磁性物理基礎(chǔ)課件

無論是電子技術(shù)、電力技術(shù)、通信技術(shù)、還是空間技術(shù)、計(jì)算技術(shù)、生物技術(shù)，乃至家用電器，磁學(xué)和磁性材料都是不可缺少的重要部分。從1902年P(guān).塞曼和H.A.洛倫茲獲得諾貝爾獎(jiǎng)，到1998年華裔的崔琦先生獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，至少有24次諾貝爾獎(jiǎng)得主在磁學(xué)領(lǐng)域作出了杰出的貢獻(xiàn)；公元前2500年我國已有磁性指南——司南的記載，其開創(chuàng)了人類對(duì)磁學(xué)和磁性材料研究的先河；以磁科學(xué)進(jìn)行研究的創(chuàng)始者當(dāng)數(shù)吉爾伯特，后經(jīng)安培、奧斯特、法拉第等人開創(chuàng)性的發(fā)現(xiàn)和發(fā)明，初步奠定了磁學(xué)科學(xué)的基礎(chǔ)。從1900年到1930年，先后確立了金屬電子論、順磁性理論、分子磁場、磁疇概念、X射線衍射分析、原子磁矩、電子自旋、波動(dòng)力學(xué)、鐵磁性體理論、金屬電子量子論、電子顯微鏡等相關(guān)的的理論。從而形成了完整的磁學(xué)科學(xué)體系。在此后的20~30年間，出現(xiàn)了種類繁多的磁性材料。我國的磁學(xué)前輩當(dāng)數(shù)葉企孫（1924年從美國哈佛大學(xué)獲博士學(xué)位回國）、施汝為先生（1931年在國內(nèi)發(fā)表了第一篇磁學(xué)研究論文），現(xiàn)我國已有十余所高校、十幾個(gè)研究所及幾百個(gè)生產(chǎn)企業(yè)從事磁學(xué)研究、教學(xué)和生產(chǎn)。引言磁性材料是電子功能材料中極其重要的一類，已成為現(xiàn)代工業(yè)和科學(xué)技術(shù)的支撐性材料之一；廣泛應(yīng)用于通信、自動(dòng)化、電機(jī)、儀器儀表、廣播電視、計(jì)算機(jī)、家用電器以及醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域，如各類變壓器、電感器、濾波器、磁頭和磁盤、各類磁體、換能器以及微波器件等；這類材料按其導(dǎo)電性差異，可分為金屬和鐵氧體磁性材料兩大類；按其磁性能差異，又可分為軟磁、永磁、旋磁、壓磁以及磁光材料等類別。應(yīng)用：精密的儀器儀表；電訊、電聲器件；工業(yè)設(shè)備；控制器件；其它器件。作用原理利用永磁材料在給定的空間產(chǎn)生一定的磁場強(qiáng)度；利用永磁合金的磁滯特性產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)矩，使電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。特點(diǎn)充磁后，去掉外磁場后仍可保留磁性。磁性材料是功能材料的重要分支；磁性元器件具有轉(zhuǎn)換、傳遞、處理信息、存儲(chǔ)能量、節(jié)約能源等功能,應(yīng)用于能源、電信、自動(dòng)控制、通訊、家用電器、生物、醫(yī)療衛(wèi)生、輕工、選礦、物理探礦、軍工等領(lǐng)域,尤其在信息技術(shù)領(lǐng)域已成為不可缺少的組成部分。信息化發(fā)展的總趨勢是向小、輕、薄以及多功能、數(shù)字化、智能化方向發(fā)展;要求磁性材料制造的元器件不僅大容量、小型化、高速度,而且具有可靠性、耐久性、抗振動(dòng)和低成本的特點(diǎn)。我國磁性材料的生產(chǎn)在國際上占有重要的地位.其中,永磁鐵氧體的產(chǎn)量達(dá)1.1×105ｔ,居世界首位;軟磁鐵氧體產(chǎn)量4×104ｔ,居世界前列;稀土永磁產(chǎn)量4300ｔ,居世界第二.根據(jù)中國工程院的專項(xiàng)調(diào)查和預(yù)測,我國2008年磁性材料的需求量:永磁鐵氧體15×104ｔ,軟磁鐵氧體6×104ｔ,稀土永磁8000—10000ｔ.但是,目前我國生產(chǎn)的磁性材料基本上是低性能水平的材料,與世界先進(jìn)水平存在較大的差距.(1)加強(qiáng)磁性材料的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用基礎(chǔ)研究.(2)改造和完善現(xiàn)有的磁性材料,提高其磁性能,優(yōu)化制備工藝,降低生產(chǎn)成本.(3)發(fā)展新型的磁性材料,特別是納米磁性材料納米磁性材料是納米材料中最早進(jìn)入工業(yè)化生產(chǎn)的功能材料,應(yīng)用廣泛,性能優(yōu)異,特別是在信息存儲(chǔ)、處理與傳輸中占據(jù)重要地位,其基礎(chǔ)研究和應(yīng)用開發(fā)正方興未艾.(4)加強(qiáng)研究、生產(chǎn)、應(yīng)用三方面的結(jié)合,不斷開拓磁性材料新的應(yīng)用領(lǐng)域并促使其發(fā)展.磁性材料的研究和發(fā)展將主要集中在以下幾個(gè)方面:1.1靜磁現(xiàn)象1.2材料的磁化1.3磁性和磁性材料分類第一章

磁學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)2.磁矩用環(huán)形電流描述磁偶極子：其磁矩：單位：A?m2結(jié)論：a二者的物理意義相同：表征磁偶極子磁性強(qiáng)弱與方向；但單位不同，公式有差異c.電子的軌道運(yùn)動(dòng)相當(dāng)于一個(gè)恒定的電流回路，必有一個(gè)磁矩，但自旋不能用電流回路解釋，因此，最好將自旋磁矩視為基本粒子的固有磁矩。i（電流）b.方向：右手螺旋法則決定1.1.2磁化強(qiáng)度M磁極化強(qiáng)度磁化強(qiáng)度比飽和磁化強(qiáng)度均為描述空間任意一點(diǎn)的磁場參量（矢量）1、H：靜磁學(xué)定義H為單位點(diǎn)磁荷在該處所受的磁場力的大小，方向與

正磁荷在該處所受磁場力方向一致。1.1.3磁場強(qiáng)度H與與磁感應(yīng)強(qiáng)度B實(shí)際應(yīng)用中，往往用電流產(chǎn)生磁場，并規(guī)定H的單位在SI制中，用1A的電流通過直導(dǎo)線，在距離導(dǎo)線r=（1/2π）米處，磁場強(qiáng)度即為1A?m－1。2磁感應(yīng)強(qiáng)度B往往確定磁場效應(yīng)采用磁感應(yīng)強(qiáng)度B，而非HSI制中，自由真空中，B與H平行，磁體內(nèi)部，B與H不一定平行，單位：B：T或Wb?m－2；H：A/m；M：A/m；J：Wb?m－2真空中，M＝0當(dāng)H＝107/4πA?m－1時(shí)，B＝1T磁學(xué)量的單位制：使用Gauss單位制時(shí)，此時(shí)，B的單位為Gs，H的單位為Oe，μ0=1G/Oe

式中M為磁極密度單位為Gs，4πM為磁通線的密度。SI制與Gauss制間的轉(zhuǎn)換B：1G=10-4TH：103A?m-1＝4πOe，103/4πA?m-1=79.577A?m-1=1Oe

和磁矩：

在Gauss單位制中μ0=1G/Oe，則磁偶極矩與磁矩?zé)o差別，通稱為磁矩，單位為電磁單位（e.m.u）1e.m.u(磁偶極矩)＝4π×10－10Wb?m1e.m.u(磁矩)＝10－3A?m2磁化強(qiáng)度：Gauss單位制中，磁極化強(qiáng)度（J）與磁化強(qiáng)度（M）相同，單位：G磁導(dǎo)率的不同定義：1、初始磁導(dǎo)率是磁中性狀態(tài)（H＝0，M＝0）下磁導(dǎo)率的極限值，在弱場下使用時(shí)，μi是一重要參數(shù)2、最大磁導(dǎo)率μmax表征單位H在磁體中感生出最大B的能力。一般而言磁性體的磁導(dǎo)率就是指這個(gè)參數(shù)。3、振幅磁導(dǎo)率磁體在交變磁場（無直流磁場）中被磁化時(shí)，在一定振幅的磁場下，其磁感應(yīng)強(qiáng)度也有一定振幅：它是(H或B)的振幅的函數(shù)，其最大值稱為最大振幅磁導(dǎo)率。4、增量磁導(dǎo)率μΔ指磁體受直流電磁場H0作用，在H0上再疊加一個(gè)較小的交變磁場，此時(shí)磁體對(duì)于交變磁場的磁導(dǎo)率即為μΔ。5、可逆磁導(dǎo)率μrev原因是在交變場作用下，B、H間有相位差。所有磁導(dǎo)率的值都是H的函數(shù)：6、復(fù)數(shù)磁導(dǎo)率oH2、簡單幾何形狀磁體的退磁因子N對(duì)于旋轉(zhuǎn)橢球體，三個(gè)主軸方向退磁因子之和：由此可求出：球體：N=1/3細(xì)長圓柱體：Na=Nb=1/2,Nc=0薄圓板體：

Na=Nb=0,Nc=1abcXYZ3、退磁場能量指磁體在它自身的Hd

中所具有的能量適用條件：磁體內(nèi)部均勻一致，磁化均勻。形狀不同或沿不同的方向磁化時(shí)，F(xiàn)d也不同，這種因形狀不同而引起的能量各向異性的特征——形狀各向異性。即：Fd是形狀各向異性能量。一、外磁場能H磁體由于本身的磁偶極矩Jm與H間的相互作用，產(chǎn)生一力矩：+mF’=-mHF＝mH-mH1.1.5靜磁能

∴單位體積中磁位能（即磁場能量密度）θ＝0，F(xiàn)H最小θ＝180o，F(xiàn)H最大磁性材料對(duì)外加磁場有明顯的響應(yīng)特征，狀態(tài)隨外加磁場強(qiáng)度而變化，可用磁化曲線與磁滯回線表征。1.2.1磁化曲線表示磁場強(qiáng)度H與所感生的B或M之間的關(guān)系B—H關(guān)系：工程技術(shù)中應(yīng)用M—H關(guān)系：磁性物理學(xué)中常用可通過環(huán)形磁材樣品測出：初級(jí)線圈N1接DC電路，次級(jí)線圈N2接電子磁通計(jì)。當(dāng)N1通DC時(shí)，磁環(huán)內(nèi)部產(chǎn)生磁場，此環(huán)形樣品被磁化，由磁通計(jì)反映出B的變化，由此可作出B—H曲線，也可由B＝μ0(H+M)畫出μ0M－H曲線。（如圖）1.2材料的磁化B(μ0M)鋁鈷鎳的兩種磁化曲線MBOABO點(diǎn)：H＝0、B＝0、M＝0，磁中性和原始退磁狀態(tài)OA段：近似線性，起始磁化階段AB段：較陡峭，表明急劇磁化結(jié)論：1.兩曲線機(jī)理一樣；2.H<Hm時(shí)，二曲線基本重合，均急劇增大。3.H>Hm后，M逐漸趨于一定值MS（飽和磁化強(qiáng)度），而B則仍不斷增大；4.由B－H（M－H）曲線可求出μ或χ；5.飽和后再磁化無意義。1.2.2磁滯回線從飽和磁化狀態(tài)開始，再使磁化場減小，B或M不再沿原始曲線返回。當(dāng)H＝0時(shí)，仍有一定的剩磁Br或Mr。HBOF為使B（M）趨于零，需反向加一磁場，此時(shí)H=Hc稱為矯頑力。分為：BHC：使B＝0的Hc。（工程技術(shù)上所指）MHC：M＝0時(shí)的Hc（內(nèi)稟矯頑力）一般|BHC|<|MHC|1.矯頑力HcHc是表征材料在磁化后保持磁化狀態(tài)的能力。通常以Hc劃分軟磁、永磁、半永磁材料：:軟磁:硬磁:半硬磁H從正的最大到負(fù)的最大，再回到正的最大時(shí)，B—H或M—H形成一封閉的曲線——磁滯回線。（磁材的重要特性之一)磁滯回線的第二象限為退磁曲線（依據(jù)此考察硬磁材料性能）,(BH)為磁能積，表征永磁材料中能量大小。(BH)max是永磁的重要特性參數(shù)之一。2.磁滯回線BBr將退磁曲線上的（BH）對(duì)B作用，可得（BH）對(duì)B的關(guān)系曲線。磁化曲線與磁滯回線是磁性材料的重要特征，能反映許多磁特性，如：μ、MS(Bs)、Mr(Br)、BHC(MHC)、(BH)max等。從實(shí)用的觀點(diǎn)，根據(jù)磁化率χ（＝M/H）大小與符號(hào)，可分為五種：TO一、抗磁性

原子磁矩J＝0。在外磁場作用下，電子運(yùn)動(dòng)將產(chǎn)生一個(gè)附加的運(yùn)動(dòng)（由電磁感應(yīng)定律而定），出現(xiàn)附加角動(dòng)量，感生出與H反向的磁矩。因此：

χd<0，且|χd|～10－5，與H、T無關(guān)。1.3磁性和磁性材料分類1.3.1物質(zhì)的磁性分類實(shí)例：惰性氣體、許多有機(jī)化合物、某些金屬（Bi、Zn、Ag、Mg）、

非金屬（如：Si、P、S）二、順磁性1.J≠0，無相互作用，各原子磁矩取向混亂，對(duì)外不顯示宏觀磁性;2.χP

>0，但數(shù)值很?。@微弱磁性）。室溫下χP：10－3～10－6。3.χP與T有關(guān)。如：稀土金屬和鐵族元素的鹽。TO其中：C為居里常數(shù)，TP為順磁性居里溫度。TO三、反鐵磁性即在T＝TN（奈爾溫度）時(shí)，χaf最大。實(shí)例：過渡族元素的鹽類及化合物，如MnO，CrO,CoO等O1.J≠0，χaf與順磁物質(zhì)接近；2.物質(zhì)中存在相互作用，自旋次晶格成反平行排列，每一次晶格的磁矩大小相等，合成磁矩為零；3.χaf與T有關(guān)，存在奈爾溫度TN。四、鐵磁性

1.J≠0，χf＞＞0，（約為10～106），有磁滯現(xiàn)象；2.物質(zhì)中存在相互作用，J有序；3.χf與T有關(guān)，存在居里溫度Tc——鐵磁性或亞鐵磁性物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾判缘呐R界溫度；當(dāng)T>TC時(shí)，鐵磁性轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾判?，服從居里－外斯定律?/p>

實(shí)例：3d金屬Fe，Co，Ni，4f金屬鋱、鉺、銩、鈥、鉺、銩、鐠和釹以及很多合金與化合物。T>TC五、亞鐵磁性

1.m≠0，χm＞0，（約為100～103），；2.存在相互作用，J有序，內(nèi)部磁結(jié)構(gòu)與反鐵磁性相同，但相反排列的磁矩大小不等量；3.χf與T有關(guān)，不服從居里－外斯定律；4.電阻率高，多用于高頻。典型代表為鐵氧體。前三種為弱磁性，后兩種為強(qiáng)磁性，具有此二性的材料叫磁性材料，按其被應(yīng)用的性能，磁性材料可分為軟磁、永磁、旋磁、矩磁、壓磁五類）O1.3.2磁性材料分類軟磁材料永磁材料信磁材料特磁材料從實(shí)用觀點(diǎn)分：1、軟磁材料（1）主要特征是：①高的初始磁導(dǎo)率和最大磁導(dǎo)率；②低的矯頑力Hc；③高的飽和磁化強(qiáng)度和低的剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度；④此外，出于節(jié)省能源降低噪聲等方而考慮，軟磁材料還應(yīng)具備低的鐵損，高的電阻率，低的磁致伸縮系數(shù)等特征。易受磁場磁化,又易退磁的材料作用形式：①能量轉(zhuǎn)換；②信息處理。特點(diǎn)：在外磁場作用下才顯示磁性，去掉外磁場后不對(duì)外顯示磁性。（2）應(yīng)用用于制造發(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：計(jì)算機(jī)磁芯：磁記錄的磁頭與磁介質(zhì)：磁屏蔽：電磁鐵的鐵芯、極頭與極靴：磁路的導(dǎo)磁體等。它們是電機(jī)工程、無線電、通訊、計(jì)算機(jī)、家用電器和高新技術(shù)領(lǐng)域的重要功能材料。