第七章 無機材料的磁學性能1

1、磁磁性性材材料料金屬和合金金屬和合金電阻率低，損耗大，不能滿足應用之需要，電阻率低，損耗大，不能滿足應用之需要，尤其在高頻范圍內(nèi)。尤其在高頻范圍內(nèi)。含鐵及其它元素的復合氧化物，含鐵及其它元素的復合氧化物，稱為鐵氧體（稱為鐵氧體（ferrite）。電阻率）。電阻率為為10106 m，屬于半導體范，屬于半導體范疇。疇。無機磁性材料：無機磁性材料：高電阻高電阻低損耗低損耗7.1 7.1 物質(zhì)的磁性物質(zhì)的磁性一、一、磁學性質(zhì)基本概念磁學性質(zhì)基本概念二、磁性的本質(zhì)二、磁性的本質(zhì)三、磁性的分類三、磁性的分類一、電極化：在外電場作用下，介質(zhì)內(nèi)的質(zhì)點（原子、分子、離子）正負電荷重心的分離，使其轉(zhuǎn)變成偶極子的過

2、程?；蛟谕怆妶鲎饔孟拢?、負電荷盡管可以逆向移動，但它們并不能掙脫彼此的束縛而形成電流，只能產(chǎn)生微觀尺度的相對位移并使其轉(zhuǎn)變成偶極子的過程。 二、磁化：是指在物質(zhì)中形成了成對的N、S磁極。三、電荷磁極強度，極化強度磁化強度磁性質(zhì)與介電性質(zhì)磁性質(zhì)與介電性質(zhì)在磁場的作用下，物質(zhì)中形成了成對的N、S磁極，使其宏觀表現(xiàn)為磁性，稱這種現(xiàn)象為磁化。NS S+-+qm- qm磁極上的磁荷如圖，在N、S磁極上帶有+qm、-qm的磁量。與電場對應，把磁量叫做磁荷。一對等量異號的磁極體系叫做磁極體系叫做磁偶極子。磁偶極子。一、磁學性質(zhì)基本概念1. 磁化磁介質(zhì)：磁介質(zhì)：能被磁場磁化的介質(zhì)稱為能被磁場磁化的介質(zhì)稱為磁

3、介質(zhì)磁介質(zhì)。NS S+-+qm- qm磁極上的磁荷對應于靜電庫侖定律，兩個磁極間的相互作用F在二者的連線上，其大小與磁荷（qm1、qm2）及它們間的距離r有如下關系：221041rqqFmmr0為真空磁導率 =410-7 H/m將磁極強度（磁荷）為將磁極強度（磁荷）為qm、相相距為距為L的的磁偶極子磁偶極子置于磁場強度置于磁場強度H中，則：中，則：磁偶極子受到的磁場力可表示為磁偶極子受到的磁場力可表示為 F=qmH磁矩磁矩：m=ql-qmHqmHSNHqmHsinL2. 磁矩磁矩 (magnetic moment )電偶極子電偶極子-q+qlEql磁矩是表示磁矩是表示磁體本質(zhì)磁體本質(zhì)的一個物理

4、量，的一個物理量，表征表征磁性物體磁性磁性物體磁性大小。大小。 磁偶極子磁偶極子小封閉環(huán)小封閉環(huán)形電流形電流SIm磁矩的方向為它本身在圓心所產(chǎn)生磁矩的方向為它本身在圓心所產(chǎn)生的磁場方向。的磁場方向。I - 電流強度電流強度， S 為封閉環(huán)形的面積為封閉環(huán)形的面積m：單位：單位A m2磁矩愈大，磁性愈強，即物質(zhì)在磁場中所受的力也愈大。磁矩愈大，磁性愈強，即物質(zhì)在磁場中所受的力也愈大。磁矩只與物體本身有關，與外磁場無關。磁矩只與物體本身有關，與外磁場無關。 也可用環(huán)行電流描述也可用環(huán)行電流描述磁矩：磁矩：3. 磁化強度與磁感應強度磁化強度與磁感應強度 把物質(zhì)置于外磁場中，物質(zhì)可能被磁化，這時物質(zhì)的

5、把物質(zhì)置于外磁場中，物質(zhì)可能被磁化，這時物質(zhì)的磁化磁化強度強度將發(fā)生變化。將發(fā)生變化。磁化強度磁化強度M M與磁場強度與磁場強度H H有如下關系式有如下關系式： M=M= H H 或或 =M/H=M/H式中，式中， 為物質(zhì)的為物質(zhì)的磁化率。磁化率。 ：介質(zhì)的磁化率，：介質(zhì)的磁化率，僅與介質(zhì)性質(zhì)有關，反映材料磁化的能力。沒有僅與介質(zhì)性質(zhì)有關，反映材料磁化的能力。沒有單位，可正可負，取決于材料不同的磁型類別。單位，可正可負，取決于材料不同的磁型類別。磁化強度磁化強度M M：磁化強度的物理意義是磁化強度的物理意義是單位體積的磁矩，單位體積的磁矩，表征磁表征磁介質(zhì)被磁化的程度。介質(zhì)被磁化的程度。材料被

6、磁化：材料被磁化： H總總 HH1(矢量和矢量和)外加磁場強度為外加磁場強度為H，磁介質(zhì)的總磁場強度：，磁介質(zhì)的總磁場強度：H1=M H磁感應強度磁感應強度B：通過磁場中某點，垂直于通過磁場中某點，垂直于磁場方向單位面積磁場方向單位面積的磁力線數(shù)的磁力線數(shù)，單位：，單位：Wb m-2（T特斯拉）特斯拉）HB00(H/m)104-70真空磁導率真空磁導率HHHB)1 (00總介質(zhì)的磁導率介質(zhì)的磁導率0)1 (0/1r介質(zhì)的相對磁導率介質(zhì)的相對磁導率介質(zhì)的磁導率介質(zhì)的磁導率磁化過程中伴隨著磁偶極子的轉(zhuǎn)向和磁疇壁的移動。M如圖為如圖為磁化強度磁化強度M與磁場強度與磁場強度H的關系曲線的關系曲線（磁化

7、曲線），它（磁化曲線），它們一般并不呈線性關系。們一般并不呈線性關系。二、磁性的本質(zhì)二、磁性的本質(zhì) 磁現(xiàn)象和電現(xiàn)象有著本質(zhì)的聯(lián)系，磁現(xiàn)象和電現(xiàn)象有著本質(zhì)的聯(lián)系，材料內(nèi)部電子的循軌材料內(nèi)部電子的循軌運動和自旋運動都可以看作是一個閉合的環(huán)形電流運動和自旋運動都可以看作是一個閉合的環(huán)形電流，因而必，因而必然會產(chǎn)生磁矩。然會產(chǎn)生磁矩。1. 1.電子軌道磁矩電子軌道磁矩電子自旋與繞核公轉(zhuǎn)自旋電子-er原子核+e軌道運動電子繞核作圓周運動可以認為是一個閉合線路，則環(huán)形電流能產(chǎn)生磁矩。電子繞原子核運動產(chǎn)生電子軌道磁矩。 設電子質(zhì)量設電子質(zhì)量m，電荷，電荷e，圓周運動半徑，圓周運動半徑r, 角速度角速度。則。

8、則軌道運動速度為軌道運動速度為/2，相當于電流大小為，相當于電流大小為 e/2 (A)流過流過界面積為界面積為 r2 的線圈的線圈。 因此產(chǎn)生的因此產(chǎn)生的磁矩為：磁矩為： mi= IS= (e/2) r2 =(e/2m)P 式中P=mr2稱為電子軌道運動的角動量。2. 2. 電子自旋磁矩電子自旋磁矩電子自旋產(chǎn)生自旋磁矩ms。電子自旋的磁矩與電子自旋的角動量Ps存在以下關系。 ms =(e/m)(h/2) Ps=2Ps B其中，h為普朗克常數(shù)。 電子自旋與繞核公轉(zhuǎn)自旋電子-er原子核+e軌道運動3. 3. 原子核磁矩原子核磁矩原子核的質(zhì)量是電子的1800倍，運動速度僅為電子速度的千分之幾，所以原

9、子核的自旋磁矩僅為電子自旋磁矩的千分之幾。原子核的自旋磁矩對原子磁矩貢獻很小，可以忽略不計。磁性的本源：電子的循軌運動和自旋運動。磁性的本源：電子的循軌運動和自旋運動。軌道磁矩軌道磁矩自旋磁矩自旋磁矩電子磁矩電子磁矩 原子核磁矩很小，約為電子磁矩的原子核磁矩很小，約為電子磁矩的12000，忽略不計，忽略不計物質(zhì)的磁性主要由電子的自旋磁矩引起物質(zhì)的磁性主要由電子的自旋磁矩引起原子、分子是否具有磁矩，原子、分子是否具有磁矩，決定于原子、分子的結構決定于原子、分子的結構v 原子中的電子層均被電子排滿時，原子沒有磁矩原子中的電子層均被電子排滿時，原子沒有磁矩（方（方向相反的電子自旋磁矩可以互相抵消）向

10、相反的電子自旋磁矩可以互相抵消）。v 只有原子中存在只有原子中存在未被排滿的電子層未被排滿的電子層時，電子磁矩之和時，電子磁矩之和不為零，原子才具有磁矩，稱為原子的不為零，原子才具有磁矩，稱為原子的固有磁矩固有磁矩。Fe原子：原子：3d64s2Zn：不顯示磁性：不顯示磁性各層都充滿電子的原子結構各層都充滿電子的原子結構原子結合成分子時，它們的原子結合成分子時，它們的外層電子磁矩外層電子磁矩要發(fā)生要發(fā)生變化，所以變化，所以分子磁矩不是單個原子磁矩的總和分子磁矩不是單個原子磁矩的總和。三、磁性的分類三、磁性的分類使磁場減弱使磁場減弱使磁場略有增強使磁場略有增強使磁場強烈增強使磁場強烈增強1. 抗磁

11、性抗磁性 0（-10-5），），磁化強度為負；磁化強度為負； B0 （10-5），磁化強度為正；），磁化強度為正； 磁化率與絕對溫度呈反比，磁化率與絕對溫度呈反比， C/T，C為居里常數(shù)；為居里常數(shù)； 原子（離子）存在固有磁矩；原子（離子）存在固有磁矩； M與與H呈線性關系。呈線性關系。如：過渡元素、稀土元素等。如：過渡元素、稀土元素等。3. 鐵磁性鐵磁性（強磁性）（強磁性） 0 （103），而且很大，磁化強度為正；），而且很大，磁化強度為正； 較弱的磁場，也可得到極高的磁化強度；較弱的磁場，也可得到極高的磁化強度； 去除外磁場后，仍保留極強的磁性；去除外磁場后，仍保留極強的磁性； M與與H呈

12、非線性關系。呈非線性關系。如：如：Fe、Co、NiFe、Co、Ni原子的外層電子填充規(guī)律原子的外層電子填充規(guī)律金屬元素金屬元素FeCoNi原子外層電子原子外層電子分布分布3d64s23d74s23d84s2d層原子填充層原子填充規(guī)律規(guī)律未抵消未抵消自旋數(shù)自旋數(shù)432處于不同原子間的、未被填滿殼層上的電子發(fā)處于不同原子間的、未被填滿殼層上的電子發(fā)生特殊的相互作用生特殊的相互作用。參與相互作用的電子已不。參與相互作用的電子已不再局限于原來的原子，再局限于原來的原子，而是而是“公有化公有化”了，原了，原子間好像在交換電子，稱為子間好像在交換電子，稱為“交換作用交換作用”。結。結果迫使相鄰原子果迫使相

13、鄰原子自旋磁矩產(chǎn)生有序排列。自旋磁矩產(chǎn)生有序排列。因交換作用所產(chǎn)生的附加能量稱為因交換作用所產(chǎn)生的附加能量稱為交換能交換能J。J為正值時，呈現(xiàn)鐵磁性。為正值時，呈現(xiàn)鐵磁性。 交換能交換能J與晶格的原子間距有密切關系，與晶格的原子間距有密切關系，原子間距原子間距a與與未被填滿的電子殼層直徑未被填滿的電子殼層直徑D之比大于之比大于3時，交換能為正值時，交換能為正值，表現(xiàn)出鐵磁性；表現(xiàn)出鐵磁性；a/D3時，交換能為負值，時，交換能為負值，為反鐵磁性。為反鐵磁性。 鐵磁體的鐵磁性只在某一溫度以下才能表現(xiàn)出來鐵磁體的鐵磁性只在某一溫度以下才能表現(xiàn)出來，超過，超過這一溫度，由于熱振動破壞了這一溫度，由于熱

14、振動破壞了電子自旋磁矩的平行取向電子自旋磁矩的平行取向，自自發(fā)磁化強度變?yōu)榱惆l(fā)磁化強度變?yōu)榱?，鐵磁性消失。，鐵磁性消失。 由順磁性轉(zhuǎn)變?yōu)殍F磁性的溫度為居里點。居里點以上，由順磁性轉(zhuǎn)變?yōu)殍F磁性的溫度為居里點。居里點以上，材料的磁化率與溫度的關系服從材料的磁化率與溫度的關系服從居里居里外斯定律：外斯定律：0TTCC居里常數(shù)居里常數(shù)4. 反鐵磁性反鐵磁性（弱磁性）（弱磁性）J 任何溫度下，都觀察不到反鐵磁性物質(zhì)的任何自發(fā)磁任何溫度下，都觀察不到反鐵磁性物質(zhì)的任何自發(fā)磁化現(xiàn)象，因此其化現(xiàn)象，因此其宏觀特性是順磁性的宏觀特性是順磁性的； M與與H呈線性關系；呈線性關系； 與溫度的關系：與溫度的關系： T

15、Tn反鐵磁性物質(zhì)反鐵磁性物質(zhì) 與溫度的關系與溫度的關系Tn反鐵磁居里點反鐵磁居里點抗抗7.2 7.2 磁疇與磁滯回線磁疇與磁滯回線一、磁疇的形成一、磁疇的形成二、磁滯回線二、磁滯回線一、磁疇的形成一、磁疇的形成鐵磁性物質(zhì)中自發(fā)磁化方向一致的微小區(qū)域，稱為鐵磁性物質(zhì)中自發(fā)磁化方向一致的微小區(qū)域，稱為磁疇磁疇。相鄰疇壁間的過渡層稱為相鄰疇壁間的過渡層稱為磁疇壁磁疇壁。(BaFe12O19)磁疇結構保證體系能量最低磁疇結構保證體系能量最低磁疇首尾相接，形成閉合回路磁疇首尾相接，形成閉合回路主疇：主疇：大而長的磁疇組織，其自發(fā)磁化方向必定沿著晶體大而長的磁疇組織，其自發(fā)磁化方向必定沿著晶體的易磁化方向

16、。的易磁化方向。副疇：副疇：小而短的磁疇組織，其自發(fā)磁化方向不一定是晶體小而短的磁疇組織，其自發(fā)磁化方向不一定是晶體的易磁化方向。的易磁化方向。磁疇壁：磁疇壁：180磁疇壁磁疇壁與與90磁疇壁磁疇壁 109.47 磁疇壁磁疇壁與與70.53磁疇壁磁疇壁磁疇壁是一個過渡區(qū)，有一定厚度。磁疇壁是一個過渡區(qū)，有一定厚度。磁疇的磁化方向在疇壁處不能突然轉(zhuǎn)一個大角度，磁疇的磁化方向在疇壁處不能突然轉(zhuǎn)一個大角度，而是而是經(jīng)過疇壁的一定厚度逐步轉(zhuǎn)過去的經(jīng)過疇壁的一定厚度逐步轉(zhuǎn)過去的，即過渡區(qū)中的原子，即過渡區(qū)中的原子磁矩是逐步改變方向的。磁矩是逐步改變方向的。磁疇的形狀、尺寸、疇壁的類型與厚度總稱磁疇的形狀

17、、尺寸、疇壁的類型與厚度總稱為為。同一磁性材料，磁疇結構不同，。同一磁性材料，磁疇結構不同，則其磁化行為也不同。則其磁化行為也不同。Bloch疇壁疇壁（塊體磁性體中）（塊體磁性體中）Neel疇壁疇壁（薄膜磁性體中）（薄膜磁性體中）磁疇壁內(nèi)磁矩始終與疇壁平面磁疇壁內(nèi)磁矩始終與疇壁平面平行，即磁矩圍繞平行難磁化平行，即磁矩圍繞平行難磁化軸而轉(zhuǎn)動。軸而轉(zhuǎn)動。磁疇壁內(nèi)磁矩始終與薄膜平面平磁疇壁內(nèi)磁矩始終與薄膜平面平行，行，即磁矩圍繞垂直薄膜表面的即磁矩圍繞垂直薄膜表面的軸而轉(zhuǎn)動。軸而轉(zhuǎn)動。二、磁滯回線二、磁滯回線1. 磁化曲線磁化曲線 鐵磁體在外磁場中的磁化（使材料具有磁性的過程）鐵磁體在外磁場中的磁

18、化（使材料具有磁性的過程）過程主要為過程主要為疇壁的移動和磁疇內(nèi)磁矩疇壁的移動和磁疇內(nèi)磁矩的轉(zhuǎn)向的轉(zhuǎn)向。oa：微弱磁場中，磁感應強度：微弱磁場中，磁感應強度B隨隨外磁場強度外磁場強度H的增大緩慢上升，的增大緩慢上升，磁化強度磁化強度M與外磁場強度與外磁場強度H之之間近似呈直線關系，磁化是可間近似呈直線關系，磁化是可逆的（可逆壁移）逆的（可逆壁移）；ab：疇壁移動使與外磁場方向一致：疇壁移動使與外磁場方向一致的磁疇范圍擴大，的磁疇范圍擴大，其它方向的其它方向的磁疇相應縮?。淮女犗鄳s?。籦c：與磁場方向不一致的磁疇的磁：與磁場方向不一致的磁疇的磁化矢量按化矢量按外磁場方向轉(zhuǎn)動，直外磁場方向轉(zhuǎn)動，直到處于飽和狀態(tài)。到處于飽和狀態(tài)。2. 磁滯回線磁滯回線Bs飽和磁感應強度飽和磁感應強度Br剩余磁感應強度剩余磁感應強度Hc矯頑磁場強度（矯頑力）矯頑磁場強度（矯頑力）材料磁化與外磁場的關系：材料磁化與外磁場的關系：磁滯損耗：磁滯損耗：回線所包圍的面積相當于磁化一個周期所產(chǎn)生的回線所包圍的面積相當于磁化一個周期所產(chǎn)生的能量損耗。能量損耗。鐵磁材料的一個基鐵磁材料的一個基本特征。本特征。3 3、軟磁材料、軟磁材料高磁導率，高磁導率，飽和磁感應強度大；飽和磁感應強度大；電阻高，電阻高，損耗低；損耗低；矯頑力