磁介質(zhì)力、熱、磁混合效應(yīng)的熱力學描述

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力學效應(yīng)和磁學效應(yīng)之間的關(guān)系33.2磁學效應(yīng)和熱學效應(yīng)之間的關(guān)系43.3磁介質(zhì)系統(tǒng)的熱力學基本方程和麥克斯韋關(guān)系54二級麥克斯韋關(guān)系65二級磁致伸縮效應(yīng)66結(jié)論8參考文獻8致謝9磁介質(zhì)力、熱、磁混合效應(yīng)的熱力學描述摘 要：本文首先介紹了磁介質(zhì)材料的地位和熱力學的研究方法，并采用熱力學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)上又討論了其二級效應(yīng)麥氏關(guān)

2、系和二級磁致伸縮效應(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)；麥氏關(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引言對磁介質(zhì)材料性質(zhì)的研究是一直是熱力學與統(tǒng)計物理學的一個重要領(lǐng)域。熱力學的研究中，通常都是將系統(tǒng)的PVT結(jié)果直接推廣到外場中的磁介質(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雜系統(tǒng)的熱力學基本方程來研究磁介質(zhì)系統(tǒng)的熱力學性質(zhì)1。本文通過對順磁介質(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，從不同的熱力學函數(shù)導出的不同形式的Maxwell 關(guān)系，而利用麥氏關(guān)系又可以得到力熱、力磁、磁熱效應(yīng)的二級關(guān)系和二級磁致伸縮效應(yīng)。從而對磁介質(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)用之廣泛幾乎無處不在，其涉及領(lǐng)域有航空、航天、核技術(shù)、汽車、電子、信息、通訊、動力、機械、照明、家用電器、礦山機械、工業(yè)技術(shù)等。其在國民經(jīng)濟中的地位不言而喻。二十一世紀是“信息世紀”，大容量存儲技術(shù)在信息處理、傳遞和保

6、存中占據(jù)重要位置。從計算機誕生迄今，磁記錄系統(tǒng)在計算機信息的存儲記錄中一直占據(jù)著統(tǒng)治地位2。近年來，隨著社會信息量的爆炸性增長和計算機主機性能的不斷提高，對外存設(shè)備的容量和性能提出了越來越高的要求；另一方面，近年來，磁光盤存儲器和大容量半導體存儲器在技術(shù)上獲得了長足的進步，作為新一代的存儲記錄技術(shù)，已對傳統(tǒng)的磁記錄技術(shù)構(gòu)成了一定的威脅。在這種形勢下，磁記錄技術(shù)只有在記錄性能方面取得突破性的進步，才能適應(yīng)新一代計算機發(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)在有光存儲技術(shù)、電子存儲

7、技術(shù)、光磁存儲技術(shù)等，但目前在個人計算機占主流地位的存儲設(shè)備，仍然是這些磁介質(zhì)設(shè)備。2.2 磁介質(zhì)的熱力學研究我們知道磁介質(zhì)中磁場強度和磁化強度發(fā)生改變時外界所作的功為 (1) 其中第一項為激發(fā)磁場所作的功，第二項是使介質(zhì)磁化所作的功3。當熱力學系統(tǒng)只包括介質(zhì)而不包括磁場時，功的表達式為 (2)是介質(zhì)的總磁矩；是磁化強度。在不考慮膨脹的情況下磁介質(zhì)的功的表達式為 (3) 該方程可由簡單系統(tǒng)的熱力學基本方程 (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麥氏關(guān)系式： (7) (8) (9)這三個麥氏關(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 力學效應(yīng)和磁學效應(yīng)之間的關(guān)系設(shè)，若溫度 T不變，則有 (10)兩邊同時除以，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，壓縮系數(shù)這一力學效應(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)，是單純的力學效應(yīng)量，而磁化率，是單純的磁學效應(yīng)量。上式子可知力學效應(yīng)和磁學效應(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p不變則有得到熱容之差 (18)由T,p不變時的磁化率和可得 (19)利用電容之差和麥氏關(guān)系可得 (20)在設(shè)定壓強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)的熱力學基本方程和麥克斯韋關(guān)系由簡單系統(tǒng)的熱力學基本方程 (22)可以導出等價的另外三個關(guān)系式對兩邊取微分則有 (23) 同理： (24) (25) 這四個關(guān)系式稱為熱力學基本方程。在這四個關(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)系式可以對系統(tǒng)的變化作定性討論和定量計算8。對于熱力學基本

10、方程可以得出 (31)同理可以得出另外三個關(guān)系式 (32) (33) (34)為四種不同的麥克斯韋關(guān)系式9。4二級麥克斯韋關(guān)系由上面麥氏關(guān)系式可以得到力、熱、磁效應(yīng)的二級關(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；由麥氏關(guān)系還可以得到 (38)為力、熱、磁交叉效應(yīng)關(guān)系式10；5二級磁致伸縮效應(yīng) 對G作泰勒展開，可以得到磁介質(zhì)系統(tǒng)的力、熱、磁二級效應(yīng)，并可進一步得到磁致伸縮效應(yīng)。(39)其中下標0表示p=0,H=0時的取值11?；緹崃W量可以用以G為特性函數(shù)的偏導數(shù)表示： ，由此可得(40)故壓縮系數(shù)滿足在參考狀態(tài)下 ，；

11、上式變?yōu)?即在參考狀態(tài)附近的小幅變化時12故磁化率滿足當磁化率自變量在參考狀態(tài)附近作微小變化時，M隨H線性改變，有 (41)由以上可知，偏導數(shù)是描述力磁交叉效應(yīng)的一級近似常數(shù)13。從式(40)可以看出，若存在H,p,T的二級磁致小幅變化，則壓縮 效應(yīng)和磁致伸縮效應(yīng)隨H,p,T作線性變化，出現(xiàn)二級效應(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的變化會存在二級磁致伸縮效應(yīng)14。由二級伸縮常數(shù) 可得 (42)此式表明高階的磁致伸縮量由磁化率對壓強的依賴關(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)，說明了磁介質(zhì)材料的重要用途。進而對磁介質(zhì)的熱力學研究方法做出一

12、定闡述，又通過力學效應(yīng)和磁學效應(yīng)之間的關(guān)系，磁學效應(yīng)和熱學效應(yīng)之間的關(guān)系以及磁介質(zhì)系統(tǒng)的熱力學基本方程和麥克斯韋關(guān)系對磁介質(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)用于生活實踐。最后又對磁介質(zhì)的二級麥氏關(guān)系和二級磁致伸縮效應(yīng)進行闡述，說明了磁介質(zhì)力、熱、磁的二級效應(yīng)，進一步對磁介質(zhì)的性質(zhì)進行了熱力學描述。在21世紀的今天，磁介質(zhì)必將發(fā)揮它更加巨大的用途，來造福人類。參考文獻：1 謝名春論磁介質(zhì)系統(tǒng)熱力學函數(shù)的兩種定義及其麥克斯韋關(guān)系J四川師范大學論文，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 龔昌德熱力學統(tǒng)計物理M北京：高等教育出版社，2002：150-1764 汪志誠熱力學統(tǒng)計物理學M北京：高等教育出版社，2010：5-535 孫長勇，李麗華磁介質(zhì)力、熱、磁混合效應(yīng)的熱力學描述J聊城大學論文，2005，24(3)：25-286 路瑩磁介質(zhì)系統(tǒng)熱力學函數(shù)四種定義與Maxwell關(guān)系的等價性J洛陽師范大學期刊，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 M北京：高等教育出版社，1985：331-3959 王竹溪熱力學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)及其在無損檢測中的應(yīng)用研究J華中科技大學學報，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北京大學出版社，2010：89-10313 李沅柏，鄭哲洙 編譯非平衡統(tǒng)計熱力學