第11章 材料的磁性質(zhì)

第十一章材料的磁性能磁矩的來源軟磁與硬磁材料磁化過程與磁滯回線各類磁性與結(jié)構(gòu)的關(guān)系磁性基本概念以及磁性參數(shù)主要內(nèi)容載流線圈磁矩

I為線圈中電流；S為線圈面積；n為線圈平面法線方向單位矢量。?通電螺線圈產(chǎn)生磁場強(qiáng)度H：A/m(安/米)磁感應(yīng)強(qiáng)度B：在外磁場H的作用下材料內(nèi)部的磁通量密度，T（特斯拉）或Wb/m2（韋伯/米2）

磁導(dǎo)率μ0,H/m（亨利／米）真空磁導(dǎo)率μ0，4×10-7H/m，材料特性常數(shù)11.1幾個基本概念B和H都是磁場向量，不僅有大小，而且有方向。2.描述固體材料的磁性參數(shù)相對磁導(dǎo)率量綱為1磁化強(qiáng)度M：在外磁場H作用下，材料中因磁矩沿外場方向排列而使磁場強(qiáng)化，等于單位體積材料內(nèi)感應(yīng)的磁矩。A/mχ是磁化率，量綱為1兩種單位制的換算關(guān)系3.磁矩的起源原子磁矩的2個原因:(a)軌道磁矩(b)自旋磁矩宏觀磁性來源于原子磁矩每個電子可看作一個小磁體。最小的磁矩，玻爾磁子=9.27×10-24A.m2e為電子電量；h為普朗克常量；m為電子質(zhì)量原子固有磁矩凈磁矩是一個原子的所有電子磁矩相互作用的矢量和原子的電子殼層被電子完全填滿，磁矩全部相互抵消，原子固有磁矩為0。惰性氣體（He，Ne和Ar等）材料磁性包括：抗磁性、順磁性、鐵磁性、亞鐵磁性和反鐵磁性取決于材料的成分與結(jié)構(gòu)11.2物質(zhì)的各類磁性1.抗磁性和順磁性抗磁性:原子不具有本征磁矩一種很弱的、非永久性的磁性感應(yīng)的磁矩很小,方向與外磁場相反相對磁導(dǎo)率＜1,磁化率＜0,約-10-5數(shù)量級抗磁材料應(yīng)用：超導(dǎo)材料,完全抗磁性(χ=-1，μ=0)順磁性:原子具有本征磁矩?zé)o外磁場作用時(shí)，原子磁矩?zé)o序排列，宏觀無磁性；外磁場作用時(shí)，原子磁矩沿外場方向擇優(yōu)取向，表現(xiàn)出宏觀磁性μr

＞1，磁化率χ=10-5～10-2。2.鐵磁性具有原子磁矩存在自發(fā)磁化的磁疇（相鄰原子磁矩都朝一個方向排列的小區(qū)域）很強(qiáng)的磁化強(qiáng)度,χ可高達(dá)106。決定鐵磁性2個因素：①是否有凈磁矩（未成對電子）；②原子間距與原子3d軌道直徑的比值（決定自發(fā)磁化成磁疇的傾向）。鐵磁材料中磁疇內(nèi)原子磁矩排列比值在1.4～2.7之間，鐵,鈷,鎳等,形成磁疇--鐵磁性材料；比值在1.4～2.7范圍之外,如錳,鉻等,有未成對的3d電子，無自發(fā)磁化,非鐵磁性材料。晶格中原子間距與它的3d軌道直徑之比:3.反鐵磁性和亞鐵磁性反鐵磁性:存在本征磁矩相鄰原子或離子的磁矩作反方向平行排列,總磁矩零。金屬M(fèi)n,Cr等,陶瓷如MnO等及某些鐵氧體ZnFe2O4等亞鐵磁性?存在本征磁矩宏觀性能上與鐵磁性類似，飽和磁化強(qiáng)度比鐵磁性材料低。立方鐵氧體亞鐵磁體，MFe2O4,M2+O2-(Fe3+)2(O2-)3,M=Fe2+,Ni2+,Co2+等總磁矩為零Fe2+的總磁矩就是材料的凈磁矩Fe3+的自旋磁矩完全抵消11.3溫度對鐵磁性的影響對鐵磁體和亞鐵磁體的BS在0K時(shí)最大，隨溫度上升而減??；溫度TC（居里溫度）時(shí)，鐵磁體和亞鐵磁體都轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾朋w。居里溫度是重要的磁性參數(shù)，鐵、鈷、鎳和磁鐵礦的TC分別為768℃，1120℃，335℃和585℃。T≥TC11.4磁化與退磁化磁疇壁飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度BS飽和磁化強(qiáng)度(MS)與外磁場方向相近的磁疇先長大已退磁多晶體的每個晶?？赡苡梢粋€以上的磁疇組成,因此一塊宏觀樣品包含許多個磁疇。未經(jīng)磁化的樣品,磁疇無序故磁疇的向量和為零,整塊磁體宏觀上不顯示磁性。退磁化過程BS剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度矯頑力最大磁能積(BH)max磁滯回線:11.5磁性材料磁性材料(鐵磁體和亞鐵磁體)按磁滯特性粗略分類:軟磁材料和硬磁材料兩類。1.軟磁材料具有較高的磁導(dǎo)率，較高的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度，較小的矯頑力和較低的磁滯損耗。在磁場作用下易磁化，取消磁場后易退磁化，磁滯回線很窄。主要應(yīng)用制造磁導(dǎo)體，變壓器、繼電器的磁芯、電動機(jī)轉(zhuǎn)子和定子、磁存儲元件等要求軟磁材料的電阻率較高，以減少渦電流造成的能量損失。2.硬磁材料（永磁材料）主要應(yīng)用制造各種永磁體，用于各類電表、電話、錄音機(jī)和電視機(jī)等較大的矯頑力HC(104～106A/m)、高Br、(BH)max難以磁化又難以退磁化。矯頑力的大小取決于磁疇壁在磁場方向上的移動和疇轉(zhuǎn)是否容易，一切阻礙磁疇運(yùn)動的結(jié)構(gòu)因素(晶體缺陷和析出)都將提高矯頑力。表11.5幾種硬磁材料的基本性能SUMMA