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磁性材料磁热效应的研究

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文章编号:1001-9731(200101-0032-02

磁性材料磁热效应的研究

Ξ

高小玫,周寿增,张茂才,高学绪,王 润

(北京科技大学新金属国家重点实验室,材料科学与工程学院,北京100083

摘 要: 设计组装了一种冰量热计法磁致热效应测量仪,它可

用于测量工频交变场下铁磁样品磁致热的绝对量。从磁热测量的结果,得到了一些单一铁磁样品和磁-良导体复合样品的磁致热效应实验规律。关键词: 磁热效应;磁热功率;磁热测量中图分类号: TM27 文献标识码:A

1 引 言

物质存在两类磁热效应。第一类是物质原子磁矩有序与无序转变过程的磁热效应,称磁卡效应[1]。第二类是铁磁性或亚铁磁性材料在交变磁场中磁化引起的磁致热效应,通常称磁损耗。它包括磁滞损耗P h ,涡流损耗P e 和反常损耗P c 。在低频低磁场下,以P h 和P e 为主,P c 很小[2]。磁卡效应已用于获得低温[3]。对于软磁材料来说要求磁损耗越小越好。自80年代初以来已提出[4,5

]将磁性材料的磁致热效应用于高压输电线防覆冰,为此要求其有大的磁致热效应。高压输电线在结冰气候条件下,覆冰可达15~19kg/m ,引起倒杆、断线的断电事故,造成巨大经济损失。我国是高压线覆冰灾害严重的国家之一。利

用低居里点(0~20℃

磁性材料的磁致热效应是高压线防覆冰的有效方法之一。如何测定磁性材料的磁致热效应,如何提高磁致热功率是迄今未解决的问题。本文设计组装了测量磁致热效应的测量仪,测量了若干种磁性材料在工频交变磁场下的磁致热功率,探讨了提高磁致热效应的途径。

2 实验方法

2.1 磁致热效应测量仪与方法

磁致热效应测量仪的原理示于图1(a 。它由螺线管、杜瓦瓶、冰量热计等组成。冰量热计的结构示于图1(b 。

图1 磁致热功率测量仪组成(a 和冰量热计(b

Fig 1Schematic representation of magneto -calorific measurement

(a and ice calorirneter (b 实验前将冰量热计和冰块一同放入杜瓦瓶内,然后将液氮倒入冰量热计内管,使其外壁形成冰层。将样品放入内管,并用隔热板封严杜瓦瓶,防止与外界热交换。接通螺线管50Hz 电源,通过变压器调节电流和磁场强度。样品在交变磁场中产生磁致热效应,使冰量热计内的冰层融化,体积收缩,刻度管水银液面下降。冰融化为水时,单位体积吸收的热量为3667.4J/cm 3。观测刻度管水银面的变化率δl /δt (cm/s ,可得材料单位质量的磁致热功率为:

P H =3667.4πd 24w 0・δl

δt

×103 (W/kg

d 是冰量热计刻度管的内径,w 0是样品的质量。每只样品

重复测量2~3次,取其平均值作为实验结果。2.2 样品

样品长度为80mm ,保证它处于螺线管磁场的均匀区。样品有柱状、片状和管状,管状样品由薄片状样品卷成。用振动样品磁强计(VSM 测量样品在不同磁场下的磁感应强度B H (T 和磁滞回线,根据磁滞回线面积计算其磁滞功率P h 。用排水法在酒精中测定样品密度d m ,双电桥法测量样品的电阻率ρm 。对部分样品测量其单一材料状态磁致热功率后,在其外层覆铝制成复合材料。其中FP 和WH 样品用热沉积法覆铝,铝层厚

约100

μm ,F G 和3#样品用气相离子法覆铝,铝层厚约15μm 。3 实验结果与讨论

样品的尺寸、B H 、ρm 和d m 等参量列于表1。表1 样品尺寸形状、磁感应强度B H 、电阻率ρm 和密度d m

T able 1S ize ,shape ,resistivity ρm ,density d m of samples and the mag 2 netization B H of samples at various fields H

样品形状与尺寸mm

B 2.4T

B 4.8T B 6.4T P m ×10-8Ωm d m

kg/m 3

FG 管π×(2.0-1.82×80

8500SFN

片0.33×7×80

9300

单一与复合材料在不同交变场下的磁致热功率P H 和磁滞

热功率P h 列于表2。可见,对于单一材料所有样品的P H 值和P h 值均随B H

的增加而增加。FG 单一材料的B H 由1.65T 增加到1.86T 时,其P H 由16W/kg 增加到28W/kg 。可见当磁场由2.4kA/m 增加到6.4kA/m 时,其磁感仅增加12.7%,而磁致热功

Ξ基金来源:国家自然科学基金资助项目

收稿日期:1999-09-09 率却增加了75%。FP 单一材料在6.4kA/m 磁场下,其B 6.4=1.72T ,P H 高达30W/kg ;而WH 单一材料在6.4kA/m 磁场下,其B 6.4=0.52T ,P H 仅有4.3W/kg 。FP

的B 6.4比WH 的高3倍,而

P 6.4比WH 的高7倍。说明提高材料的磁感应强度对提高材料

的磁致热功率有重要的作用。表2 样品磁致热功率P H 和磁滞热功率P h 的实验结果

Table 2The experimental results of magneto -calorific power P H

and hysteresis calorific power P h

样品

状态复铝厚μm

H =2.4kA/m H =4.8kA/m H =6.4kA/m P H

P h

P H

P h

P H

P h

FG ,管单一材料复合材料

152625

23272831FP ,片单一复合100

FS ,柱单一173662I J50,片单一202429WH ,柱

单一

3

3

5

在工频磁场下磁致热功率由磁滞热功率和涡流热功率贡

献。对于高磁感和低电阻率材料,例如FP 单一材料,磁滞热功率约占磁致热功率的28%~43%,涡流热功率约占57%~72%。对于低磁感且较高电阻率材料,例如WH 单一材料,其磁致热功率几乎全部由磁滞热功率贡献,涡流热功率很小。这是因为WH 单一材料的电阻率ρm 比FP 的高约一个数量级。

又例如3#单一材料的ρm 为9×106Ωm ,接近绝缘体,它的涡流热功率几乎对磁致热功率没有贡献。 复合材料比相应的单一材料的磁致热功率大大地提高。FP 复合材料的P H 比其单一材料提高约46%~70%,比F G 提高11%~56%,比WH 提高3~6倍,比3#材料提高2~4倍。在6.4kA/m 磁场下,F G 和FP 复合材料的P H 分别达到31和

51W/kg 。单纯从磁致热功率的角度看,它已可满足高压线防覆

冰的要求了。良导体复合层可大大提高样品磁致热功率的原因,主要是良导体复层内产生了二次涡流热功率。

4 结 论

提高材料的磁致热功率的主要途径有:(1尽可能地提高材料在工作场下的磁感应强度;(2尽可能选择电阻率低的材料,以便提高材料自身的涡流热功率;(3在线材或管材外复合一层良导体,做成磁性材料与良导体的复合材料。良导体复合层不需要很厚。若不考虑其它因素(如强度、钝化等,良导体层厚度

有15

μm 便可。参考文献

1 戴道生,钱昆明,编.铁磁学(上册[M ].北京:科学出版社,1992,

108

2 宛德福,罗世华,编.磁性物理[M ].北京:电子工业出版社,1987,

276

3 Fgiauque W ,MacDougall D P.[J ].Phys Rev ,1933,43:768

4 Fujikura Limited.Magnetic Wire [P ].G B ,U K Patent Application ,2

126409A ,21,Mar 1984 5 住友工业株式会社,难着冰雪用部品.[J ].J P ,公开特许公报(A ,昭59—144314,昭和59年(1984年8月18日

高小玫 女,1961年生。博士,高级工程师,现在上海钢铁研究所研究中心工作。师从北京科技大学王润、周寿增教授。硕士论文(1983~1986是关于NdFeB 永磁的研究,内

容涉及烧结NdFeB 的热处理及合金元素对永磁的矫顽力及其温度特性的影响。在上海钢铁研究所负责完成了“彩管用电真空材料的表面研究”(冶金部课题及“有序金属间化合物Fe 3Al 研究”

(上海市青年科学基金项目等课题。博士论文工作是有关低居里温度(T c 功能材料和磁热效应原理的研究,就几种低T c 磁性材料的T c 与组织结构的关系进行了研究,对磁电复合磁热线的磁热功率进行了理论分析和计算公式推导。

Measurements of Magnetocalorif ic Pow er for Magnetic Materials

G AO Xiaomei ,ZHOU Shouzeng ,ZHAN G Maocai ,G AO Xuexu ,WAN G Run

(University of Science and Technology Beijing ,Beijing ,100083,China

Abstract :A magneto -calorific effect measurement with ice calorimeter method is

desi gned and made up.It can be used for measuring the absolute value of magneto -calorific of ferromagnetic materials under industry frequency alternating magnetic field.S

ome experimental regu 2larities of magneto -calorific effect obtained by measuring

several ferromagnetic samples of magnetic core with conductive have been ob 2tained.

K ey w ords :magnetocalorif ic effect ;magneto -calorif ic measurement ;magneto -calorif ic pow er

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LaFe11.17-xCo0.78Si1.05Bx合金磁热效应的研究

LaFe11.17-xCo0.78Si1.05Bx合金磁热效应的研究

助　时　斟　２００６年第１２期（３７）卷　

ＬａＦｅｌ１．１７一　Ｃｏ０．７８Ｓｉ１．０５Ｂｚ合金磁热效应的研究　

黄焦宏ｈ　，松　林。，金培育　，王高峰。，刘金荣。，闫宏伟　，张久兴　

（１．北京工业大学新型功能材料教育部重点实验室，北京１０００２２；　

２．包头稀土研究院，内蒙古包头０１４０１０；３．内蒙古师范大学磁性材料重点实验室，内蒙古呼和浩特０１００２２）　

摘要：　用工业纯原料研究了ＬａＦｅｌｌ＿ｌ７一　Ｃｏ０＿７８Ｓｉｌ　ｏ５　

（　：＝＝０、０．１、０．２、０．３、０．４、０．５）合金在室温附近的磁　

热效应。Ｂ元素作为间隙原子进入晶胞，随着Ｂ含量　

的增加，磁相变点从ｚ＝０时的２７７Ｋ升高到ｚ：；＝０．３　

时的２８９Ｋ。同时，磁熵变和直接测量的绝热温变也随　

着Ｂ含量的增加而增大了，在低磁场具有较大的磁热　

效应。测量表明合金的热滞和磁滞均很小　

关键词：磁热效应；磁相变温度；工业纯；Ｂ元素　

中图分类号：ＴＭ２７１．４　文献标识码：Ａ　

文章编号：１００１－９７３１（２００６）１２—１８８８－０３　

１　弓ｌ　言　

磁制冷是利用磁工质所具有的磁热效应来制冷　

的。因此，具有大磁热效应的室温磁制冷材料是人们所　

热衷研究的。自从１９９７年发现了具有一级相变的巨　

磁热效应材料Ｇｄ　Ｓｉ　Ｇｅ　［１］以来，又陆续的报道了具有　

大磁热效应的材料ＭｎＡｓ　一　Ｓｂ　［副，ＬａＦｅｌ１．　Ｓｉｌ．６【　及　

ＭｎＦｅＰ。一　Ａｓ　等，这几种材料在室温附近的磁熵变　

均比Ｇｄ大一倍乃至几倍。　

立方ＮａＺｎ。。型结构合金有很好的软铁磁性和很　

高的磁化强度［５　］。胡凤霞、沈宝根等　］发现该材料中　

存在一级相变，在　附近具有大磁热效应。低Ｓｉ含　

景的Ｉ　ａ（Ｆｅ－一　Ｓｉ　）－　合金存在强烈的磁弹性耦合。在　

丁ｃ附近的有巨大晶格负膨胀。该材料在，』１ｃ以上还存　

在巡游电子变磁转变。该材料的最大缺点是居里点　

低，随着ｓｉ替代Ｆｅ含量的增加，居里点升高，但磁热　

磁热效应和室温稀土磁制冷材料研究现状

磁热效应和室温稀土磁制冷材料研究现状

・３４・　材料导报　２００８年１１月第２２卷第１１期　

磁热效应和室温稀土磁制冷材料研究现状　

马建波，湛永钟，周卫平，黄国瑞，刘佑良，林栽汉　

（广西大学物理科学与工程技术学院，有色金属材料及其加工新技术教育部重点实验室，南宁５３０００４）　

摘要　室温磁制冷技术具有环保、可靠性好、效率高等优点，被认为是一种很有前景的新型制冷技术。概述了　磁性材料的磁热效应概念以及磁热效应大小的表征方法，详细介绍了目前Ｇｄ５Ｓｉ２Ｇｅｅ、Ｌａ（ＦｅＳｉ）ｌａ、ＲＥＣｏ２及ＲＥ２Ｆｅｌｔ　等系列化合物稀土磁制冷材料的研究现状，并简要对比和评价了不同材料的相关性能，展望了室温稀土磁制冷材料　

的发展前景。　关键词　磁热效应稀土磁制冷磁熵　

Ｍａｇｎｅｔｏｃａｌｏｒｉｃ　Ｅｆｆｅｃｔ　ａｎｄ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｐｒｏｇｒｅｓｓ　ｉｎ　Ｒｏｏｍ　Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　Ｒａｒｅ　Ｅａｒｔｈ　

Ｍａｇｎｅｔｉｃ　Ｒｅｆｒｉｇｅｒａｎｔ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ　

ＭＡ　Ｊｉａｎｂｏ，ＺＨＡＮ　Ｙｏｎｇｚｈｏｎｇ，ＺＨＯＵ　Ｗｅｉｐｉｎｇ，ＨＵＡＮＧ　Ｇｕｏｒｕｉ，　

ＬＩＵ　Ｙｏｕｌｉａｎｇ，ＬＩＮ　Ｚａｉｈａｎ　

（Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆ　Ｎｏｎｆｅｒｒｏｕｓ　Ｍｅｔａｌ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ　ａｎｄ　Ｎｅｗ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｆ　Ｍｉｎｉｓｔｒｙ　ｏｆ　Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ，Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　

Ｐｈｙｓｉｃｓ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｇｕａｎｇｘｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｎｉｎｇ　５３０００４）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｒｏｏｍ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｍａｇｎｅｔｉｃ　ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ　ｉｓ　ａ　ｎｅｗ　ｒｅｆｒｉｇｅｒａｎｔ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ．Ｔｈｅ　ｆｕｎｄａｍｅｔａｌ　ｔｈｅｏｒｉｅｓ　ａｎｄ　

ｔｈｅ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ｏｆ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｍａｇｎｅｔｏｃａｌｏｒｉｃ　ｅｆｆｅｃｔ　ａｒｅ　ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ．Ｔｈｅ　ｐｒｏｇｒｅｓｓ　ｉｎ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　ｒａｒｅ　ｅａｒｔｈ　ｍａｇｎｅｔｉｃ　ｒｅ—　ｆｒｉｇｅｒａｎｔ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ，ｓｕｃｈ　ａｓ　Ｇｄ５Ｓｉ２Ｇｅ２，Ｌａ（ＦｅＳｉ）１３，ＲＥＣｏ２　ａｎｄ　ＲＥ２Ｆｅ１７　ｓｅｒｉｅｓ　ｃｏｍｐｏｕｎｄｓ　ａｎｄ　ＳＯ　ｏｎ，ｉｓ　ｒｅｖｉｅｗｅｄ．Ｔｈｅ　

自旋极化效应对磁性材料的影响研究

自旋极化效应对磁性材料的影响研究

自旋极化效应对磁性材料的影响研究

自旋极化效应是物理学中的一个重要概念，它揭示了自旋在材料中的行为对于磁性的产生和传播具有重要作用。近年来，关于自旋极化效应对磁性材料的影响的研究不断加深，本文将对这方面的研究进行探讨。

首先，我们来了解一下自旋极化效应的基本原理。自旋极化效应是自旋的定向在材料中为形成磁性相互作用而导致的一种现象。自旋可以看作是电子固有的一个属性，类似于一个旋转的矢量。在磁性材料中，自旋的定向会产生一个磁矩，从而导致材料表现出磁性特性。自旋极化效应对磁性材料的研究可以帮助我们理解材料的磁性行为，并为制造新型磁性材料提供指导。

自旋极化效应对磁性材料的影响主要表现在以下几个方面。首先是磁性的产生和传播。自旋极化效应是磁性的基础，只有当自旋定向一致时，磁性才能够得到有效的传播。研究发现，自旋极化效应对磁性材料的短程有序和长程有序都具有重要影响。这种自旋极化效应的影响是通过自旋间的相互作用来实现的，而不是通过电子之间的相互作用。因此，自旋极化效应在磁性材料中的短程和长程有序之间起着桥梁作用。

其次，自旋极化效应对磁性材料的磁导率和磁饱和度等宏观磁性参数也具有一定的影响。根据研究，自旋极化效应可以改变磁性材料的磁光特性，从而影响光的传播和偏振方向。这在磁光器件的研究和制造中具有重要意义。

此外，自旋极化效应还与材料的电子输运性质密切相关。研究表明，在一些特殊的磁性材料中，自旋极化效应可以引起电荷的偏转和自旋角动量的转移，进而影响电子的传导。这为新型自旋电子学器件的设计提供了一种新的途径。

最后，自旋极化效应在磁性材料的热力学性质和相变中也发挥了重要作用。研究发现，自旋极化效应可以改变材料的磁阻、热容和热导率等热力学参数。这对于理解磁性材料的热力学行为，以及制造具有特殊磁热效应的磁性材料具有一定的意义。

因此，自旋极化效应对磁性材料具有重要影响，研究这一效应对于深入理解材料的物理特性，设计新型磁性材料以及开发自旋电子学器件都具有重要意义。随着对自旋极化效应的研究逐步深入，我们相信将能够更好地利用自旋极化效应来改善和创新磁性材料的性能。

磁石发热原理

磁石发热原理

磁石发热原理

磁石发热原理是指磁石在特定条件下产生热量的物理现象。磁石是一种具有磁性的物质，当它处于外部磁场中时，会产生磁化并且释放热量。这一现象是由于磁石内部的微观结构和原子排列导致的。在本文中，我们将探讨磁石发热的原理、影响因素以及相关应用。

首先，磁石的发热原理与磁热效应有关。磁热效应是指磁性材料在磁场中发生温度变化的现象。当磁石置于外部磁场中时，其内部的磁矩会发生重新排列，从而导致磁石的温度升高。这一过程是通过磁石内部的磁热耦合作用实现的，即磁矩的重新排列会导致磁石内部原子和分子的热运动增强，从而产生热量。

其次，影响磁石发热的因素有多个。首先是外部磁场的强度，磁石在不同强度的磁场中会产生不同程度的热量。其次是磁石的材质和结构，不同材质和结构的磁石对磁场的响应和热量释放也会有所差异。此外，温度和压力等环境因素也会对磁石的发热产生影响。

最后，磁石发热原理在一些应用中具有重要意义。例如，在磁制冷技术中，利用磁石发热原理可以实现对物体的制冷。此外，磁石发热原理还可以应用于磁热治疗、磁热传感器等领域。这些应用充分展示了磁石发热原理在现代科技中的重要作用。

总之，磁石发热原理是一种重要的物理现象，它影响着磁石在外部磁场中的行为，并且具有广泛的应用前景。通过深入研究磁石发热原理，我们可以更好地理解磁性材料的特性，推动磁热技术的发展，为人类社会的进步做出贡献。希望本文能够对读者对磁石发热原理有所启发，促进相关领域的研究与应用。