材料物理性能王振廷版課后答案106

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1、1、試闡明下列磁學(xué)參量的定義和概念：磁化強(qiáng)度、矯頑力、飽和磁化強(qiáng)度、磁導(dǎo)率、磁化率、剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度、磁各向異性常數(shù)、飽和磁致伸縮系數(shù)。 a、磁化強(qiáng)度：一種物體在外磁場中被磁化的限度，用單位體積內(nèi)磁矩的多少來衡量，成為磁化強(qiáng)度M b、矯頑力Hc：一種試樣磁化至飽和，如果要μ=0或B=0，則必須加上一種反向磁場Hc，成為矯頑力。 c、飽和磁化強(qiáng)度：磁化曲線中隨著磁化場的增長，磁化強(qiáng)度M或磁感強(qiáng)度B開始增長較緩慢，然后迅速增長，再轉(zhuǎn)而緩慢地增長，最后磁化至飽和。Ms成為飽和磁化強(qiáng)度，Bs成為飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度。 d、磁導(dǎo)率：μ=B/H，表征磁性介質(zhì)的物理量，μ稱為磁導(dǎo)率。 e、磁化率：從宏觀上

2、來看，物體在磁場中被磁化的限度與磁化場的磁場強(qiáng)度有關(guān)。 M=χ·H，χ稱為單位體積磁化率。 f、剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度：將一種試樣磁化至飽和，然后慢慢地減少H，則M也將減少，但M并不按照磁化曲線反方向進(jìn)行，而是按另一條曲線變化，當(dāng)H減少到零時，M=Mr或Br=4πMr。（Mr、Br分別為剩余磁化強(qiáng)度和剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度） g、磁滯消耗：磁滯回線所包圍的面積表征磁化一周時所消耗的功，稱為磁滯損耗Q（ J/m3） h、磁晶各向異性常數(shù)：磁化強(qiáng)度矢量沿不同晶軸方向的能量差代表磁晶各向異性能，用Ek表達(dá)。磁晶各向異性能是磁化矢量方向的函數(shù)。 i、飽和磁致伸縮系數(shù)：隨著外磁場的增強(qiáng)，致磁體的磁化強(qiáng)度增強(qiáng)，

3、這時|λ|也隨之增大。當(dāng)H=Hs時，磁化強(qiáng)度M達(dá)到飽和值，此時λ=λs，稱為飽和磁致伸縮所致。 2、計(jì)算Gd3+和Cr3+的自由離子磁矩？Gd3+的離子磁矩比Cr3+離子磁矩高的因素是什么？ Gd3+有7個未成對電子, Cr3+ 3個未成對電子. 因此, Gd3+的離子磁矩為7μB, Cr3+的離子磁矩為3μB. 3、過渡族金屬晶體中的原子（或離子）磁矩比它們各自的自由離子磁矩低的因素是什么？ 4、試?yán)L圖闡明抗磁性、順磁性、鐵磁性物質(zhì)在外場B=0的磁行為。 5、?分析物質(zhì)的抗磁性、順磁性、反鐵磁性及亞鐵磁性與溫度之間的關(guān)系？? 答：(1)?抗磁性是由外磁場作用下電子循軌

4、運(yùn)動產(chǎn)生的附加磁矩所導(dǎo)致的，與溫度無關(guān)，或隨溫度變化很小。? (2)?根據(jù)順磁磁化率與溫度的關(guān)系，可以把順磁體分為三類，一是正常順磁體，其原子磁化率與溫度成反比；二是磁化率與溫度無關(guān)的順磁體；三是存在反鐵磁體轉(zhuǎn)變的順磁體，當(dāng)溫度高于一定的轉(zhuǎn)變溫度TN時，它們和正常順磁體同樣服從局里-外斯定律，當(dāng)溫度低于TN時，它們的原子磁化率隨著溫度下降而減小，當(dāng)T→0K時，磁化率趨于常數(shù)。? (3)?反鐵磁性物質(zhì)的原子磁化率在溫度很高時很小，隨著溫度逐漸減少，磁化率逐漸增大，溫度降至某一溫度TN時，磁化率升至最大值；再減少溫度，磁化率又減小。? (4?)?亞鐵磁性物質(zhì)的原子磁化率隨溫度的升高而逐漸減少

5、。? 6、什么是自發(fā)磁化？鐵磁體形成的條件是什么？有人說“鐵磁性金屬沒有抗磁性”，對嗎？為什么？ a、構(gòu)成鐵磁性材料的原子或離子有未滿殼層的電子，因此有固有原子磁矩。在鐵磁性材料中，相鄰離子或原子的未滿殼層的電子之間有強(qiáng)烈的互換耦合伙用，在低于居里溫度并且沒有外加磁場的狀況下，這種作用會使相鄰原子或離子的磁矩在一定區(qū)域內(nèi)趨于平行或者反平行排列，處在自行磁化的狀態(tài)，稱為自發(fā)磁化。 b、鐵磁性材料具有一種磁性轉(zhuǎn)變溫度:居里溫度Tc。一般自發(fā)磁化隨環(huán)境溫度的升高而逐漸減小，超過居里溫度Tc后所有消失，此時材料體現(xiàn)出順磁性，材料內(nèi)部的原子磁矩變?yōu)榛靵y排列。只有當(dāng)T＜Tc時，構(gòu)成鐵磁性材料的原子磁

6、矩在磁疇內(nèi)才平行或反平行排列，材料中有自發(fā)磁化。 材料內(nèi)部相鄰原子的電子之間存在一種來源于靜電的互相互換作用，由于這種互換作用對系統(tǒng)能量的影響，迫使各 原子的磁矩平行或反平行排列，形成自發(fā)磁化。 c、材料的磁性來源于電子的軌道運(yùn)動和電子的自旋運(yùn)動。所有的材料處在磁場中時，外磁場都會對電子軌道運(yùn)動回路附加有洛倫茲力，使材料產(chǎn)生一種抗磁性，其磁化強(qiáng)度和磁場方向相反。 抗磁性是電子軌道運(yùn)動感生的，因此所有物質(zhì)有抗磁性。但并非所有物質(zhì)都是抗磁體，這是由于原子往往還存在著軌道磁矩和自旋磁矩所構(gòu)成的順磁磁矩。原子系統(tǒng)具有總磁矩時，只有那些抗磁性不小于順磁性的物質(zhì)才成為抗磁體。 7、?分子場的本質(zhì)

7、是什么？在鐵磁體中起什么作用？? 答：分子場的本質(zhì)：分子場的性質(zhì)不是磁場，量子力學(xué)告訴我們，分子場來源于相鄰原子中電子間的互換作用，它導(dǎo)致了磁有序。從本質(zhì)上講，這是屬于靜電作用。? 在鐵磁體中的作用：鐵磁物質(zhì)內(nèi)部存在很強(qiáng)的“分子場”，它使原子磁矩同向平行排列，即自發(fā)磁化到飽和；鐵磁體的自發(fā)磁化提成若干磁疇，由于磁體中各磁疇的磁化方向不一致，因此大塊磁體對外不顯示磁性。 8、試用磁疇模型解釋軟磁材料的技術(shù)磁化過程。 9、磁疇大小和構(gòu)造有哪些條件決定。 10、哪些磁性能是組織敏感的？舉例闡明成分、熱解決、冷變形、晶粒取向等因素對磁性的影響？ 從金屬內(nèi)部的因素考察，可把鐵

8、磁參量分為兩類，即組織敏感性參量和組織不敏感參量。組織和構(gòu)造不敏感參量不受組織和構(gòu)造的影響或影響很小，屬于此類參量的有Ms(飽和磁化強(qiáng)度)，λs(飽和磁致伸縮系數(shù))，K(磁晶各向異性參數(shù)）和Tc（居里溫度）等，它們與合金的成分和鐵磁相性質(zhì)及數(shù)量有關(guān)。組織和構(gòu)造敏感參量強(qiáng)烈地受組織、構(gòu)造因素以及應(yīng)力狀態(tài)的影響，屬于此類參量的有Hc(矯頑力)，μ(磁導(dǎo)率)，χ(磁化率)和Br(剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度)等，它們均與技術(shù)磁化有關(guān)。 11、什么叫磁彈性能？她受哪些因素影響？ 物體在磁化時伸長或收縮受到限制，則在物體內(nèi)部形成應(yīng)力，從而內(nèi)部將產(chǎn)生彈性能，即磁彈性能。 物體內(nèi)部的缺陷、雜質(zhì)等都可以增長其磁彈

9、性能。 對于多晶體而言，若磁彈性能是由于應(yīng)力的存在而引起的，那么磁化方向和應(yīng)力方向的夾角、材料所受的應(yīng)力、飽和磁致伸縮系數(shù)和單位體積中的磁彈性能都會影響該磁彈性能。 12、技術(shù)磁化過程可分為那幾種階段，各個技術(shù)磁化階段的特點(diǎn)是什么？什么叫單疇體？單晶體一定是單疇體嗎？ 第一部分 OA 是可逆磁化過程 可逆是指磁場減少到零時 M沿原曲線減少到零 在可逆磁化階段 磁化曲線是線性的 沒有剩磁和磁滯。在金屬軟磁材料中 此階段以可逆壁移為主。 第二部分 AB 是不可逆磁化階段 此階段內(nèi) M隨磁化場急劇地增長 M與H曲線不再是線性。此階段中若把磁場減少到零 M不再沿原曲線減少到零 而浮現(xiàn)剩磁 這

10、種現(xiàn)象成為磁滯 巴克豪森指出 這一階段由許多M的跳躍性變化構(gòu)成 是疇壁的不可逆跳躍引起的。 第三部分 BC 是磁化矢量的轉(zhuǎn)動過程 第二階段結(jié)束后 疇壁消失 整個鐵磁體成為一種單疇體 但其內(nèi)部磁化強(qiáng)度方向還與外磁場方向不一致。在這一階段內(nèi)隨磁化場進(jìn)一步增大 磁矩逐漸轉(zhuǎn)動到與外磁場一致的方向 當(dāng)磁化到S點(diǎn)時 磁體已磁化到技術(shù)飽和 這時的磁化強(qiáng)度稱飽和磁化強(qiáng)度Ms。 第四部分自C點(diǎn)后來 M-H曲線已近似于水平線 而M-H曲線大體上成為直線 自C點(diǎn)繼續(xù)增大外磁 Ms還稍有增長 這一過程稱為順磁磁化過程。 （注：書上為三個過程，但相對而言，我覺得這個答案更為合理和完整。若有疑慮，可省去第四部分）

11、 說法一、具有強(qiáng)磁化強(qiáng)度的顆粒(如磁鐵礦)其自發(fā)能隨著體積增大可以迅速增大。在某些非常小的顆粒中，這些電子自旋最后定向排列。這種顆粒被均勻磁化，并被稱為單疇(single domain, SD)。 說法二、多疇的大塊材料在很強(qiáng)的外磁場的作用下，被磁化至飽和狀態(tài)，整塊材料內(nèi)的自發(fā)磁化強(qiáng)度基本上取在一種磁化方向上，形成一種單疇。 單晶體不一定是單疇體 如果單晶半徑為R，單疇體的臨界尺寸為r，如果R>r,則不是單疇構(gòu)造；如果R

12、的特點(diǎn)是什么？? 答：第一部分（OA）是可逆磁化過程：可逆是指磁場減少到零時，M沿原曲線減少到零，在可逆磁化階段，磁化曲線是線性的，沒有剩磁和磁滯。在金屬軟磁材料中，此階段以可逆壁移為主。? 第二部分（AB）是不可逆磁化階段：此階段內(nèi)，M隨磁化場急劇地增長，M與H曲線不再是線性。此階段中，若把磁場減少到零，M不再沿原曲線減少到零，而浮現(xiàn)剩磁，這種現(xiàn)象成為磁滯，巴克豪森指出，這一階段由許多M的跳躍性變化構(gòu)成，是疇壁的不可逆跳躍引起的。? 第三部分（BC）是磁化矢量的轉(zhuǎn)動過程：第二階段結(jié)束后，疇壁消失，整個鐵磁體成為一種單疇體，但其內(nèi)部磁化強(qiáng)度方向還與外磁場方向不一致。在這一階段內(nèi)隨磁化場進(jìn)

13、一步增大，磁矩逐漸轉(zhuǎn)動到與外磁場一致的方向，當(dāng)磁化到S點(diǎn)時，磁體已磁化到技術(shù)飽和，這時的磁化強(qiáng)度稱飽和磁化強(qiáng)度Ms。? 第四部分自C點(diǎn)后來，M-H曲線已近似于水平線，而M-H曲線大體上成為直線，自C點(diǎn)繼續(xù)增大外磁，Ms還稍有增長，這一過程稱為順磁磁化過程。? 13、飽和磁化強(qiáng)度Ms：磁性體被磁化到飽和狀態(tài)時的磁化強(qiáng)度。 飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs：磁性體被磁化到飽和狀態(tài)時的磁感應(yīng)強(qiáng)度。 ?14、何為起始磁導(dǎo)率？何種場合需要高起始磁導(dǎo)率？受哪些因素影響？ 起始磁導(dǎo)率 場合：研究非晶態(tài)鐵磁合金的磁性穩(wěn)定性、鐵芯也需要高起始磁導(dǎo)率。 因素影響 15、什么叫做最大磁導(dǎo)率？舉

14、例闡明提高軟磁材料最大磁導(dǎo)率的途徑？ 最大磁導(dǎo)率μm? 圖中m曲線表達(dá)了μr值是隨磁場強(qiáng)度變化的曲線。在某一磁場強(qiáng)度下，相對磁導(dǎo)率達(dá)到最大值，稱為最大磁導(dǎo)率μm。 ?16、什么叫剩余磁化強(qiáng)度，什么叫剩余磁感強(qiáng)度？她們間存在什么樣的關(guān)系？提高剩磁途徑？ 永磁材料在閉路狀態(tài)下經(jīng)外磁場磁化至飽和后，再撤銷外磁場時，永磁材料的磁極化強(qiáng)度J和內(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)度B并不會因外磁場H的消失而消失，而會保持一定大小的值，該值即稱為該材料的剩余磁極化強(qiáng)度Jr和剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br，統(tǒng)稱剩磁。? 剩磁Jr和Br的單位與磁極化強(qiáng)度和磁感應(yīng)強(qiáng)度單位相似。 提高剩磁的措施? 永磁材

15、料的磁極化強(qiáng)度Js是很重要的磁參量,它是該材料剩磁 Br的極限值,也是決定該材料磁能積極限值或理論值(BH)m=Js2/4的磁學(xué)量。 為提高殘留磁化強(qiáng)度，要選用飽和磁化強(qiáng)度高的物質(zhì)，同步要通過制造工藝等保證方形度接近1。實(shí)際的工藝過程中，可采用下述技術(shù)實(shí)現(xiàn)單軸磁各向異性。這些技術(shù)涉及：? ①使鍛造組織柱狀晶化；②通過冷加工形成加工纖維組織；? ③通過磁場中加工誘導(dǎo)磁各向異性；④通過磁場中熱解決誘導(dǎo)磁谷向異性。 17、什么叫矯頑力？提高材料的矯頑力的途徑有哪些？ 使磁化至技術(shù)飽和的永磁體的B（磁感應(yīng)強(qiáng)度）減少至零所需要的反向磁場強(qiáng)度稱為磁感矯頑力。 提高材料的矯頑力的途徑：1)、使合

16、金從有序構(gòu)造向無序構(gòu)造轉(zhuǎn)變，2)、范性形變使晶體中產(chǎn)生大量的缺陷和內(nèi)應(yīng)力，矯頑力隨形變量增大而增大，3)、加工硬化，4)、晶粒細(xì)化 18、什么叫最大磁能積？為什么最大磁能積越大越好？提高最大磁能積的途徑？ 退磁曲線上任何一點(diǎn)的B和H的乘積既BH我們稱為磁能積,而B×H的最大值稱之為最大磁能積(BH)max。 磁能積是恒量磁體所儲存能量大小的重要參數(shù)之一，(BH)max越大闡明磁體蘊(yùn)含的磁能量越大，表達(dá)此時磁體對外做功的能力最大。 為使(BH)m盡量大，需要幾種條件。一方面，Br要高；另一方面，因反磁場導(dǎo)致的Br減少并且應(yīng)盡量小，也就是說，方形度要盡量大；最后，具有較大的矯頑力。 20

17、、一種合金中肯定有兩種鐵磁性相，用什么措施證明。 22、 23、自發(fā)磁化的物理本質(zhì)是什么？材料具有鐵磁性的充要條件是什么？ 鐵磁體自發(fā)磁化的本質(zhì)是電子間的靜電互換互相作用 材料具有鐵磁性的充要條件為: 1）必要條件:材料原子中具有未布滿的電子殼層,即原子磁矩 2）充足條件:互換積分A > 0 24、論述各類磁性χ-T的互相關(guān)系 1) 抗磁性. 與溫度無關(guān), <0 2) 順磁性: ,Tc為臨界溫度,成為順磁居里溫度,T>Tc時顯順磁性 3) 反鐵磁性:當(dāng)溫度達(dá)到某個臨界值TN以上,服從居里-外斯定律 4) 鐵磁性: χf>0, T< Tc,否則將轉(zhuǎn)

18、變?yōu)轫槾判?并服從居里-外斯定律 5) 亞鐵磁性: 是未抵消的反鐵磁性構(gòu)造的鐵磁性 25、比較鐵磁體中五種能量的下列關(guān)系: （1）數(shù)學(xué)體現(xiàn)式； （2）來源和物理意義 （3）對磁矩取向的作用。 答:鐵磁材料的五種互相作用能分別為: 互換能Fex,磁晶各向異性能Fx,磁彈性能Fσ,退磁場能Fd和外磁場能FH 相鄰原子電子自旋的單位體積內(nèi)的互換能 A>0時,電子自旋不平行,則會引起系統(tǒng)互換能的增長, Fex>0,只有當(dāng)不考慮自旋軌道耦合時,互換能Fex是各向同性的. 磁晶各向異性能Fx,是飽和磁化強(qiáng)度矢量在鐵磁材料中取不同方向時隨時間而變化的能量,僅與磁化強(qiáng)度矢

19、量在晶體中的相對晶軸的取向有關(guān) 磁晶各向異性來源于電子自旋與軌道的互相耦合伙用以及晶體電場效應(yīng).這種原子或離子的自旋與軌道的耦合伙用,會導(dǎo)致鐵磁體的長度和體積的大小發(fā)生變化,浮現(xiàn)所謂的磁致伸縮 鐵磁體在受到應(yīng)力作用時會發(fā)生相應(yīng)的應(yīng)變,從而引起磁彈性能Fσ,涉及由于自發(fā)形變而引起的磁應(yīng)力能,涉及外加應(yīng)力和內(nèi)應(yīng)力 鐵磁體在外磁場中具有位能成為外磁場能FH,外磁場能是鐵磁體磁化的動力 有限尺寸的鐵磁體材料,受到外加磁場H的變化,會在兩端面上分別浮現(xiàn)正負(fù)磁荷,從而產(chǎn)生削弱外磁場的磁場Hd,均勻磁化材料的退磁場能Fd為: 26、用能量的觀點(diǎn)闡明鐵磁體內(nèi)形成磁疇的因素。 根據(jù)熱力學(xué)定律,穩(wěn)定的磁狀態(tài)一定是相應(yīng)于鐵磁材料內(nèi)總自由能極小值的狀態(tài).磁疇的形成和穩(wěn)定的構(gòu)造狀態(tài),也是相應(yīng)于滿足總的自由能為極小值的條件.對于鐵材料來說，提成磁疇后比提成磁疇前能量縮小,故鐵磁材料自發(fā)磁化后必然提成社區(qū)域的磁疇,使總自由能為最低,從而滿足能量最低原理.可見,退磁場能是形成磁疇的因素。