chap3-magnetic+material-2014

1、第三章第三章 磁功能材料磁功能材料 磁功能材料概念和基本理論磁功能材料概念和基本理論 磁功能材料的介紹磁功能材料的介紹 磁功能材料的相關(guān)器件磁功能材料的相關(guān)器件磁功能材料概念和基本理論磁功能材料概念和基本理論磁學(xué)量的定義以及基本理論磁學(xué)量的定義以及基本理論磁極磁極： 永磁體有兩個(gè)磁極，永磁體有兩個(gè)磁極，N 極和極和S 極。同性相斥極。同性相斥, 異性相吸。異性相吸。兩個(gè)距離為兩個(gè)距離為r，磁極強(qiáng)度分別為，磁極強(qiáng)度分別為m1和和m2的磁極間的相互作用力的磁極間的相互作用力為為:為真空磁導(dǎo)率為真空磁導(dǎo)率磁矩：磁矩：一個(gè)圓電流的磁矩定義為一個(gè)圓電流的磁矩定義為 M = iS, 式中式中i 是電流強(qiáng)度

2、，是電流強(qiáng)度，S是圓電流回線(xiàn)包圍的面積。其方向可由右是圓電流回線(xiàn)包圍的面積。其方向可由右手定則來(lái)確定。手定則來(lái)確定。磁化強(qiáng)度磁化強(qiáng)度M: 一個(gè)宏觀(guān)磁體由許多具有固有磁矩的原子組成。當(dāng)一個(gè)宏觀(guān)磁體由許多具有固有磁矩的原子組成。當(dāng)原子磁矩同向平行排列時(shí)，宏觀(guān)磁體對(duì)外顯示的磁性最強(qiáng)。當(dāng)原子磁矩同向平行排列時(shí)，宏觀(guān)磁體對(duì)外顯示的磁性最強(qiáng)。當(dāng)原子磁矩紊亂排列時(shí)，宏觀(guān)磁體對(duì)外不顯示磁性。原子磁矩紊亂排列時(shí)，宏觀(guān)磁體對(duì)外不顯示磁性。宏觀(guān)磁體單位體積在某一方向宏觀(guān)磁體單位體積在某一方向的磁矩稱(chēng)為的磁矩稱(chēng)為 磁化強(qiáng)度磁化強(qiáng)度M:磁感應(yīng)強(qiáng)度磁感應(yīng)強(qiáng)度B：在外磁場(chǎng)作用下，物質(zhì)內(nèi)部原子磁矩呈現(xiàn)出一在外磁場(chǎng)作用下，物質(zhì)

3、內(nèi)部原子磁矩呈現(xiàn)出一定的有序排列，相當(dāng)于產(chǎn)生一個(gè)附加的磁場(chǎng)。定的有序排列，相當(dāng)于產(chǎn)生一個(gè)附加的磁場(chǎng)。物質(zhì)內(nèi)部外磁場(chǎng)和附加磁場(chǎng)的總和稱(chēng)為磁感應(yīng)強(qiáng)度物質(zhì)內(nèi)部外磁場(chǎng)和附加磁場(chǎng)的總和稱(chēng)為磁感應(yīng)強(qiáng)度B。J為磁極化強(qiáng)度。為磁極化強(qiáng)度。磁化率磁化率 ： = M / H磁導(dǎo)率磁導(dǎo)率 ： = B / H原子磁性原子磁性 宏觀(guān)物質(zhì)的磁性來(lái)源于原子的磁性，原子磁性包括原子核宏觀(guān)物質(zhì)的磁性來(lái)源于原子的磁性，原子磁性包括原子核外電子的磁性和原子核的磁性，但原子核磁矩僅為電子磁外電子的磁性和原子核的磁性，但原子核磁矩僅為電子磁矩的矩的11836.5，所以，所以原子磁矩主要來(lái)源于電子磁矩原子磁矩主要來(lái)源于電子磁矩。孤立狀態(tài)

4、下原子磁矩孤立狀態(tài)下原子磁矩：電子除了圍繞原子核作軌道運(yùn)動(dòng)外，：電子除了圍繞原子核作軌道運(yùn)動(dòng)外，還作自旋運(yùn)動(dòng)。原子磁矩是電子軌道磁矩和自旋磁矩的總還作自旋運(yùn)動(dòng)。原子磁矩是電子軌道磁矩和自旋磁矩的總和。根據(jù)量子力學(xué)的結(jié)果，和。根據(jù)量子力學(xué)的結(jié)果，3d 過(guò)渡族金屬和過(guò)渡族金屬和 4f 稀土金屬稀土金屬的原子磁矩為：的原子磁矩為： J = gJ B J ( J +1)1/2,) 1(2) 1() 1() 1(1JJLLSSJJgJ其中其中g(shù)J稱(chēng)為朗德因子，稱(chēng)為朗德因子，J為原子總角動(dòng)量量子數(shù)，為原子總角動(dòng)量量子數(shù)， L為原子總軌道為原子總軌道量子數(shù)，量子數(shù)，S為原子總自旋量子數(shù)，為原子總自旋量子數(shù)，

5、 B 為為Bohr磁矩。磁矩。(2) 晶體中的原子磁矩晶體中的原子磁矩：過(guò)渡金屬的情況：過(guò)渡金屬的情況：孤立原子的磁矩孤立原子的磁矩 晶體中原子的磁矩晶體中原子的磁矩原因：孤立原子組成金屬后，原因：孤立原子組成金屬后，4s電子公有化，電子公有化，3d電子層成為最電子層成為最外層電子。在晶格點(diǎn)陣上的離子處于周?chē)忞x子產(chǎn)生的晶體外層電子。在晶格點(diǎn)陣上的離子處于周?chē)忞x子產(chǎn)生的晶體場(chǎng)場(chǎng)(稱(chēng)為晶場(chǎng)稱(chēng)為晶場(chǎng))中。中。在晶場(chǎng)的作用下，晶體中原子在晶場(chǎng)的作用下，晶體中原子3d電子軌道磁電子軌道磁矩被晶場(chǎng)固定了，不隨外磁場(chǎng)轉(zhuǎn)動(dòng)（軌道矩被晶場(chǎng)固定了，不隨外磁場(chǎng)轉(zhuǎn)動(dòng)（軌道“凍結(jié)凍結(jié)” ），對(duì)原，對(duì)原子磁矩?zé)o貢

6、獻(xiàn)。子磁矩?zé)o貢獻(xiàn)。金屬原子主要由電子的自旋磁矩來(lái)貢獻(xiàn)。金屬原子主要由電子的自旋磁矩來(lái)貢獻(xiàn)。稀土金屬的情況：稀土金屬的情況：孤立原子的磁矩孤立原子的磁矩 晶體中原子的磁矩晶體中原子的磁矩原因：晶體中原因：晶體中4f電子殼層被外層的電子殼層被外層的5s和和5p電子殼層所屏蔽，晶電子殼層所屏蔽，晶場(chǎng)對(duì)場(chǎng)對(duì)4f電子軌道磁矩的作用甚弱或者沒(méi)有作用，所以電子軌道磁矩的作用甚弱或者沒(méi)有作用，所以4f金屬的金屬的電子軌道磁矩和自旋磁矩對(duì)原子都有貢獻(xiàn)。電子軌道磁矩和自旋磁矩對(duì)原子都有貢獻(xiàn)。 過(guò)渡金屬過(guò)渡金屬（3d電子的影響）電子的影響）稀土元素稀土元素元素周期表元素周期表小資料：什么是稀土？小資料：什么是稀土？

7、稀土就是化學(xué)元素周期表中鑭系元素：鑭稀土就是化學(xué)元素周期表中鑭系元素：鑭(La)、鈰、鈰(Ce)、鐠、鐠(Pr)、釹、釹(Nd)、钷、钷(Pm)、釤、釤(Sm)、銪、銪(Eu)、釓、釓(Gd)、鋱、鋱(Tb)、鏑鏑(Dy)、鈥、鈥(Ho)、鉺、鉺(Er)、銩、銩(Tm)、鐿、鐿(Yb)、镥、镥(Lu)，以及與，以及與鑭系的鑭系的15個(gè)元素密切相關(guān)的兩個(gè)元素：鈧個(gè)元素密切相關(guān)的兩個(gè)元素：鈧(Sc）和釔）和釔(Y）共）共17種元素，稱(chēng)為稀土元素種元素，稱(chēng)為稀土元素(Rare Earth）。）。稀土元素最初是從瑞典產(chǎn)的比較稀少的礦物中發(fā)現(xiàn)的，稀土元素最初是從瑞典產(chǎn)的比較稀少的礦物中發(fā)現(xiàn)的，“土土”是

8、按當(dāng)時(shí)的習(xí)慣，稱(chēng)不溶于水的物質(zhì)，故稱(chēng)稀土。是按當(dāng)時(shí)的習(xí)慣，稱(chēng)不溶于水的物質(zhì)，故稱(chēng)稀土。 根據(jù)稀土元素原子電子層結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)性質(zhì)，以及它們?cè)诘V根據(jù)稀土元素原子電子層結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)性質(zhì)，以及它們?cè)诘V物中共生情況和不同的離子半徑可產(chǎn)生不同性質(zhì)的特征，十七物中共生情況和不同的離子半徑可產(chǎn)生不同性質(zhì)的特征，十七種稀土元素通常分為二組。種稀土元素通常分為二組。輕稀土（又稱(chēng)鈰組）包括：鑭、鈰、鐠、釹、钷、釤、銪、釓。輕稀土（又稱(chēng)鈰組）包括：鑭、鈰、鐠、釹、钷、釤、銪、釓。 重稀土（又稱(chēng)釔組）包括：鋱、鏑、鈥、鉺、銩、鐿、镥、鈧、重稀土（又稱(chēng)釔組）包括：鋱、鏑、鈥、鉺、銩、鐿、镥、鈧、釔。釔。 固固 體體

9、磁磁 性性 通過(guò)磁化率的測(cè)量，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)物質(zhì)的磁化率都遠(yuǎn)小于通過(guò)磁化率的測(cè)量，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)物質(zhì)的磁化率都遠(yuǎn)小于1，一般為一般為10-710-5, 這些物質(zhì)被稱(chēng)為弱磁性物質(zhì)。其中磁化率為這些物質(zhì)被稱(chēng)為弱磁性物質(zhì)。其中磁化率為正的，稱(chēng)為正的，稱(chēng)為順磁性物質(zhì)順磁性物質(zhì)，如鈉、鋁、氧氣等；磁化率為負(fù)的，如鈉、鋁、氧氣等；磁化率為負(fù)的，稱(chēng)為稱(chēng)為抗磁性物質(zhì)抗磁性物質(zhì)，如銅、鉍、大多數(shù)有機(jī)材料和生物材料。，如銅、鉍、大多數(shù)有機(jī)材料和生物材料。 少數(shù)物質(zhì)的磁化率遠(yuǎn)大于少數(shù)物質(zhì)的磁化率遠(yuǎn)大于1，如鐵、鎳和四氧化三鐵等，如鐵、鎳和四氧化三鐵等，稱(chēng)為強(qiáng)磁性物質(zhì)。強(qiáng)磁性物質(zhì)的磁性種類(lèi)很多，實(shí)際應(yīng)用也稱(chēng)為強(qiáng)磁性物質(zhì)。強(qiáng)磁

10、性物質(zhì)的磁性種類(lèi)很多，實(shí)際應(yīng)用也很多，強(qiáng)磁性物質(zhì)又稱(chēng)為磁性材料。很多，強(qiáng)磁性物質(zhì)又稱(chēng)為磁性材料。判斷固體中的固有磁矩是否為判斷固體中的固有磁矩是否為0?抗磁性材料抗磁性材料是是判斷熱運(yùn)動(dòng)能是否判斷熱運(yùn)動(dòng)能是否磁矩中的交換作用能？磁矩中的交換作用能？鐵磁性、反鐵磁性或亞鐵磁性材料鐵磁性、反鐵磁性或亞鐵磁性材料順磁性材料順磁性材料否否否否是是 固固 體體 磁磁 性性抗磁性、順磁性、反鐵磁性、鐵磁性和亞鐵磁性抗磁性、順磁性、反鐵磁性、鐵磁性和亞鐵磁性晶體中磁疇內(nèi)部原子磁矩的排列晶體中磁疇內(nèi)部原子磁矩的排列抗磁性抗磁性 (diamagnetism)當(dāng)物質(zhì)受到外加磁場(chǎng)的作用時(shí)，如果產(chǎn)生與外磁場(chǎng)方向相反當(dāng)

11、物質(zhì)受到外加磁場(chǎng)的作用時(shí)，如果產(chǎn)生與外磁場(chǎng)方向相反的磁化，即磁化率為負(fù)值，則稱(chēng)此種性質(zhì)為抗磁性。的磁化，即磁化率為負(fù)值，則稱(chēng)此種性質(zhì)為抗磁性。抗磁性一般可分為三類(lèi)：抗磁性一般可分為三類(lèi)：一般抗磁性（任何物質(zhì)都具有）。一般抗磁性（任何物質(zhì)都具有）。將任一物質(zhì)置于外磁場(chǎng)將任一物質(zhì)置于外磁場(chǎng)中，由于電磁感應(yīng)產(chǎn)生微弱的與外磁場(chǎng)方向相反的感生磁中，由于電磁感應(yīng)產(chǎn)生微弱的與外磁場(chǎng)方向相反的感生磁矩。一切物質(zhì)都存在著抗磁性效應(yīng)。矩。一切物質(zhì)都存在著抗磁性效應(yīng)。但在多數(shù)的情況下，但在多數(shù)的情況下，此微弱的抗磁性常被較強(qiáng)的順磁磁化效應(yīng)所掩蓋。此微弱的抗磁性常被較強(qiáng)的順磁磁化效應(yīng)所掩蓋。金屬中導(dǎo)電電子抗磁性。由于

12、電子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)形成量子金屬中導(dǎo)電電子抗磁性。由于電子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)形成量子化的朗道能級(jí)，使電子系統(tǒng)的能量比未加磁場(chǎng)時(shí)升高了，化的朗道能級(jí)，使電子系統(tǒng)的能量比未加磁場(chǎng)時(shí)升高了，等效于呈現(xiàn)抗磁性。導(dǎo)電電子的抗磁磁化率等于其自旋順等效于呈現(xiàn)抗磁性。導(dǎo)電電子的抗磁磁化率等于其自旋順磁磁化率的磁磁化率的1/3，故導(dǎo)電電子呈現(xiàn)順磁性故導(dǎo)電電子呈現(xiàn)順磁性。1. 超導(dǎo)體的完全抗磁性。超導(dǎo)體的完全抗磁性。朗道抗磁性朗道抗磁性(Landau diamagnetism)PxPyPxPy朗道抗磁性朗道抗磁性2011(),:33LBFppgPauli 順磁磁化率順磁性順磁性 (paramagnetism)順磁性是指材料

13、在外磁場(chǎng)的作用下表現(xiàn)出與外磁場(chǎng)方向相同順磁性是指材料在外磁場(chǎng)的作用下表現(xiàn)出與外磁場(chǎng)方向相同但數(shù)值很小的磁化率。但數(shù)值很小的磁化率。順磁性一般可分為：順磁性一般可分為：其原子或分子具有固有磁矩，但固有磁矩之間沒(méi)有相互作其原子或分子具有固有磁矩，但固有磁矩之間沒(méi)有相互作用或相互作用很小用或相互作用很小(熱運(yùn)動(dòng)能熱運(yùn)動(dòng)能)，因而磁矩之間不能形成磁，因而磁矩之間不能形成磁有序排列有序排列(如鐵磁有序的情況如鐵磁有序的情況)。溫度高于居里點(diǎn)的鐵磁材料和亞鐵磁材料，以及溫度高于溫度高于居里點(diǎn)的鐵磁材料和亞鐵磁材料，以及溫度高于Neel點(diǎn)的反鐵磁材料所呈現(xiàn)的順磁性。點(diǎn)的反鐵磁材料所呈現(xiàn)的順磁性。1. 非過(guò)渡

14、族非稀土族的金屬非過(guò)渡族非稀土族的金屬(如堿金屬如堿金屬)，它們無(wú)自發(fā)磁化，它們無(wú)自發(fā)磁化，其傳導(dǎo)電子之間無(wú)交換作用，在外磁場(chǎng)的作用下，它們的其傳導(dǎo)電子之間無(wú)交換作用，在外磁場(chǎng)的作用下，它們的傳導(dǎo)電子發(fā)生極化才呈現(xiàn)出與外磁場(chǎng)同向的磁化強(qiáng)度，這傳導(dǎo)電子發(fā)生極化才呈現(xiàn)出與外磁場(chǎng)同向的磁化強(qiáng)度，這種順磁性稱(chēng)為種順磁性稱(chēng)為Pauli順磁性，其順磁性，其磁化率與溫度無(wú)關(guān)磁化率與溫度無(wú)關(guān)。鐵磁、亞鐵磁材料的單疇微粒呈現(xiàn)出的順磁性。鐵磁、亞鐵磁材料的單疇微粒呈現(xiàn)出的順磁性。當(dāng)這些微當(dāng)這些微粒的體積減少到一定程度時(shí)，粒的體積減少到一定程度時(shí)，微粒的熱運(yùn)動(dòng)能將超過(guò)難磁微粒的熱運(yùn)動(dòng)能將超過(guò)難磁化和易磁化之間的磁晶

15、各向異性能的位壘，于是微粒的磁化和易磁化之間的磁晶各向異性能的位壘，于是微粒的磁矩就不再固定在易磁化方向，而是隨時(shí)間作無(wú)規(guī)則的變化，矩就不再固定在易磁化方向，而是隨時(shí)間作無(wú)規(guī)則的變化，而微粒的表觀(guān)磁化強(qiáng)度就變?yōu)榱?。在外磁?chǎng)作用下，這些而微粒的表觀(guān)磁化強(qiáng)度就變?yōu)榱?。在外磁?chǎng)作用下，這些微粒傾向于沿外磁場(chǎng)方向排列，從而呈現(xiàn)出順磁性，這種微粒傾向于沿外磁場(chǎng)方向排列，從而呈現(xiàn)出順磁性，這種順磁性叫做順磁性叫做超順磁性超順磁性。Pauli順磁性（或傳導(dǎo)電子順磁性順磁性（或傳導(dǎo)電子順磁性 ）的解釋?zhuān)┑慕忉?(21g)(21gPauli順磁性（或傳導(dǎo)電子順磁性順磁性（或傳導(dǎo)電子順磁性 ）的解釋?zhuān)┑慕忉?(2

16、1g)(21gB當(dāng)外加磁場(chǎng)時(shí)，自旋方向與外場(chǎng)方向相同的電子能當(dāng)外加磁場(chǎng)時(shí)，自旋方向與外場(chǎng)方向相同的電子能量減少了量減少了 BB，自旋方向與外場(chǎng)方向相反的電子能量自旋方向與外場(chǎng)方向相反的電子能量增加了增加了 BB。磁場(chǎng)造成能量的平移在圖中畫(huà)得很明顯，實(shí)際上是磁場(chǎng)造成能量的平移在圖中畫(huà)得很明顯，實(shí)際上是很小的。很小的。Pauli順磁性（或傳導(dǎo)電子順磁性順磁性（或傳導(dǎo)電子順磁性 ）的解釋?zhuān)┑慕忉?(21g)(21gB體系平衡時(shí)，兩種磁矩取向的電子應(yīng)該有相同的體系平衡時(shí)，兩種磁矩取向的電子應(yīng)該有相同的 F 值，值，即要求一部分磁矩和外場(chǎng)相反的電子翻轉(zhuǎn)磁矩，再填即要求一部分磁矩和外場(chǎng)相反的電子翻轉(zhuǎn)磁矩，

17、再填充到和外場(chǎng)相同的狀態(tài)上。電子自旋取向變化只發(fā)生充到和外場(chǎng)相同的狀態(tài)上。電子自旋取向變化只發(fā)生在費(fèi)米面附近。在費(fèi)米面附近。)(21g總的磁矩方向平行于外場(chǎng)方向，因此體現(xiàn)出總的磁矩方向平行于外場(chǎng)方向，因此體現(xiàn)出順磁順磁。Pauli順磁性（或傳導(dǎo)電子順磁性順磁性（或傳導(dǎo)電子順磁性 ）的解釋?zhuān)┑慕忉岉槾判晕镔|(zhì)磁化率與溫度的關(guān)系順磁性物質(zhì)磁化率與溫度的關(guān)系居里定律居里定律大量的氣體、液體和固體的順磁性，近似服從由居里提出的大量的氣體、液體和固體的順磁性，近似服從由居里提出的磁化率與溫度成反比的經(jīng)驗(yàn)定律：磁化率與溫度成反比的經(jīng)驗(yàn)定律：不符合居里定律的情形，往往可以在相當(dāng)寬的溫度范圍內(nèi)符不符合居里定律的

18、情形，往往可以在相當(dāng)寬的溫度范圍內(nèi)符合居里合居里-外斯定律：外斯定律：Tc在常溫和一般磁場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)，在常溫和一般磁場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)，TkBJ320由實(shí)驗(yàn)常數(shù)由實(shí)驗(yàn)常數(shù)c可確定固有磁矩可確定固有磁矩 J。鐵磁性鐵磁性 (ferromagnetism)鐵磁性材料：常溫下，鐵、鈷、鎳鐵磁性材料：常溫下，鐵、鈷、鎳 低溫下，低溫下，Tb, Ho, Eu, Tm化合物：化合物：La1-xCaxMnO3 (0.2x f ，熱運(yùn)動(dòng)將會(huì)破壞磁有序。，熱運(yùn)動(dòng)將會(huì)破壞磁有序。2222f2f200f1(1)3(r)(1)()()333/ 31/3()JBJBBJBJJBBBJBJBMNgJJgBMK TJ JgNNNMBrM

19、BrMBMK TK TK TTNBK TMTMNMHBKT 將代入，可得由此，進(jìn)而，這就是居里這就是居里-外斯定理外斯定理xx鐵磁材料的最低激發(fā)態(tài)：自旋波鐵磁材料的最低激發(fā)態(tài)：自旋波鐵磁體的基態(tài)：在絕對(duì)零度時(shí)，所有自旋同向排列鐵磁體的基態(tài)：在絕對(duì)零度時(shí)，所有自旋同向排列在低溫下，鐵磁體有一定的幾率處于低的激發(fā)態(tài)在低溫下，鐵磁體有一定的幾率處于低的激發(fā)態(tài)最低的激發(fā)態(tài)是什么？最低的激發(fā)態(tài)是什么？ 自旋間沒(méi)有相互作用時(shí)：只有一個(gè)自旋反轉(zhuǎn)自旋間沒(méi)有相互作用時(shí)：只有一個(gè)自旋反轉(zhuǎn)自旋間存在相互作用時(shí)：自旋波自旋間存在相互作用時(shí)：自旋波每個(gè)自旋都與近鄰的自旋相耦合，即每個(gè)自旋都與近鄰的自旋相耦合，即所有自旋

20、運(yùn)動(dòng)是耦合在所有自旋運(yùn)動(dòng)是耦合在一起的。一起的。從量子力學(xué)觀(guān)點(diǎn)，由于反轉(zhuǎn)的自旋可以處在各個(gè)不從量子力學(xué)觀(guān)點(diǎn)，由于反轉(zhuǎn)的自旋可以處在各個(gè)不同的格點(diǎn)上，它們是能量簡(jiǎn)并的同的格點(diǎn)上，它們是能量簡(jiǎn)并的N N個(gè)量子態(tài)，個(gè)量子態(tài)，相互作用的微擾相互作用的微擾有可能使它們組合成能量更低的量子態(tài)，即自旋波狀態(tài)。有可能使它們組合成能量更低的量子態(tài)，即自旋波狀態(tài)。自旋波模型自旋波模型 磁振子磁振子 黃昆 固體物理P417磁振子（自旋波）磁振子（自旋波）聲子（晶格波）聲子（晶格波） 集體運(yùn)動(dòng)集體運(yùn)動(dòng)自旋波理論自旋波理論自旋波理論自旋波理論自旋波理論自旋波理論自旋波理論自旋波理論這相應(yīng)于自旋繞這相應(yīng)于自旋繞z軸做進(jìn)動(dòng)

21、，這種進(jìn)動(dòng)在晶格中的軸做進(jìn)動(dòng)，這種進(jìn)動(dòng)在晶格中的傳播就是自旋波。傳播就是自旋波。它表明一個(gè)特定自旋的反向?qū)δ芰坎焕?。反之，它表明一個(gè)特定自旋的反向?qū)δ芰坎焕?。反之，如如果讓所有自旋分?dān)這一反向，就可構(gòu)成能量低得多果讓所有自旋分擔(dān)這一反向，就可構(gòu)成能量低得多的激發(fā)態(tài)。的激發(fā)態(tài)。自旋軸繞自旋軸繞z軸轉(zhuǎn)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)zzzz自旋波理論自旋波理論熱激發(fā)使鐵磁體中出現(xiàn)部分自旋的反向，而自熱激發(fā)使鐵磁體中出現(xiàn)部分自旋的反向，而自旋間的相互作用使反向的自旋不固定在某些原旋間的相互作用使反向的自旋不固定在某些原子上，而是在自旋體系中傳播，形成自旋的集子上，而是在自旋體系中傳播，形成自旋的集體運(yùn)動(dòng)。可以應(yīng)用波動(dòng)或準(zhǔn)粒

22、子來(lái)描述這種集體運(yùn)動(dòng)?？梢詰?yīng)用波動(dòng)或準(zhǔn)粒子來(lái)描述這種集體運(yùn)動(dòng)，分別稱(chēng)為自旋波或磁振子。體運(yùn)動(dòng)，分別稱(chēng)為自旋波或磁振子。 1928年，年，Heisenberg用量子理論證明了：用量子理論證明了：所謂的所謂的分子場(chǎng)，實(shí)際是電子自旋之間的交換作用分子場(chǎng)，實(shí)際是電子自旋之間的交換作用，是電子，是電子遵循遵循Pauli原理的必然結(jié)果。原理的必然結(jié)果。 3d 金屬中的自發(fā)磁化金屬中的自發(fā)磁化 4f 金屬中的自發(fā)磁化金屬中的自發(fā)磁化 3d 金屬與金屬與 4f 金屬化合物的自發(fā)磁化金屬化合物的自發(fā)磁化 金屬氧化物的自發(fā)磁化金屬氧化物的自發(fā)磁化為什么會(huì)自發(fā)磁化呢？為什么會(huì)自發(fā)磁化呢？3d 金屬中的自發(fā)磁化金屬中

23、的自發(fā)磁化3d 金屬（如鐵、鈷、鎳）金屬（如鐵、鈷、鎳）: 當(dāng)當(dāng)3d電子云重疊時(shí)，相鄰原子的電子云重疊時(shí)，相鄰原子的3d電子存在交換作用，它們每秒鐘以電子存在交換作用，它們每秒鐘以108的頻率交換位置。其交的頻率交換位置。其交換作用能換作用能 Eex 與兩個(gè)電子自旋磁矩的取向有關(guān)與兩個(gè)電子自旋磁矩的取向有關(guān), 表示為：表示為： Eex = -2A i j cos , 其中其中 為電子自旋角動(dòng)量，為電子自旋角動(dòng)量， 是相鄰原子是相鄰原子3d電子自旋磁矩的夾電子自旋磁矩的夾角，角，A為交換積分常數(shù)。為交換積分常數(shù)。在平衡態(tài)，相鄰原子在平衡態(tài)，相鄰原子3d電子自旋磁矩的夾角應(yīng)遵循能量最小電子自旋磁矩

24、的夾角應(yīng)遵循能量最小原理。原理。當(dāng)當(dāng)A0時(shí)，為使交換能最小，相鄰原子時(shí)，為使交換能最小，相鄰原子3d電子的自旋磁矩夾電子的自旋磁矩夾角為零，即彼此同向平行排列，稱(chēng)為角為零，即彼此同向平行排列，稱(chēng)為鐵磁性耦合鐵磁性耦合，即自發(fā)磁，即自發(fā)磁化，出現(xiàn)鐵磁性磁有序?；?，出現(xiàn)鐵磁性磁有序。當(dāng)當(dāng)A0時(shí)，為使交換能最小，相鄰原子時(shí)，為使交換能最小，相鄰原子3d電子自旋磁矩夾角電子自旋磁矩夾角為為180度，即相鄰原子度，即相鄰原子3d電子自旋磁矩反向平行排列，稱(chēng)為電子自旋磁矩反向平行排列，稱(chēng)為反鐵磁性磁有序反鐵磁性磁有序。當(dāng)當(dāng) A = 0 時(shí)，相鄰原子時(shí)，相鄰原子3d電子自旋磁矩彼此不存在交換作用電子自旋磁矩

25、彼此不存在交換作用或者說(shuō)交換作用十分微弱。在這種情況，由于熱運(yùn)動(dòng)的影響，或者說(shuō)交換作用十分微弱。在這種情況，由于熱運(yùn)動(dòng)的影響，原子自旋磁矩混亂取向，變成磁無(wú)序，這是順磁性。原子自旋磁矩混亂取向，變成磁無(wú)序，這是順磁性。對(duì)于對(duì)于Eex = -2A i j cos 的討論的討論交換積分常數(shù)交換積分常數(shù)A的絕對(duì)值的大小及其正、負(fù)與的絕對(duì)值的大小及其正、負(fù)與a / r3d 有關(guān)有關(guān)。其中其中a 是相鄰原子間距離，是相鄰原子間距離，r3d是是3d電子云半徑。室溫以上，電子云半徑。室溫以上，F(xiàn)e、Co、Ni和和Gd等的交換積分常數(shù)等的交換積分常數(shù)A是正的，是鐵磁性的。反鐵磁性是正的，是鐵磁性的。反鐵磁性的

26、交換積分常數(shù)的交換積分常數(shù)A為負(fù)。順磁性物質(zhì)的交換積分常數(shù)為負(fù)。順磁性物質(zhì)的交換積分常數(shù)A為零。為零。4f 金屬（稀土金屬）中的自發(fā)磁化金屬（稀土金屬）中的自發(fā)磁化部分稀土元素在低溫下呈現(xiàn)出鐵磁性。部分稀土元素在低溫下呈現(xiàn)出鐵磁性。原因：（非直接交換作用）原因：（非直接交換作用）稀土金屬中對(duì)磁性有貢獻(xiàn)的是稀土金屬中對(duì)磁性有貢獻(xiàn)的是4f 電子，其半徑約電子，其半徑約0.06-0.08納米。納米。相鄰的電子云不可能重疊，外層還有相鄰的電子云不可能重疊，外層還有5s和和5p電子層對(duì)電子層對(duì)4f電子起屏電子起屏蔽作用，因此它們不可能象蔽作用，因此它們不可能象3d金屬那樣存在直接交換作用。金屬那樣存在直

27、接交換作用。Ruderman、 Kittel、Kasuya、Yosida等人先后提出并逐漸完善等人先后提出并逐漸完善了間接交換作用理論，稱(chēng)為了間接交換作用理論，稱(chēng)為RKKY理論理論。這一理論可以很好地。這一理論可以很好地解釋稀土金屬和稀土與金屬間化合物的自發(fā)磁化。解釋稀土金屬和稀土與金屬間化合物的自發(fā)磁化。RKKY理論的中心思想是理論的中心思想是，在稀土金屬中，在稀土金屬中f電子是局域化的，電子是局域化的，6s電子是巡游電子，電子是巡游電子，f電子和電子和s電子先發(fā)生交換作用，使電子先發(fā)生交換作用，使6s電子極電子極化。而極化了的化。而極化了的6s電子自旋使電子自旋使4f電子自旋與相鄰原子的電

28、子自旋與相鄰原子的4f電子電子自旋間接地耦合起來(lái)，從而產(chǎn)生自發(fā)磁化。自旋間接地耦合起來(lái)，從而產(chǎn)生自發(fā)磁化。小資料：小資料：RKKY相互作用的特點(diǎn)相互作用的特點(diǎn)u交換常數(shù)的符號(hào)隨著兩磁矩的距離而周期振蕩交換常數(shù)的符號(hào)隨著兩磁矩的距離而周期振蕩u相互作用能大小與兩磁矩距離的相互作用能大小與兩磁矩距離的3次方成反比次方成反比稀土稀土-過(guò)渡金屬化合物的自發(fā)磁化過(guò)渡金屬化合物的自發(fā)磁化 稀土金屬稀土金屬(RE)與與3d過(guò)渡族金屬過(guò)渡族金屬(M)形成一系列化合物。形成一系列化合物。其中其中富富3d過(guò)渡族金屬間化合物過(guò)渡族金屬間化合物，如，如REM5、RE2M17、REFe14B、RE(Fe，M)12等已成

29、為重要的永磁材料。這類(lèi)化等已成為重要的永磁材料。這類(lèi)化合物的晶體結(jié)構(gòu)都是由合物的晶體結(jié)構(gòu)都是由CaCu5型六方結(jié)構(gòu)派生而來(lái)，其中型六方結(jié)構(gòu)派生而來(lái)，其中REM5，如，如SmCo5的結(jié)構(gòu)與的結(jié)構(gòu)與CaCu5型結(jié)構(gòu)相同。型結(jié)構(gòu)相同。 在這類(lèi)化合物中，在這類(lèi)化合物中， RE-M 原子間距較遠(yuǎn)。不論是原子間距較遠(yuǎn)。不論是4f 電子電子云之間，還是云之間，還是3d-4f 電子云之間都不可能重疊，因此，不可電子云之間都不可能重疊，因此，不可能有直接交換作用，只能能有直接交換作用，只能以傳導(dǎo)電子為媒介產(chǎn)生的間接交換以傳導(dǎo)電子為媒介產(chǎn)生的間接交換作用使作用使 3d 與與 4f 電子磁矩耦合起來(lái)電子磁矩耦合起來(lái)

30、。金屬氧化物的自發(fā)磁化金屬氧化物的自發(fā)磁化以以MnO為例，說(shuō)明金屬氧化物中的間接交換作用為例，說(shuō)明金屬氧化物中的間接交換作用在在O2-兩側(cè)成一直線(xiàn)的兩個(gè)兩側(cè)成一直線(xiàn)的兩個(gè)Mn2+的磁矩必然的磁矩必然是反平行的，這種通過(guò)氧離子而確定是反平行的，這種通過(guò)氧離子而確定Mn離離子磁矩相對(duì)取向的交換作用，即間接交換作子磁矩相對(duì)取向的交換作用，即間接交換作用或超交換作用。用或超交換作用。自旋同向自旋反向磁疇假說(shuō)磁疇假說(shuō) 鐵磁內(nèi)部的自發(fā)磁化被分為若干稱(chēng)為磁疇鐵磁內(nèi)部的自發(fā)磁化被分為若干稱(chēng)為磁疇的區(qū)域，在每一區(qū)域內(nèi)自發(fā)磁化到飽和，但各個(gè)區(qū)的區(qū)域，在每一區(qū)域內(nèi)自發(fā)磁化到飽和，但各個(gè)區(qū)域的磁化強(qiáng)度方向是混亂的，因

31、而當(dāng)不加磁場(chǎng)時(shí)，域的磁化強(qiáng)度方向是混亂的，因而當(dāng)不加磁場(chǎng)時(shí)，不表現(xiàn)出宏觀(guān)磁性。不表現(xiàn)出宏觀(guān)磁性。 既然存在著自發(fā)磁化，那為什么沒(méi)有經(jīng)過(guò)磁化的鐵既然存在著自發(fā)磁化，那為什么沒(méi)有經(jīng)過(guò)磁化的鐵材料沒(méi)有表現(xiàn)出宏觀(guān)磁性呢？材料沒(méi)有表現(xiàn)出宏觀(guān)磁性呢？這可以用這可以用Weiss提出的磁疇假說(shuō)給予解釋。提出的磁疇假說(shuō)給予解釋。磁疇壁與磁疇結(jié)構(gòu)磁疇壁與磁疇結(jié)構(gòu)疇與疇之間的邊界稱(chēng)為疇與疇之間的邊界稱(chēng)為疇壁疇壁。相鄰兩。相鄰兩個(gè)片狀疇的磁矩夾角為個(gè)片狀疇的磁矩夾角為180度，它們度，它們的邊界稱(chēng)為的邊界稱(chēng)為180度疇壁度疇壁。片狀疇與三。片狀疇與三角疇角疇(又稱(chēng)封閉疇又稱(chēng)封閉疇)之間磁矩相互垂直，之間磁矩相互垂直，

32、它們的邊界稱(chēng)為它們的邊界稱(chēng)為90度疇壁度疇壁。片狀疇片狀疇三角疇三角疇理論和實(shí)踐證明鐵磁體內(nèi)確實(shí)存在磁疇。理論和實(shí)踐證明鐵磁體內(nèi)確實(shí)存在磁疇。疇壁的寬度、形狀、尺寸、取向疇壁的寬度、形狀、尺寸、取向平衡狀態(tài)的疇結(jié)構(gòu)，應(yīng)具有最小的能量。平衡狀態(tài)的疇結(jié)構(gòu)，應(yīng)具有最小的能量。退磁場(chǎng)能、磁晶各向異性能、磁退磁場(chǎng)能、磁晶各向異性能、磁彈性能等彈性能等強(qiáng)磁性物質(zhì)中的磁自由能強(qiáng)磁性物質(zhì)中的磁自由能 強(qiáng)磁性物質(zhì)內(nèi)存在強(qiáng)磁性物質(zhì)內(nèi)存在交換作用能、靜磁能、退磁場(chǎng)能、磁交換作用能、靜磁能、退磁場(chǎng)能、磁晶各向異性能和磁彈性能晶各向異性能和磁彈性能等。等。靜磁能靜磁能：強(qiáng)磁性物質(zhì)的：強(qiáng)磁性物質(zhì)的磁化強(qiáng)度與外磁場(chǎng)的相互作

33、用能磁化強(qiáng)度與外磁場(chǎng)的相互作用能稱(chēng)為靜稱(chēng)為靜磁能磁能EH。EH = - MH cos , 為為M和和H的夾角。的夾角。退磁場(chǎng)能：退磁場(chǎng)能：鐵磁體的鐵磁體的磁化強(qiáng)度與自身退磁場(chǎng)磁化強(qiáng)度與自身退磁場(chǎng)的相互作用能。的相互作用能。Ed = 1/2 0NM2其中其中N是退磁因子，是退磁因子，M是磁化強(qiáng)度。是磁化強(qiáng)度。交換能：交換能：近鄰原子間靜電相互作用能，是各向同性的，比其他近鄰原子間靜電相互作用能，是各向同性的，比其他各項(xiàng)磁自由能大各項(xiàng)磁自由能大100-10000倍，倍，使強(qiáng)磁性物質(zhì)相鄰原子磁矩有使強(qiáng)磁性物質(zhì)相鄰原子磁矩有序排列（自發(fā)磁化）。其他各項(xiàng)磁自由能不改變其自發(fā)磁化的序排列（自發(fā)磁化）。其他

34、各項(xiàng)磁自由能不改變其自發(fā)磁化的本質(zhì)，而僅改變其磁疇結(jié)構(gòu)。本質(zhì)，而僅改變其磁疇結(jié)構(gòu)。磁晶各向性能磁晶各向性能: 磁性材料不同晶向的磁化曲線(xiàn)是不同的。外磁性材料不同晶向的磁化曲線(xiàn)是不同的。外磁場(chǎng)對(duì)磁單晶所做的磁化功，磁化功小的晶體方向稱(chēng)為易磁磁場(chǎng)對(duì)磁單晶所做的磁化功，磁化功小的晶體方向稱(chēng)為易磁化，磁化功大的晶體方向稱(chēng)為難磁化方向?；呕Υ蟮木w方向稱(chēng)為難磁化方向。沿不同方向的磁沿不同方向的磁化功的差值稱(chēng)為磁晶各向異性能?；Φ牟钪捣Q(chēng)為磁晶各向異性能。磁致伸縮磁致伸縮: 在磁場(chǎng)中磁化時(shí)在磁場(chǎng)中磁化時(shí), 鐵磁體的尺寸或體積發(fā)生變化的鐵磁體的尺寸或體積發(fā)生變化的現(xiàn)象稱(chēng)為磁致伸縮現(xiàn)象稱(chēng)為磁致伸縮, 通

35、常用磁致伸縮系數(shù)通常用磁致伸縮系數(shù) l / l 來(lái)表示。來(lái)表示。磁致伸縮系數(shù)隨磁場(chǎng)的增強(qiáng)而增加。當(dāng)磁場(chǎng)達(dá)到一定數(shù)值后，磁致伸縮系數(shù)隨磁場(chǎng)的增強(qiáng)而增加。當(dāng)磁場(chǎng)達(dá)到一定數(shù)值后，它達(dá)到飽和值，稱(chēng)為飽和磁致伸縮系數(shù)。對(duì)它達(dá)到飽和值，稱(chēng)為飽和磁致伸縮系數(shù)。對(duì)3d金屬及合金，金屬及合金， 約為約為10-5-10-6, REFe2型化合物可達(dá)型化合物可達(dá)10-3。磁致伸縮現(xiàn)象對(duì)鐵磁。磁致伸縮現(xiàn)象對(duì)鐵磁體的疇結(jié)構(gòu)、技術(shù)磁化行為及某些技術(shù)參量有重要的影響。體的疇結(jié)構(gòu)、技術(shù)磁化行為及某些技術(shù)參量有重要的影響。磁彈性能：磁彈性能：當(dāng)鐵磁體存在內(nèi)應(yīng)力或有外應(yīng)力作用時(shí)，當(dāng)鐵磁體存在內(nèi)應(yīng)力或有外應(yīng)力作用時(shí)，磁致伸磁致伸縮

36、要與應(yīng)力相互作用，與此有關(guān)的能量稱(chēng)為縮要與應(yīng)力相互作用，與此有關(guān)的能量稱(chēng)為磁彈性能磁彈性能。技術(shù)磁化曲線(xiàn)上的磁疇微結(jié)構(gòu)技術(shù)磁化曲線(xiàn)上的磁疇微結(jié)構(gòu)磁疇壁磁疇壁1932年，布洛赫首先從能量的觀(guān)點(diǎn)分析了大塊的鐵磁體的疇年，布洛赫首先從能量的觀(guān)點(diǎn)分析了大塊的鐵磁體的疇壁，稱(chēng)為壁，稱(chēng)為布洛赫壁布洛赫壁。在在180度疇壁中，如果原子磁矩在相鄰兩原子間突然反向，則度疇壁中，如果原子磁矩在相鄰兩原子間突然反向，則交換能的變化為交換能的變化為 Eex 4A 2。若在。若在n個(gè)等距離的原子間逐步個(gè)等距離的原子間逐步均勻轉(zhuǎn)向，則在均勻轉(zhuǎn)向，則在n+1個(gè)自旋轉(zhuǎn)向中，交換能個(gè)自旋轉(zhuǎn)向中，交換能Eex的總變化為的總變化為

37、 EexA 2 2n。 n 越大，交換能就越低越大，交換能就越低 疇壁中的原子磁矩必然是逐漸地轉(zhuǎn)向。疇壁中的原子磁矩必然是逐漸地轉(zhuǎn)向。 疇壁是由一個(gè)磁疇的原子磁矩方向逐漸轉(zhuǎn)向到相鄰磁疇疇壁是由一個(gè)磁疇的原子磁矩方向逐漸轉(zhuǎn)向到相鄰磁疇的原子磁矩方向的原子磁矩方向的的過(guò)渡區(qū)過(guò)渡區(qū)。在疇壁內(nèi)其交換能、磁晶各向異。在疇壁內(nèi)其交換能、磁晶各向異性能都比疇內(nèi)的高。所高出的這一部分能量稱(chēng)為疇壁能。性能都比疇內(nèi)的高。所高出的這一部分能量稱(chēng)為疇壁能。180度疇壁結(jié)構(gòu)度疇壁結(jié)構(gòu)反鐵磁性和亞鐵磁性反鐵磁性和亞鐵磁性根據(jù)磁矩相互作用的交換能理論，當(dāng)交換常數(shù)根據(jù)磁矩相互作用的交換能理論，當(dāng)交換常數(shù)A是負(fù)值時(shí)，是負(fù)值時(shí)，

38、磁矩將傾向于反平行排列。磁矩將傾向于反平行排列。反鐵磁材料、亞鐵磁性材料：磁矩反平行排列反鐵磁材料、亞鐵磁性材料：磁矩反平行排列反鐵磁性：兩種相反的磁矩正好抵消，總磁矩為零反鐵磁性：兩種相反的磁矩正好抵消，總磁矩為零亞鐵磁性：兩種磁矩大小不同，導(dǎo)致一定的自發(fā)磁化亞鐵磁性：兩種磁矩大小不同，導(dǎo)致一定的自發(fā)磁化亞鐵磁性和鐵磁性都具有亞鐵磁性和鐵磁性都具有以自發(fā)磁化為基礎(chǔ)的以自發(fā)磁化為基礎(chǔ)的強(qiáng)磁性和磁強(qiáng)磁性和磁滯回線(xiàn)等特征。滯回線(xiàn)等特征。反鐵磁材料的磁化率與溫度的關(guān)系反鐵磁材料的磁化率與溫度的關(guān)系其磁化率在高溫遵循居里其磁化率在高溫遵循居里-外斯定律：外斯定律：其中其中 0Neel點(diǎn)磁化率具有一個(gè)尖

39、銳的峰值，峰值位磁化率具有一個(gè)尖銳的峰值，峰值位置反映了自發(fā)的反平行排列消失的溫置反映了自發(fā)的反平行排列消失的溫度，稱(chēng)為度，稱(chēng)為Neel溫度溫度。溫度低于溫度低于Neel溫度時(shí)，磁化率是隨溫溫度時(shí)，磁化率是隨溫度的增加而增加。這是由于隨著溫度度的增加而增加。這是由于隨著溫度提高，反平行排列的秩序逐步減弱，提高，反平行排列的秩序逐步減弱，由此引起磁化率不斷增加。由此引起磁化率不斷增加。溫度高于溫度高于Neel溫度時(shí)，表現(xiàn)為順磁性。溫度時(shí)，表現(xiàn)為順磁性。與前面討論的一般順磁性相似，磁化與前面討論的一般順磁性相似，磁化率隨溫度升高而下降。率隨溫度升高而下降。磁功能材料磁功能材料各種磁功能材料各種磁功

40、能材料永磁材料（永磁材料（能長(zhǎng)期保持強(qiáng)磁性）能長(zhǎng)期保持強(qiáng)磁性） 稀土永磁材料、鐵氧體永磁材料、金屬永磁材料稀土永磁材料、鐵氧體永磁材料、金屬永磁材料軟磁材料軟磁材料 金屬軟磁材料、軟磁鐵氧體、非晶軟磁材料金屬軟磁材料、軟磁鐵氧體、非晶軟磁材料特種磁性材料特種磁性材料磁光材料、磁致伸縮材料、磁制冷材料磁光材料、磁致伸縮材料、磁制冷材料單自旋金屬材料單自旋金屬材料磁信息材料磁信息材料 磁記錄材料、磁存儲(chǔ)材料、磁信息材料磁記錄材料、磁存儲(chǔ)材料、磁信息材料永永 磁磁 材材 料料永磁材料永磁材料永磁材料永磁材料(硬磁材料硬磁材料)，是指施加外磁場(chǎng)磁化以后能長(zhǎng)期保留，是指施加外磁場(chǎng)磁化以后能長(zhǎng)期保留其磁性

41、的材料。其磁性的材料。“硬硬”：長(zhǎng)期保留磁性的能力高（不是指材料的力學(xué)硬度）。：長(zhǎng)期保留磁性的能力高（不是指材料的力學(xué)硬度）。最早發(fā)現(xiàn)、最早應(yīng)用、種類(lèi)最多、應(yīng)用最廣最早發(fā)現(xiàn)、最早應(yīng)用、種類(lèi)最多、應(yīng)用最廣磁性強(qiáng)磁性強(qiáng)保持磁性的能力強(qiáng)保持磁性的能力強(qiáng)磁性穩(wěn)定磁性穩(wěn)定如何判斷永磁材料的優(yōu)劣？如何判斷永磁材料的優(yōu)劣？高的最大磁能積高的最大磁能積高的剩余磁通密度高的剩余磁通密度(剩磁剩磁)高的矯頑力高的矯頑力磁滯回線(xiàn)越胖越好磁滯回線(xiàn)越胖越好永磁材料永磁材料：提供靜磁場(chǎng)的材料：提供靜磁場(chǎng)的材料天然磁石與釹鐵硼對(duì)比主要應(yīng)用主要應(yīng)用：電機(jī)電機(jī)微電機(jī)微電機(jī)麥克風(fēng)麥克風(fēng)Moving-coilmicrophone音

42、圈電機(jī)精密移動(dòng)1nm汽車(chē)：汽車(chē)：使用幾十個(gè)使用幾十個(gè)微電機(jī)微電機(jī)稀土永磁材料稀土永磁材料目前永磁性能最好的是稀土永磁材料，常被稱(chēng)為目前永磁性能最好的是稀土永磁材料，常被稱(chēng)為“永磁之王永磁之王”。以稀土元素為重要組元的金屬間化合物，以稀土元素為重要組元的金屬間化合物，“四高一低四高一低”：高的原子磁矩高的原子磁矩 高的剩磁高的剩磁高的磁晶各向異性高的磁晶各向異性 高的矯頑力高的矯頑力高的磁致伸縮系數(shù)高的磁致伸縮系數(shù)高的磁光效應(yīng)高的磁光效應(yīng)低的磁轉(zhuǎn)變溫度：低的磁轉(zhuǎn)變溫度：限制其實(shí)際的應(yīng)用限制其實(shí)際的應(yīng)用。（鐵和鈷的居里點(diǎn)很高，分別為（鐵和鈷的居里點(diǎn)很高，分別為1131度和度和770度。因此選取適度

43、。因此選取適當(dāng)?shù)南⊥猎睾外捇蜩F的金屬間化合物，經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)臒崽幚肀惝?dāng)?shù)南⊥猎睾外捇蜩F的金屬間化合物，經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)臒崽幚肀憧赡塬@得永磁性能良好的材料。）可能獲得永磁性能良好的材料。）u是現(xiàn)在已知的綜合性能最高的一種永磁材料是現(xiàn)在已知的綜合性能最高的一種永磁材料u比十九世紀(jì)使用的磁鋼的磁性能高比十九世紀(jì)使用的磁鋼的磁性能高100100多倍多倍u比鐵氧體、鋁鎳鈷性能優(yōu)越得多比鐵氧體、鋁鎳鈷性能優(yōu)越得多u比昂貴的鉑鈷合金的磁性能還高一倍比昂貴的鉑鈷合金的磁性能還高一倍u促進(jìn)了永磁器件向小型化發(fā)展，提高了產(chǎn)品的性能，而且促進(jìn)了永磁器件向小型化發(fā)展，提高了產(chǎn)品的性能，而且促使某些特殊器件的產(chǎn)生促使某些特殊

44、器件的產(chǎn)生u我國(guó)研制生產(chǎn)的各種稀土永磁材料的性能已接近或達(dá)到國(guó)我國(guó)研制生產(chǎn)的各種稀土永磁材料的性能已接近或達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。際先進(jìn)水平。稀土永磁材料稀土永磁材料第一代是第一代是SmCo5系系第二代是第二代是Sm2Co17系系第三代是第三代是Nd-Fe-B系系這三代永磁材料的最大磁能積這三代永磁材料的最大磁能積(BH)m一般在一般在160kJ/m3以上，以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其他永磁材料遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其他永磁材料稀土原料價(jià)格高，使用稀土永磁材料必須考慮經(jīng)濟(jì)和成本稀土原料價(jià)格高，使用稀土永磁材料必須考慮經(jīng)濟(jì)和成本問(wèn)題。隨著永磁性能的提高和生產(chǎn)工藝的改進(jìn)，已使稀土問(wèn)題。隨著永磁性能的提高和生產(chǎn)工藝的改進(jìn)，已使稀土

45、永磁材料與其他一些永磁材料的價(jià)格相近永磁材料與其他一些永磁材料的價(jià)格相近我國(guó)的稀土礦蘊(yùn)藏量約占全世界蘊(yùn)藏量的我國(guó)的稀土礦蘊(yùn)藏量約占全世界蘊(yùn)藏量的80%以上，發(fā)展以上，發(fā)展稀土永磁材料具有特別重要的意義稀土永磁材料具有特別重要的意義稀土永磁材料稀土永磁材料稀土永磁材料：鈷基合金稀土永磁材料：鈷基合金第一代永磁材料：第一代永磁材料：1:5型型RE-Co系稀土化合物系稀土化合物SmCo5、 PrCo5、MnCo5 和和 Ce(Co，Cu，F(xiàn)e)5第二代永磁材料：第二代永磁材料： 2:17型型RE-Co系稀土化合物系稀土化合物Sm(Co, Cu，F(xiàn)e，Zr)z (z7 - 8.4)。Sm-Co 永磁合

46、金的發(fā)現(xiàn)使永磁體的矯頑力和磁能積均有一永磁合金的發(fā)現(xiàn)使永磁體的矯頑力和磁能積均有一個(gè)跳躍性的發(fā)展，使永磁材料進(jìn)入一個(gè)新的發(fā)展階段。個(gè)跳躍性的發(fā)展，使永磁材料進(jìn)入一個(gè)新的發(fā)展階段。但但Sm-Co型合金含有相對(duì)多的稀土元素型合金含有相對(duì)多的稀土元素Sm，同時(shí)含有昂貴，同時(shí)含有昂貴的戰(zhàn)略金屬的戰(zhàn)略金屬Co，由于其成本高，應(yīng)用受到限制。，由于其成本高，應(yīng)用受到限制。稀土永磁材料：鐵基合金稀土永磁材料：鐵基合金(Nd-Fe-B) 1983年發(fā)現(xiàn)的第三代永磁材料：年發(fā)現(xiàn)的第三代永磁材料：Nd-Fe-B系列系列優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：1）磁能積創(chuàng)歷史記錄）磁能積創(chuàng)歷史記錄, 當(dāng)時(shí)達(dá)到當(dāng)時(shí)達(dá)到290 kJ/m。經(jīng)過(guò)二十年

47、的發(fā)。經(jīng)過(guò)二十年的發(fā)展，現(xiàn)在磁能積又達(dá)到一新高度即展，現(xiàn)在磁能積又達(dá)到一新高度即430 kJ/m2）矯頑力很高，）矯頑力很高， 2400 kA/m3）以）以Fe、B和和Nd作為主要原材料，資源豐富，價(jià)格便宜作為主要原材料，資源豐富，價(jià)格便宜4）居里溫度已提高到）居里溫度已提高到600度，其工作溫度已達(dá)到度，其工作溫度已達(dá)到240度度據(jù)預(yù)測(cè)，在未來(lái)的據(jù)預(yù)測(cè)，在未來(lái)的20-30年內(nèi)不可能有能取代年內(nèi)不可能有能取代Nd-Fe-B系永磁系永磁合金的新型永磁材料出現(xiàn)。合金的新型永磁材料出現(xiàn)。1994年世界年世界Nd-Fe-B系永磁體的系永磁體的產(chǎn)量約產(chǎn)量約5000噸噸, 2000年全球產(chǎn)量為到年全球產(chǎn)量

48、為到14000噸以上。噸以上。鐵氧體永磁材料鐵氧體永磁材料u以以Fe2O3為重要組分的復(fù)合氧化物磁性材料為重要組分的復(fù)合氧化物磁性材料u產(chǎn)量最高、價(jià)格低廉、種類(lèi)很多產(chǎn)量最高、價(jià)格低廉、種類(lèi)很多u生產(chǎn)工藝同一般陶瓷器的生產(chǎn)工藝相似生產(chǎn)工藝同一般陶瓷器的生產(chǎn)工藝相似u鐵氧體絕大多數(shù)是亞鐵磁性材料，鐵氧體絕大多數(shù)是亞鐵磁性材料，飽和磁化強(qiáng)度較低飽和磁化強(qiáng)度較低u鐵氧體，電阻率很高，可直接應(yīng)用于高頻電磁波鐵氧體，電阻率很高，可直接應(yīng)用于高頻電磁波 目前，在收音機(jī)、電視機(jī)的喇叭中，在各種永磁電動(dòng)機(jī)中，目前，在收音機(jī)、電視機(jī)的喇叭中，在各種永磁電動(dòng)機(jī)中，及其他許多應(yīng)用永磁材料的器件和裝置中，大量使用的仍然

49、及其他許多應(yīng)用永磁材料的器件和裝置中，大量使用的仍然是 鐵 氧 體 永 磁 材 料 ， 其 成 分 為 磁 鉛 石 型 的是 鐵 氧 體 永 磁 材 料 ， 其 成 分 為 磁 鉛 石 型 的 鋇 鐵 氧 體鋇 鐵 氧 體(BaFe12O19)系。系。金屬永磁材料金屬永磁材料 當(dāng)前應(yīng)用較多的有兩大類(lèi)金屬永磁材料：當(dāng)前應(yīng)用較多的有兩大類(lèi)金屬永磁材料：硬度高因而不易機(jī)械加工的硬度高因而不易機(jī)械加工的Alnico系合金系合金，主要成分為，主要成分為Co、Ni和和Al，隨合金成分和加工情況的不同分為，隨合金成分和加工情況的不同分為Alnico1 Alnico2 等，一般經(jīng)過(guò)磁場(chǎng)熱處理的各向異性等，一般

50、經(jīng)過(guò)磁場(chǎng)熱處理的各向異性Alnico合合金，最大磁能積可達(dá)金，最大磁能積可達(dá)70 kJ/m3。(1) 韌性高因而容易加工的韌性高因而容易加工的Fe-Cr-Co系和系和Fe-Co-V系系, 是目前是目前應(yīng)用較多的可以進(jìn)行機(jī)械加工和冷熱塑性變形的永磁合應(yīng)用較多的可以進(jìn)行機(jī)械加工和冷熱塑性變形的永磁合金，可制成絲狀、片狀和管狀。但這些合金對(duì)熱處理非金，可制成絲狀、片狀和管狀。但這些合金對(duì)熱處理非常敏感，不掌握最佳處理?xiàng)l件很難獲得最佳永磁性能。常敏感，不掌握最佳處理?xiàng)l件很難獲得最佳永磁性能。u合金型永磁材料合金型永磁材料u中等的最大磁能積，溫度特性較好，價(jià)格居于稀土永磁材中等的最大磁能積，溫度特性較好

51、，價(jià)格居于稀土永磁材料與鐵氧體永磁材料之間，故應(yīng)用也較多料與鐵氧體永磁材料之間，故應(yīng)用也較多軟軟 磁磁 材材 料料軟磁材料軟磁材料軟磁材料指的是矯頑力低、磁導(dǎo)率高的磁性材料軟磁材料指的是矯頑力低、磁導(dǎo)率高的磁性材料大多數(shù)是在大多數(shù)是在交變磁場(chǎng)條件下交變磁場(chǎng)條件下工作，要求其體積小、重量輕、工作，要求其體積小、重量輕、功率大、靈敏度高、發(fā)熱量少、穩(wěn)定性好、壽命長(zhǎng)。功率大、靈敏度高、發(fā)熱量少、穩(wěn)定性好、壽命長(zhǎng)。主要應(yīng)用：主要應(yīng)用：發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子變壓器、電感器、電抗器、繼電器和鎮(zhèn)流器的鐵芯變壓器、電感器、電抗器、繼電器和鎮(zhèn)流器的鐵芯計(jì)算機(jī)磁芯計(jì)算機(jī)磁芯 磁記錄的

52、磁頭與磁介質(zhì)磁記錄的磁頭與磁介質(zhì)磁屏蔽磁屏蔽電磁鐵的鐵芯電磁鐵的鐵芯磁路的導(dǎo)磁體磁路的導(dǎo)磁體 軟磁體：提供磁路的材料軟磁體：提供磁路的材料主要應(yīng)用主要應(yīng)用：電磁鐵電磁鐵電感電感變壓器變壓器磁頭磁頭第一次使用絕緣的導(dǎo)線(xiàn)繞在軟磁體的外面1831法拉第電感和變壓器1831, Joseph Henry, first electromagnet1933環(huán)形磁頭1978薄膜磁頭不軟的軟磁材料不軟的軟磁材料軟磁材料的磁滯回線(xiàn)細(xì)長(zhǎng)，軟磁材料的磁滯回線(xiàn)細(xì)長(zhǎng)，磁導(dǎo)率高，矯頑力低，鐵磁導(dǎo)率高，矯頑力低，鐵芯損耗低，容易磁化，也芯損耗低，容易磁化，也容易去磁。容易去磁。應(yīng)具有以下四個(gè)基本條件：應(yīng)具有以下四個(gè)基本條件：

53、u飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度量飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度量BsBs高高u磁導(dǎo)率磁導(dǎo)率 高高u居里溫度盡可能高居里溫度盡可能高u鐵芯損耗要小鐵芯損耗要小在選擇和研制軟磁材料時(shí)應(yīng)力求做到在選擇和研制軟磁材料時(shí)應(yīng)力求做到：u單位體積內(nèi)材料的磁性原子數(shù)要多、原子磁矩要大單位體積內(nèi)材料的磁性原子數(shù)要多、原子磁矩要大u磁晶各向異性常數(shù)要低（矯頑力要低磁晶各向異性常數(shù)要低（矯頑力要低 ）u磁致伸縮系數(shù)要小（內(nèi)應(yīng)力盡可能低）磁致伸縮系數(shù)要?。▋?nèi)應(yīng)力盡可能低）u材料應(yīng)能做成薄帶或片狀，但其厚度要足夠小材料應(yīng)能做成薄帶或片狀，但其厚度要足夠小軟磁材料軟磁材料應(yīng)用最多的軟磁材料是鐵硅合金應(yīng)用最多的軟磁材料是鐵硅合金(硅鋼片硅鋼片)以及各種

54、軟磁鐵氧體以及各種軟磁鐵氧體等等 。通常按成分分為：。通常按成分分為：純鐵和低碳鋼純鐵和低碳鋼。含碳量低于。含碳量低于0.04，包括電磁純鐵，包括電磁純鐵 、電解鐵、電解鐵和羰基鐵。其特點(diǎn)是飽和磁化強(qiáng)度高，價(jià)格低廉，加工性能好；和羰基鐵。其特點(diǎn)是飽和磁化強(qiáng)度高，價(jià)格低廉，加工性能好；但其電阻率低、在交變磁場(chǎng)下渦流損耗大，只適于靜態(tài)下使用，但其電阻率低、在交變磁場(chǎng)下渦流損耗大，只適于靜態(tài)下使用，如制造電磁鐵芯、極靴、繼電器和揚(yáng)聲器磁導(dǎo)體、磁屏蔽罩等。如制造電磁鐵芯、極靴、繼電器和揚(yáng)聲器磁導(dǎo)體、磁屏蔽罩等。鐵硅系合金（硅鋼片）。鐵硅系合金（硅鋼片）。含硅量含硅量 0.5 4.8。在純鐵中加入。在純

55、鐵中加入硅后，硅后，可消除磁性材料的磁性隨使用時(shí)間而變化的現(xiàn)象可消除磁性材料的磁性隨使用時(shí)間而變化的現(xiàn)象。隨著。隨著硅含量增加，熱導(dǎo)率降低，脆性增加，飽和磁化強(qiáng)度下降，但硅含量增加，熱導(dǎo)率降低，脆性增加，飽和磁化強(qiáng)度下降，但其電阻率和磁導(dǎo)率高，矯頑力和渦流損耗減小，從而可應(yīng)用到其電阻率和磁導(dǎo)率高，矯頑力和渦流損耗減小，從而可應(yīng)用到交流領(lǐng)域，制造電機(jī)、變壓器、繼電器、互感器等的鐵芯。交流領(lǐng)域，制造電機(jī)、變壓器、繼電器、互感器等的鐵芯。軟磁材料軟磁材料鐵鋁系合金鐵鋁系合金 。含鋁含鋁616，具有較好的軟磁性能，磁導(dǎo)率，具有較好的軟磁性能，磁導(dǎo)率和電阻率高，硬度高、耐磨性好，但性脆，主要用于制造小型

56、和電阻率高，硬度高、耐磨性好，但性脆，主要用于制造小型變壓器、磁放大器、繼電器等的鐵芯和磁頭、超聲換能器等。變壓器、磁放大器、繼電器等的鐵芯和磁頭、超聲換能器等。鐵硅鋁系合金鐵硅鋁系合金。在二元鐵鋁合金中加入硅獲得。其硬度、飽。在二元鐵鋁合金中加入硅獲得。其硬度、飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度、磁導(dǎo)率和電阻率都較高。缺點(diǎn)是磁性能對(duì)成分和磁感應(yīng)強(qiáng)度、磁導(dǎo)率和電阻率都較高。缺點(diǎn)是磁性能對(duì)成分起伏敏感，脆性大，加工性能差。主要用于音頻和視頻磁頭。起伏敏感，脆性大，加工性能差。主要用于音頻和視頻磁頭。鎳鐵系合金（坡莫合金）。鎳鐵系合金（坡莫合金）。鎳含量鎳含量3090。通過(guò)合金化。通過(guò)合金化元素配比和適當(dāng)工藝，可控制

57、磁性能，獲得高導(dǎo)磁、恒導(dǎo)磁、元素配比和適當(dāng)工藝，可控制磁性能，獲得高導(dǎo)磁、恒導(dǎo)磁、矩磁等軟磁材料。其塑性高，對(duì)應(yīng)力較敏感，可用作脈沖變壓矩磁等軟磁材料。其塑性高，對(duì)應(yīng)力較敏感，可用作脈沖變壓器材料、電感鐵芯和功能磁性材料。器材料、電感鐵芯和功能磁性材料。鐵鈷系合金鐵鈷系合金。鈷含量。鈷含量2750。具有較高的飽和磁化強(qiáng)度，。具有較高的飽和磁化強(qiáng)度，電阻率低。適于制造電機(jī)轉(zhuǎn)子和定子、小型變壓器鐵芯等。電阻率低。適于制造電機(jī)轉(zhuǎn)子和定子、小型變壓器鐵芯等。軟磁材料軟磁材料軟磁鐵氧體軟磁鐵氧體。非金屬亞鐵磁性軟磁材料。電阻率高，飽和磁。非金屬亞鐵磁性軟磁材料。電阻率高，飽和磁化強(qiáng)度比金屬低，價(jià)格低廉，

58、廣泛用作電感元件和變壓器元件?；瘡?qiáng)度比金屬低，價(jià)格低廉，廣泛用作電感元件和變壓器元件。非晶態(tài)軟磁合金非晶態(tài)軟磁合金（又稱(chēng)金屬玻璃，或非晶金屬）。（又稱(chēng)金屬玻璃，或非晶金屬）。一種無(wú)一種無(wú)長(zhǎng)長(zhǎng)程有序、無(wú)晶粒合金。其磁導(dǎo)率和電阻率高，矯頑力小，對(duì)應(yīng)程有序、無(wú)晶粒合金。其磁導(dǎo)率和電阻率高，矯頑力小，對(duì)應(yīng)力不敏感，不存在由晶體結(jié)構(gòu)引起的磁晶各向異性，具有耐蝕力不敏感，不存在由晶體結(jié)構(gòu)引起的磁晶各向異性，具有耐蝕和高強(qiáng)度等特點(diǎn)。此外，其居里點(diǎn)比晶態(tài)軟磁材料低得多，電和高強(qiáng)度等特點(diǎn)。此外，其居里點(diǎn)比晶態(tài)軟磁材料低得多，電能損耗大為降低，是一種正在開(kāi)發(fā)利用的新型軟磁材料。能損耗大為降低，是一種正在開(kāi)發(fā)利用的

59、新型軟磁材料。超微晶軟磁合金超微晶軟磁合金。20世紀(jì)世紀(jì)80年代發(fā)現(xiàn)的一種軟磁材料。由小年代發(fā)現(xiàn)的一種軟磁材料。由小于于50納米左右的結(jié)晶相和非晶態(tài)的晶界相組成，具有比晶態(tài)和納米左右的結(jié)晶相和非晶態(tài)的晶界相組成，具有比晶態(tài)和非晶態(tài)合金更好的綜合性能，不僅磁導(dǎo)率高、矯頑力低、鐵損非晶態(tài)合金更好的綜合性能，不僅磁導(dǎo)率高、矯頑力低、鐵損耗小，且飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好。現(xiàn)主要研究的是鐵基耗小，且飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好?，F(xiàn)主要研究的是鐵基超微晶合金。超微晶合金。軟磁材料軟磁材料與壓電材料和傳統(tǒng)的磁致伸縮材料相比具有以下特點(diǎn)：與壓電材料和傳統(tǒng)的磁致伸縮材料相比具有以下特點(diǎn)：uTerfenol-D飽

60、和磁致伸縮應(yīng)變很大，比鎳大飽和磁致伸縮應(yīng)變很大，比鎳大4050倍，比倍，比PZT壓電陶瓷大壓電陶瓷大58倍，故在低頻下可使得水聲換能器獲得很高的倍，故在低頻下可使得水聲換能器獲得很高的體積速度和聲源級(jí)；體積速度和聲源級(jí)；u能量密度高，比鎳大能量密度高，比鎳大400500倍，比倍，比PZT壓電陶瓷大壓電陶瓷大10倍；倍；u磁機(jī)械耦合系數(shù)大，有利于換能器的寬帶高頻率工作；磁機(jī)械耦合系數(shù)大，有利于換能器的寬帶高頻率工作；u聲速低，比鎳小聲速低，比鎳小3倍，約為壓電陶瓷的一半，有利于換能器倍，約為壓電陶瓷的一半，有利于換能器小型化設(shè)計(jì)；小型化設(shè)計(jì)；u居里點(diǎn)溫度高。對(duì)大功率而言，即使是瞬間過(guò)熱都會(huì)導(dǎo)致居