材料的磁化過程課件

1、第七章 材料的磁化過程7.1 磁化與反磁化簡(jiǎn)介7.2 單晶的磁化過程7.3 多晶的磁化過程7.4 可逆磁化過程決定的起始磁化率7.5 不可逆磁化過程7.6 趨近飽和定律7.7 磁化理論在實(shí)踐中的應(yīng)用 磁性材料的種類很多，之間既有共同點(diǎn)也有不同處，共同點(diǎn)是材料內(nèi)部均存在著磁疇結(jié)構(gòu)；不同點(diǎn)是磁疇結(jié)構(gòu)及其運(yùn)動(dòng)的變化方式不同。即：磁化曲線和磁滯回線的形狀不同。這也代表了磁性材料靜態(tài)性能的不同。所以，通過多種方法去影響材料內(nèi)部磁疇結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)變化方式，就能改變其靜態(tài)性能。7.1 磁化與反磁化簡(jiǎn)介 磁疇結(jié)構(gòu)在外磁場(chǎng)的作用下，從磁中性狀態(tài)到飽和狀態(tài)的過程，稱為磁化過程。 磁疇結(jié)構(gòu)在外磁場(chǎng)的作用下，從磁飽和狀態(tài)

2、返回到退磁狀態(tài)的過程，稱為反磁化過程。 退磁狀態(tài)是指材料的宏觀磁化強(qiáng)度為零的狀態(tài)。均勻退磁的方法有熱退磁法和交流退磁法。 磁性樣品在磁場(chǎng)增加或反向加磁場(chǎng)時(shí)都有一些特殊的過程，在材料的研究和應(yīng)用中都是極其重要的。描述材料靜態(tài)磁性的重要參數(shù)有：磁滯回線：d e f g h i j起始磁化曲線：o a b c d磁化率 =M / H磁導(dǎo)率， 起始磁導(dǎo)率i， 最大磁導(dǎo)率m微分磁導(dǎo)率d=B/H，可逆磁導(dǎo)率A(H0)矯頑力：Hc剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度：Br飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度：Bs飽和磁化強(qiáng)度Ms （ Is ） 剩余磁化強(qiáng)度Mr （ Ir ）B=H ， =1+4 ，B=H+4M， Bs=H+4Ms （CGS） =1+

3、， B= 0 (H+M)， Bs= 0 ( H+Ms) （MI）磁化曲線的不同階段：樣品從退磁狀態(tài)開始，外加磁場(chǎng)從零一直加到磁化強(qiáng)度達(dá)到飽和的磁化過程。磁化曲線是從I -H座標(biāo)原點(diǎn)O開始。為了使樣品處在退磁狀態(tài)，通常採(cǎi)用零場(chǎng)下，樣品從居里溫度以上，逐漸降溫到室溫；或者用交流退磁的方法。( 1 )起始或可逆區(qū)域：( 4 )趨近飽和區(qū)域：磁化曲線緩慢地升高，最后趨近一水平線(技術(shù)飽和)，這一段過程具有比較普遍的規(guī)律性，稱為趨近飽和定律(對(duì)于多晶鐵磁體)。( 5 )順磁區(qū)域-技術(shù)飽和以上的區(qū)域。高場(chǎng)磁化率p。HIxaopQ12345或a或 a稱為起始磁化率或起始磁導(dǎo)率。( 2 )瑞利( Raylei

4、gh )區(qū)域：或( 3 )最大磁化率區(qū)域：磁化強(qiáng)度I和磁感應(yīng)強(qiáng)度B急劇地增加，磁化率和磁導(dǎo)率經(jīng)過其最大值m 或m，在這個(gè)區(qū)域產(chǎn)生巴克豪森 跳躍。技術(shù)磁化過程，包括疇壁位移和磁疇內(nèi)磁矩的轉(zhuǎn)動(dòng)兩個(gè)過程。磁化過程還可以分為四個(gè)階段：第一階段：疇壁的可逆位移； 在外磁場(chǎng)較小時(shí)，通過磁疇壁的移動(dòng)，使某些磁疇的體積擴(kuò)大造成樣品的磁化，此時(shí)若把外磁場(chǎng)去掉，磁疇壁又會(huì)退回原地，樣品回到磁中性狀態(tài)?？梢?，疇壁在此階段的移動(dòng)是可逆的。第二階段：不可逆磁化階段； 隨著外磁場(chǎng)的增加，磁化曲線上升很快，原因是這時(shí)疇壁的移動(dòng)是巴克豪森跳躍式的或者發(fā)生了磁疇結(jié)構(gòu)的突變。這兩個(gè)過程均是不可逆的，即使減小外磁場(chǎng)，磁疇結(jié)構(gòu)也不會(huì)

5、恢復(fù)到原來的狀態(tài)。第三階段：磁疇內(nèi)磁矩的轉(zhuǎn)動(dòng)階段； 隨著外磁場(chǎng)的進(jìn)一步增加，樣品內(nèi)的疇壁移動(dòng)已基本完成，這時(shí)只有靠磁疇磁矩的轉(zhuǎn)動(dòng)才能使磁化強(qiáng)度增加，這時(shí)與外場(chǎng)方向不一致的磁矩向外場(chǎng)方向轉(zhuǎn)動(dòng)，使得外場(chǎng)方向的磁化強(qiáng)度增加。磁矩的轉(zhuǎn)動(dòng)既可以是可逆的也可以是不可逆的過程。第四階段：趨近飽和階段。 這一階段樣品磁化強(qiáng)度隨外磁場(chǎng)的增加變化很小，磁化強(qiáng)度的增加是由磁矩的可逆轉(zhuǎn)動(dòng)造成的，即高場(chǎng)順磁過程。HM12347.2 單晶的磁化過程單軸晶體的磁化過程三軸晶體的磁化過程單晶體磁化的普遍理論 右圖表示一個(gè)立方晶系K10的單晶磁化過程，易軸是100，磁疇有1800和900兩類。當(dāng)磁場(chǎng)加在100方向，疇壁位移結(jié)束

6、時(shí)，Is在100方向；當(dāng)磁場(chǎng)加在110方向，疇壁位移結(jié)束時(shí)，磁疇仍然存在，有兩類磁疇，一類Is在100方向，另一類Is在010方向。進(jìn)一步磁化過程即是磁疇內(nèi)磁化強(qiáng)度的轉(zhuǎn)動(dòng)過程。磁化過程的求解：目的： 求出樣品的磁化強(qiáng)度與外加磁場(chǎng)的函數(shù)關(guān)系：MH方法： 1 必須假設(shè)具體的磁疇結(jié)構(gòu)及其變化方式； 2 寫出外磁場(chǎng)作用下總能量的表達(dá)式； 3 對(duì)能量的函數(shù)求極值，得出 MH 關(guān)系式。單軸晶體的磁化過程以鋇鐵氧體單晶薄片中片型疇隨外加磁場(chǎng)的變化為例。實(shí)驗(yàn)中可以觀察到片型疇的變化過程為：第一階段 是正向疇的擴(kuò)大，反相疇寬度幾乎不變，但數(shù)量減少；第二階段 是反向的片型疇突然收縮為圓柱型的磁疇，是不可逆的磁 疇

7、突變；第三階段 是圓柱型的磁疇半徑逐漸縮小，最后消失，完成磁化過程。與磁疇運(yùn)動(dòng)有關(guān)的總能量包括： 外場(chǎng)能；疇壁能；退磁能理論處理時(shí)必須結(jié)合磁疇的變化分階段求解。不同階段的能量表達(dá)式與樣品磁疇結(jié)構(gòu)參數(shù)和外場(chǎng)關(guān)系不同，求能量極小值，得出外場(chǎng)與磁化強(qiáng)度的關(guān)系，同時(shí)決定了磁疇的結(jié)構(gòu)，解出的結(jié)果也只是不同階段的磁化過程描述。2. 三軸晶體的磁化過程必須結(jié)合磁疇的具體結(jié)構(gòu)，加入封閉疇的影響。與磁疇運(yùn)動(dòng)有關(guān)的總能量包括：外場(chǎng)能；疇壁能；磁晶各向異性能3. 單晶體磁化的普遍理論涅爾的磁相理論： 不考慮磁疇結(jié)構(gòu)變化細(xì)節(jié)的情況下，用磁疇的類別（磁相）討論單晶體的普遍磁化曲線。處理單晶體磁化過程的理論原則： 只要樣

8、品內(nèi)有兩個(gè)以上的相存在，則內(nèi)場(chǎng)對(duì)每一相的作用就是等同的。換句話說就是，內(nèi)場(chǎng)對(duì)每一類磁疇的作用都是等同的。具體計(jì)算過程包括：多（于四）相階段的磁化；四相階段的磁化；兩相階段的磁化和單相階段的轉(zhuǎn)動(dòng)磁化等不同的MH關(guān)系。單晶體的磁化過程總是從疇壁移動(dòng)開始，然后是壁移和疇轉(zhuǎn)同時(shí)進(jìn)行，最后才是只有疇轉(zhuǎn)的單相階段。轉(zhuǎn)動(dòng)磁化過程單晶磁化曲線的計(jì)算 計(jì)算磁場(chǎng)加在立方晶體100、110和111三個(gè)晶軸方向的磁化曲線，100是易軸。計(jì)算磁化矢量的平衡方向是以晶體的磁晶各向異性能Fk加磁場(chǎng)能FH等于極小值。 (1) 磁場(chǎng)平行100方向：由于Fk和FH沿100方向都是極小值，故在很小磁場(chǎng)下，經(jīng)過疇壁位移后立即達(dá)到技術(shù)

9、飽和。001100010110/HIs100/H001010 (2)磁場(chǎng)平行110方向：晶體在疇壁位移過程完成后，只存在兩種“磁相”，即Is/100和Is/010的兩種。但因H的方向與這兩種“磁相”中的Is方向?qū)ΨQ，故可以一個(gè)磁相中Is的轉(zhuǎn)動(dòng)耒計(jì)算。Is的方向余弦為晶體總的自由能為(略去退磁場(chǎng)能)令j=cos=I/Is，略去K0則上式為：求自由能極小， 得到 當(dāng) j=1，即飽和磁化時(shí)001100110010H/111Is111 (3)磁場(chǎng)平行于111方向：Is在(110)內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，其方向余弦為同樣地，令j=cos，求自由能極小，得到,當(dāng)j=1時(shí)，飽和磁場(chǎng)。以上計(jì)算結(jié)果與鐵的實(shí)驗(yàn)經(jīng)果符合較好，但在

10、低場(chǎng)和趨近飽和時(shí)符合較差。7.3 多晶的磁化過程1、疇壁位移過程簡(jiǎn)介2、疇壁位移的理論 A、內(nèi)應(yīng)力理論 B、參雜理論1、疇壁位移過程簡(jiǎn)介 一般鐵磁體在弱場(chǎng)范圍內(nèi)的磁化過程主要是疇壁的位移過程。即接近于外磁場(chǎng)方向的磁疇長(zhǎng)大，遠(yuǎn)離外磁場(chǎng)方向的磁疇縮小。理想完美的鐵磁晶體，它內(nèi)部的磁疇結(jié)構(gòu)只由其外形的退磁場(chǎng)作用所決定，在外磁場(chǎng)作用下，只要其內(nèi)部有效磁場(chǎng)不為零，磁疇壁將被驅(qū)動(dòng)，直到疇結(jié)構(gòu)改組到有效場(chǎng)等于零時(shí)才穩(wěn)定下來，因此這種理想晶體的起始磁化率應(yīng)為無限大。 實(shí)際的鐵磁晶體內(nèi)總是存在著晶格缺陷、雜質(zhì)、某種形式分布的內(nèi)應(yīng)力以及非均勻區(qū)和彌散磁場(chǎng)等。結(jié)構(gòu)的不均勻產(chǎn)生對(duì)疇壁位移的阻力，使起始磁化率降低為有限

11、數(shù)值，而且使疇壁位移過程有可逆和不可逆的區(qū)別。 在疇壁位移過程中，鐵磁晶體的總自由能(包括外磁場(chǎng)能)將不斷發(fā)生變化。主要是當(dāng)疇壁在不同位置時(shí)疇壁能發(fā)生變化，磁疇內(nèi)應(yīng)力能的變化，以及內(nèi)部雜貭引起雜散磁場(chǎng)能的變化等。 如圖所示，對(duì)于1800疇壁位移，在位移方向鐵磁晶體內(nèi)自由能F(x)的變化曲線。未加磁場(chǎng)時(shí)疇壁的平衡位置在F(x)最小值的位置，如圖b中的a點(diǎn)。在a點(diǎn)， 當(dāng)外加磁場(chǎng)時(shí)，疇壁向右移動(dòng)。設(shè)位移dx，外磁場(chǎng)所做的功等于自由能F(x)的增加量。ab， 是穩(wěn)定的，是可逆位移過程。在b點(diǎn),為最大值。顯然，可逆與不可逆疇壁位移的臨界場(chǎng)的判據(jù)為 是最大值。2、疇壁位移的理論bc, 不穩(wěn)定的，是不可逆位

12、移過程。在c點(diǎn)，若去掉外場(chǎng)，疇壁將穩(wěn)定在d點(diǎn)。( H0稱為臨界場(chǎng) ) 疇壁位移過程中，體系自由能的變化主要有兩部分： a ) 疇壁能隨位置的變化， b )由內(nèi)應(yīng)力而生的應(yīng)力能 因磁疇內(nèi)磁化方向的改變而 發(fā)生變化。由此可提出兩種簡(jiǎn)化的理論模型： A、內(nèi)應(yīng)力理論：按內(nèi)應(yīng)力隨位置變化來計(jì)算自由能的變化。對(duì)于1800疇壁而言，因相鄰磁疇的磁化矢量方向反平行，故磁彈性能基本無變化，可得到：無磁場(chǎng)時(shí)，1800疇壁的平衡位置x0應(yīng)在自由能極小處，加磁場(chǎng)而疇壁位移后，可將( x )環(huán)繞平衡位置展開為泰勒級(jí)數(shù)故得到 對(duì)900疇壁，疇壁位移時(shí)，磁彈性能-(3/2)scos2隨位置變化甚劇，疇壁能本身變化較小，這是

13、因?yàn)橄噜彺女爟?nèi)的磁化矢量方向改變900，cos的變化由0到1，因此B、參雜理論：設(shè)疇壁為平面，在位移過程中不變形，疇壁能密度為：第二項(xiàng)s為應(yīng)力能對(duì)于疇壁能的貢獻(xiàn)。一般情況，張力的分布是不均勻的，隨疇壁所在位置不同而變化，為疇壁厚度。另一方面，由于鐵磁晶體內(nèi)有雜質(zhì)存在，疇壁通過雜質(zhì)時(shí)，必將有一部分面積被雜質(zhì)所代替(或者說被雜質(zhì)所“穿破”)。直觀的解釋是疇壁位于參雜物上時(shí)，疇壁面積減小，退磁場(chǎng)能減小，所以從能量的觀點(diǎn)考慮，參雜阻礙磁化的實(shí)現(xiàn)，對(duì)疇壁具有釘扎的作用。S為晶體單位體積內(nèi)發(fā)生位移的疇壁總面積， 疇壁能密度不變?nèi)绻w內(nèi)包含很多非磁性或弱磁性的雜質(zhì)而內(nèi)應(yīng)力的變化不大。疇壁位移時(shí)，疇壁能的變

14、化主要是由于疇壁面積的變化。7.4 可逆磁化過程決定的起始磁化率一、可逆壁移過程決定的起始磁化率 A. 內(nèi)應(yīng)力理論 B. 參雜理論二、可逆疇轉(zhuǎn)過程決定的起始磁化率 A. 磁晶各向異性決定的起始磁化率 B. 應(yīng)力作用下的轉(zhuǎn)動(dòng)起始磁化率一、可逆壁移過程決定的起始磁化率A、內(nèi)應(yīng)力理論(1) 900疇壁位移過程：無外場(chǎng)時(shí)900疇壁位于內(nèi)應(yīng)力改變符號(hào)的地方，設(shè)內(nèi)應(yīng)力在小區(qū)域內(nèi)的變化規(guī)律為疇壁位于=0處。設(shè)外加磁場(chǎng)使那些平行于x軸方向的疇長(zhǎng)大，故得到由磁場(chǎng)dH所產(chǎn)生的磁化強(qiáng)度為為單位體積內(nèi)900疇壁的總面積，由此得到起始磁化率 假設(shè)晶體被900疇壁分為大小相等的若干立方形磁疇，并沿x易軸方向有一個(gè)內(nèi)應(yīng)力變

15、化，每一個(gè)磁疇的邊長(zhǎng)為l，表面積為6l2，體積為l3，故單位體積內(nèi)900疇壁的總面積為6l2/l3=6/l。對(duì)仼意的磁疇分布時(shí)，只有2/3的位置有900疇壁存在，因此得到：當(dāng)內(nèi)應(yīng)力很小時(shí)，內(nèi)應(yīng)力耒源于磁致伸縮，則 0=Es,E為楊氏彈性模量，對(duì)于鐵，Is=1700高斯，=19.5x10-6，E=1012達(dá)因/厘米2,鐵的實(shí)驗(yàn)值用最好的純鐵測(cè)得起始磁導(dǎo)率0為30000，在數(shù)量級(jí)上是符合的。(2)1800疇壁位移過程無外加磁場(chǎng)時(shí)，1800疇壁位于疇壁能極小值處,即內(nèi)應(yīng)力極小點(diǎn)。假設(shè)內(nèi)應(yīng)力在小區(qū)域內(nèi)的分布為得到：在單位體積內(nèi)，由疇壁位移x而產(chǎn)生的磁化強(qiáng)度變化為即為單位體積內(nèi)1800疇壁的總面積。又由于可以得到由可求得x0的值，x0=l /4 ,3l /4,.。因此，令=3/2,則採(cǎi)用與900疇壁一樣的疇