磁介質(zhì)力、熱、磁混合效應(yīng)的熱力學(xué)描述

1、目 錄摘 要1Abstract11引言12磁介質(zhì)材料的地位、發(fā)展和熱力學(xué)的研究方法22.1磁介質(zhì)材料的地位和發(fā)展前景22.2磁介質(zhì)的熱力學(xué)研究23磁介質(zhì)系統(tǒng)力熱磁效應(yīng)的研究和麥克斯韋關(guān)系3 3.1力學(xué)效應(yīng)和磁學(xué)效應(yīng)之間的關(guān)系33.2磁學(xué)效應(yīng)和熱學(xué)效應(yīng)之間的關(guān)系43.3磁介質(zhì)系統(tǒng)的熱力學(xué)基本方程和麥克斯韋關(guān)系54二級(jí)麥克斯韋關(guān)系65二級(jí)磁致伸縮效應(yīng)66結(jié)論8參考文獻(xiàn)8致謝9磁介質(zhì)力、熱、磁混合效應(yīng)的熱力學(xué)描述摘 要：本文首先介紹了磁介質(zhì)材料的地位和熱力學(xué)的研究方法，并采用熱力學(xué)的方法討論了順磁介質(zhì)系統(tǒng)的力、熱、磁直接效應(yīng)以及三者之間的交叉效應(yīng)，得到了一系列關(guān)系。在此基礎(chǔ)上又討論了其二級(jí)效應(yīng)麥?zhǔn)详P(guān)

2、系和二級(jí)磁致伸縮效應(yīng)，以更好的了解和應(yīng)用磁介質(zhì)。關(guān)鍵詞： 順磁介質(zhì)；直接效應(yīng)；交叉效應(yīng)；麥?zhǔn)详P(guān)系；磁致伸縮效應(yīng)Thermodynamic Considerations on The Mechanic, Thermodynamic and Magnetic Properties of Magnetic Materials Abstract：This article first describes the status of magnetic materials and the research method of thermodynamics, then discusses the parama

3、gnetic media systems with thermodynamics method, including its power, heat and magneto-direct effect and crossing effect between the three. And then get a series of relationships. To get better understanding and application of magnetic media. Then On the basis above the secondary magnetostrictive ef

4、fects are discussed as well as the secondary effect of Maxwell relations.Key words：paramagnetic；direct effect；crossing effect；maxwell relations；magnetostrictive effects1引言對(duì)磁介質(zhì)材料性質(zhì)的研究是一直是熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理學(xué)的一個(gè)重要領(lǐng)域。熱力學(xué)的研究中，通常都是將系統(tǒng)的PVT結(jié)果直接推廣到外場(chǎng)中的磁介質(zhì)系統(tǒng)。除傳統(tǒng)的推廣方法外，還可以應(yīng)用功的廣義形式和復(fù)雜系統(tǒng)的熱力學(xué)基本方程來(lái)研究磁介質(zhì)系統(tǒng)的熱力學(xué)性質(zhì)1。本文通過(guò)對(duì)順磁介質(zhì)系統(tǒng)

5、的力、熱、磁等效應(yīng)的研究和麥克斯韋關(guān)系的討論，從不同的熱力學(xué)函數(shù)導(dǎo)出的不同形式的Maxwell 關(guān)系，而利用麥?zhǔn)详P(guān)系又可以得到力熱、力磁、磁熱效應(yīng)的二級(jí)關(guān)系和二級(jí)磁致伸縮效應(yīng)。從而對(duì)磁介質(zhì)的力、熱、磁等效應(yīng)有更好的描述，更好的了解和應(yīng)用磁介質(zhì)。 2磁介質(zhì)材料的地位、發(fā)展和熱力學(xué)的研究方法2.1 磁介質(zhì)材料的地位和發(fā)展前景現(xiàn)代科技社會(huì)中，磁性材料已成為必不可少的功能性基礎(chǔ)材料。其應(yīng)用之廣泛幾乎無(wú)處不在，其涉及領(lǐng)域有航空、航天、核技術(shù)、汽車(chē)、電子、信息、通訊、動(dòng)力、機(jī)械、照明、家用電器、礦山機(jī)械、工業(yè)技術(shù)等。其在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的地位不言而喻。二十一世紀(jì)是“信息世紀(jì)”，大容量存儲(chǔ)技術(shù)在信息處理、傳遞和保

6、存中占據(jù)重要位置。從計(jì)算機(jī)誕生迄今，磁記錄系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)信息的存儲(chǔ)記錄中一直占據(jù)著統(tǒng)治地位2。近年來(lái)，隨著社會(huì)信息量的爆炸性增長(zhǎng)和計(jì)算機(jī)主機(jī)性能的不斷提高，對(duì)外存設(shè)備的容量和性能提出了越來(lái)越高的要求；另一方面，近年來(lái)，磁光盤(pán)存儲(chǔ)器和大容量半導(dǎo)體存儲(chǔ)器在技術(shù)上獲得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，作為新一代的存儲(chǔ)記錄技術(shù)，已對(duì)傳統(tǒng)的磁記錄技術(shù)構(gòu)成了一定的威脅。在這種形勢(shì)下，磁記錄技術(shù)只有在記錄性能方面取得突破性的進(jìn)步，才能適應(yīng)新一代計(jì)算機(jī)發(fā)展的要求，確保其在外設(shè)領(lǐng)域的地位。磁記錄介質(zhì)作為存儲(chǔ)記錄信息的載體，是數(shù)字磁記錄系統(tǒng)中的核心組成部分，其性能的好壞對(duì)磁記錄系統(tǒng)的性能有著決定性的影響。雖然現(xiàn)在有光存儲(chǔ)技術(shù)、電子存儲(chǔ)

7、技術(shù)、光磁存儲(chǔ)技術(shù)等，但目前在個(gè)人計(jì)算機(jī)占主流地位的存儲(chǔ)設(shè)備，仍然是這些磁介質(zhì)設(shè)備。2.2 磁介質(zhì)的熱力學(xué)研究我們知道磁介質(zhì)中磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁化強(qiáng)度發(fā)生改變時(shí)外界所作的功為 (1) 其中第一項(xiàng)為激發(fā)磁場(chǎng)所作的功，第二項(xiàng)是使介質(zhì)磁化所作的功3。當(dāng)熱力學(xué)系統(tǒng)只包括介質(zhì)而不包括磁場(chǎng)時(shí)，功的表達(dá)式為 (2)是介質(zhì)的總磁矩；是磁化強(qiáng)度。在不考慮膨脹的情況下磁介質(zhì)的功的表達(dá)式為 (3) 該方程可由簡(jiǎn)單系統(tǒng)的熱力學(xué)基本方程 (4)令，得到用同樣的方法可得到磁介質(zhì)的吉布斯函數(shù)4 (5) (6)由此微分方程可以得到三個(gè)麥?zhǔn)详P(guān)系式： (7) (8) (9)這三個(gè)麥?zhǔn)详P(guān)系分別描述力熱效應(yīng)，力磁效應(yīng)和磁熱效應(yīng),其中(9)

8、表示磁致伸縮和壓縮效應(yīng)之間的關(guān)系5。3磁介質(zhì)系統(tǒng)力、熱、磁效應(yīng)的研究和麥克斯韋關(guān)系3.1 力學(xué)效應(yīng)和磁學(xué)效應(yīng)之間的關(guān)系設(shè)，若溫度 T不變，則有 (10)兩邊同時(shí)除以，且保持M值不變則有 (11)若定義，得 (12)又由，得 (13) (14)由此可得 (15)則有在溫度T不變時(shí)，壓縮系數(shù)這一力學(xué)效應(yīng)和壓磁效應(yīng)之間的關(guān)系。由麥克斯韋關(guān)系還可以得出力學(xué)效應(yīng)和磁致伸縮效應(yīng)之間的關(guān)系6。同理可得 (16)由此式可以導(dǎo)出磁現(xiàn)象與壓磁效應(yīng)或磁致伸縮效應(yīng)之間的關(guān)系： (17)壓縮系數(shù)，是單純的力學(xué)效應(yīng)量，而磁化率，是單純的磁學(xué)效應(yīng)量。上式子可知力學(xué)效應(yīng)和磁學(xué)效應(yīng)之間的關(guān)系。3.2 磁效應(yīng)和熱效應(yīng)之間的關(guān)系設(shè)

9、S=S(T，H)，若系統(tǒng)壓強(qiáng)p不變則有得到熱容之差 (18)由T,p不變時(shí)的磁化率和可得 (19)利用電容之差和麥?zhǔn)详P(guān)系可得 (20)在設(shè)定壓強(qiáng)P不變的情況下，最終可以推出 得 (21)此即熱容和磁化率之間的關(guān)系，即磁熱關(guān)系7。3.3 磁介質(zhì)系統(tǒng)的熱力學(xué)基本方程和麥克斯韋關(guān)系由簡(jiǎn)單系統(tǒng)的熱力學(xué)基本方程 (22)可以導(dǎo)出等價(jià)的另外三個(gè)關(guān)系式對(duì)兩邊取微分則有 (23) 同理： (24) (25) 這四個(gè)關(guān)系式稱(chēng)為熱力學(xué)基本方程。在這四個(gè)關(guān)系式中，由全微分的性質(zhì)得 ， (26) 同理：由 ，得： (27) (28) (29) (30)這四組關(guān)系式可以對(duì)系統(tǒng)的變化作定性討論和定量計(jì)算8。對(duì)于熱力學(xué)基本

10、方程可以得出 (31)同理可以得出另外三個(gè)關(guān)系式 (32) (33) (34)為四種不同的麥克斯韋關(guān)系式9。4二級(jí)麥克斯韋關(guān)系由上面麥?zhǔn)详P(guān)系式可以得到力、熱、磁效應(yīng)的二級(jí)關(guān)系式。 , (35)為力熱相互作用關(guān)系式； , (36)為力磁相互作用關(guān)系式； ， (37)為熱磁相互作用關(guān)系式；由麥?zhǔn)详P(guān)系還可以得到 (38)為力、熱、磁交叉效應(yīng)關(guān)系式10；5二級(jí)磁致伸縮效應(yīng) 對(duì)G作泰勒展開(kāi)，可以得到磁介質(zhì)系統(tǒng)的力、熱、磁二級(jí)效應(yīng)，并可進(jìn)一步得到磁致伸縮效應(yīng)。(39)其中下標(biāo)0表示p=0,H=0時(shí)的取值11?；緹崃W(xué)量可以用以G為特性函數(shù)的偏導(dǎo)數(shù)表示： ，由此可得(40)故壓縮系數(shù)滿(mǎn)足在參考狀態(tài)下 ，；

11、上式變?yōu)?即在參考狀態(tài)附近的小幅變化時(shí)12故磁化率滿(mǎn)足當(dāng)磁化率自變量在參考狀態(tài)附近作微小變化時(shí)，M隨H線(xiàn)性改變，有 (41)由以上可知，偏導(dǎo)數(shù)是描述力磁交叉效應(yīng)的一級(jí)近似常數(shù)13。從式(40)可以看出，若存在H,p,T的二級(jí)磁致小幅變化，則壓縮 效應(yīng)和磁致伸縮效應(yīng)隨H,p,T作線(xiàn)性變化，出現(xiàn)二級(jí)效應(yīng)。若只考慮磁致伸縮效應(yīng)，即T=0，p=0，由(40)和(41)知隨著H的變化會(huì)存在二級(jí)磁致伸縮效應(yīng)14。由二級(jí)伸縮常數(shù) 可得 (42)此式表明高階的磁致伸縮量由磁化率對(duì)壓強(qiáng)的依賴(lài)關(guān)系決定15。6 結(jié)論本文從磁介質(zhì)材料的地位和發(fā)展前景出發(fā)，說(shuō)明了磁介質(zhì)材料的重要用途。進(jìn)而對(duì)磁介質(zhì)的熱力學(xué)研究方法做出一

12、定闡述，又通過(guò)力學(xué)效應(yīng)和磁學(xué)效應(yīng)之間的關(guān)系，磁學(xué)效應(yīng)和熱學(xué)效應(yīng)之間的關(guān)系以及磁介質(zhì)系統(tǒng)的熱力學(xué)基本方程和麥克斯韋關(guān)系對(duì)磁介質(zhì)的力、熱、磁直接效應(yīng)及混合效應(yīng)作出了熱力學(xué)研究，從而更好的了解磁介質(zhì)的性質(zhì)，更好的將磁介質(zhì)材料應(yīng)用于生活實(shí)踐。最后又對(duì)磁介質(zhì)的二級(jí)麥?zhǔn)详P(guān)系和二級(jí)磁致伸縮效應(yīng)進(jìn)行闡述，說(shuō)明了磁介質(zhì)力、熱、磁的二級(jí)效應(yīng)，進(jìn)一步對(duì)磁介質(zhì)的性質(zhì)進(jìn)行了熱力學(xué)描述。在21世紀(jì)的今天，磁介質(zhì)必將發(fā)揮它更加巨大的用途，來(lái)造福人類(lèi)。參考文獻(xiàn)：1 謝名春論磁介質(zhì)系統(tǒng)熱力學(xué)函數(shù)的兩種定義及其麥克斯韋關(guān)系J四川師范大學(xué)論文，2001，20(8)：8-102 孫維平數(shù)字磁記錄介質(zhì)的發(fā)展前景J電子部第三十三研究所，

13、1995，12(4)：40-433 龔昌德熱力學(xué)統(tǒng)計(jì)物理M北京：高等教育出版社，2002：150-1764 汪志誠(chéng)熱力學(xué)統(tǒng)計(jì)物理學(xué)M北京：高等教育出版社，2010：5-535 孫長(zhǎng)勇，李麗華磁介質(zhì)力、熱、磁混合效應(yīng)的熱力學(xué)描述J聊城大學(xué)論文，2005，24(3)：25-286 路瑩磁介質(zhì)系統(tǒng)熱力學(xué)函數(shù)四種定義與Maxwell關(guān)系的等價(jià)性J洛陽(yáng)師范大學(xué)期刊，2004，32(3)：62-647 Kelly DCThermodynamics and Statistical Physics MAcademic Press，New York 1973：120-1368 趙凱華，陳熙謀電磁學(xué) M北京：高等教育出版社，1985：331-3959 王竹溪熱力學(xué)M北京：高等教育出版社，1986：173-20510 王躍民，康宜華，武新軍磁致伸縮效應(yīng)及其在無(wú)損檢測(cè)中的應(yīng)用研究J華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，01(4)：43-7811 馮洪亮，楊志紅，扈曉斌磁致伸縮效應(yīng)原理及在工業(yè)測(cè)量中的應(yīng)用J儀表技術(shù)與傳感器期刊，2009，1112 龔中麟近代電磁理論 M北京大學(xué)出版社，2010：89-10313 李沅柏，鄭哲洙 編譯非平衡統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)