铁磁质的应用和特性-大学物理学

铁磁质对外磁场的影响很大，在实际中经常使用它.例如在电磁铁、电机、变压器和电表的线圈中都要放置铁磁性物质，借以增强磁性以及增强磁场，特别是在信息记录和存储方面有重要意义.铁磁质有如下特性：

（1）它能产生很强的附加磁场.铁磁质的磁导率远大于1，并且不是常数，甚至是非单值.

（2）存在磁滞现象.即它的磁化过程落后于外加磁场的变化.当外加磁场停止作用后，铁磁质仍保留部分磁性，称为剩磁现象.因此，在电工设备中，如电磁铁、电机、变压器中，铁磁质材料都有极其广泛的应用.

（3）任何铁磁质都有一个临界温度.超过此温度，铁磁质转化为顺磁质.这一现象是由法国物理学家居里发现的，因此人们把这种临界温度称为铁磁质的居里温度或居里点.例如，铁的居里点为1 043 K.当温度低于居里点时，又由顺磁质转变为铁磁质.

为什么铁磁质不同于其他磁介质，具有如此的特性呢？ 这与铁磁质独特的微观结构有关.

1）磁畴

铁磁质的磁性来源比较复杂.在铁磁质内，相邻原子的电子因自旋而存在很强的交换作用，由于这种作用，铁磁质内部相近原子的磁矩在一些微小的区域内整齐排列，这种区域叫做磁畴，其体积约为10－12 m3.由于磁畴中各原子的磁矩排列很整齐，每个磁畴具有很强的磁性，这种磁性是自发磁化产生的.铁磁物质未磁化时，各个磁畴排列的方向是无规则的，整体上不显磁性，如图10.26（a）所示.当加上外磁场后，各个磁畴在外磁场的作用下趋向于沿外磁场方向作有规则的排列，在不太强的外磁场作用下，铁磁质就能表现出很强的磁性，如图10.26（b）所示.由于铁磁质中存在杂质和内应力等作用，各个磁畴之间存在着“摩擦”，阻碍每个磁畴在去掉磁场之后，重新回到原来混乱排列的状态，所以，去掉磁场后，铁磁质仍然保留部分磁性，这就是在宏观上的剩磁现象.

当铁磁质达到居里温度时，磁介质中的分子、原子的热运动加剧，铁磁质中自发磁化区域因剧烈的分子热运动而造成破坏，磁畴也就瓦解了，使铁磁质失去磁性，变为顺磁质.利用铁磁质具有居里温度的特点，可将其制作成温控元件，如电饭锅自动控温元件等.

图10.26　磁畴

2）磁化曲线

铁磁质磁化过程中，各个磁畴沿外磁场方向作有规则的排列，在逐步增加磁场强度H 的过程中，磁化强度M 也随之增加，不过开始时M 增加较慢，接着便急剧地增大，然后随着磁场强度H 增加，能够提供转向的磁畴越来越少，铁磁质中的磁化强度M增加的速度变慢，最后外磁场再增加，介质内的磁化强度M 也不会增加，铁磁质达到磁饱和状态.饱和时的磁化强度称为饱和磁化强度Ms，如图10.27（a）所示.在图10.27（a）中未达到饱和磁化状态的一段曲线，称为起始磁化曲线.

图10.27　磁化曲线

3）磁滞回线(www.xing528.com)

在实际应用中，铁磁性材料多处在交变磁场中，这时H 的大小和方向做周期性的变化，当外磁场变化一个周期时，铁磁质内部的磁场变化曲线如图10.28 所示.起始磁化曲线为OA，磁化开始饱和时的磁感应强度值为Bs.当外磁场减小时，介质中的磁场也要减小，但并不沿起始磁化曲线返回，而是沿着另一条曲线AB段下降，对应的磁感应强度比原来的值大.说明铁磁质磁化过程是不可逆的过程.当外磁场减小到零时，磁感应强度并不等于零，而保留一定的大小Br，如图10.28 所示的线段OB，这就是铁磁质的剩磁现象.

为了消除剩磁，必须在介质中加上反方向的磁场，当反向磁场H 等于某一特定值Hc 时，磁感应强度才等于零，这个Hc 值称为材料的矫顽力.矫顽力的大小反映了铁磁材料保存剩磁状态的能力.如再增强反方向的磁场，材料又可被反向磁化达到反方向的饱和状态，以后再逐渐减小反方向的磁场至零值时，B 和H 的关系将沿DE 线段变化.这时又引入正向磁场，则形成闭合回线.从图10.28 中可以看出，磁感应强度B 值的变化总是落后于磁场强度H 的变化，这种现象称为磁滞，是铁磁质的重要特性之一，因此上述闭合曲线常称为磁滞回线.

研究铁磁质的磁性就必须知道它的磁滞回线，各种不同的铁磁性材料有不同的磁滞回线，磁滞回线的大小和形状显示了磁性材料的特性，从而可以把铁磁性材料分为软磁、硬磁和矩磁材料.

软磁材料（如纯铁、硅钢等）的磁滞回线呈狭长形，如图10.29所示.可见，软磁材料的矫顽力小、初始磁导率高，外加很小的磁场就可达到饱和.软磁材料适合于制作交变磁场的器件，如电感线圈、小型变压器、脉冲变压器等的磁芯.

硬磁材料（如碳铁、钨钢等）的磁滞回线宽肥，如图10.30 所示，它具有较高的剩磁、较高的矫顽力以及高饱和的磁感应强度，磁化后可长久保持很强的磁性，适宜于制成永久磁铁.这类材料主要用于磁路系统中作为永磁体，以产生恒定磁场，如扬声器、助听器、电视聚焦器、各种磁电式仪表等.

矩磁材料（如三氧化二铁、二氧化铬等）的磁滞回线呈矩形状，比硬磁材料具有更高的剩磁、更高的矫顽力，如图10.31 所示.这种磁性材料在信息存储领域内的作用越来越重要，适合于制作磁带、计算机硬盘等，用于记录信息.用于计算机存储信息时可以磁极方向来表示1 和0，例如N 极向上存储的信息为1；向下表示为0.根据磁材料的特点，能保证存储信息的安全.

图10.28　磁滞回线

图10.29　软磁材料

图10.30　硬磁材料

图10.31　矩磁材料