《材料物理性能》王振廷版課后問(wèn)題詳解106頁(yè)

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1、word 1、試說(shuō)明如下磁學(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：一個(gè)物體在外磁場(chǎng)中被磁化的程度，用單位體積磁矩的多少來(lái)衡量，成為磁化強(qiáng)度M b、矯頑力Hc：一個(gè)試樣磁化至飽和，如果要μ=0或B=0，如此必須加上一個(gè)反向磁場(chǎng)Hc，成為矯頑力。 c、飽和磁化強(qiáng)度：磁化曲線中隨著磁化場(chǎng)的增加，磁化強(qiáng)度M或磁感強(qiáng)度B開(kāi)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(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

2、率：從宏觀上來(lái)看，物體在磁場(chǎng)中被磁化的程度與磁化場(chǎng)的磁場(chǎng)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：將一個(gè)試樣磁化至飽和，然后慢慢地減少H，如此M也將減少，但M并不按照磁化曲線反方向進(jìn)展，而是按另一條曲線改變，當(dāng)H減少到零時(shí)，M=Mr或Br=4πMr?！睲r、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(shí)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(chǎng)的增強(qiáng)，致磁體的

3、磁化強(qiáng)度增強(qiáng)，這時(shí)|λ|也隨之增大。當(dāng)H=Hs時(shí)，磁化強(qiáng)度M達(dá)到飽和值，此時(shí)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+離子磁矩高的原因是什么？ Gd3+有7個(gè)未成對(duì)電子,Cr3+ 3個(gè)未成對(duì)電子. 所以, Gd3+的離子磁矩為7μB, Cr3+的離子磁矩為3μB. 3、過(guò)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?yán)L圖說(shuō)明抗磁性、順磁性、鐵磁性物質(zhì)在外場(chǎng)B=0的磁行為。 5、?分析物質(zhì)的抗磁性、順磁性、反鐵磁性與亞鐵磁性與溫度之間的關(guān)系？? 答：(1)?抗磁性是由外磁場(chǎng)作

4、用下電子循軌運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的附加磁矩所造成的，與溫度無(wú)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(wú)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(shí)，它們和正常順磁體一樣服從局里-外斯定律，當(dāng)溫度低于TN時(shí)，它們的原子磁化率隨著溫度下降而減小，當(dāng)T→0K時(shí)，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(shí)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(shí)，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

5、高而逐漸降低。? 6、什么是自發(fā)磁化？鐵磁體形成的條件是什么？有人說(shuō)“鐵磁性金屬?zèng)]有抗磁性〞，對(duì)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(qiáng)烈的交換耦合作用，在低于居里溫度并且沒(méi)有外加磁場(chǎng)的情況下，這種作用會(huì)使相鄰原子或離子的磁矩在一定區(qū)域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(gè)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(guò)居里溫度Tc后全部消失，此時(shí)材料表現(xiàn)出順磁性，材料部的原子磁矩變?yōu)榛靵y排列。只有當(dāng)T＜Tc時(shí)，組成鐵磁性材料

6、的原子磁矩在磁疇才平行或反平行排列，材料中有自發(fā)磁化。 材料部相鄰原子的電子之間存在一種來(lái)源于靜電的相互交換作用，由于這種交換作用對(duì)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(lái)源于電子的軌道運(yùn)動(dòng)和電子的自旋運(yùn)動(dòng)。所有的材料處于磁場(chǎng)中時(shí)，外磁場(chǎng)都會(huì)對(duì)電子軌道運(yùn)動(dòng)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(chǎng)方向相反。 抗磁性是電子軌道運(yùn)動(dòng)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?yàn)樵油€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(shí)，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(chǎng)的本

7、質(zhì)是什么？在鐵磁體中起什么作用？? 答：分子場(chǎng)的本質(zhì)：分子場(chǎng)的性質(zhì)不是磁場(chǎng)，量子力學(xué)告訴我們，分子場(chǎng)來(lái)源于相鄰原子中電子間的交換作用，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)部存在很強(qiáng)的“分子場(chǎng)〞，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)磁化分成假設(shè)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(duì)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(guò)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(shuō)明成分、熱處理、冷變形、晶粒取向等因素對(duì)磁性的影響？ 從金屬部的因素考查，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(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)與數(shù)量有關(guān)。組織和結(jié)構(gòu)敏感參量強(qiáng)烈地受組織、結(jié)構(gòu)因素以與應(yīng)力狀態(tài)的影響，屬于這類參量的有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？他受哪些因素影響？ 物體在磁化時(shí)伸長(zhǎng)或收縮受到限制，如此在物體部形成應(yīng)力，從而部將產(chǎn)生彈性能，即磁彈性能。 物體部的缺陷、雜質(zhì)等都可以增加其磁彈性能

9、。 對(duì)于多晶體而言，假設(shè)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(huì)影響該磁彈性能。 12、技術(shù)磁化過(guò)程可分為那幾個(gè)階段，各個(gè)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？ 第一局部OA是可逆磁化過(guò)程可逆是指磁場(chǎng)減少到零時(shí)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(méi)有剩磁和磁滯。在金屬軟磁材料中此階段以可逆壁移為主。 第二局部AB是不可逆磁化階段此階段M隨磁化場(chǎng)急劇地增加M與H曲線不再是線性。此階段中假設(shè)把磁場(chǎng)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

10、由許多M的跳躍性變化組成是疇壁的不可逆跳躍引起的。 第三局部BC是磁化矢量的轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程第二階段完畢后疇壁消失整個(gè)鐵磁體成為一個(gè)單疇體但其部磁化強(qiáng)度方向還與外磁場(chǎng)方向不一致。在這一階段隨磁化場(chǎng)進(jìn)一步增大磁矩逐漸轉(zhuǎn)動(dòng)到與外磁場(chǎng)一致的方向當(dāng)磁化到S點(diǎn)時(shí)磁體已磁化到技術(shù)飽和這時(shí)的磁化強(qiáng)度稱飽和磁化強(qiáng)度Ms。 第四局部自C點(diǎn)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(diǎn)繼續(xù)增大外磁Ms還稍有增加這一過(guò)程稱為順磁磁化過(guò)程。 〔注：書上為三個(gè)過(guò)程，但相對(duì)而言，我認(rèn)為這個(gè)答案更為合理和完整。假設(shè)有疑慮，可省去第四局部〕 說(shuō)法一、具有強(qiáng)磁化強(qiáng)度的顆粒(如磁鐵礦)其自發(fā)能隨著體積增大能夠迅速增

11、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(shuō)法二、多疇的大塊材料在很強(qiáng)的外磁場(chǎng)的作用下，被磁化至飽和狀態(tài)，整塊材料的自發(fā)磁化強(qiáng)度根本上取在一個(gè)磁化方向上，形成一個(gè)單疇。 單晶體不一定是單疇體 假設(shè)單晶半徑為R，單疇體的臨界尺寸為r，如果R>r,如此不是單疇結(jié)構(gòu)；如果R

12、減少到零時(shí)，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(méi)有剩磁和磁滯。在金屬軟磁材料中，此階段以可逆壁移為主。? 第二局部〔AB〕是不可逆磁化階段：此階段，M隨磁化場(chǎng)急劇地增加，M與H曲線不再是線性。此階段中，假設(shè)把磁場(chǎng)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。? 第三局部〔BC〕是磁化矢量的轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程：第二階段完畢后，疇壁消失，整個(gè)鐵磁體成為一個(gè)單疇體，但其部磁化強(qiáng)度方向還與外磁場(chǎng)方向不一致。在這一階段隨磁化場(chǎng)進(jìn)一步增大，磁矩逐漸轉(zhuǎn)動(dòng)到與外磁場(chǎng)一致的方向，當(dāng)磁化到S點(diǎn)時(shí)，磁體已磁化到

13、技術(shù)飽和，這時(shí)的磁化強(qiáng)度稱飽和磁化強(qiáng)度Ms。? 第四局部自C點(diǎn)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(diǎn)繼續(xù)增大外磁，Ms還稍有增加，這一過(guò)程稱為順磁磁化過(guò)程。? 13、飽和磁化強(qiáng)度Ms：磁性體被磁化到飽和狀態(tài)時(shí)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(shí)的磁感應(yīng)強(qiáng)度。 ?14、何為起始磁導(dǎo)率？何種場(chǎng)合需要高起始磁導(dǎo)率？受哪些因素影響？ 起始磁導(dǎo)率 場(chǎng)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？舉例說(shuō)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

14、示了μr值是隨磁場(chǎng)強(qiáng)度變化的曲線。在某一磁場(chǎng)強(qiáng)度下，相對(duì)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？他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(chǎng)磁化至飽和后，再撤消外磁場(chǎng)時(shí)，永磁材料的磁極化強(qiáng)度J和部磁感應(yīng)強(qiáng)度B并不會(huì)因外磁場(chǎng)H的消失而消失，而會(huì)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)度單位一樣。 提高剩磁的方法? 永磁材料的磁極化強(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

15、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)，同時(shí)要通過(guò)制造工藝等保證方形度接近1。實(shí)際的工藝過(guò)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)包括：? ①使鑄造組織柱狀晶化；②通過(guò)冷加工形成加工纖維組織；? ③通過(guò)磁場(chǎng)中加工誘導(dǎo)磁各向異性；④通過(guò)磁場(chǎng)中熱處理誘導(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〕降低至零所需要的反向磁場(chǎng)強(qiáng)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(wú)序結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，2)、性形變使晶體中產(chǎn)生大量的缺陷和應(yīng)力，矯頑

16、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(niǎo)×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(chǔ)存能量大小的重要參數(shù)之一，(BH)max越大說(shuō)明磁體蘊(yùn)含的磁能量越大，表示此時(shí)磁體對(duì)外做功的能力最大。 為使(BH)m盡可能大，需要幾個(gè)條件。首先，Br要高；其次，因反磁場(chǎng)造成的Br減少并且應(yīng)盡量小，也就是說(shuō)，方形度要盡量大；最后，具有較大的矯頑力。 20、一個(gè)合金中肯定有兩種鐵磁性相，用什么方法證明。 22、 23、自發(fā)磁

17、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(guān)系 1) 抗磁性. 與溫度無(wú)關(guān),<0 2) 順磁性:,Tc為臨界溫度,成為順磁居里溫度,T>Tc時(shí)顯順磁性 3) 反鐵磁性:當(dāng)溫度達(dá)到某個(gè)臨界值TN以上,服從居里-外斯定律 4) 鐵磁性:χf>0, T< Tc,否如此將轉(zhuǎn)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結(jié)構(gòu)的鐵磁性

18、 25、比擬鐵磁體中五種能量的如下關(guān)系: 〔1〕數(shù)學(xué)表達(dá)式； 〔2〕來(lái)源和物理意義 〔3〕對(duì)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(chǎng)能Fd和外磁場(chǎng)能FH 相鄰原子電子自旋的單位體積的交換能 A>0時(shí),電子自旋不平行,如此會(huì)引起系統(tǒng)交換能的增加, Fex>0,只有當(dāng)不考慮自旋軌道耦合時(shí),交換能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(shí)隨時(shí)間而改變的能量,僅與磁化強(qiáng)度矢量在晶體中的相對(duì)晶軸的取向有關(guān) 磁晶各向異性來(lái)源于電子自旋與軌道的相互耦合作用以與晶體電場(chǎng)效

19、應(yīng).這種原子或離子的自旋與軌道的耦合作用,會(huì)導(dǎo)致鐵磁體的長(zhǎng)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(yīng)力作用時(shí)會(huì)發(fā)生相應(yīng)的應(yīng)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(yīng)力能,包括外加應(yīng)力和應(yīng)力 鐵磁體在外磁場(chǎng)中具有位能成為外磁場(chǎng)能FH,外磁場(chǎng)能是鐵磁體磁化的動(dòng)力 有限尺寸的鐵磁體材料,受到外加磁場(chǎng)H的變化,會(huì)在兩端面上分別出現(xiàn)正負(fù)磁荷,從而產(chǎn)生減弱外磁場(chǎng)的磁場(chǎng)Hd,均勻磁化材料的退磁場(chǎng)能Fd為: 26、用能量的觀點(diǎn)說(shuō)明鐵磁體形成磁疇的原因。 根據(jù)熱力學(xué)定律,穩(wěn)定的磁狀態(tài)一定是對(duì)應(yīng)于鐵磁材料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(duì)應(yīng)于滿足總的自由能為極小值的條件.對(duì)于鐵材料來(lái)說(shuō)，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(jiàn),退磁場(chǎng)能是形成磁疇的原因。 13 / 13