第四章磁致伸缩与巴克好森效应.ppt

第二章 力磁效应 　磁致伸缩效应与压磁效应 铁磁体在外磁场中被磁化时，其长度和体积都要发生微小变化，这种现象称为磁致伸缩效应。 第一节　铁磁性的基本概念 （1）物质的磁性：物质的磁性可分为抗磁性、顺磁性、反铁磁性、铁磁性和亚铁磁性，前三种是弱磁性，后两种是强磁性。这里只简单介绍与磁致伸缩关系密切的顺磁性和铁磁性。 顺磁质受外磁场Ｈ作用后，感生出与磁场同方向的磁化强度Ｍ＝?H，其磁化率?＞0，数值很小（10一６～10一３数量级），仅显示微弱磁性，称为顺磁性。稀土金属、碱金属和铁族元素的盐类等都是顺磁质。 铁磁质只要在不大的磁场下就能被磁化到饱和，?很大（10１～10６数量级），磁化强度Ｍ与磁场强度Ｈ之间的关系是非线性的复杂关系，反复磁化时出现磁滞现象（如图４－２），这种性质称为铁磁性。当铁磁质的温度高于铁磁居里温度TＣ时，铁磁性将转变为顺磁性。纯元素铁磁质只有具3ｄ电子的铁镍钴三种金属和具有4f电子的六种金属，但具有铁磁性的合金和化合物却多种多样。 （2）铁磁质的自发磁化 物质是由原子组成的，原子内部电子的运动要产生磁矩（这磁矩相当于38A的环形电流形成的），如果原子内不同电子产生的总磁矩为零，或者，虽然原子总磁矩不为零，但各原子的磁矩方向紊乱，则这种物质就不会显示磁性。铁磁质原子的磁矩不为零，且在任一小区域内所有原子的磁矩都按一定方向排列，这种现象称为自发磁化。 自发磁化是磁有序物质内部相邻原子中电子之间的交换作用，克服了热运动的无序效应，让原子磁矩有序取向的结果。这种交换作用是非常强大的，若把它等效成磁场的作用，可相当于H＝10９Ａ／m的强磁场。人们平常见到的永久磁体的磁场就是由自发磁化产生的。 （3）磁 畴 铁磁体内部分成许多小区域（10一５m数量级），每一小区域内的原子磁矩都整齐排列起来，这就是磁畴。 第二节.铁磁体中的各种相互作用能 磁致伸缩是满足能量最小条件的必然结果，因此分析铁磁体内的相互作用能对我们分析磁致伸缩的原因是大有好处的。 铁磁体的总能量是以下5种相互作用能的总和（这里及以后提到的能量都理解成能量密度） C原子电子云 （2）磁晶各向异性能 铁钴镍三种铁磁单晶体，在不同晶轴方向上测得的磁化曲线如图４－５所示。可以看出不同晶轴方向的磁化有难易之分，因而相应有难、易磁化轴。 磁晶各向异性能定义为沿某方向磁化所需能量。显然，在易磁化轴方向各向异性能最小，在难磁化轴方向各向异性能最大。 自发磁化矢量和磁畴分布不会是任意的，而是倾向于取在各向异性能最小的易磁化轴上。 磁晶各向异性能 对六角晶体：? （3）磁弹性能 是由晶体磁性与弹性相互作用引起的，它也具有各向异性的特点。它包括由外应力作用而产生的非自发形变的磁应力能，应力可以通过磁应力能对磁化过程起促进或阻碍作用，这与压磁效应有联系。 （4）退磁场能 如图4-6所示， （５）外磁场能 是由铁磁体与外磁场相互作用产生的能量。若铁磁体磁化强度为M，外磁场为H，它们的夹角为θ，则外磁场能　　　　 ?ＥＨ＝－μｏＭＨ＝－ μｏMHｃｏｓθ 因此它也是各向异性能，它是铁磁体磁化的动力。 第三节　磁致伸缩 前面已提到，磁致伸缩是为满足总自由能最小而发生的，下面简略分析以上各种能量的变化是如何影响铁磁体的形状、大小、长短的。 有一单畴样品在居里点ＴC以上是顺磁球体，当它冷却至TC以下时发生自发磁化。对于铁，为了降低交换能，须使交换积分A增大，因而原子间距离须相应地增大（见图４－４），结果体积也就随磁化而增大，这就是自发体磁致伸缩（如图４－８（b））同时由于各向异性能的影响，产生线磁致伸缩，其结果使圆球变为椭球（如图４－８（c））。 在ＴＣ＜T，下，把上面的铁磁椭球放在外磁场Ｈ中，当H比饱和磁化场HＳ小时，椭球的形变主要是线性磁致伸缩（体积几乎不变）。实验结果表明，线磁致伸缩与磁化过程密切相关，并表现出各向异性，被认为是由各向异性能引起的。当Ｈ比ＨＳ大时，椭球的形变主要是体磁致伸缩。 假若铁磁球是多畴结构，自居里温度冷却下来后，畴要自发形变，但球只改变大小，不改变形状（如图４－９（b））。 在某方向加磁场磁化，各畴取向基本沿外磁场，各个自发磁化的形变伸长方向也要排列在外磁场方向，因此球在磁场方向伸长，在垂直于此方向缩短（如图４－９（ｃ）所示）。 当铁磁体发生磁致伸缩时，其磁弹性能将会升高，致使这种形变不可能无限制地进行下去，它实际上是多种能量相互制约，最后达总能量为最小的状态。 磁致伸缩的程度可用磁致伸缩系数来表征，它定义为铁磁质长度的相对变化λ＝Δl / l， 图4-10表明了λ随外磁场H的变化规律。达到饱和磁化时，λ为一确定值，称为饱和磁致伸缩系数，以λＳ表示，λＳ有正（铁）有负（镍）。 磁致伸