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磁性基本现象

大西洋仪器网  2016-07-27 17:37   点击 529

自发磁化

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
     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。

 

来源:大西洋仪器网    编辑:韦文臻
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