磁學(xué)基礎(chǔ)與磁性材料

1、磁性物理學(xué) 劉平安 參考教材: 磁學(xué)基礎(chǔ)與磁性材料 嚴(yán)密 彭曉領(lǐng) 編著 浙江大學(xué)出版社 磁性物理學(xué) 宛德福 馬興隆 電子科技大學(xué)出版社一、開設(shè)本課程的目的 材料、信息技術(shù)和能源稱為現(xiàn)代人類文明的三大支柱。國民經(jīng)濟(jì)的各部門和高技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展都不可避免地受到材料發(fā)展的制約或推動(dòng)。實(shí)際上新材料的發(fā)展水平已經(jīng)成為衡量一個(gè)國家高技術(shù)水平高低和綜合國力強(qiáng)弱的重要標(biāo)志！ 中國古代的四大發(fā)明之一指南針 說明中國是應(yīng)用磁性材料最早的國家，也是發(fā)展磁性材料工業(yè)最快的國家。 磁性材料在日常生活和工作中用途非常廣泛 從個(gè)人電腦到大型計(jì)算機(jī)的信息技術(shù)； 汽車；電力的發(fā)生、變電和配電系統(tǒng)； 還有象大量的家用電器等二、中國

2、與世界磁性材料 產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀與展望 磁性材料是當(dāng)代高科技產(chǎn)業(yè)的重要基礎(chǔ)材料。目前世界市場(chǎng)超過200億美元的磁性材料（我國占13%左右）。已是現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展和電子、計(jì)算機(jī)、通訊等高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的物質(zhì)基礎(chǔ)和現(xiàn)代工業(yè)的一塊基石。 全球磁性材料的產(chǎn)量和產(chǎn)值，自上世紀(jì)五十年代以來，幾乎每隔十年就翻一番。 專家認(rèn)為，一個(gè)國家磁性材料的人均消耗量基本反映本國人民的生活水平。 磁性材料的研究與開發(fā)向著廣度和深度兩個(gè)方向推廣。 為滿足節(jié)能、環(huán)保和電子信息設(shè)備數(shù)字化、多功能化、小型、輕便、靈巧等多種需要，發(fā)展新型磁性材料勢(shì)在必行！ 三 磁性物理學(xué)的內(nèi)容 磁性是物質(zhì)的一種普遍而重要的屬性。從微觀粒子到宏觀物體，以至于宇宙天

3、體，無不具有每種程度的磁性。 我們開設(shè)的磁性物理學(xué)課程只限于研究基礎(chǔ)性的問題，基本內(nèi)容由四部分組成： 磁性起源和自發(fā)磁化； 磁疇理論和技術(shù)磁化； 磁化過程動(dòng)力學(xué)； 磁與電、光、熱等的交叉效應(yīng)。四、磁性問題的理論研究方法 磁性現(xiàn)象，從根本上說是一種量子效應(yīng)。事實(shí)上，一切磁性體的宏觀磁特性，都是組成它的基本質(zhì)點(diǎn)的磁性的集體表現(xiàn)。從這個(gè)基點(diǎn)出發(fā)，研究磁性問題的理論方法，原則上可歸為兩步： 首先，應(yīng)用量子力學(xué)研究微觀粒子的磁性，根據(jù)微觀粒子的性能，考慮到其間以及與外界的相互作用，找出系統(tǒng)的各種態(tài)及能量。 其次，應(yīng)用統(tǒng)計(jì)物理學(xué)知識(shí)，確定系統(tǒng)的配分函數(shù)（態(tài)和），即 Z = gne(-en/kBT) 再根據(jù)

4、熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理學(xué)的關(guān)系: (T,V,H) = -kBTLn(Z)， 確定在熱力學(xué)平衡狀態(tài)下所考慮磁性系統(tǒng)的有關(guān)參量。 問題是嚴(yán)格求解Z會(huì)遇到理論上和數(shù)學(xué)上的困難，因此，現(xiàn)代磁學(xué)理論的建立，大體從兩個(gè)方面著手： 其一，只考慮最主要的相互作用，用近似方法及較簡單的模型，解決量子力學(xué)及統(tǒng)計(jì)物理問題。例如，自發(fā)磁化理論就是這樣來建立的。 其二，不考慮磁體內(nèi)的微觀結(jié)構(gòu)，而是從實(shí)驗(yàn)或假設(shè)的宏觀模型出發(fā)，根據(jù)熱力學(xué)的一般理論關(guān)系，得到有關(guān)磁性現(xiàn)象的宏觀理論。例如，磁疇結(jié)構(gòu)以及技術(shù)磁化理論就是這樣來建立的。 這樣建立起來的理論，可以解決在給定外界條件下求出磁體處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)各種磁性物理量的值。五、磁性物理學(xué)

5、與技術(shù)的關(guān)系 磁學(xué)的形成和發(fā)展是和磁性材料技術(shù)的發(fā)展密切相關(guān)的。今天，從個(gè)人電腦到大型計(jì)算機(jī)的信息技術(shù)都使用磁性材料，在磁帶、軟盤、硬盤上儲(chǔ)存信息。磁性材料在我們的生活中還有其他多方面用途。每輛汽車都要用十幾臺(tái)電動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)裝置、傳感器、電感器和其他的電磁的及磁控機(jī)械元件，它們都要用硬磁（永磁）以及軟磁材料。 電力的發(fā)生、變電及配電系統(tǒng)，要用到成千上萬臺(tái)變壓器和發(fā)電機(jī)，它們要使用各種各樣的磁性材料，從標(biāo)準(zhǔn)的3%SiFe合金到新型非晶磁性合金。 磁性材料還是下列擴(kuò)展中商品的支柱：電子商品監(jiān)督，財(cái)產(chǎn)保護(hù)和通道控制。特殊加工的磁性材料薄帶或薄膜可儲(chǔ)存有關(guān)一個(gè)條目或一個(gè)標(biāo)識(shí)物的一比特或幾比特的信息。對(duì)安

6、全區(qū)或不宜移動(dòng)商品或財(cái)產(chǎn)的通道可以監(jiān)視和控制。 大量的家用電器，如電視機(jī)、錄音機(jī)、錄像機(jī)、電冰箱和兒童玩具等更與磁性元器件密切相關(guān)。 總之，磁性材料與器件在工農(nóng)業(yè)和國防各部門都得到廣泛應(yīng)用，成為推動(dòng)國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展決不可少的技術(shù)。 那么，磁性材料如此廣泛應(yīng)用的物理基礎(chǔ)是什么？就是磁性材料內(nèi)存在有得以實(shí)現(xiàn)能量、信息的轉(zhuǎn)換、傳遞和儲(chǔ)存等功能，即常說的各種磁效應(yīng)。 常見的磁效應(yīng)有： 電磁感應(yīng)效應(yīng)； 磁電阻效應(yīng)； 壓磁效應(yīng)； 磁光效應(yīng)； 磁熱效應(yīng)； 磁共振效應(yīng)； 等等。這些效應(yīng)反映出磁性材料受到磁和其它非磁因素（電、光、熱、應(yīng)力等）作用后，伴隨磁狀態(tài)的改變所產(chǎn)生的性質(zhì)，形成在技術(shù)應(yīng)用上很有意義的特性。這就

7、說明磁性物理學(xué)與技術(shù)存在著密切的關(guān)系。第一章 磁學(xué)基礎(chǔ)知識(shí) 所有物質(zhì)，不論處于什么狀態(tài)，不論在怎樣的溫度和壓力條件下，都顯示或強(qiáng)或弱的磁性，只是不同物質(zhì)有不同的磁性，有的磁性強(qiáng)，有的磁性弱。 掌握磁性物理學(xué)基礎(chǔ)理論，利用物質(zhì)的磁效應(yīng)，開發(fā)新的磁性材料，已成為人類的重要任務(wù)！1.1 靜磁現(xiàn)象 我們先學(xué)習(xí)幾個(gè)基本磁學(xué)量 一、磁矩 二、磁化強(qiáng)度M 磁化強(qiáng)度是描述宏觀磁體磁性強(qiáng)弱程度的物理量。 三、磁場(chǎng)強(qiáng)度H和磁感應(yīng)強(qiáng)度B 四、磁化率和磁導(dǎo)率 由于應(yīng)用的要求，對(duì)應(yīng)不同的磁化條件下，磁導(dǎo)率有 不同的表達(dá)形式，常見的有： 起始磁導(dǎo)率 最大磁導(dǎo)率(一般說磁性體的磁導(dǎo)率) 復(fù)數(shù)磁導(dǎo)率 增量磁導(dǎo)率 可逆磁導(dǎo)率

8、不可逆磁導(dǎo)率 微分磁導(dǎo)率 振幅磁導(dǎo)率 五、磁化狀態(tài)下磁體中的靜磁能量 六、退磁場(chǎng)和退磁場(chǎng)能量 對(duì)于有限幾何尺寸的磁性體，在外磁場(chǎng)H外中被磁化后，磁體的表面將產(chǎn)生磁極，如圖示。由于表面磁極，使磁體內(nèi)部存在與磁化強(qiáng)度M方向相反的一種磁場(chǎng)Hd， 起著減退磁化的作用，故稱為退磁場(chǎng)。 退磁場(chǎng)圖 退磁場(chǎng)Hd的大小與磁體的形狀及磁極的強(qiáng)度有關(guān)。若磁化均勻，則退磁場(chǎng)也是均勻的，且與磁化強(qiáng)度M成正比，即 Hd = -NM 式中比例系數(shù)N稱為退磁因子。 簡單幾何形狀磁體的退磁因子N 旋轉(zhuǎn)橢圓體，三個(gè)主軸方向退磁因子之和： Nx+Ny+Nz=1圖為旋轉(zhuǎn)橢圓體的三種極限情況 對(duì)于球形體，Nx=Ny=Nz 可得N=1/3 對(duì)于沿長軸方向磁化的細(xì)長圓柱體， Nx=Ny，Nz=0 可得Nx=Ny=1/2對(duì)于沿垂直表面方向磁化的無限大平板， Nx=Ny=0 可得Nz=11.2 材料的磁化 一、材料的磁化 二、磁滯回線 起始磁化曲線的測(cè)量1.3 磁性和磁性材料的分類 一、磁性分類 抗磁性 順磁性 反鐵磁性 鐵磁性 亞鐵磁性 二、磁性材料分類 從實(shí)用的觀點(diǎn)，磁性材料可以分為 以下幾類： 軟磁材料 特征： 高的起始磁導(dǎo)率和最大磁導(dǎo)率 低的矯頑力 高的飽和磁化強(qiáng)度和低的剩余磁 感應(yīng)強(qiáng)度 永磁材料 基本要求： 高的剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度和高的剩余磁化強(qiáng)度 高的矯頑力 高的最大磁能積 從實(shí)