●自发磁化
从磁性来源中可以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。只有当所有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。
●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,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。
●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。
●磁化
磁性材料内部具有磁畴,它们就好象众多的小磁铁混乱地堆积,整体对外没有磁性,这时我们称材料处于磁中性状态。但是,如果材料处在外加磁场的环境中,那么这些小磁铁(实际上是磁畴的磁矩)就会和磁场发生相互作用,其结果就是材料中的磁矩发生向外加磁场方向的转动,导致这些磁矩不再能相互抵消,也就是说所有磁矩的矢量和不等于零。在外加磁场的作用下,磁性材料由磁中性状态变成对外显示磁矩状态的过程称为磁化。
当磁性材料处于外加磁场中时,材料内部的磁矩就会受到磁场的作用力,磁矩会向外磁场的方向转动,就象磁铁在磁场中转动一样。这时,磁矩就不再是完全混乱排列的了,而是沿外磁场方向产生了一个总的磁化强度,这时我们说材料被磁化了,并且外磁场越大,材料内部的磁矩向外磁场方向转动的数量和程度就越多,当外磁场足够大时,材料内部所有的磁矩都会沿外磁场方向整齐排列,这时材料对外显示的磁化强度达到最大值,材料被磁化到了饱和。达到饱和之后,无论怎样增大磁场,材料的磁化强度也不再增大,材料被磁化到饱和时的磁化强度称为饱和磁化强度。
在磁化过程中,有两种方式使材料的磁矩产生转动:
畴壁位移:材料磁化时,畴壁内部的原子磁矩逐渐转向外磁场的方向,畴壁逐渐推移,这样,与外磁场方向接近的磁畴面积逐渐扩大,而与外磁场方向相反的磁畴逐渐缩小,这种方式一般发生在非饱和阶段。
磁矩一致转动:在外磁场的作用下,与外磁场方向相反的磁畴中的磁矩向外磁场方向整体转动,就象磁铁转动一样,这种方式主要发生在接近饱和阶段。
在科学实验和生产实际中,常把磁场和磁化强度的关系画成曲线,称为磁化曲线,其中横坐标表示外磁场的大小,纵坐标表示磁化强度的高低。磁化曲线一般可以分成三个阶段:可逆磁化阶段、不可逆磁化阶段、饱和阶段。在工程上,一般不用磁化强度-磁场的关系画磁化曲线,而用磁感应强度-磁场的关系画磁化曲线。
磁化曲线上,每一点都有一个磁感应强度和磁场的比值,称为导磁率。在磁化的不同阶段,材料的导磁率也不同,导磁率在最高点称为最大导磁率,在磁化起始点的导磁率称为初始导磁率。
●反磁化
当磁性材料逐步磁化,随着磁场的增大,磁感应强度也增加,一直达到饱和状态。然后逐步减小外磁场,外磁场减小肯定会使材料的磁感降低,但有趣的是,磁感并不沿原路返回,而是沿另一不同的曲线降低。也就是说,在从饱和点减小外磁场时,相应的磁感要高于初始磁化时的磁感,似乎是磁感的减小比磁场的降低“落后”或者“滞后”了,磁性材料的这种特性称为磁滞现象。
由于磁滞现象,如果磁性材料从饱和点撤掉外磁场,也就是说使外磁场返回到零,那么材料的磁感不能同时降低到零,而是仍然存在一部分磁感Br,称为剩余磁感应强度,简称剩磁。之所以存在剩磁现象,是因为外磁场减小后,材料内部的磁矩不能完全转回原来的方向,而是由于种种阻力会停留在先前的某个方向。这就是所谓的不可逆磁化。只有在极低的磁场中材料才可能发生完全的可逆磁化,一般情况下的磁化都不是完全可逆的。
如果想让磁感返回到零,应该对材料施加反向磁场。施加反向磁场时,磁感就会进一步降低,并且在某个特征磁场Hc处磁感恰好为零,这个磁场称为矫顽力。如果继续增大反向磁场,磁感则也会反向,并且随着反向磁场的增大而逐渐趋向反向饱和点。同样,从反向饱和点逐渐降低反向磁场,磁感会沿一定的曲线最后又到达正向饱和点。
这样外磁场正负变化一周,磁感也会变化一周,这条闭合曲线称为磁滞回线。磁滞回线所包含的面积代表外磁场对材料做的功,也就是所消耗的能量,称为磁滞损耗。