2021-2022学年高二物理竞赛课件：铁磁性(Ferromagnetism).pptx

铁磁性(Ferromagnetism)12铁磁性铁磁性(Ferromagnetism)一、自发磁化强度一、自发磁化强度(spontaneous magnetization)铁磁晶体相邻原子之间存在着铁磁晶体相邻原子之间存在着交换作用交换作用，致使它们，致使它们的磁矩平行排列，在一定温度以下，热运动不足以破的磁矩平行排列，在一定温度以下，热运动不足以破坏这种有序性。坏这种有序性。物质铁磁性不仅是原子或离子磁性反映，更是晶体中物质铁磁性不仅是原子或离子磁性反映，更是晶体中相邻原子或离子之间相互作用的反映。相邻原子或离子之间相互作用的反映。交换作用使铁磁质内部一定范围内的原子或离子磁矩交换作用使铁磁质内部一定范围内的原子或离子磁矩平行排列，无外磁场作用时，宏观体积内（磁畴）已具平行排列，无外磁场作用时，宏观体积内（磁畴）已具有一定的磁化强度，为有一定的磁化强度，为铁磁质的自发磁化强度。铁磁质的自发磁化强度。不同的铁磁质不同的铁磁质具有不同的自具有不同的自发磁化强度。发磁化强度。3二、居里温度二、居里温度(Curie temperature)温度超过某一临界温度时，交换作用不足以克服热温度超过某一临界温度时，交换作用不足以克服热运动作用，铁磁质自发磁化强度将消失。这个临界温运动作用，铁磁质自发磁化强度将消失。这个临界温度称为铁磁质的度称为铁磁质的居里温度或居里点。居里温度或居里点。铁磁质处于居里温度以上铁磁性转变为顺磁性。铁磁质处于居里温度以上铁磁性转变为顺磁性。铁的居里温度是铁的居里温度是770,铁硅合金铁硅合金690等。等。三、铁磁体内的磁畴三、铁磁体内的磁畴(magnetic domain)结构结构a 片形畴（片形畴（L=8微米）；微米）；b 蜂窝畴（蜂窝畴（L=75微米）；微米）；c 楔形畴楔形畴图图 几几种种铁铁磁磁材材料料的的磁磁畴畴结结构构，其其中中a、b为为Ba铁铁氧氧体体单单晶晶基基面面上上的的磁畴结构，磁畴结构，L为晶体厚度；为晶体厚度；c 为钴的两个晶粒上的磁畴结构为钴的两个晶粒上的磁畴结构4铁磁体的两种磁化途径铁磁体的两种磁化途径 磁场较低时磁场较低时，与外磁场方向相同或相近的磁畴体积增大，与外磁场方向相同或相近的磁畴体积增大，方向相反或夹角接近方向相反或夹角接近180 的磁畴体积将缩小；的磁畴体积将缩小；磁场较高时磁场较高时，每个磁畴将作为一个整体转到外磁场方向。，每个磁畴将作为一个整体转到外磁场方向。磁化达到饱和后撤除外磁场，铁磁体将重新分裂为磁化达到饱和后撤除外磁场，铁磁体将重新分裂为很多磁畴，但每个磁畴状况和磁化强度取向，并不恢很多磁畴，但每个磁畴状况和磁化强度取向，并不恢复到原先没加外磁场的情形。复到原先没加外磁场的情形。铁磁质的磁化过程表现铁磁质的磁化过程表现出不可逆性。出不可逆性。这种现象称为这种现象称为磁滞现象磁滞现象。在无外磁场作用时自发分裂为很多小区域称为在无外磁场作用时自发分裂为很多小区域称为磁畴磁畴。每个小区域内原子或离子磁矩平行排列，而各磁畴取向每个小区域内原子或离子磁矩平行排列，而各磁畴取向平均抵消，能量最低，整个铁磁体对外不显示磁性。平均抵消，能量最低，整个铁磁体对外不显示磁性。5a.未磁化时状态，未磁化时状态，O点点b.畴壁可逆位移阶段畴壁可逆位移阶段OA段段c.不可逆的磁化不可逆的磁化AB段段d.磁畴磁矩的转动磁畴磁矩的转动BC段段e.趋于饱和的阶段趋于饱和的阶段CS段段n在外磁场撤消后，铁磁质内在外磁场撤消后，铁磁质内掺杂掺杂和和内应力内应力或因为介质存或因为介质存在在缺陷缺陷阻碍磁畴恢复到原来阻碍磁畴恢复到原来的状态的状态 四、四、磁化过程与磁化过程与磁滞现象磁滞现象(magnetic hysteresis)OMs6Mr 剩余磁化强度剩余磁化强度MHMsMrO OS 起始磁化曲线起始磁化曲线,通常不是直线通常不是直线,铁磁体铁磁体 m 不是常量不是常量 Ms 饱和磁化强度饱和磁化强度Hc 矫顽力：矫顽力：使铁磁体剩余使铁磁体剩余磁化强度全部消失时所必磁化强度全部消失时所必须施加的反向磁场。须施加的反向磁场。MH不是单值对应关系不是单值对应关系 参量参量B与与H间的关系也表现为类似的闭合曲线。间的关系也表现为类似的闭合曲线。铁磁体磁化过程的这种不可逆性，称为铁磁体磁化过程的这种不可逆性，称为磁滞现象。磁滞现象。随着磁场强度的变化，铁磁体的磁状态沿着一闭合随着磁场强度的变化，铁磁体的磁状态沿着一闭合曲线变化，此闭合曲线就称为曲线变化，此闭合曲线就称为磁滞回线。磁滞回线。S 7 不同铁磁材料具有不同形状的磁滞回线不同铁磁材料具有不同形状的磁滞回线 BHHc-Hc磁性材料的分类及其应用磁性材料的分类及其应用 按应用类型可分为：按应用类型可分为：BHHc-Hc1.软磁材料软磁材料：易磁化、易退磁，易磁化、易退磁，矫顽矫顽力力(Hc)小，磁滞回线的面积窄而长小，磁滞回线的面积窄而长。如硅钢、坡莫合金、锰锌铁氧体和镍如硅钢、坡莫合金、锰锌铁氧体和镍锌铁氧体等。锌铁氧体等。2.永永(硬硬)磁材料：长期保留剩磁磁材料：长期保留剩磁矫顽力大矫顽力大(102A m-1)剩磁大剩磁大，如碳钢、铝镍钴、稀土如碳钢、铝镍钴、稀土 钴、钕铁硼钴、钕铁硼和钡铁氧体等和钡铁氧体等。用途用途：作永磁体用于磁电式电表、耳机、扬声器等：作永磁体用于磁电式电表、耳机、扬声器等用途用途：作变压器，还用于继电器、电机：作变压器，还用于继电器、电机以及各种高频电磁元件的磁芯、磁棒以及各种高频电磁元件的磁芯、磁棒8 3.信磁材料信磁材料:Br=Bs ，Hc不大，矩形磁滞回线。当不大，矩形磁滞回线。当正脉冲产生，正脉冲产生，H Hc使使磁芯呈磁芯呈+B态，态，负脉冲产生，负脉冲产生，H Hc使使磁芯呈磁芯呈 B态，态，可作为二进制的两个态。可作为二进制的两个态。用于计算机硬盘和软盘，录音、录像磁带等。用于计算机硬盘和软盘，录音、录像磁带等。BHHc-Hc磁记录磁记录：Fe2O3、CrO2磁粉磁粉、Fe磁膜和磁膜和Co-Cr磁膜等磁膜等 磁头磁头：Mn-Zn铁氧体、铁氧体、FeSiAl系合金等系合金等 矩磁材料矩磁材料：Mg-Mn、Li-Mn铁氧体，铁氧体，Fe-Ni-(Mn)系膜系膜 微波材料微波材料：Ni-Zn和和Y铁氧体等。在微波波段使用，铁氧体等。在微波波段使用，磁滞回线狭小，而且还必须具有很高的电阻率。磁滞回线狭小，而且还必须具有很高的电阻率。9 4.特种磁性功能材料特种磁性功能材料:压磁材料、压磁材料、磁电阻材料磁电阻材料磁制冷材料磁制冷材料磁性液态材料磁性液态材料纳米强磁材料纳米强磁材料复合强磁功能材料复合强磁功能材料10 5.磁屏蔽磁屏蔽 用软磁材料（如坡莫合金）做成的用软磁材料（如坡莫合金）做成的闭合空腔，闭合空腔，由于空腔由于空腔的磁导率比外界大得多，绝大部分磁感线从空腔壁内通过，的磁导率比外界大得多，绝大部分磁感线从空腔壁内通过，而不会有外磁场进入腔内，达到磁屏蔽的目的。而不会有外磁场进入腔内，达到磁屏蔽的目的。把磁导率不同的磁介质放在磁场把磁导率不同的磁介质放在磁场中，在介质交界面上磁场会发生突中，在介质交界面上磁场会发生突变，磁感应强度大小和方向都要发变，磁感应强度大小和方向都要发生变化而引起磁感线折射。这时磁生变化而引起磁感线折射。这时磁感线对界面法线的偏离很大，产生感线对界面法线的偏离很大，产生强烈的收缩强烈的收缩。磁屏蔽磁屏蔽11 从以上分析可以看出长直载流螺线管的磁场从以上分析可以看出长直载流螺线管的磁场分布情况：在螺线管中心区域为均匀磁场，在分布情况：在螺线管中心区域为均匀磁场，在管端口处，磁场等于中心处的一半，在螺线管管端口处，磁场等于中心处的一半，在螺线管外部距管轴中心约七个管半径处，磁场就几乎外部距管轴中心约七个管半径处，磁场就几乎等于零了。等于零了。12Ad（4）*IoI（5）*o（2）RI+R（3）oIIRo（1）x几种典型电流体系的磁场几种典型电流体系的磁场