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压力消磁:热力学教科书中的一个未解之谜

已有 3885 次阅读 2024-2-3 17:38 |个人分类:大学教育|系统分类:教学心得

压力消(pressure demagnetization)指对一块磁性材料加压的时候材料的磁化强度变小半个多世纪前在地质学中发现了这个物理现象,在凝聚态物理理论和高压物理很容易检验这个现象。不过,压力消磁这个名词尚没有进入物理学。细分起来,压力消磁可分为两种

第一种压力消磁:给永磁体加压

给一块已经磁化的磁铁加压,问这块磁铁的磁化强度是变大还是变小?结论是变小。下图是2019Science上一篇文章的研究结果,即使把磁铁块从bcc结构变成hcp结构,这个压力下磁性减小的现象依然存在。

压力消磁1.jpg

Magnetic measurements on micrometer-sized samples under high pressure using designed NV centers

中国科技大学的实验物理学家张增明教授,也获得了类似但是详细很多的结果,特别是压力释放的过程中,能回复到最初的状态。显示变化是一个包含了磁滞回线的可逆过程。

Fe 压力消磁.jpg

此结果尚未发表,引用请致谢张增明教授

第一种压力消磁,磁化强度依赖于压强的曲线,这个曲线的斜率是负的。

第二种压力消磁:磁化过程加压

给两块一样的没有磁化的铁块充磁,外场从零增加到1特斯拉,一块不加压,一块加压,问两个铁块的磁化强度是否一样?答案是加压之后的磁化强度变小。下图2009JACS文章上报道的结果。

边读边记6 pdm.jpg

Heavy Atom Ferromagnets under Pressure: Structural Changes and the Magnetic Response

下图是2013JPCM上的文章报道的结果

PdM.jpg

Pressure dependence of magnetic properties in Fe–Mn–B amorphous alloys: evidence for inhomogeneous ferromagnetism

 

第二种压力消磁,有不同压强下磁化强度依赖于温度的曲线。这里的结果把压强或者外磁场或者温度处理为参量。给定一个外磁场,画出很多条不同压强下的磁化强度曲线,压强越大,曲线的位置越下;再给定一个外磁场,又有一个磁化强度-压强曲线族;等等。

三,压力消磁属于热力学但是目前的热力学回答不了

热力学的基本方程

$ dU=TdS-pdV+VHdB $

很明显,热力学把电磁功和体积变化功联系到了一起,也就是一定存在体积变化和电磁效应之间的联系,磁致伸缩和压磁效应属于这一类。压力消磁和压磁效应相联系,但是二者之间有明显的区别。压力消磁,就是压力增加导致一些磁性物质的磁化强度减小,应该有一个通过磁化物态方程(例如Curie-Weiss定律)然后直接导致压力消磁的具体方程。而现在没有这个方程,这说明热力学尚需还需要进一步发展。



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