当前课程知识点:大学物理2 (电磁学、光学和量子物理) > WEEK7 > 铁磁介质和简单磁路 > 铁磁性材料
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同学们好
那么我们在前面我们已经说过
对于铁磁材料
它的相对磁导率是远远大于1的
那么我们这一节呢
8.7节来全面介绍一下铁磁材料
首先来看一下铁磁材料的特点
第一点看看
起始的磁化属性有什么特点
在前面呢
我们介绍了这样一个实验
一个空的螺旋管里面通上电流
那么根据我们学过的知识呢
我们可以计算
这个电流产生的磁场强度的分布
以及这个线圈内部磁感应强度
如果把磁场强度和磁感应强度的关系呢
画成一张图的话
我们就发觉这是一个线性关系
如果这个线圈内部插上一种磁介质
我们再来画出磁感应强度
和磁场强度的关系
那么横坐标是磁场强度
纵坐标是磁感应强度
我们发觉对于抗磁性物质
那么磁感应强度和磁场强度关系呢
仍然是线性的
只是这时候斜率
比起真空里面的斜率略小
这个虚线是真空里面的曲线
对于顺磁性材料呢
我们发觉这个线性关系的这个斜率
比真空里面的斜率略大
总结一下顺磁性和抗磁性物质
磁感应强度 磁场强度
以及磁化强度之间的关系
都是线性的
那么对于铁磁材料
这个磁感应强度
和磁场强度的关系是如何的呢
那么我们来看看
首先介绍一下
测量磁感应强度和磁场强度关系
对于铁磁材料来讲的方法
我们把铁磁材料做成这个环状
上面绕上线圈
单位长度上的线圈匝数是N
通一个电流是I
我们知道这个I这个N
就可以计算这个环内部的磁场强度
我们把这个电流称为励磁电流
我们通过第二个线圈来测量
这个铁磁材料里的磁感应强度
从而可以得到磁感应强度
随着磁场强度变化的曲线
这是一个典型的曲线
这个实线是B和H的曲线
通过这个曲线你可以发觉
磁感应强度和磁场强度的关系
显然是一个非线性的
如果我非要把磁感应强度写成
有一个量乘以磁场强度的话
这个量就是磁导率了
我们就发觉这个磁导率
显然不是一个常数
这个虚线是一个磁导率
显然不是一个常数
而且通过后面的知识我们还会知道
这个不仅不是一个常数
而且也是不唯一的
与加磁场的历史是有关系的
如果我们仔细研究
起始的磁化曲线的话
我们就发觉
实际上这个起始的磁化曲线
可以分成好几个阶段
第一个阶段是Oa这个阶段
也就是说磁感应强度
随着磁场强度的增加在缓慢的增加
这个阶段有一个特点
也就是说当你减小磁场的时候
磁感应强度会原路返回
当外场等于0的时候
它会回到O点
也就是说这时候里面的磁感强度
或者磁化强度是等于0的
那么第二个阶段是ab阶段
随着外磁场的增加
磁感应强度急剧的增加
这个阶段是不可逆的
也就是说到了b点以后
如果你降低外场的话
磁感应强度不是沿着原路返回的
这是不可逆的一个磁化过程
那么第三个阶段就是bc阶段
随着外场的继续增加的话
磁感应强度则缓慢的增加
那么与这一个阶段
趋近于饱和的这样一个阶段
如果你仔细观察ab这个阶段的话
你发觉这的磁感应线不是光滑的
而是一个台阶一个台阶这么跳变的
我们把这种现象
称为巴克豪森效应
铁磁材料的第二个特点是磁滞回线
任何一个铁磁材料呢
它都有磁滞回线
磁滞回线是这么形成的
这个是一个起始的磁滞回线
OABC一直到饱和
这个时候从饱和这个点出发
这个时候的磁化强度呢
我们称为饱和磁化强度
一般用Ms表示
从饱和磁化强度饱和点呢
C点出发如果降低磁场
那么磁感应强度
不是沿着原来的路径返回
而是沿着一个新的路径
CBDE这个路径来走
当外场等于0的时候你就发觉
这儿的磁化强度是不等于0的
有一个值Mr
我们把这个Mr称为剩余的磁化强度
要使得这个磁化强度等于0
必须加一个反向的磁场Hc
那么我们把Hc称为矫顽力
那么继续增加反向磁场
那么磁化强度反向饱和磁化
然后减小反向磁场
那么这个磁化强度的曲线
沿着这条曲线到达一个反向的
剩余磁化强度
那么正向加磁场以后到矫顽力以后
那么磁场强度又会趋近于饱和
到B和C点
从而形成这样一个闭合的回路
我们把它称为磁滞回线
磁滞回线是任何铁磁材料的一个特点
刚才是把起始磁化曲线
磁化到饱和然后降低磁场
来测量磁滞回线
如果在磁化过程里面
起始磁化过程里面没有到饱和点
降低磁场测量磁滞回线
我们就可以得到未饱和时的磁滞回线
这样一个小回线
你看磁化到这儿的时候
降低磁场测量一个磁滞回线是这样的
到这儿的时候
降低磁场磁滞回线是这样的
这样的小磁滞回线
和大磁滞回线相比的话
你就发觉小磁滞回线比较圆
比较光滑比较圆
不像大的磁滞回线比较方
那么讲到这儿呢
同学会讲
那么一旦一个铁磁材料磁化以后
如何把这里面磁场
磁化强度去掉呢
也就是去磁场退磁场的问题
那么同学可能也讲很简单啊
那么我沿着这条曲线
加一个矫顽力
那么里面的磁化强度不就等于零了吗
这是不对的
因为当把这个矫顽力去掉以后
那么这个铁磁材料呢
仍然有一个剩磁
正确的去磁场的方法是这样的
从饱和磁化磁滞回线出发
逐渐的降低最大的外场
形成小磁滞回线
一个一个的小磁滞回线
那么磁滞回线越来越小越来越小
到最后到零点
这样呢就可以达到去磁的目的
或者退磁的目的
好 根据磁滞回线的特点
我们可以把材料分成
硬磁材料和软磁材料
这是一个典型的碳钢钨钢的磁滞回线
下面是坡莫合金的一个磁滞回线
这两个回线进行比较你就会发觉
上面的磁滞回线是胖的
下面的磁滞回线是瘦的
那么我们把胖的这个
磁滞回线的这个材料
称为硬磁材料
也就是它的矫顽力是比较大的
下面的软磁材料
矫顽力是比较小的
那么等于硬磁材料
可能用来做成永久磁铁
那么它软磁材料呢
可以作为电磁铁的材料
同学们刚才我们介绍了铁磁材料
的磁化行为也就是说磁滞回线
现在我通过实验来演示一下
这个是我们的实验装置
这个是一个线圈
通上电流以后提供一个均匀的磁场
这是一个小线圈
用来测量里面的磁感应强度
那么这个是一个示波器
示波器就来测量磁滞回线的
横坐标是磁场强度
纵坐标反映的是磁感应强度
好 我现在把我们的一个
把材料塞进去看看
这是一个合金材料
放进去以后有一个完美的磁滞回线
记住这个特征
现在放进去的是一个矽钢片材料
和刚才的磁滞回线相比的话
这个磁滞回线瘦了很多
说明这是一个软磁材料
刚才的是一个硬磁材料
为了进行对比的话
我再把一个铜和铝放到磁场里面
看看它的磁化特征
首先放进去的是一个铜
我们知道铜是一个典型的抗磁材料
把它放到磁场以后发觉
这个磁化曲线基本上没什么变化
好把材料换成一个铝
铝是一个典型的顺磁材料
我们也发现磁化曲线
基本上看不出来什么变化
这个说明无论是抗磁材料
还是顺磁材料都是弱的
它的磁导率都是小的
比起那个铁磁材料而言
铁磁材料的第三个特点呢
任何一个铁磁材料
都具备这样一个临界的温度
我们把这个临界的温度呢
称为居里点或者居里温度
铁磁性只有在居里温度以下
才表现出来
那么在居里温度以上的话
这个材料是表现为顺磁性
而且它的饱和磁化强度
随着温度的关系是这样一个关系
也就是说对于任何一个铁磁材料
从高于居里温度降温到居里温度以下
那么铁磁性会恢复铁磁性
这儿列举了铁钴镍三种材料的
典型的居里温度
你看铁是767
镍是357
而钴是1000多度
当然这个温度呢
与材料处理还是有关系的
那么铁磁材料的第四个特点
是磁晶各向异性
什么是磁晶各向异性呢
比如说这是一个铁的单晶
如果沿着100的方向磁化你就发觉
这个是它们的起始的磁化曲线
沿着100的方向磁化很快达到饱和
如果沿着111方向磁化
你就发觉它缓慢的趋近于饱和
也就是说对于单晶的铁磁材料来讲
沿不同方向磁化的话
磁化的难易程度是不一样的
再比如说镍
镍和铁差不多同样的结构
都是立方的 立方的结构
但是你看
它是沿着111方向最容易磁化
而沿着100的方向是最难磁化
我们把容易磁化的方向称为易轴
而难于磁化的方向称为难轴
再举一个钴的列子
钴是六角形结构的
你就发觉是0001方向最容易磁化
也就是易轴方向
而它难轴方向是1010方向
那么铁磁材料第五个特点呢
就是磁致伸缩
磁致伸缩什么意思呢
因为在外场的作用之下呢
这个铁磁材料会磁化
外磁场改变呢
磁化强度M的大小和方向也会改变
会导致晶格间距的改变
从而改变铁磁材料的长度和体积
那么长度的相对改变量
大概是负5的数量级
但是有的材料在低温下呢
可以达到负1的量级
如果外场不是一个直流场
而是一个交变的磁场的话
那么在交变磁场的作用之下呢
这个铁磁材料将会随着外场的频率
伸长或缩短
任何一个铁磁材料都是有一个
固有的频率
如果外磁场的变化频率
和固有频率一致的时候会发生共振
利用这个现象我们可以制作
激振器 超声波发生器等器件
刚才介绍了铁磁材料的特点
那么产生这些特点的物理本质是什么呢
下面我们要来说明一下
但是在说明之前我要强调
只有量子力学
才能准确理解物质的磁性
意思经典物理呢
是很难理解物质的磁性的
我们前面已经知道
对于铁磁物质它都具有固有磁矩的
那么这个固有磁矩里面呢
起主要作用是电子的自旋磁矩
根据量子力学的结果
那么电子自旋磁矩呢
靠交换耦合作用
使得这些磁矩定向排列的时候
或者平行排列的时候能量是低的
我们把这个能量称为交换能
也就是说在由于交换能的作用
由于交换耦合作用这些磁矩
是定向排列
形成一个一个的自发磁化
也就是说不加外场的情况之下
这个铁磁材料就已经磁化了
我们把自发磁化的区域称为畴
好 那么根据刚才的理解的话
对一个铁磁材料一个单晶的铁磁材料
它的磁化强度就应该是这样的
是一个均匀磁化的一个样品
就应该是这样的
但是实际情况不是这样的
那么为什么呢
如果均匀磁化有这样的一个磁化强度
我们根据前面的知识
就等效于有一个磁化电流
根据这个磁化电流呢
我们可以算出来这个空间里面
磁感应强度的分布
就会发觉磁感强度
除了这个介质内部有
而介质外部呢
外部空间也是有由磁感强度的
也就是也是有磁场的
我们知道磁场是有能量的
也就是说在这种情况之下
在铁磁材料的外部拥有大量的能量
显然这个时候体系的能量是高的
我们把这个能量称为静磁能
也就是说对于这样一种情形
这样一个如果只有一个
自发磁化的区域
也就是说只有一个畴的话
虽然交换能是比较低的
但是它的静磁能是比较高的
对这样的体系是不稳定的是不合算的
那么如何降低静磁能呢
也就是说如何减小
介质外部的磁感强度呢
实际上最简单的方法
我可以把这一个畴分成两个畴
每个畴里面都是自发磁化的
比如说这个畴里面 左边的畴
磁矩是向上的
而右边的畴磁矩是向下的
它们之间有一个界
在每一个畴里面交换能都是比较低的
但是一旦形成了这样两个畴的话
你就发觉
漏到外部空间的磁感强度
就比较少了
也就是说静磁能降低了
根据这样的思路的话
我们可以把这个畴这个数目
无限的增加
使得露到外面空间的磁感强度降低
也就是降低静磁能这样行不行呢
这样也是不行的
为什么呢
我们来看看
左边的畴和右边的畴
那在每一个畴里面呢
交换能都是低的
为什么呢 因为磁矩是平行排列的
但是在两个畴的分界面
我们把这个分界面称为畴壁
在畴壁的两层你可以看到
左边自旋是向上的
右边磁矩是向下的
那这个时候显然交换能是高的
因为平行排列交换能低
交换能是高的
所以在两个畴的分界面
也就是说畴壁这个地方
增加了能量
我们把这个能量称为界面能
也就是说你增加磁畴数目的同时
虽然降低了静磁能
但是增加了界面能
当然自然界的话
是处理能量的高手
它有这种办法有一种神奇的办法
来降低这个能量
比如说如果畴形成这样的一个结构
形成一个闭合的结构
使得磁场不露到外面去
那当然这个非常完美的了
当然我们刚才已经介绍了
交换能 静磁能和界面能
对于一个体系来讲的话
实际上除了这个能量之外呢
还有别的能量
比如说磁晶各向异性能
刚才讲了对任何一个材料来讲呢
它以某一个方向的磁化容易的
另一个方向磁化很难的
这个说明什么呢
说明了不同的方向能量是不一样的
另外弹性能 为什么呢
因为有磁致伸缩
有磁致伸缩就有应力应变
有应力应变以后就有弹性能
另外还有形状各向异性能
也就是说这个材料是薄膜的时候
或者块材的时候
能量是不一样的
所有这些能量综合作用的结果
就导致了 决定了这个磁畴结构
具体材料的磁畴结构
那么磁畴的大小到底多大呢
当然不同的材料是不一样的
那么不同的材料经过不同的处理
呈现不同的形态的时候
它的畴的大小也是不一样的
那么典型的尺寸是微米
10个微米甚至几百个微米都有
刚才讲的都是单晶的铁磁材料
如果对于多晶的铁磁材料呢
那么更为复杂
因为多晶呢
是由好多单晶的颗粒构成的
每一个颗粒内部既可以是单畴的
也可以是多畴的比如说
这个红线所在的区域
是一个颗粒
这个颗粒里面就有两个畴
再比如说这个也是一个颗粒
这个颗粒内部也是有两个畴
这也是 这个颗粒 两个畴
但是这个颗粒内部
你就发觉只有一个畴
对于多晶材料来讲
每个颗粒的取向是杂乱无章的
那么每个颗粒内部的畴的取向
也可能是不一样的
这个就体现了多晶的铁磁材料呢
畴是比较复杂的
好 引入了刚才畴的概念以后呢
我们可以对铁磁材料的起始磁化曲线
做一个简单的说明
为了简单起见呢 我假想样品
是二维的一个正方形的样品
它的异磁化方向呢
是正方形的对角线方向
那么既然是正方形
这个对角线和这个对角线
显然是等价的
另外对于一个异磁化方向
像这个方向磁化
磁矩沿着这个方向和沿着相反方向
能量也是一样的
所以可想而知
在这个正方形的样品里面
可以有四个畴
那第一 第二 第三和第四
这样一个四个畴
这四个畴呢
如果这个样品是没有缺陷的
非常完美的单晶的样品的话
这个四个畴应该是等价的
好 我现在加一个由左向右的
这样一个外场
那么会发生什么情况呢
我们可以看看如果这个磁场方向
是由左向右的
就会发觉第一这个畴
它的磁矩在这个外场的作用之下
能量是比较低的
为什么呢
能量是磁矩点乘磁感应强度
这个是负值
同理第二也是比较低的
但是第三和第四的能量
是比较高的
正是由于这个能量的差别
所以加上一个
这样的一个外场以后呢
就会发觉这个畴壁会向左移动
使得第一和第二这个畴
面积扩大
如果这个外场很小的时候
这个畴壁移动的很小
这种移动是可逆的
也就是说把外场撤掉了以后
它会回到原处
这就是Oa这个阶段
对应了我们刚才讲的
起始磁化曲线的Oa这个阶段
也就是说这是一个可逆的物理阶段
那么随着外场的增加呢
你就发觉这个畴壁向左移左移左移
一直直到什么时候呢
直到第四和第三这个畴完全消失
变成这个状态
这个就对应这个阶段 ab这个阶段
这个阶段是不可逆的
也就是说畴壁的移动是不可逆的
你即使把外场撤掉
那么畴壁也不可能回到原来的位置
那么到了b点以后
也就是到了这个状态以后
继续增加外场它会怎么样呢
那么这个磁矩就会在力矩的作用之下
转向外场的方向
慢慢转向外场的方向
所以拖向了bc这个阶段
bc这个阶段对应了磁矩的转动过程
显然是很缓慢的
那么到最后呢
磁矩基本上平行于外场方向
但是由于温度的影响
仍然有一个小角度
所以到最后呢
趋近一个饱和的这样一个过程
所以我们把起始的磁化曲线呢
可以归结为畴壁的移动和磁矩的转动
那当然
为什么会有巴克豪森现象呢
巴克豪森效应呢
为什么出现这么个台阶呢
很简单 因为在畴壁移动过程里面
由于这个样品不可能是完美的
总可能有缺陷
那么当畴壁移动到那个缺陷的地方呢
就会钉扎住了
畴壁就动不了了
只有到下一个场的时候
这个畴壁才再会移动
也就是说
只有外场克服这个钉扎力的时候
这个畴壁才会继续移动
所以出现这么个台阶
那么对于巴克豪森效应呢
曾经在Physical Review Letters里面呢
发表了一篇文章
他研究运用磁光效应来观察钴薄膜的
磁畴结构
发现了这个巴克豪森效应
他的实验是这么做的
对这个钴薄膜新加一个
向下的磁场强度
使它饱和磁化
向下的饱和磁化
然后再加一个向上的磁场
来观察磁畴随时间的变化
就会发觉这个不同的颜色
表示不同时间翻转的畴
就会发觉在这样一个样品里面
不同的畴是不同时刻进行翻转的
这个效应就是说巴克豪森效应
在本节的最后呢
我们介绍一下磁畴的实验观察
那么观察磁畴可以有好多方法
那么现在讲的方法呢
要求很好的时间分辨率
和空间分辨率
我这儿列举了几种
现在科研上常用的
比较微观的观察方法
第一个是磁光效应
刚才研究巴克豪森效应的时候
就是用的磁光效应
第二个就是扫描霍耳显微镜
扫描霍耳显微镜呢
我们在霍耳效应这一章啊
已经简单的说过了
霍耳效应可以用霍耳器件
来测量磁场
如果把这个霍耳器件做的
很小很小的时候
我们就可以测量磁场的分布
从而可以探测磁畴的分布了
第三个是自旋极化的扫描隧道显微镜
那么扫描隧道显微镜呢
大家都已经有印象了 都知道了
如果把这个针尖
变成一个铁磁的材料
磁化的铁磁材料
我们可以得到一个畴结构
得到一个很高的
空间分辨率的一个畴结构
那么还有一个就是扫描磁力显微镜
我们在前面已经介绍过了
还有可以利用洛伦磁力
比如说一个高速运动的电子
在磁畴的磁场的作用之下呢
会发生偏转
利用这个偏转呢
也就是利用洛伦兹效应呢
可以做成洛伦兹显微镜
这个是几种常见的
磁畴的实验观察方法
那么同学要了解详细情况的话
可以查阅相关的文献
好 这一节就讲到这儿
谢谢大家
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--引言
--电荷
--库仑定律
-WEEK1--电荷和库仑定律
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--电场和电场强度
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--物质中电场
--导体静电平衡
-WEEK2--导体静电平衡
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--极化强度
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--电流微观图像
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--磁化电流
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--波动光学——引言
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--迈克耳逊干涉仪
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--Video
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--量子统计
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--Video
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--Video
--Video
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-WEEK15--粒子物理简介
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