技術(shù)磁化理論課件

1、第六章 技術(shù)磁化理論第一節(jié) 磁化過程概述第二節(jié) 可逆壁移磁化過程返 回第七節(jié) 剩磁第六節(jié) 反磁化過程、磁滯 與矯頑力第三節(jié) 可逆壁移的起磁化率第四節(jié) 可逆疇轉(zhuǎn)磁化過程第五節(jié) 不可逆磁化過程結(jié)束放映 前 言 習(xí) 題 磁化過程：磁體在外場(chǎng)作用下，從磁中性狀態(tài)到飽和狀態(tài)的過程。 技術(shù)磁化：在緩慢變化或低頻交變磁場(chǎng)中進(jìn)行磁化。（所考慮的是磁化已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的問題）獲得磁中性狀態(tài)的方法： 交流退磁：無直流磁場(chǎng)，對(duì)磁體施加一定強(qiáng)度的交變磁場(chǎng)，并將其振幅逐漸減小到零。 熱致退磁：將磁體加熱到Tc 以上，然后在無H時(shí)冷卻下來。第一節(jié) 磁化過程概述一、磁化曲線的基本特征 抗磁性、順磁性、反鐵磁性的磁化曲線均為

2、一直線。 鐵磁性、亞鐵磁性磁化曲線為復(fù)雜函數(shù)關(guān)系。磁化曲線可分為五個(gè)特征區(qū)域：1、起始磁化區(qū) H很小，可逆磁化過程 M iH B 0 iH （ i1+ i）2、Rayleigh區(qū) 仍屬弱場(chǎng)范圍，其磁化曲線規(guī)律經(jīng)驗(yàn)公式：H起始磁化區(qū)陡峭區(qū)趨近飽和區(qū)Rayleigh區(qū)M3、陡峭區(qū) 中場(chǎng)H范圍。M變化很快。 是不可逆磁化過程，發(fā)生巴克豪森跳躍的急劇變化，其 與 均很大且達(dá)到最大值又稱最大磁導(dǎo)率區(qū)。4、趨近飽和磁化區(qū) 強(qiáng)H，M變化緩慢，逐漸趨于技術(shù)磁化飽和。符合趨于飽和定律：5、順磁磁化區(qū) 需極高的H，難以達(dá)到。在技術(shù)磁化中不予考慮。二、磁化過程的磁化機(jī)制1、磁化過程大致可以分為四個(gè)階段： (1)、可

3、逆磁化階段： 若H退回到零，其M也趨于零。同時(shí)存在： a、疇壁位移（金屬軟磁材料和 較高的鐵氧體中以此 為主）。 b、磁疇磁矩轉(zhuǎn)動(dòng)（在 不高的鐵氧體中以此為主）。 (2)、不可逆磁化階段 主要指不可逆壁移 (3)、磁疇磁矩的轉(zhuǎn)動(dòng) 此時(shí)樣品內(nèi)壁移已基本完畢，要使M增加，只有靠磁疇磁矩的轉(zhuǎn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)。 一般情況下，可逆與不可逆疇轉(zhuǎn)同時(shí)發(fā)生與這個(gè)階段。 (4)、趨近飽和階段 M很小，M的增加都是由于磁疇磁矩的可逆轉(zhuǎn)動(dòng)造成的H起始磁化階段磁疇磁矩轉(zhuǎn)動(dòng)階段趨近飽和階段不可逆磁化階段M2、反磁化過程 磁滯回線 鐵磁體的不可逆磁化磁滯磁滯回線HMOMr-HC+HCMm第二節(jié) 可逆壁移磁化過程一、壁移磁化機(jī)制

4、在有效場(chǎng)作用下，自發(fā)磁化方向接近于H方向的磁疇長(zhǎng)大，而與H方向偏離較大的近鄰磁疇相應(yīng)縮小，從而使疇壁發(fā)生位置變化。 其實(shí)質(zhì)是：在H作用下，磁疇體積發(fā)生變化，相當(dāng)于疇壁位置發(fā)生了位移。 1800壁位移磁化過程如圖： 說明H作用下，壁移磁化的物理本質(zhì)是疇壁內(nèi)每個(gè)磁矩向著H方向逐步地轉(zhuǎn)動(dòng)1、壁移磁化的動(dòng)力 設(shè)單位面積的1800壁，在位移作用下位移x 。2、壁移的阻力 壁移過程中，由鐵磁體的內(nèi)部能量發(fā)生變化，將對(duì)壁移產(chǎn)生阻力。 阻力來源于鐵磁體內(nèi)的不均勻性。 內(nèi)應(yīng)力起伏的分布： 成分的起伏分布（如雜質(zhì)、氣孔、非磁性相） 壁移時(shí)，這些不均勻性引起鐵磁體內(nèi)部能量大小的起伏變化，從而產(chǎn)生阻力。二、應(yīng)力阻礙疇

5、壁運(yùn)動(dòng)的壁移磁化（應(yīng)力理論） 當(dāng)鐵磁體內(nèi)存在不均勻性的內(nèi)應(yīng)力時(shí)，壁移時(shí)將會(huì)在磁體內(nèi)引起磁彈性能與疇壁能變化。即：壁移磁化處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，動(dòng)力阻力。1、1800壁移磁化方程 F 對(duì)1800壁移不構(gòu)成阻力，阻力主要來自于應(yīng)力起伏引起的疇壁能密度改變。2、900壁移磁化方程 設(shè)內(nèi)應(yīng)力起伏引起的F 影響大于E ，阻力主要來自于磁彈性能的增加。三、含雜理論雜質(zhì)的作用：雜質(zhì)的穿孔作用：疇壁位移經(jīng)過雜質(zhì)處時(shí)，疇壁面積變化引起疇壁能的變化，從而對(duì)壁移形成阻力。退磁場(chǎng)作用：壁移時(shí)，雜質(zhì)周圍退磁場(chǎng)能發(fā)生變化，會(huì)形成對(duì)壁移的阻力。 實(shí)際材料中，若雜質(zhì)尺寸很小且Ms低，則雜質(zhì)對(duì)壁移形成的阻力作用主要為穿孔作用引起的疇

6、壁能變化，故可略去退磁場(chǎng)作用。即：壁移磁化過程中磁位能的降低等于雜質(zhì)穿孔導(dǎo)致的疇壁能的增加。第三節(jié) 可逆疇壁位移的起始磁化率 精確計(jì)算i 非常復(fù)雜，只能在某種程度上作出假定的模型下計(jì)算的。但計(jì)算結(jié)果能反映磁化過程中的物理本質(zhì)，且與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象相符，并能為改善磁材性能指出明確方向。 計(jì)算方法是：先從疇壁位移平衡條件F=0建立磁化方程，再分別得到H/ x與MH/ x，最后由：來計(jì)算i 。而單位面積疇壁移動(dòng)x時(shí)，H方向磁化強(qiáng)度增加為：一、應(yīng)力模型決定的i 1、180o疇壁位移磁化過程中產(chǎn)生的磁化強(qiáng)度為：由H 0和 H0相當(dāng)于磁中性狀態(tài) =極小值。、求S/ 設(shè)疇寬D=l，單位體積內(nèi)有1/l個(gè)疇與疇壁， S

7、/=(11) 1/l= 1/l (x)的每個(gè)極小值處并不都有180o壁2、90o壁移（采用相同處理）二、含雜理論決定的i 計(jì)算過程：先寫出含雜理論的i 表達(dá)式，再假設(shè)一個(gè)具體的雜質(zhì)分布模型來計(jì)算。現(xiàn)在考慮求疇壁面積S/： 設(shè)雜質(zhì)分布為簡(jiǎn)單立方點(diǎn)陣，點(diǎn)陣常數(shù)為a，雜質(zhì)為直徑為d的球粒。則H=0時(shí)，疇壁總面積最小，在雜質(zhì)中心處Ew最小。H 0時(shí)，疇壁離開中心處，總面積增加，Ew增加。若雜質(zhì)點(diǎn)陣中一個(gè)單胞內(nèi)壁移x，被雜質(zhì)穿孔后的疇壁面積為：對(duì)于180o壁，由于并非所有雜質(zhì)處都有疇壁?？梢姡?材料內(nèi)部存在雜質(zhì)、氣泡或內(nèi)應(yīng)力，均會(huì)影響到疇壁 能的大小變化，導(dǎo)致對(duì)壁移產(chǎn)生阻力。 由于鐵氧體中的不均勻變化比

8、金屬磁性材料嚴(yán)重，故鐵氧體的i 一般較金屬材料低。在壁移磁化中要獲得高的i（或i ），需滿足 1、材料飽和磁化強(qiáng)度Ms 高。 2、K1、 s 要小。 3、材料結(jié)構(gòu)完整、均勻且晶格形變?。▋?nèi)應(yīng)力要低）。 4、材料含雜少。第四節(jié) 可逆磁疇轉(zhuǎn)動(dòng)磁化過程 磁疇轉(zhuǎn)動(dòng)磁化過程：在H 0時(shí)，鐵磁體磁疇內(nèi)所有磁矩一致向著H方向轉(zhuǎn)動(dòng)的過程。（簡(jiǎn)稱疇轉(zhuǎn)過程） 處理方法與壁移過程類似。一、疇轉(zhuǎn)磁化過程 外磁場(chǎng)的作用是導(dǎo)致磁疇轉(zhuǎn)動(dòng)的根本原因及動(dòng)力，總自由能將發(fā)生變化，其最小值方向?qū)⒅匦路植迹女牭娜∠蛞矔?huì)由原來的方向向H方向轉(zhuǎn)動(dòng)100010H110Ms立方晶體(k10)(001)疇轉(zhuǎn)過程總自由能變化曲線 若疇轉(zhuǎn)磁化過

9、程中，除Fk外，還有F 、Fd 也形成阻力，則： F=FH+Fk+F+Fd同樣由：F/=0 疇轉(zhuǎn)過程中平衡方程的一般形式：弱場(chǎng)下發(fā)生疇轉(zhuǎn)磁化的情形：對(duì)于高 鐵氧體，以壁移為主，但也可能發(fā)生疇轉(zhuǎn)。低 鐵氧體（空隙、雜質(zhì)多，對(duì)壁移阻力大），以疇轉(zhuǎn)為主。單疇顆粒材料：只有疇轉(zhuǎn)（單疇顆粒的永磁體）受強(qiáng)應(yīng)力的材料：疇壁因強(qiáng) 的約束，壁移凍結(jié)，只有疇轉(zhuǎn)磁化。二、疇轉(zhuǎn)過程決定的i 、由磁晶各向異性控制的可逆疇轉(zhuǎn)磁化 1、六角晶系： 設(shè)H與易磁化方向成 角，磁矩轉(zhuǎn)動(dòng)了 角，HMs易磁化方向2、立方晶體： a）、K10,（易磁化軸為100） 對(duì)于單晶：100MsH0102)、K1x1 已是不可逆壁移階段。 、不

10、可逆壁移的標(biāo)志 巴克豪森跳躍、當(dāng)H增加到能夠越過（d/dx )max 中最大的值時(shí)，疇壁就會(huì)無阻礙的大幅度移動(dòng)，直到無可再移動(dòng)為止，結(jié)束位移過程。x1是第一次遇到的d/dx 最大處，是可逆與不可逆壁移的分界點(diǎn)，此時(shí)所需磁場(chǎng)臨界磁場(chǎng)。OabHM 壁移磁化有兩類阻礙：內(nèi)應(yīng)力和參雜。2、內(nèi)應(yīng)力作用下的不可逆壁移xl 對(duì)于這個(gè)具體情形只有一個(gè)（d/dx)max 值，所以在不可逆壁移磁化中，若H足夠強(qiáng)，只經(jīng)一次跳躍即完成壁移。xlMso1)、臨界場(chǎng) 發(fā)生壁移的材料中，一部分磁疇擴(kuò)大，另一部分縮小，上式中的即那些擴(kuò)大的磁疇的磁化方向與磁場(chǎng)方向的夾角，在多晶體中， 可以有0/2范圍內(nèi)的各種取值。（ (/2,

11、 )間偏?。?。2)、不可逆壁移磁化的磁化率 當(dāng)HH0。疇壁要從x=0 x2, x3處，磁化強(qiáng)度的增加為：在此條件下，壁移一個(gè)l距離，壁移磁化就結(jié)束，故i l 。而由于S/= /l，即：不可逆壁移磁化過程的磁導(dǎo)率比起始磁導(dǎo)率大好多倍，從磁化曲線上反映出在這個(gè)階段曲線急劇上升。3、參雜作用下的不可逆壁移 1）、臨界場(chǎng) 單位面積的疇壁能可寫為：xd/22)、磁化率 （ 如圖），H H0 后，疇壁能脫離一組參雜物移動(dòng)一個(gè)距離a，停止在另一組參雜物上，此過程的磁化強(qiáng)度的增量為：1、臨界場(chǎng)H0 由b圖考慮（以單軸晶體為例）二、不可逆疇轉(zhuǎn)磁化P=1P=290013501800H002、磁化率 對(duì)單軸各向異性

12、材料：=1650oHMS易軸0300=0=1800易軸MsH=0=900HMs易軸HMs由此可見：不可逆轉(zhuǎn)動(dòng)磁化的磁化率也大于可逆轉(zhuǎn)動(dòng)磁化的磁化率；相應(yīng)地，不可逆轉(zhuǎn)動(dòng)磁化的磁導(dǎo)率也大于可逆轉(zhuǎn)動(dòng)磁化的磁導(dǎo)率。第六節(jié) 反磁化過程、磁滯與矯頑力HMABCDOMrMHC反磁化過程：鐵磁體從一個(gè)方向上的技術(shù)飽和磁化狀態(tài)變?yōu)榉聪虻募夹g(shù)飽和磁化狀態(tài)的過程。磁滯：M隨H變化中出現(xiàn)滯后的現(xiàn) 象。 在不同的H下反復(fù)磁化得到相應(yīng)于H的磁滯回線其中最大的回線是飽和磁滯回線（極限磁滯回線） 反磁化過程中，磁滯形成的根本原因是由于鐵磁體內(nèi)存在應(yīng)力起伏、雜質(zhì)及廣義磁各向異性引起的不可逆磁化過程。所以磁滯與反磁化過程的阻力分

13、布密切相關(guān)。 磁滯的大小取決于磁滯回線面積的大小，而面積又主要取決于矯頑力，矯頑力只與不可逆過程相連系。根據(jù)反磁化過程的阻滯原因分析，磁滯機(jī)制可分為：不可逆壁移不可逆疇轉(zhuǎn)反磁化核成長(zhǎng)一、不可逆壁移 我們前面在不可逆壁移磁化過程中分別推出了在應(yīng)力與雜質(zhì)作用下的 ，故利用 可得：1)、M從正向值變到反向值經(jīng)過M=0時(shí)的磁場(chǎng)強(qiáng)度內(nèi)稟矯頑力MHc，即是發(fā)生大巴克豪森跳躍的臨界點(diǎn)（b點(diǎn)）。2)、大塊材料的Hc是各晶粒的Hc的平均效果。所以實(shí)際上Hc要略大于 ，一般：3)、軟磁材料，要求Hc小； 永磁材料，要求Hc大。HMabMrcdmHc壁移反磁化過程HcMr可逆過程小巴克豪森跳躍大巴克豪森跳躍 大塊單

14、軸多晶體的磁滯回線二、反磁化核成長(zhǎng)引起的磁滯 當(dāng)樣品已磁化到飽和時(shí)，反磁化疇依舊可能存在。 在大塊材料中，局部的內(nèi)應(yīng)力與雜質(zhì)造成這些局部小區(qū)域內(nèi)的M與其他區(qū)域不一致，從而形成“反磁化核”，如果加一定強(qiáng)度的反向的磁場(chǎng)，則這些反磁化核將逐步長(zhǎng)大而成為“反磁化疇”，產(chǎn)生疇壁，為反磁化過程中的壁移創(chuàng)造條件。 通過反磁化核發(fā)生與長(zhǎng)大來進(jìn)行壁移的過程有兩個(gè)階段：H下，反磁化核發(fā)生與長(zhǎng)大形成反磁化疇，長(zhǎng)大后的反磁化疇進(jìn)行可逆與不可逆壁移。1、發(fā)動(dòng)場(chǎng)理論（德棱W.Doring,1938年反核長(zhǎng)大問題） 反磁化核長(zhǎng)大的條件，從能量上看，就是隨著反磁化核的長(zhǎng)大，其能量必須降低。 而由于反磁化核的長(zhǎng)大（體積增大dV

15、），必然引起：疇壁面積增大dS， =dS 反磁化核形狀變化，退磁場(chǎng)能量變化dEd 反抗壁移的最大阻力做功：20MsHodV 靜磁能降低：20MsHdV 所以反磁化核的長(zhǎng)大條件為： 即反磁化核自身能量的變化必須克服外界的最大阻力時(shí)才能持續(xù)長(zhǎng)大。 設(shè)反磁化核形狀為細(xì)長(zhǎng)的旋轉(zhuǎn)橢球（長(zhǎng)半徑l，短半徑d）則橢球的體積為：面積為： S= 2ld 關(guān)于Ed計(jì)算，可這樣考慮：設(shè)反磁化核原來的磁矩與材料主體一致，此時(shí)Fd =0；設(shè)想反磁化核的形成是由于磁矩轉(zhuǎn)了1800（即由材料主體方向反磁化核的方向）。這一轉(zhuǎn)動(dòng)所做的功即等于Ed。 如圖，x、y軸上的磁場(chǎng)分別為：xyMsNxMs：周圍環(huán)境作用于反磁化核的Hd N

16、xMscos 、NyMscos ：反磁化核自身的退磁場(chǎng)能量。所以 反磁化核內(nèi)Ms所受轉(zhuǎn)矩L為：討論： H H0 時(shí)，反磁化核才開始長(zhǎng)大。鐵磁體內(nèi)并非所以磁化不均勻區(qū)域都能形成穩(wěn)定反磁化核。只有d ds 的區(qū)域在H Hs 時(shí)才能使反磁化核長(zhǎng)大而形成反磁化疇，并通過壁移完成反磁化過程。3. 發(fā)動(dòng)場(chǎng)理論的一個(gè)重要問題是反磁化核的起源與形成問題，這個(gè)問題直到1954年問題才解決。2、反磁化核的來源與成核場(chǎng) 古得諾夫認(rèn)為磁化核的形成有三種可能： a、參雜物粒子；b、材料內(nèi)的片狀脫溶體或晶粒間界面 c、晶體表面他認(rèn)為：只有大的參雜粒子才能產(chǎn)生反磁化核，這種核只有在強(qiáng)H下才能長(zhǎng)大。最可能的起源是在晶粒間的界

17、面或片狀脫溶物的界面上。晶粒界面上產(chǎn)生反磁化核的條件： 設(shè)晶界面為平面，界面兩邊的磁疇方向?yàn)椴煌囊状呕较?，故在界面產(chǎn)生磁極，其密度為：ldDMs2Ms1 + +- - 由于界面上的次級(jí)疇即為反核的起源，可假設(shè)這些次級(jí)疇按一定周期分布，每D2面積中只有一個(gè)次級(jí)疇，并將這些小疇視為旋轉(zhuǎn)橢球體，長(zhǎng)軸2l，短軸2d，則有： 外場(chǎng)H很小時(shí)，Ms在易磁化方向，則單位體積內(nèi)，由于反磁化核的產(chǎn)生而引起的能量變化為：所以： Hn 0時(shí)，反核形成的能量比沒有反磁化時(shí)晶界上退磁能大，此時(shí)若無外場(chǎng)，則反核不會(huì)生成。 Hn H0 ），故Hc為：三、不可逆疇轉(zhuǎn) 要提高Hc，最有效的辦法是使壁移不發(fā)生。要徹底做到這一點(diǎn)

18、，只有使疇壁不存在，即使之成為單疇。 單疇顆粒工藝對(duì)提高材料的Hc 非常重要，這時(shí)只有磁矩的轉(zhuǎn)動(dòng)，其阻力來自各向異性（磁晶各向異性、形狀各向異性、應(yīng)力各向異性）。1、單疇顆粒在磁晶各向異性作用下的磁矩轉(zhuǎn)動(dòng) 對(duì)于一個(gè)單疇顆粒的磁矩，有如下關(guān)系：MsxH易軸單疇顆粒由磁晶各向異性控制的矯頑力磁晶各向異性控制的磁矩一致轉(zhuǎn)向外磁場(chǎng)與易軸平行時(shí)的磁滯回線采用同樣的方法，可分別計(jì)算90和135時(shí)的磁滯回線。如圖所示對(duì)于多晶體單疇顆粒集合體來說，其Hc0.96Ku/0Ms單疇多晶集合體的磁滯回線外磁場(chǎng)與易軸成不同角度的磁滯回線外磁場(chǎng)與易軸夾角為90和135時(shí)的磁滯回線 在反磁化過程中，從Mra這一段是可逆的

19、（即H 0，則M Mr），一旦HH0時(shí)（即a點(diǎn)），轉(zhuǎn)動(dòng)就不可逆了，其M從a點(diǎn)急劇變到b點(diǎn)。在這種情況下HcH0。HabH0MMr 但是對(duì)于由單疇顆粒構(gòu)成的大塊材料而言，由于各晶粒的易磁化方向?qū)的取向不同，故由很多不同多0 角，其材料的矯頑力也是各晶粒的Hc的平均效果(P359Fig.642,)10.5-112-2-12 、單疇顆粒在形狀各向異性作用下決定的矯頑力 形狀各向異性來源于退磁能，在樣品不同方向，退磁能不同，即在退磁狀態(tài)下，沿不同方向取向時(shí)，能量不一樣，表現(xiàn)出各向異性。 設(shè)樣品為扁長(zhǎng)的單疇橢球，磁矩在xoy平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，則： 形狀各向異性控制的一致轉(zhuǎn)動(dòng)3、單疇顆粒在應(yīng)力各向異性作用下的

20、磁矩轉(zhuǎn)動(dòng) 考慮材料中磁晶各向異性強(qiáng)弱，且無形狀各向異性，但由于有應(yīng)力 ，故產(chǎn)生單軸各向異性：可見，要提高Hc，必須設(shè)法提高至少一種各向異性4、小結(jié)： 1)、單疇顆粒在三種各向異性作用下的Hc公式 a、磁晶各向異性作用下單疇顆粒0HC單軸晶體900013501800取向分散的多顆粒材料立方晶體K101800K10取向分散的多顆粒材料b、形狀各向異性作用下單疇顆粒0Hcab1800(Nb - Na)Ms橢球ab混亂分布0.479(Nb - Na)Msab1800Ms / 2c、應(yīng)力各向異性作用下單疇顆粒0Hc1800混亂分布2)、可見，要提高Hc，必須設(shè)法提高至少一種各向異性3)、Ms高的材料，其由形狀各向異性決定的Hc最大，如Fe； K1大的材料，其由磁晶各向異性決定的Hc最大，如Co； s大的材料，其由應(yīng)力各向異性決定的Hc最大，如Ni；所以，為獲得高Hc，可利用其不同的特點(diǎn)。4)、由前面的討論可知：四、缺陷對(duì)Hc的影響：通過它的形狀不同（體缺陷、面缺陷、線缺陷、點(diǎn)缺陷），直接控制Hc通過缺陷本身的交換積分常數(shù)A、K1、 s及M0與基體不同來影響Hc。 晶格的不完整性（缺陷）對(duì)磁性的影響有長(zhǎng)、短程兩種： 長(zhǎng)程：影響F