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磁性材料的基本现象

2019-06-30

一、自发磁化:


从“磁性来源”中我们了解到,某些原子的核外电子的自旋磁矩不能抵消,从而产生剩余的磁矩。但是,如果每个原子的磁矩仍然混乱排列,那么整个物体仍不能具有磁性。只有所以原子的磁矩沿一个方向整齐地排列,就象很多小磁铁首尾相接,才能使物体对外显示磁性,成为磁性材料。这种原子磁矩的整齐排列现象,就称为自发磁化。


既然磁性材料内部存在自发磁化,那么是不是物体中所有的原子都沿一个方向排列整齐了呢?当然不是,否则,凡是钢铁等就会永远带有磁性,成为一块大磁铁,永远能够相互吸引了(实际上,两块软铁不会自己相互吸引)。事实上,磁性材料绝大多数都具有磁畴结构,使得它们没有磁化时不显示磁性。


二、磁畴:


所谓磁畴,是指磁性材料内部的一个个小区域,每个区域内部包含大量原子,这些原子的磁矩都象一个个小磁铁那样整齐排列,但相邻的不同区域之间原子磁矩排列的方向不同,如右图所示。各个磁畴之间的交界面称为磁畴壁。宏观物体一般总是具有很多磁畴,这样,磁畴的磁矩方向各不相同,结果相互抵消,矢量和为零,整个物体的磁矩为零,它也就不能吸引其它磁性材料。也就是说磁性材料在正常情况下并不对外显示磁性。只有当磁性材料被磁化以后,它才能对外显示出磁性。下图为在显微镜中观察到的磁性材料中常见的磁畴形状,其中左面是软磁材料常见的条形畴,黑白部分因为不同的磁畴其磁矩方向不同而具有不同的亮度,它们的交界面就是畴壁;中间是树枝状畴和畴壁;右面是薄膜材料中可以见到的磁畴形状。实际的磁性材料中,磁畴结果五花八门,如条形畴、迷宫畴、楔形畴、环形畴、树枝状畴、泡状畴等。


既然磁畴内部的磁矩排列是整齐的,那么在磁畴壁处原子磁矩又是怎样排列的呢?在畴壁的一侧,原子磁矩指向某个方向,假设在畴壁的另一侧原子磁矩方向相反。那么,在畴壁内部,原子磁矩必须成某种形式的过渡状态。实际上,畴壁由很多层原子组成。为了实现磁矩的转向,从一侧开始,每一层原子的磁矩都相对于磁畴中的磁矩方向偏转了一个角度,并且每一层的原子磁矩偏转角度逐渐增大,到另一侧时,磁矩已经完全转到和这一侧磁畴的磁矩相同的方向。上图给出了典型的磁畴壁结构示意图。


三、居里温度:


对于所有的磁性材料来说,并不是在任何温度下都具有磁性。一般地,磁性材料具有一个临界温度Tc,在这个温度以上,由于高温下原子的剧烈热运动,原子磁矩的排列是混乱无序的。在此温度以下,原子磁矩排列整齐,产生自发磁化,物体变成铁磁性的。


利用这个特点,人们开发出了很多控制元件。例如,我们使用的电饭锅就利用了磁性材料的居里点的特性。在电饭锅的底部中央装了一块磁铁和一块居里点为105度的磁性材料。当锅里的水分干了以后,食品的温度将从100度上升。当温度到达大约105度时,由于被磁铁吸住的磁性材料的磁性消失,磁铁就对它失去了吸力,这时磁铁和磁性材料之间的弹簧就会把它们分开,同时带动电源开关被断开,停止加热。


四、与磁性材料有关的常用物理量:


磁场强度:指空间某处磁场的大小,用H表示,它的单位是安/米(A/m)。


磁化强度:指材料内部单位体积的磁矩矢量和,用M表示,单位是安/米(A/m)。


磁感应强度: 磁感应强度B的定义是:B=m0(H+M),其中H和M分别是磁化强度和磁场强度,而m0是一个系数,叫做真空导磁率。磁感应强度又称为磁通密度,单位是特斯拉(T)。


导磁率:导磁率的定义是m=B/m0H,是磁化曲线(见材料的静态磁化)上任意一点上B和H的比值。导磁率实际上代表了磁性材料被磁化的容易程度,或者说是材料对外部磁场的灵敏程度。

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