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第一章磁性材料第一講概述磁介質(zhì)——能與磁場(chǎng)產(chǎn)生相互作用的物質(zhì)。磁化——磁介質(zhì)在磁場(chǎng)作用下所發(fā)生的變化。不同磁介質(zhì)磁化后對(duì)原外磁場(chǎng)的存在不同的影響一、磁場(chǎng)中的磁介質(zhì)介質(zhì)磁化后的附加磁感強(qiáng)度真空中的磁感強(qiáng)度
磁介質(zhì)中的總磁感強(qiáng)度從實(shí)用的觀點(diǎn),根據(jù)磁化率χ(=M/H)大小與符號(hào),可分為五種:TO1、抗磁性
對(duì)于電子殼層被填滿的物質(zhì),其磁矩為零。在外磁場(chǎng)作用下,電子運(yùn)動(dòng)將產(chǎn)生一個(gè)附加的運(yùn)動(dòng)(由電磁感應(yīng)定律而定),出現(xiàn)附加角動(dòng)量,感生出與H反向的磁矩。因此:
χd<0,且|χd|~10-5,與H、T無(wú)關(guān)。
實(shí)例:惰性氣體、許多有機(jī)化合物、某些金屬(Bi、Zn、Ag、Mg)、非金屬(如:Si、P、S)2、順磁性
順磁性物質(zhì)具有一固有磁矩,但各原子磁矩取向混亂,對(duì)外不顯示宏觀磁性,在磁場(chǎng)作用下,原子磁矩轉(zhuǎn)向H方向,感生出與H一致的M。所以,χp>0,但數(shù)值很?。@微弱磁性)。室溫下χP:10-3~10-6。如:稀土金屬和鐵族元素的鹽。TO其中:C為居里常數(shù),TP為順磁性居里溫度。TO3、反鐵磁性即在T=TN(奈爾溫度)時(shí),χaf
最大。T<TN時(shí),其內(nèi)部磁結(jié)構(gòu)按次晶格自旋成反平行排列,每一次晶格的磁矩大小相等、方向相反,故它的宏觀磁性等于零,只有在很強(qiáng)的外磁場(chǎng)作用下才能顯示出微弱的磁性。實(shí)例:過(guò)渡族元素的鹽類及化合物,如MnO,CrO,CoO等O4、鐵磁性內(nèi)部原子磁矩按磁疇自發(fā)平行取向,有宏觀磁性,只要在很小的磁場(chǎng)作用下就能磁化到飽和。其χf>0(約為10~106),有磁滯現(xiàn)象。當(dāng)T>TC
時(shí),鐵磁性轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾判?,服從居里-外斯定律。?shí)例:3d金屬Fe,Co,Ni,4f金屬鋱、鉺、銩、鈥、等以及很多合金與化合物。T>TC5、亞鐵磁性
內(nèi)部磁結(jié)構(gòu)卻與反鐵磁性相同,但相反排列的磁矩大小不等量。故亞鐵磁性具有宏觀磁性(未抵消的反鐵磁性結(jié)構(gòu)的鐵磁性)。Χm>0,大小為1~103
典型代表為鐵氧體。
前三種為弱磁性,后兩種為強(qiáng)磁性,具有此二性的材料叫磁性材料,按其被應(yīng)用的性能,磁性材料可分為軟磁、永磁、旋磁、矩磁、亞磁五類)O5、超順磁性
鐵磁性材料做成微晶或非晶時(shí)將具有超順磁性。大的微晶顆粒內(nèi)部就會(huì)出現(xiàn)多疇結(jié)構(gòu),這種多疇結(jié)構(gòu)可以有效降低靜磁場(chǎng)能量。當(dāng)尺寸再?。〝?shù)十納米到幾個(gè)微米),微晶將成為單疇,此時(shí)多疇結(jié)構(gòu)能量反而高。當(dāng)尺寸再小,微晶仍為單疇,但磁化方向在熱擾動(dòng)下將會(huì)發(fā)生發(fā)轉(zhuǎn),從而失去鐵磁性。在磁場(chǎng)的作用下的這些磁疇將沿著磁場(chǎng)方向排列,很像順磁材料,但其磁導(dǎo)率極大,稱為超順磁材料。二.磁介質(zhì)的磁導(dǎo)率和磁介質(zhì)分類磁導(dǎo)率——描述不同磁介質(zhì)的導(dǎo)磁性能真空磁導(dǎo)率介質(zhì)的相對(duì)磁導(dǎo)率根據(jù)的大小和方向可將磁介質(zhì)分為三大類(1)順磁質(zhì)(2)抗磁質(zhì)(3)鐵磁質(zhì)介質(zhì)的絕對(duì)磁導(dǎo)率三.磁介質(zhì)磁化的微觀機(jī)制分子圓電流和磁矩分子磁矩軌道磁矩自旋磁矩——電子繞核的軌道運(yùn)動(dòng)——電子本身自旋無(wú)外磁場(chǎng)有外磁場(chǎng)1.順磁質(zhì)的磁化無(wú)外磁場(chǎng)作用時(shí),由于分子的熱運(yùn)動(dòng),分子磁矩取向各不相同,整個(gè)介質(zhì)不顯磁性。分子磁矩
在外磁場(chǎng)作用下分子磁矩產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向和外磁場(chǎng)方向一致,順磁質(zhì)磁化結(jié)果,使介質(zhì)內(nèi)部磁場(chǎng)增強(qiáng)。2.抗磁質(zhì)及其磁化在外磁場(chǎng)中,抗磁質(zhì)分子會(huì)產(chǎn)生附加磁矩電子繞核的軌道運(yùn)動(dòng)電子本身自旋外磁場(chǎng)場(chǎng)作用下產(chǎn)生附加磁矩電子的附加磁矩總是削弱外磁場(chǎng)的作用??勾判允且磺锌勾沤橘|(zhì)共同具有的特性??偱c外磁場(chǎng)方向反向四:磁化強(qiáng)度矢量分子磁矩的矢量和體積元
意義:磁介質(zhì)中單位體積內(nèi)分子磁矩的矢量和.五.磁介質(zhì)的磁化規(guī)律以及磁化率和磁導(dǎo)率磁化率引入相對(duì)磁導(dǎo)率引入絕對(duì)磁導(dǎo)率1.
磁導(dǎo)率μ=1+χ不是一個(gè)常量,它的值不僅決定于原線圈中的電流,還決定于鐵磁質(zhì)樣品磁化的歷史。
B
和H
不是線性關(guān)系。(一)鐵磁質(zhì)的一般規(guī)律2.
有很大的磁導(dǎo)率。放入線圈中時(shí)可以使磁場(chǎng)增強(qiáng)接上一次4.溫度超過(guò)居里點(diǎn)時(shí),鐵磁質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾刨|(zhì)。3.有磁滯,剩磁、磁飽和等現(xiàn)象。注意:鐵磁物質(zhì)磁化規(guī)律復(fù)雜,一般通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究每種鐵磁質(zhì)當(dāng)溫度升高到一定程度時(shí),由高磁導(dǎo)率、磁滯、磁致伸縮等一系列特殊狀態(tài)全部消失,而變?yōu)轫槾判浴?......矯頑力飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度剩磁(二)磁滯回線動(dòng)畫
由于磁滯,時(shí),磁感強(qiáng)度,叫做剩余磁感強(qiáng)度(剩磁).
當(dāng)外磁場(chǎng)由逐漸減小時(shí),這種B的變化落后于H的變化的現(xiàn)象,叫做磁滯現(xiàn)象,簡(jiǎn)稱磁滯.圖1鐵磁質(zhì)起始磁化曲線和磁滯回線圖2同一鐵磁材料的一簇磁滯回線圖3鐵磁材料μ與H關(guān)系曲線抗磁質(zhì)順磁質(zhì)非常數(shù),鐵磁質(zhì)歸納:磁滯損耗:在交變電流的勵(lì)磁下反復(fù)磁化使其溫度升高的磁滯損耗與磁滯回線所包圍的面積成正比。磁滯伸縮:鐵磁體于鐵電體類似;在交變場(chǎng)的作用下,它的形狀會(huì)隨之變化,稱為磁致伸縮(10-5數(shù)量級(jí))它可用做換能器,在超聲及檢測(cè)技術(shù)中大有作為。
(三)鐵磁性材料分類及用途OO不同鐵磁性物質(zhì)的磁滯回線形狀相差很大.O軟磁材料硬磁材料矩磁材料
r大,易磁化、易退磁(起始磁化率大)。飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度大,矯頑力(Hc)小,磁滯回線的面積窄而長(zhǎng),損耗小。用于作變壓器的鐵芯。繼電器、電機(jī)、以及各種高頻電磁元件的磁芯、磁棒。(1)軟磁材料純鐵,硅鋼坡莫合金(Fe,Ni),鐵氧體等。(2)硬磁材料鎢鋼,碳鋼,鋁鎳鈷合金(3)矩磁材料Hc不大,磁滯回線是矩形。用于記憶元件,矯頑力(Hc)大,剩磁Br大磁滯回線的面積大,損耗大。用于磁電式電表中的永磁鐵。耳機(jī)中的永久磁鐵,永磁揚(yáng)聲器。錳鎂鐵氧體,鋰錳鐵氧體臨界溫度(鐵磁質(zhì)的居里點(diǎn))
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