第5章 静态技术磁化.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第五章 静态技术磁化,内秉磁性,表观（技术）磁性,交换常数,A,居里温度,T,c,自发磁化强度,饱和磁化强度,剩余磁化强度,剩余磁感应强度,表观磁感应强度,磁晶各向异性常数,磁晶各向异性场,矫顽力,初始磁导率,最大磁导率,最大磁能积,磁致伸缩系数,改变磁场时，磁化强度的变化,第,i,个磁畴的磁化矢量与磁场方向的夹角,第,i,个磁畴的体积,忽略畴璧磁矩，求和在单位体积内进行,磁畴体积的变化：畴壁位移,磁矩转动,顺磁磁化,技术磁化,5.1,静态磁化与反磁化,不可逆转动,可逆转动,纳米材料,磁中性,畴壁位移,磁畴转动,不存在不可逆过程,存在不可逆和不可逆过程,传统材料,畴壁位移也是磁矩的转动！,i.,初始状态是退磁状态,:,H=M=B=0,ii.,起始磁化区。磁场很小，磁化基本上是,可逆畴壁位移,过程称,为起始磁导率。,iii.,瑞利,区。磁场较小时，磁化满足,瑞利,的经验公式,主要可逆畴壁位移过程。,iv.,不可逆畴壁位移。磁化曲线变陡，磁导率越来越大，在矫顽力附近达到最大值。主要是不可逆畴壁位移过程（,Barkhausen,跳跃,）。,v.,磁导率开始减小。主要过程是可逆和,不可逆磁转动,。,vi.,磁化曲线接近饱和，磁化过程主要是可逆磁转动。,vii.,磁化饱和。磁化变化非常小，是顺磁磁化过程。5.1.1,磁化曲线,起始磁导率：,最大磁导率：,发电机、电动机、变压器的铁心是电力工业的核心材料。以电力变压器为例,铁心上绕有原线圈和副线圈。一个线圈两端的电压是,无线电通讯、收音机、电视机、手机,等电子器件中使用的,铁心。,以调谐回路电感为例，所使用软磁材料的磁场,H,很小，电感,L,与起始磁导率成正比，因此选用,起始磁导率,大的材料。,对于给定电压，,所需要的铁心体积,与,B,mx,成反比,，因此，用大饱和磁化强度材料可以减少铁心体积。,当,H,从足够使磁化饱和的幅值,H,m,减小到,-,H,m,时,i.,，在,第一,象限,，磁矩从磁场方向向最接近磁场方向的易磁化方向可逆转动。,ii.当经过剩磁进入,退磁曲线,时，在一些晶粒边界附近生成,反磁化核,(,在小区域发生,不可逆磁转动,),，并扩展为反向磁化的,楔形畴,。可逆磁转动逐步被楔形畴的扩展以及随后的可逆、不可逆畴壁位移取代。,iii.,在矫顽力附近，,微分磁导率和不可逆微分磁导率的,绝对值变最大,Barkhausen,跳跃最活跃。,当沿着磁滞回线磁化一个周期时，外部对单位体积磁体所做的功,是磁化能,它全部变成热能。当,H,m,不足以使样品磁化到饱和时，磁滞回线的和面积随的减小而减小。,5.1.2,磁滞回线,永磁磁路设计的主要任务是把外部磁场能集中到所需要的空间，同时使磁体处于最大磁能积状态，从而把磁体体积减小到最小。,f,叫,H M,磁带,磁记录材料包括记录信息的,磁记录介质,(,录音带、录像带、计算机磁带、软盘、硬盘，各类磁卡、随机磁存储元件,等,),，,写入磁头,和,读出磁头,。,以计算机磁带为例。在写入磁头铁心上绕有电流线圈。负向均匀磁化了的磁带紧贴铁心空隙下面，以一定速度移动。在线圈中流过代表数字信息的由按一定时间间隔流过的零电流,(,代表,0),和单向脉冲电流,(,代表,1),组成的脉冲电流序列。当脉冲电流流过时，铁心被磁化，在磁头空隙下面的磁带部位散发磁场。,和磁带平行的正向磁场分量把该部位的磁化方向由负向倒向正向，从而计入数据,1,。当磁带的这个部位离开磁头空隙磁场区时，在这个部位铁心产生的磁场变零，部位两头产生的磁荷产生的退磁场是负向，但由于磁滞回线是矩形的，矫顽力比退磁场大，正向磁化的状态被保存下来。当磁头中没有电流流过时，磁带不被磁化，保持原来的负向磁化状态，因此存有原来的数据,0,。如此把脉冲电流序列的信息存入磁带中。图中的磁带的一段部位存储着数列,1001,。,在,1,和,0,区之间出现磁荷，这些磁荷在磁带外部发出散磁场。当存有信息的磁带在读出磁头下面以一定速度移动时，读出磁头捕获这些散磁场，把它们变成相应的脉冲电流信息序列，完成读出功能。感应式磁头利用,Faraday,感应定律的原理读出散磁场。这类磁头的结构与写入磁头一样。磁电阻磁头是利用磁电阻效应，磁头电阻跟着散磁场的变化而变化，通过测电阻读出信息。,写入磁头在空隙产生的磁场与磁头铁心的磁化强度成正比。当脉冲电流流过时，磁头要产生足够把磁带反磁化的磁场；没有电流时，磁头的剩余磁化产生的磁场要小到不至于改变磁带的磁化状态。为了低功率下运作，脉冲电流越小越好。因此铁心材料应该具有细长的磁滞回线，即大的饱和磁化强度，小矫顽力。,在磁带中，磁矩受有磁荷产生的反向磁场。为了在反向场中保持稳定的磁化状态，磁滞回线应该具有矩形退磁曲线和足够大的矫顽力。随着存储密度的提高，反向磁场越来越大，要求材料具有越来越大的矫顽力。但矫顽力要小于磁头写入时产生的磁场，否则写入不充分。磁头产生的磁场受磁头磁化强度的限制，因此矫顽力的上限也受到制约。,对感应式磁头材料的要求同于写入磁头材料。磁电阻磁头材料应该在比较小的磁场变化下具有大的磁电阻效应。,增加,H,，使得,畴壁从,b,点,Barkhausen,跳跃到,c,点。去掉磁场，畴壁只能回复到,K,点（不可逆畴壁位移）。,从,0,开始增加磁场,H,，畴壁从,a,点向,b,点运动，去掉磁场又返回,a,点（可逆畴壁位移）。,当,H,0,，,K,施加反向磁场，畴壁越高最高的势垒,h,点，,Barkhausen,跳跃到,i,点。,5.2,畴壁位移,N,：单位长度内畴壁数,以,K,1,0,K,2,=0,的立方晶体为例，考察起始磁导率。,令,100/x,轴，,001/,轴。,内应力沿,001,轴,。,l,畴壁厚度,相对体积,畴壁跨过一排,(100),面的点阵中心，以便保持畴壁的面积最小，从而自由能最小。当施加很小的磁场,H,时，畴壁受磁场的压力，离开杂质中心,x,体积,推导中假设了晶体和畴壁是无限大的，忽略了畴壁边缘的作用。实际上，在多晶体中，各晶粒内部的畴壁大小有限，它们常常跨过晶界，在晶界往往出现附,加楔形畴,，畴壁位移受晶界和近邻晶粒的磁畴分布的影响，情况非常复杂。实验表明，晶粒越大，起始磁导率越大。,值在接近,磁性转变温度区,随温度提高而增加，在转变温度附近呈现明显的极大峰，在转变温度变零,(,图,6.2.4),。称这个现象为,Hopkinson,效应。它起因于在磁性转变温度附近,随温度的提高,当,H,较小，,对各向同性样品，,5.3,磁畴转动,接近饱和的多晶体的磁化是可逆转动过程。磁化曲线的经验关系是,a,、,b,、,c,是常数，,顺磁磁化率。,来自参杂、内应力等微结构因素，,来自克服磁晶各向异性的可逆磁转动过程。,趋近饱和定律,(,沿易轴,),的回线,非稳定状态,稳定状态,磁滞回线,临界状态,(,沿难磁化面,),的回线,若一个单畴颗粒的体积,v,很小，磁晶各向异性能的位垒,Kv,和热起伏能,k,B,T,差不多或比它小，则在零磁场中磁化矢量受热起伏的影响，从一个易磁化方向，转动到反方向的几率,不能忽略，磁化矢量一会儿沿正易磁化方向，一会儿沿负易磁化方向磁化强度对时间的平均等于零。这种行为和原子的顺磁性类似。,这里，磁矩为磁性粒子的磁矩，远比原子磁矩大。称这种磁性为超顺磁性。,超顺磁性,微小颗粒的矫顽力,实验表明，随颗粒尺寸减小，矫顽力增加，经过最大值后减小颗粒尺寸远大于单畴临界尺寸时，颗粒处于多畴状态，矫顽力由畴壁位移决定，其值比较小。颗粒尺寸减少到单畴临界值附近时，磁化是转动过程，矫顽力大。进一步减小尺寸时，颗粒磁性向超顺磁性接近，矫顽力接近零。,应力,含杂,畴壁位移,应力,磁畴转动,磁晶各向异性,实际得到的矫顽力,两种矫顽力机理：,反磁化形核,畴壁钉扎,SmCo5,Nd,-Fe-B,两种矫顽力机理（反磁化机理）：矫顽力的来源,1.,反磁化畴的形核,2.,畴壁钉扎,一般认为在烧结的,NdFeB,和,SmCo,5,磁体中，反磁化的过程是由反磁化核的形核控制的。这种材料饱和磁化以后，加上反向磁场，磁矩并不马上反转，只有反向磁场增大到某一数值时，局部区域开始出现反磁化核并长大到一个临界尺寸，出现了畴壁。由于材料内的缺陷对畴壁的钉扎作用很弱，刚形成的畴壁迅速移动，带动了材料整体磁矩发生反转。而,Sm,2,Co,17,烧结磁体的反磁化过程是由畴壁钉扎控制的。饱和磁化的磁体整体磁矩反转之前，材料内部已经存在畴壁，但畴壁被缺陷钉扎不能移动，只有磁场强到将能够将畴壁从钉扎出拉出，整个材料的磁矩才能反转。究竟是那种模型控制着材料的反磁化过程，要看磁体整体磁矩发生反转的两个过程哪一个难于发生。如果反磁化畴的形核和长大比较困难，反磁化过程就由形核模型控制，如果畴壁移动比较困难，就由钉扎模型控制。当然也可能存在两种机理都存在的混合模型。,形核,特征：晶粒较大（烧结,NdFeB,为几个微米），表面光滑，晶粒间为几个微米米左右的非磁性相，晶粒之间去耦，交换作用很弱。,钉扎,特征：晶粒较小，复相，胞状结构（内部为,2,：,17,相，边界为,1,：,5,相），矫顽力与两相畴壁能的差成正比。,一般来说，磁晶各向异性常数大的单相磁体，其反磁化机理以形核为主，如单相的稀土钴合金,1,：,5,型和,2,：,17,型磁体，钡锶铁氧体磁体。形核为主的磁体，反磁化核长大时的畴壁移动也遇到钉扎，这时矫顽力由形核场和临界场同时决定。凡是磁晶各向异性常数大的两相磁体，反磁化机理则以钉扎为主，如两相的稀土钴合金,1,：,5,型和,2,：,17,型。,(1),形核场决定的矫顽力：,长旋转椭球形,(,l,d),的反磁化畴核长大的能量条件为,第一项为反磁化场作用下静磁能的变化，,第二项为反磁化核长大时，畴壁能的增加，,dS,为,畴壁面积的变化，,第三项为反磁化核长大时，退磁能的变化，椭球体,积为 ，面积为 。,第四项为反磁化核长大时，畴壁位移克服最大阻力所,做的功,H,0,为临界磁场。,可以求得形成一个临界大小的反磁化畴核所需要的磁场,H,s,由上式可知，形核场与畴壁能密度成正比，,S,m,C,o5,材料畴壁能密度很大，其矫顽力可达到,1200-4800kA/m,。,由于反磁化畴核的形成中心机理不同，其形核场也是不同的，但最大限度的减少反磁化畴的形核中心，是提高矫顽力的重要途径。,(,d,为椭球短轴直径,),(2),钉扎场决定的矫顽力,热退磁状态下，畴壁一般都处于畴壁能最低处。当施加外磁场时，畴壁很难离开畴壁能最低处，即畴壁被钉扎了。复相永磁体的钉扎中心可以是第二项或相边界或晶体缺陷如晶界、位错、堆垛层错、反向畴边界等。,一般耒说，磁晶各向异性常数大的单相磁体，其反磁化机理以形核为主，如单相的稀土钴合金,1,：,5,型和,2,：,17,型磁体，钡锶铁氧体磁体。凡是磁晶各向异性常数大的两相磁体，反磁化机理则以钉扎为主，如两相的稀土钴合金,1,：,5,型和,2,：,17,型。形核为主的磁体，反磁化核长大时的畴壁移动也遇到钉扎，这时矫顽力由形核场和临界场同时决定。,内禀矫顽力,H,c,i,：,反磁化过程中，磁化强度为零对应的反磁化场。,矫顽力,H,cb,：,反磁化过程中磁感应强度,B,为零对应的反磁化场。,