材料的磁性能1

1、材料物理性能鄭興華1第三章 材料的磁性能2NS永久磁鐵電磁鐵3磁體周圍的磁場4磁性無處不在5羅盤6同性相斥，異性相吸78 磁性液體在磁場中顯示磁力線分布的圖形宇航員頭盔的密封是納米磁性材料的最早重要應(yīng)用之一-磁性液體9序號電子設(shè)備名稱磁性元件數(shù)(件/每臺設(shè)備)設(shè)備所用磁性材料 (Kg/臺)1電子計算機21250.22.02打印機560.20.43移動電話350.020.034顯示器570.051.05復(fù)印機340.061.06CTV780.91.27DVD、VCD580.41.08燃油汽車3070259電動汽車307051010空調(diào)機、洗衣機230.53.0磁性元件和材料在電子設(shè)備中作用10材

2、料為什么有如此廣泛的用途? 材料具有重要的磁性能11本章主要內(nèi)容 材料磁性概述 磁性材料中的基本磁現(xiàn)象 自發(fā)磁化理論 磁性材料的磁化 磁疇、技術(shù)磁化、動態(tài)磁化等 主要的鐵磁性材料 測量及應(yīng)用12與人類文明的進步在世界上中國是最早發(fā)現(xiàn)磁現(xiàn)象與磁石的文明古國；公元前一千多年前中國史書已有磁的論述；公元前300年中國漢代已用天然磁石(Fe3O4)做指南針；公元11世紀(jì)，北宋，沈括在中提到了指南針的制造方法：“方家以磁石磨針鋒，則能指南.水浮多蕩搖，指抓及碗唇上皆可為之，運轉(zhuǎn)尤速，但堅滑易墜，不若縷懸之最善?！蓖瑫r，他還發(fā)現(xiàn)了磁偏角，即：地球的磁極和地理的南北極不完全重合。材料磁性概述公元前3世紀(jì)，戰(zhàn)

3、國時期，韓非子中這樣記載：“先王立司南以端朝夕”。鬼谷子中記載：“鄭人取玉，必載司南，為其不惑也”。13公元1600年英國出版W.Gilbert(1544-1603)“論磁體”巨著，系統(tǒng)論述靜地相互作規(guī)律，和磁與電的關(guān)系，和磁學(xué)形成；公元18世紀(jì)，瑞典科學(xué)家在磁學(xué)著作中對磁性材料的磁化作了大膽的描繪。公元19世紀(jì)，近代物理學(xué)大發(fā)展，電流的磁效應(yīng)、電磁感應(yīng)等相繼被發(fā)現(xiàn)和研究，同時磁性材料的理論出現(xiàn)，涌現(xiàn)出了象法拉第、安培、韋伯、高斯、奧斯特、麥克絲韋、赫茲等大批現(xiàn)代電磁學(xué)大師。20世紀(jì)初，法國的外斯提出了著名的磁性物質(zhì)的分子場假說，奠定了現(xiàn)代磁學(xué)的基礎(chǔ)，在順磁性理論、分子磁場、波動力學(xué)、鐵磁性理

4、論等相關(guān)理論和各種分析手段的基礎(chǔ)上，形成了完整的磁學(xué)體系。材料磁性概述14磁源于電：環(huán)形電流周圍的磁場，符合右螺旋法則，其磁矩定義為：m 載流線圈的磁矩I - 載流線圈通過的電流S - 載流線圈的面積n - 載流線圈平面的法線方向上的單位矢量磁矩15應(yīng)用中常用電流來產(chǎn)生磁場，有以下三種形式： 無限長載流直導(dǎo)線的磁場強度 HI/2pr 載流環(huán)行線圈圓心的磁場強度 HI/2r 無限長載流螺線管的磁場強度 Hn I16如果一個小磁體能夠用無限小的電流回路來表示，我們就稱為磁偶極子。用磁偶極矩jm表示：磁偶極子和磁矩與磁偶極子等效的平面回路的電流和回路面積的乘積定義為磁矩表征磁性物體磁性大小的物理量，

5、用m表示：jm=mlm=iAi+m-ml磁偶極矩和磁矩具有相同的物理意義，存在關(guān)系：jm=0m ，o=410-7Hm-1 ，真空磁導(dǎo)率磁性基本概念1718磁化強度M單位體積磁體內(nèi)磁偶極子的磁偶極矩矢量和稱為磁極化強度Jm ； 單位體積磁體磁體內(nèi)磁偶極子的磁矩矢量和稱為磁化強度MJ m和M亦有如下關(guān)系： Jm=0M W bm-2Am-119磁化強度可以看成是磁偶極子的集合磁化強度又可以看成是閉合電流環(huán)的集合20磁場強度H和磁感應(yīng)強度B磁場中的磁極會受到力的作用，表示為： F=m H， m為磁極強度定義磁場強度H：單位強度的磁場等于1Wb強度的磁極受到1牛頓的力，磁場強度為Am-1。在更多場合，確

6、定場效應(yīng)的量是磁感應(yīng)強度B。在SI單位制中： B o（HM）H磁場強度；M磁化強度 21o=410-7Hm-1 ，真空磁導(dǎo)率22磁化強度M和磁場強度H存在如下關(guān)系： Mc H ，c稱為磁體的磁化率。 B=m0(H+cH)=m0(1+c)H 定義mr（1c）為相對磁導(dǎo)率，即mrB/ m0 H磁導(dǎo)率表示單位磁場中材料的磁感應(yīng)強度大小，也是表征磁體的磁性、導(dǎo)磁性及磁化難易 程度的磁學(xué)量。磁化率和磁導(dǎo)率23磁學(xué)參數(shù)及單位2425靜磁能（Magnetostatic Energy）Work done per unit volume during magnetizationEnergy density of

7、 a magnetic fieldMagnetostatic energy density in free spaceMagnetostatic energy in a linear magnetic medium26材料的磁性起源 怎樣可以產(chǎn)生磁性？磁場？導(dǎo)線通電、封閉的導(dǎo)線封閉電流產(chǎn)生磁矩,材料內(nèi)部的磁性也是源于材料內(nèi)部電子的循軌和自旋運動。2728原子核+26K (n=1)L (n=2)M (n=3)N (n=4)1s12p62s23p63s23d64s2Fe的電子殼層和電子軌道2930一切物質(zhì)磁性的根源，來自原子磁性原子磁矩有三個來源： 電子軌道磁矩； 電子自旋磁矩； 原子核磁矩；原子

8、核磁矩值很小，一般可忽略不計。31電子軌道磁矩ivm=iSre電子軌道運動產(chǎn)生的軌道磁矩和動量矩方向相反軌道磁矩軌道動量矩32電子自旋磁矩S1/2，pS=自旋在磁場方向的分量(ms只可能等于1/2 )實驗表明：（S1/2， ）自旋角動量未成對的電子才有貢獻 S1/2，pS=(ms只可能等于1/2 )B 波爾磁子， 9.27 10-24 Am233磁矩自旋磁矩電子自旋時產(chǎn)生順磁矩。軌道磁矩軌道電子循軌運動時產(chǎn)生的抗磁矩。電子磁矩軌道磁矩和自旋磁矩之和。固有磁矩只有原子中存在未被排滿的電子層時，電子磁矩之和不為零，原子才具有磁矩，為原子的固有磁矩）34材料的磁化通常，在無外加磁場時，材料中固有磁矩

9、的矢量和為零，宏觀上材料無磁性。材料在外加磁場H中時，使它所在的空間的磁場發(fā)生變化（H或、H），產(chǎn)生一個附加磁場H，材料本身呈現(xiàn)出磁性，這種現(xiàn)象叫磁化這時其所處的總磁場強度為兩部分的矢量和。 單位A/m。35 =r -1磁化率（單位體積），可正可負，表征物質(zhì)本身的磁化特性。36磁性材料分類按材料磁化情況，將材料分為:抗磁性材料-使磁場減弱順磁性材料-使磁場略有增強鐵磁性材料-使磁場強烈增強 鐵磁性材料 亞鐵磁性材料 反鐵磁性材料37抗磁性材料38物質(zhì)的抗磁性電磁感應(yīng)普遍存在由于電磁感應(yīng)磁場中運動電子軌道發(fā)生變化，產(chǎn)生抗磁性： 普遍存在； 值很小，通常被掩蓋39 材料的抗磁性來源于電子循軌運動時

10、受外加磁場作用所產(chǎn)生的抗磁矩。形成抗磁磁距的示意圖m總是與外加磁場方相反，為什么?抗磁性40順磁性材料41磁化曲線通常把BH曲線or M-H曲線稱為磁化曲線順磁材料與抗磁材料的磁化曲線0,10-3-10-60, ,10-6抗磁、順磁性材料磁化曲線特點：線性；磁化可逆性；斜率很小（M-H) H( A/m）M(A/m)順磁性O(shè)抗磁性=-1，T順磁性，抗磁性材料。堿金屬、 堿土金屬(除Be外)順磁性自旋電子（自由電子）順磁性的貢獻。稀土金屬順磁性較強，磁化率較大貢獻來源于自旋磁矩。Ti，V，Cr，Mn等過渡元素，強烈順磁性，有些合金成為鐵磁性。 47影響材料抗磁性與順磁性的因素2. 溫度的影響 溫度

11、對抗磁性沒有什么影響(除非發(fā)生相變)。溫度對順磁性影響很大，原因?48影響材料抗磁性與順磁性的因素順磁性物質(zhì)的磁化機理-磁場克服原子和分子熱運動的干擾，使原子磁矩排向磁場方向的結(jié)果（固有磁矩從無序有序）所以隨T 順磁磁化率下降，甚至鐵磁性在居里溫度以上變?yōu)轫槾?，鐵磁磁化受阻（磁阻效應(yīng)）。 49影響材料抗磁性與順磁性的因素3.相變及組織轉(zhuǎn)變的影響 相變改變了物質(zhì)的結(jié)構(gòu)所以改變了磁性，例如： Fe鐵磁順磁抗磁居里溫度（奧氏體） 加工硬化使原子間距，密度，磁化阻力減小，使抗磁性減小。例如 ：Cu 抗磁(高度加工硬化)順磁 順磁(退火)抗磁。 50影響材料抗磁性與順磁性的因素4.合金成分與組織的影響(

12、待補充) 當(dāng)今高磁性材料發(fā)展中最突出的釹鐵硼磁性合， 固溶體-順-順，順抗，鐵順，抗抗，鐵-抗，鐵-鐵等，磁化率較溶質(zhì)和溶劑有明顯的變化。 化合物-決定于結(jié)構(gòu)、軌道電子和自由電子數(shù)的變化。51抗磁性與順磁性材料特性52磁性材料器件及應(yīng)用汽車領(lǐng)域 永磁起動電機傳感器無刷直流電機計算機領(lǐng)域 光驅(qū) 存儲器 打印機消費類電子產(chǎn)品領(lǐng)域 微型馬達 揚聲器 耳機 麥克風(fēng)電器領(lǐng)域 便攜式電動工具電機家用電器電機工業(yè)自動化領(lǐng)域 磁耦合器 伺服電機工業(yè)產(chǎn)品領(lǐng)域 磁分離器 磁起重設(shè)備53什么材料有如此廣泛的用途? 具有獨特的磁性能鐵磁性材料 ？54材料的磁化 鐵磁材料磁化 磁化曲線 磁性材料中的基本磁現(xiàn)象 磁性材料

13、的磁化 磁疇、技術(shù)磁化、動態(tài)磁化等 自發(fā)磁化理論55磁化曲線通常把BH曲線or M-H曲線稱為磁化曲線順磁材料與抗磁材料的磁化曲線0,10-3-10-60, ,10-6抗磁、順磁性材料磁化曲線特點：線性；磁化可逆性；斜率很?。∕-H) H( A/m）M(A/m)順磁性O(shè)抗磁性=-1，TTc56鐵磁性材料的磁化曲線特點: 復(fù)雜1）可逆 磁化階段 B、M隨H緩慢線性上升,磁化可逆； 2）不可逆 磁化階段B、M隨H快速增大,出現(xiàn)極大值m，磁化不可逆，非線性 3）飽和磁化階段B、 HHs 0，MMs. BBs. 4）順磁磁化階段鐵磁性材料的磁化曲線132457(1)起始磁導(dǎo)率 (2)增量磁導(dǎo)率 (3)

14、微分磁導(dǎo)率 (4)最大磁導(dǎo)率磁導(dǎo)率BHmaxi0B /0H58 磁化曲線比較抗磁性 0 , -10-6 =-1，T0，10-6-10-3鐵磁性： 0 ，103-106 HM抗磁性-物質(zhì)的磁化率H鐵磁性順磁性超導(dǎo)體59材料沿不同方向磁化的難易程度不同易磁化軸100難磁化軸111磁各向異性鐵單晶磁化曲線60軟磁鐵氧體的磁化曲線與磁導(dǎo)率曲線61冷軋取向硅鋼片的磁化曲線與磁導(dǎo)率曲線62Mn-Zn鐵氧體的磁化曲線與磁導(dǎo)率曲線63BH鐵磁材料的起始磁化曲線abcd64鐵磁性B隨H變化規(guī)律 oab同磁化曲線； 減小H,B 沿bc減小,當(dāng)H=0時,B=Br(剩余磁 感應(yīng)強度) 這就是鐵磁金屬的剩磁現(xiàn)象； cd

15、想去掉剩磁需加反向磁場.H=-Hc,B=0.Hc 為去掉 剩磁的臨界外磁場,稱為矯頑力.cd 曲線也稱為退磁曲線，從此曲線可得出考 核永磁材料的重要參數(shù)。繼續(xù)在反方向增加H-Hs,磁化曲線沿de到-Bs. 從-Bs改為加正方向磁場,隨H,B沿efgb曲線變化為Bs.B 變化總是落后于H的變化,這種現(xiàn)象稱為磁滯效應(yīng) 磁滯回線鐵磁材料的重要特征之一.鐵磁體的磁滯回線65鐵磁性鐵磁材料的原子組態(tài)和原子磁矩鐵磁材料的磁化特性: 在外加磁場的作用下，可產(chǎn)生很強的磁化，遠大于順磁性。磁化(原因)機理: 鐵磁性來源于未被抵消的自旋磁矩+自發(fā)磁化順磁性 鐵磁性 自旋磁矩自發(fā)地同向排列66鐵磁性與順磁性區(qū)別:e

16、g： 鐵、鈷、鎳原子的外層電子填充規(guī)律. Fe（ 3d64S2 ）、Co（ 3d74S2 ）、Ni （ 3d84S2 ）、Mn、Cr等也有剩余的自旋磁矩,但是不屬于鐵磁性,原因：不存在自發(fā)磁化。67元 素 周 期 表Periodic Table of ElementsIAIIAIIIBIIIAIVAVAVIAVIIAOIVBVBIBVIBVIIBIIBVIII氫氪氙氡氟氯氦氖氬鋰鈉鉀銣銫鈁鈹鎂鈣鍶鋇鐳鈧釔鈦鋯鉿釩鈮鉭鉻鉬鎢錳锝錸鐵釕鋨銥鉑金鈷鎳銅鋅銠鈀銀鎘鍺錫鉛鎵銦鉈鋁釙銻鉍汞溴砷硒碲碘砹硼碳硅氮磷氧硫鐠鈰鑭釤钷釹鋱釓銪鏑鏷釷錒钚镎鈾锫鋦镅锎鐨锿镥鐒锘鉺鈥鐿銩鍆LaLaAcAcLiHBeNaM

17、gKCaRbSrCsBaFrRaScYTiZrHfVNbTaCrMoWMnTcReFeRuOsCoNiCuZnGaRhIrPdPtAgAuCdHgInTlGeSnPbAsSbBiSeTeIPoBrAtKrXeRnBAlCSiNPOSFClHeNeArPrCeLaSmPmNdTbGdEuErHoDyLuYbTmPaThAcPuNpUBkCmAmFmEsCfLrNoMd31411121920373855568788213922407223417324427425437526447627282930314577467847794880498132508233518334525384358536548

18、651361471581691721018595857626160656463686766717069919089949392979695100999810310210168鐵磁性 Fe d層未抵消自旋數(shù) 4 69鐵磁性自發(fā)磁化 什么叫自發(fā)磁化,為何會發(fā)生自發(fā)磁化？定義： 在沒有外加磁場的情況下,材料所發(fā)生的磁化稱為自發(fā)磁化鐵磁材料自發(fā)磁化的機理（鐵磁體形成的條件）： 電子間的相互作用產(chǎn)生的當(dāng)兩個原子相互接近時,他們的d、f層和s層的電子可以相互交換位置,迫使相鄰原子自旋產(chǎn)生有序排列交換作用所產(chǎn)生的附加能量稱為交換能原子在自然狀態(tài)下交換能Eex應(yīng)處于最低狀態(tài)7071鐵磁性與反鐵磁性 A 交換能積分常數(shù) S1、S2 兩個電子的自旋動量矩矢量 兩個電子的自旋動量夾角 S是S1、S2 同類電子的模.72鐵磁性與反鐵磁性討論: 什么情況下原子的Ee