《材料物理性能》王振廷版課后答案.doc

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1、1、試說明下列磁學參量的定義和概念：磁化強度、矯頑力、飽和磁化強度、磁導率、磁化率、剩余磁感應強度、磁各向異性常數(shù)、飽和磁致伸縮系數(shù)。 a、磁化強度：一個物體在外磁場中被磁化的程度，用單位體積內(nèi)磁矩的多少來衡量，成為磁化強度M b、矯頑力Hc：一個試樣磁化至飽和，如果要μ=0或B=0，則必須加上一個反向磁場Hc，成為矯頑力。 c、飽和磁化強度：磁化曲線中隨著磁化場的增加，磁化強度M或磁感強度B開始增加較緩慢，然后迅速增加，再轉(zhuǎn)而緩慢地增加，最后磁化至飽和。Ms成為飽和磁化強度，Bs成為飽和磁感應強度。 d、磁導率：μ=B/H，表征磁性介質(zhì)的物理量，μ稱為磁導率。 e、磁化率：從宏觀上

2、來看，物體在磁場中被磁化的程度與磁化場的磁場強度有關。 M=χH，χ稱為單位體積磁化率。 f、剩余磁感應強度：將一個試樣磁化至飽和，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行，而是按另一條曲線改變，當H減少到零時，M=Mr或Br=4πMr。（Mr、Br分別為剩余磁化強度和剩余磁感應強度） 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表示。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，致磁體的磁化強度增強，這

3、時|λ|也隨之增大。當H=Hs時，磁化強度M達到飽和值，此時λ=λs，稱為飽和磁致伸縮所致。 2、計算Gd3+和Cr3+的自由離子磁矩？Gd3+的離子磁矩比Cr3+離子磁矩高的原因是什么？ Gd3+有7個未成對電子, Cr3+ 3個未成對電子. 所以, 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原因是什么？ 4、試繪圖說明抗磁性、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系？ 答：(1)抗磁性是由外磁場作用下電子循軌運動產(chǎn)生

4、的附加磁矩所造成的，與溫度無關，或隨溫度變化很小。 (2)根據(jù)順磁磁化率與溫度的關系，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的順磁體；三是存在反鐵磁體轉(zhuǎn)變的順磁體，當溫度高于一定的轉(zhuǎn)變溫度TN時，它們和正常順磁體一樣服從局里-外斯定律，當溫度低于TN時，它們的原子磁化率隨著溫度下降而減小，當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，隨著溫度逐漸降低，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；再降低溫度，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降低。 6、什么是自發(fā)磁

5、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、組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烈的交換耦合作用，在低于居里溫度并且沒有外加磁場的情況下，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，處于自行磁化的狀態(tài)，稱為自發(fā)磁化。 b、鐵磁性材料具有一個磁性轉(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后全部消失，此時材料表現(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T＜Tc時，組成鐵磁性材料的原子磁矩在磁疇內(nèi)才平行或反平行

6、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相互交換作用，由于這種交換作用對系統(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動和電子的自旋運動。所有的材料處于磁場中時，外磁場都會對電子軌道運動回路附加有洛倫茲力，使材料產(chǎn)生一種抗磁性，其磁化強度和磁場方向相反。 抗磁性是電子軌道運動感生的，因此所有物質(zhì)有抗磁性。但并非所有物質(zhì)都是抗磁體，這是因為原子往往還存在著軌道磁矩和自旋磁矩所組成的順磁磁矩。原子系統(tǒng)具有總磁矩時，只有那些抗磁性大于順磁性的物質(zhì)才成為抗磁體。 7、分子場的本質(zhì)是什么？在鐵磁體中起什么作用

7、？ 答：分子場的本質(zhì)：分子場的性質(zhì)不是磁場，量子力學告訴我們，分子場來源于相鄰原子中電子間的交換作用，它導致了磁有序。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)磁化分成若干磁疇，由于磁體中各磁疇的磁化方向不一致，所以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磁化過程。 9、磁疇大小和結(jié)構(gòu)有哪些條件決定。 10、哪些磁性能是組織敏感的？舉例說明成分、熱處理、冷變形、晶粒取向等因素對磁性的影響？ 從金屬內(nèi)部的因素考查，可把鐵磁參量分為兩類，即組織敏感性參量

8、和組織不敏感參量。組織和結(jié)構(gòu)不敏感參量不受組織和結(jié)構(gòu)的影響或影響很小，屬于這類參量的有Ms(飽和磁化強度)，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。組織和結(jié)構(gòu)敏感參量強烈地受組織、結(jié)構(gòu)因素以及應力狀態(tài)的影響，屬于這類參量的有Hc(矯頑力)，μ(磁導率)，χ(磁化率)和Br(剩余磁感應強度)等，它們均與技術磁化有關。 11、什么叫磁彈性能？他受哪些因素影響？ 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)等都可以增加其磁彈性能。 對于多晶體而言，若磁彈

9、性能是由于應力的存在而引起的，那么磁化方向和應力方向的夾角、材料所受的應力、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、技術磁化過程可分為那幾個階段，各個技術磁化階段的特點是什么？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隨磁化場急劇地增加 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 而出現(xiàn)剩磁 這種現(xiàn)象成為磁滯 巴克豪森指出 這

10、一階段由許多M的跳躍性變化組成 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 整個鐵磁體成為一個單疇體 但其內(nèi)部磁化強度方向還與外磁場方向不一致。在這一階段內(nèi)隨磁化場進一步增大 磁矩逐漸轉(zhuǎn)動到與外磁場一致的方向 當磁化到S點時 磁體已磁化到技術飽和 這時的磁化強度稱飽和磁化強度Ms。 第四部分自C點以后 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點繼續(xù)增大外磁 Ms還稍有增加 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，我認為這個答案更為合理和完整。若有疑慮，可省去第四部分） 說法一、具有強磁化強度的顆粒(

11、如磁鐵礦)其自發(fā)能隨著體積增大能夠迅速增大。在某些非常小的顆粒中，這些電子自旋最終定向排列。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)磁化強度基本上取在一個磁化方向上，形成一個單疇。 單晶體不一定是單疇體 假如單晶半徑為R，單疇體的臨界尺寸為r，如果R>r,則不是單疇結(jié)構(gòu)；如果R

12、A）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隨磁化場急劇地增加，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，而出現(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的跳躍性變化組成，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，整個鐵磁體成為一個單疇體，但其內(nèi)部磁化強度方向還與外磁場方向不一致。在這一階段內(nèi)隨磁化場進一步增大，磁矩逐漸轉(zhuǎn)動到與外磁場一致的方

13、向，當磁化到S點時，磁體已磁化到技術飽和，這時的磁化強度稱飽和磁化強度Ms。 第四部分自C點以后，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點繼續(xù)增大外磁，Ms還稍有增加，這一過程稱為順磁磁化過程。 13、飽和磁化強度Ms：磁性體被磁化到飽和狀態(tài)時的磁化強度。 飽和磁感應強度Bs：磁性體被磁化到飽和狀態(tài)時的磁感應強度。 14、何為起始磁導率？何種場合需要高起始磁導率？受哪些因素影響？ 起始磁導率 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率。 因素影響 15、什么叫做最大磁導率？舉例說明提高軟磁材料最大磁導率的途徑？ 最大磁

14、導率μm 圖中m曲線表示了μr值是隨磁場強度變化的曲線。在某一磁場強度下，相對磁導率達到最大值，稱為最大磁導率μm。 16、什么叫剩余磁化強度，什么叫剩余磁感強度？他們間存在什么樣的關系？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，再撤消外磁場時，永磁材料的磁極化強度J和內(nèi)部磁感應強度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度Jr和剩余磁感應強度Br，統(tǒng)稱剩磁。 剩磁Jr和Br的單位與磁極化強度和磁感應強度單位相同。 提高剩磁的方法 永磁材料的磁極化強度Js是很重要的磁參量,它是該材料剩磁 B

15、r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的磁學量。 為提高殘留磁化強度，要選用飽和磁化強度高的物質(zhì)，同時要通過制造工藝等保證方形度接近1。實際的工藝過程中，可采用下述技術實現(xiàn)單軸磁各向異性。這些技術包括： ①使鑄造組織柱狀晶化；②通過冷加工形成加工纖維組織； ③通過磁場中加工誘導磁各向異性；④通過磁場中熱處理誘導磁谷向異性。 17、什么叫矯頑力？提高材料的矯頑力的途徑有哪些？ 使磁化至技術飽和的永磁體的B（磁感應強度）降低至零所需要的反向磁場強度稱為磁感矯頑力。 提高材料的矯頑力的途徑：1)、使合金從有序結(jié)構(gòu)向無序結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，2)、范性形變使晶體中產(chǎn)生大量

16、的缺陷和內(nèi)應力，矯頑力隨形變量增大而增大，3)、加工硬化，4)、晶粒細化 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的B和H的乘積既BH我們稱為磁能積,而BH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越大說明磁體蘊含的磁能量越大，表示此時磁體對外做功的能力最大。 為使(BH)m盡可能大，需要幾個條件。首先，Br要高；其次，因反磁場造成的Br減少并且應盡量小，也就是說，方形度要盡量大；最后，具有較大的矯頑力。 20、一個合金中肯定有兩種鐵磁性相，用什么方法證明。 22、

17、 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)是電子間的靜電交換相互作用 材料具有鐵磁性的充要條件為: 1）必要條件:材料原子中具有未充滿的電子殼層,即原子磁矩 2）充分條件:交換積分A > 0 24、論述各類磁性χ-T的相互關系 1) 抗磁性. 與溫度無關, <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:當溫度達到某個臨界值TN以上,服從居里-外斯定律 4) 鐵磁性: χf>0, T< Tc,否則將轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾判?并服從居里-外斯定律 5) 亞鐵磁性: 是未

18、抵消的反鐵磁性結(jié)構(gòu)的鐵磁性 25、比較鐵磁體中五種能量的下列關系: （1）數(shù)學表達式； （2）來源和物理意義 （3）對磁矩取向的作用。 答:鐵磁材料的五種相互作用能分別為: 交換能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)的交換能 A>0時,電子自旋不平行,則會引起系統(tǒng)交換能的增加, Fex>0,只有當不考慮自旋軌道耦合時,交換能Fex是各向同性的. 磁晶各向異性能Fx,是飽和磁化強度矢量在鐵磁材料中取不同方向時隨時間而改變的能量,僅與磁化強度矢量在晶體中的相對晶軸的取向有關 磁晶各向異性來源于電子自旋

19、與軌道的相互耦合作用以及晶體電場效應.這種原子或離子的自旋與軌道的耦合作用,會導致鐵磁體的長度和體積的大小發(fā)生變化,出現(xiàn)所謂的磁致伸縮 鐵磁體在受到應力作用時會發(fā)生相應的應變,從而引起磁彈性能Fσ,包括由于自發(fā)形變而引起的磁應力能,包括外加應力和內(nèi)應力 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,會在兩端面上分別出現(xiàn)正負磁荷,從而產(chǎn)生減弱外磁場的磁場Hd,均勻磁化材料的退磁場能Fd為: 26、用能量的觀點說明鐵磁體內(nèi)形成磁疇的原因。 根據(jù)熱力學定律,穩(wěn)定的磁狀態(tài)一定是對應于鐵磁材料內(nèi)總自由能極小值的狀態(tài).磁疇的形成和穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)狀態(tài),也是對應于滿足總的自由能為極小值的條件.對于鐵材料來說，分成磁疇后比分成磁疇前能量縮小,故鐵磁材料自發(fā)磁化后必然分成小區(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原因。