九、铁磁性(§11-9)

    1. 自发磁化强度

    大家已经知道,顺磁质只有在外磁场的作用下,分子磁矩才定向排列,从而表现出磁化的性质。然而铁磁质却不同,由于铁磁质存在自发磁化,在没有外磁场作用的情况下,分子磁矩已经自发地定向排列起来了。这就是自发磁化。自发磁化也对应一定的磁化强度,称为自发磁化强度。对于这个概念,应注意以下几点。

    (1)  原子磁矩自发地定向排列,是电子自旋之间的一种静电相互作用引起的,这种相互作用称为交换作用。交换作用是一种量子效应,在经典范围内不存在与之相对应的情况。大家只要知道,交换作用导致原子磁矩平行排列就够了。

    (2)  正因为铁磁质存在自发磁化的性质,所以一般铁磁体在不太强的磁场作用下就很容易达到磁化饱和状态。

    2. 居里温度

    当铁磁质的温度升高到一定程度,热运动能量达到与交换作用能量相比拟,这时由交换作用导致的原子磁矩的平行排列就被热运动所破坏,自发磁化就消失了,此时所对应的温度就是该铁磁材料的居里温度。居里温度也称为居里点。

    当铁磁质的温度高于居里点时,铁磁质表现出与顺磁质相同的性质;当温度降低到居里点以下时,铁磁质又重新表现出自发磁化的性质。

    3. 铁磁体内的磁畴结构

    对于铁磁质的磁畴结构这一概念,应掌握以下几点。

    (1)  磁畴是铁磁体内自然划分成的宏观小区域,在每个小区域内分子磁矩都平行排列,而不同小区域之间分子磁矩有不同取向。

    (2)  磁畴结构的出现,是铁磁体磁化应处于自由能最低状态的必然结果。铁磁体的磁化不仅决定于交换作用能,而且还与其他多项磁能量有关。如果只考虑交换作用能,那么铁磁体应整体自发磁化在饱和状态,但是这样将使系统的其他多项磁能量较高,整个铁磁体的自由能也就较高,整体磁化在一个方向的状态是不稳定的,于是就出现了磁畴结构。

    (3)  磁畴的划分和每个磁畴的磁化取向不是固定不变的,而是与铁磁质的晶体结构、磁化的历史和作用于铁磁体的外磁场的方向相联系的。

    4. 磁滞现象

    磁化强度M (或磁感应强度B)的变化总滞后于磁场强度H的变化,以致当H增大和减小时,铁磁体所经历的磁化状态不同,这种现象称为磁滞现象。由于铁磁质有十分广泛的应用,而应用场合与其磁滞性质是密切相关的。在这个问题上,希翼了解以下几点。

    (1)  M-H的关系(B-H的关系)构成了一个闭合回线,称为磁滞回线。磁滞回线所对应的各量(矫顽力Hc、饱和磁化强度M s和剩余磁化强度Mr)以及回线的形状和面积,都表征了铁磁材料的特性。

    (2)  可以证明,单位体积的铁磁体反复磁化一周所消耗的能量,等于磁滞回线所包围的面积。这种能量损耗,称为磁滞损耗。所以,在交流磁场中使用的铁磁材料,应尽量减小磁滞损耗。要减小磁滞损耗,必须减小磁滞回线的面积,要求材料具有尽可能小的矫顽力Hc。符合这种要求的材料,称为软磁材料。

    (3)  用做永磁体的材料,应该具有尽可能高的剩余磁化强度Mr和尽可能高的矫顽力Hc。具有高矫顽力的材料,称为硬磁材料。

    (4)  用做记忆元件(如磁带和磁盘等)的材料,磁滞回线应尽可能为矩形,符合这种要求的材料,称为矩磁材料。

    (5)  在微波频段使用的材料,称为微波磁材料。微波磁材料必须具有很窄的磁滞回线和很高的电阻率。

       
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