子數(shù)目就越多，居里溫度就越高。 從已知的反鐵磁結(jié)構(gòu)出發(fā)，利用元素取代，可制成保持原來磁結(jié)構(gòu)的反平行排列，但兩個亞點陣磁矩不等的亞鐵磁晶體。 鈦鐵石氧化物Fe1+xTi1-xO3是反鐵磁體Fe2O3和FeTiO3的固溶體，兩者的點陣結(jié)構(gòu)相同，在1x0.5的范圍內(nèi)就出現(xiàn)強烈的亞鐵磁性。,40,鐵磁體的特征,磁疇和自發(fā)磁化是鐵磁(亞鐵磁性)性物質(zhì)的基本特征； 鐵磁性物質(zhì)的磁化率很大，可以達到10-106量級，磁化到飽和所需要的外加磁場很小； 鐵磁性物質(zhì)的磁化強度和磁場強度

18、之間不是單值函數(shù)關(guān)系，顯示出磁滯現(xiàn)象，具有剩余磁化強度；,41,鐵磁性物質(zhì)具有一個磁性轉(zhuǎn)變的居里溫度Tc，在Tc以上，鐵磁性消失，呈現(xiàn)順磁性；在Tc以下，表現(xiàn)出鐵磁性，并且隨著溫度的升高，飽和磁化強度逐漸降低； 鐵磁性物質(zhì)在磁化時，呈現(xiàn)出磁晶各向異性、磁致伸縮等現(xiàn)象。,42,鐵磁材料中的磁自由能,43,磁性材料中的磁自由能包括靜磁能、退磁場能、磁晶各向異性能、磁彈性能以及交換作用能。 交換能屬于近鄰原子間靜電相互作用能，是各向同性的，比其它各項磁自由能大102-104數(shù)量級。 其它各項磁自由能不改變其自發(fā)磁化的本質(zhì)，僅能改變其磁疇的結(jié)構(gòu)。,44,靜磁能,磁性材料與外磁場的相互作用能稱為靜磁能E

19、H。 根據(jù)等效磁荷觀點，外場施加給磁體的力可認為作用在磁體兩端，分別指向與磁場平行(N極)或反平行(S極)的方向，其大小為磁場H與磁荷m的乘積。 該力力圖使磁化強度M的方向與H的方向一致。,外磁場對磁體的作用,45,如果磁體的長度為2l，磁體與磁場的夾角為，則作用在磁體上的力矩為： J=m2l，為該磁體的磁偶極矩 如果轉(zhuǎn)動磁體，使角增加d，則需要反抗力矩對磁體做功，使磁體在外場中的勢能增加dE1=Ld，積分可得磁體在磁場作用下的靜磁能dE1H 根據(jù)邊界條件，C=0，上式可寫成,46,退磁能,按照等效磁荷的觀點，磁性材料的磁化是把其中的磁偶極子整齊排列起來 由于材料內(nèi)部的磁偶極子間首尾銜接，正負

20、極互相抵消，所以只是在材料的端面上才分別出現(xiàn)N，S極或正、負磁荷，如圖所示。,材料的磁化,47,磁荷產(chǎn)生的磁場是由正到負的，其磁力線的分布如圖所示，所以在材料內(nèi)部磁荷產(chǎn)生的磁場總是與磁化強度的方向相反，即其作用是使磁化減弱，故稱為退磁場。,退磁場的磁力線,48,退磁場的大小不但與磁荷的數(shù)值有關(guān)，而且與材料的形狀有關(guān)；同時磁荷是由磁偶極子產(chǎn)生的，所以它與磁化強度也有關(guān)。 材料內(nèi)的退磁場可以寫成 一般情況下，退磁場往往是不均勻的，它和幾何形狀有密切關(guān)系，通常是試樣形狀的張量函數(shù)。,49,對于三個主軸分別為a、b、c的橢球體，設(shè)三個主軸的退磁因子為Na、Nb、Nc，可以證明它們符合以下的簡單關(guān)系：

21、如果a為長軸，沿長軸磁化時 如果沿短軸磁化，則 式中k=1/d為尺寸因子，d為短軸方向半徑。,50,如果是球形試樣，則Na=Nb=Nc=1/3； 如果是細長的圓柱體，由于c很大，兩端的磁極產(chǎn)生的退磁場很弱，Nc=0，Na=Nb=1/2； 如果是無限大的薄板，Nc=1，Na=Nb=0。,Na = Nb = Nv = 1/3,Na= Nb= 1/2，Nc = 0,Na= Nb= 0，Nc =1,51,三種形狀的磁體在長軸方向的退磁因子N與尺寸因子k的關(guān)系如表所示。隨著長度l的增加，退磁因子迅速減小。,在長軸上磁化的長橢球、扁橢球和圓柱體的退磁因子,52,設(shè)施加給試樣的外磁場為Happl，受到退磁場

22、影響而減弱后的真實磁化場為H，則有 以鐵為例，F(xiàn)e=1000，當(dāng)鐵制成圓柱試樣l/d=100時，N=0.054，但N=5.4，作用在鐵上的真實磁場不到外磁場的1/6。 在研究高磁化率的鐵磁體時，退磁場的影響是不可忽略的。,53,如果把同一種鐵磁體做成三個不同形狀的試樣：環(huán)狀、細長棒狀和粗短棒狀，其磁化曲線如圖所示。 環(huán)狀試樣在H1時就可達到磁感應(yīng)強度B1值；而對細長棒狀來說，要達到同樣的磁感應(yīng)強度需要的磁場為H2；而對粗短棒狀來說則要更大的磁場H3，這些都說明了退磁場對磁化的影響。,不同幾何尺寸試樣的退磁曲線 1-環(huán)狀；2-細長棒；3-粗短棒,54,退磁場作用在磁體上也存在著退磁能。單位體積的

23、退磁能稱為退磁能密度，用Ed來表示。 退磁場Hd是磁化強度M的函數(shù)，在磁化中隨著磁化強度從零增大到M，退磁場也從零增大到-NM，退磁能密度Ed也隨之增大，則,55,磁晶各向異性能,沿晶體的某些方向進行磁化時所需要的磁場比沿另外一些方向磁化所需的磁場要小得多，即磁性隨磁化方向顯示各向異性，稱為磁晶各向異性。 由于磁晶各向異性的存在，在同一個單晶體內(nèi), 在某些方向容易磁化,在另一些方向上則不容易磁化。 磁化曲線與M軸包圍的面積(相當(dāng)于圖中陰影線面積)是外磁場對鐵磁體所做的磁化功。,磁化功示意圖,56,磁化功小的晶體方向稱為易磁化方向，磁化功大的晶體方向稱為難磁化方向。 下圖是Fe單晶體沿不同晶軸方

24、向磁化的磁化曲線，由此看出，鐵單晶的易磁化方向為，難磁化方向為。,Fe的單晶體在不同晶軸上的磁化曲線,57,當(dāng)沿難磁化方向磁化磁體時，只有磁化場足夠大才能使其磁化到飽和。 將磁體沿難磁化方向磁化到飽和所需的外場稱為各向異性場HA。 HA力圖使原子磁矩轉(zhuǎn)到與易磁化方向平行的方向上，因為沿難磁化方向磁化需要更大的外場強度。 沿晶體方向磁化與沿其易磁化方向磁化的磁化功差值EK=W-W為磁晶各向異性能。 沿易軸磁化，磁晶各向異性能最低；沿難軸磁化，磁晶各向異性能最高。,58,立方晶體的磁晶各向異性能可表示為： 當(dāng)K1K2時，上式可以寫成： 當(dāng)晶體沿方向磁化時，1=0，2=3=90，即1=1，2=3=0

25、，Ek為0； 當(dāng)晶體沿方向磁化時，1=2=45，3=0，即1=2=21/2/2，3=0，Ek為K1/4； 當(dāng)晶體沿方向磁化時，1=2=3，即1=2=3=31/2/3，Ek為K1/3； 磁矩沿難軸排列時的能量比沿易軸時要高出K1/3。,59,金屬Co、SmCo5和Ba鐵氧體都屬于六角晶體，其方向是易磁化方向，基面是難磁化面。 只有一個易磁化軸的晶體稱為單軸晶體，其EK可表示為： 為求出易磁化方向，令,60,如果Sin=0，=0，則0001軸，即c軸是易磁化軸，基面是難磁化面； 如果Cos=0，=90，則0001軸為難磁化軸，基面是易磁化面； 如果K1+K2Sin2=0，則=Sin-1(K1/2K

26、2)2， 當(dāng)材料的K1和K2隨溫度或成分變化時其易磁化方向也可隨之變化，這種現(xiàn)象為自旋再取向。,61,磁晶各向異性常數(shù)大的物質(zhì)，適于作永磁材料； 磁晶各向異性常數(shù)小的物質(zhì)，適于作軟磁材料。 在材料制備中，有意識地將所有晶粒的易磁化方向都排列在某一特定方向的話，則該方向的磁性便會顯著提高。 硅鋼片生產(chǎn)工藝上的冷軋退火，AlNiCo生產(chǎn)中的定向澆鑄(柱晶取向)和磁場熱處理，以及其他永磁材料生產(chǎn)中的磁場成型，都是為了實現(xiàn)這一目的而采取的方法。,62,幾種磁性材料在室溫的磁晶各向異性常數(shù),63,在晶體結(jié)構(gòu)相同的材料中，K1值的正負號代表相反的各向異性。K10的易軸恰好是K10的難軸。如果把兩種晶體按適

27、當(dāng)比例互溶，可以得到磁各向異性很小或者完全抵消了的材料。 Fe和Ni的K1是正負相反的，現(xiàn)已經(jīng)制出了含24%Ni的合金，其K1值在室溫下接近于0，這種材料不表現(xiàn)出各向異性。 K1值關(guān)系到材料磁化的難易，高磁導(dǎo)率的軟磁材料的一個條件就是K1值的絕對值要小，而永磁材料卻要求大的K1值。,64,磁致伸縮與磁彈性能,鐵磁材料和亞鐵磁材料由于磁化狀態(tài)的改變，其長度和體積都要發(fā)生微小變化，這種現(xiàn)象的稱為磁致伸縮。 磁致伸縮包括一切有關(guān)磁化強度和應(yīng)力相互作用的效應(yīng)。,磁致伸縮與外場的關(guān)系,65,材料磁化時不但在磁化方向會伸長或縮短，在偏離磁化方向的其他方向同時也要伸長或縮短， 隨著偏離方向的增大，伸縮比逐漸

28、減小，然后改變符號， 接近垂直磁場方向時，磁體的收縮或伸長再次達到最大。 磁致伸縮分為正磁致伸縮和負磁致伸縮。 沿平行磁化方向伸長，沿垂直磁化方向縮短的現(xiàn)象是正磁致伸縮，相反則為負磁致伸縮。,66,既然磁致伸縮是由于材料內(nèi)部磁化狀態(tài)的改變而引起的長度變化，反過來，如果對材料施加一個壓力或張力(拉力)，使材料的長度發(fā)生變化，則材料內(nèi)部的磁化狀態(tài)亦隨之變化，這是磁致伸縮的逆效應(yīng)，通常稱為壓磁效應(yīng)。,磁致伸縮液位計,67,磁致伸縮的長度改變是微小的，相對變化只有百萬分之一的數(shù)量級，改變的數(shù)值隨磁場增加而增加，最后達到飽和。 右圖是幾種材料在磁場方向的長度變化與磁場的關(guān)系: 純鎳的磁致伸縮是負的，在磁

29、場方向上長度變化是縮短的； 45%Ni的坡莫合金的碰致伸縮是正的，在磁場方向上的長度變化是伸長的。,幾種材料的磁致伸縮,68,從自由能極小的觀點來看，磁性材料的磁化狀態(tài)發(fā)生變化時，其自身的形伏和體積都要改變，只有這樣才能使系統(tǒng)的總能量最小 以下三個原因?qū)е聵悠返男螤詈腕w積的改變： 自發(fā)形變(各向同性的磁致伸縮) 場致形變(各向異性的磁致伸縮) 形狀效應(yīng),69,自發(fā)形變是由交換力所引起的。 假設(shè)有一單疇的晶體，在居里溫度以上是球形的，當(dāng)它自居里溫度以上冷卻下來以后，由于交換作用力使晶體自發(fā)磁化，與此同時，晶體也就改變了形狀，這就是自發(fā)變形。 從交換作用與原子距離的關(guān)系容易說明自發(fā)形變,自發(fā)磁化引

30、起的形狀改變,70,設(shè)球形晶體在居里溫度以上原子間距為d1，(相應(yīng)于圖中曲線上的“1”點)交換積分為Al；當(dāng)晶體冷至居里溫度以下時，若距離增至d2(相應(yīng)于圖中的“2”點)，則交換積分為A2(A2A1)。 對于A0的磁性材料，交換積分愈大則交換能愈小。 系統(tǒng)在變化中力圖使交換能變小，所以球形晶體在從順磁態(tài)變到鐵磁態(tài)時，原子間距離不會保持在d1，必須變?yōu)閐2，因此晶體的尺寸增大。,交換能與d/rn的關(guān)系，d-晶格常數(shù)，rn-為未滿殼層的半徑,A,71,場致形變是隨著磁場大小不同，形變也可以不同， 當(dāng)磁場小于飽和磁化場Hs時，樣品的形變主要是長度的改變(線性磁致伸縮)，體積幾乎不變； 線性磁致伸縮與磁化過程密切相關(guān)，