材料性能與測(cè)試課件-第十章材料的磁性能

第十章材料的磁學(xué)性能1§引言

中國(guó)是磁的故鄉(xiāng)；遠(yuǎn)古的慈石、戰(zhàn)國(guó)的司南、四大發(fā)明之一的指南針；材料料磁學(xué)性能也是材料物理性能的重要組成部分。磁性不僅是磁性材料的一種使用性能，而且也是許多材料的重要物理參數(shù)；磁性材料具有能量轉(zhuǎn)換、能量存儲(chǔ)功能，廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、通訊、自動(dòng)化、電機(jī)、儀器儀表、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療等領(lǐng)域，是重要的功能材料；因此，發(fā)展新型磁性材料是材料科學(xué)的一個(gè)重要方向。本章概括地介紹磁性的分類(lèi)和特點(diǎn)，重點(diǎn)介紹磁性材料的特性參數(shù)、測(cè)量方法以及主要磁性材料的應(yīng)用。2§目錄

§10.1基本磁學(xué)性能及磁性分類(lèi)§10.2抗磁性與順磁性§10.3鐵磁性與反鐵磁性§10.4材料的動(dòng)態(tài)磁性能§10.5磁性測(cè)量及常用磁性材料3§10.1基本磁學(xué)性能及磁性的分類(lèi)§

10.1.1

磁性基本量1、材料磁性的本質(zhì)

材料磁性是由材料內(nèi)部電子循軌和自旋運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的任一封閉電流都具有磁矩，大小為電流強(qiáng)度乘以環(huán)流面積，方向右手法則；

2、電子磁矩

分為軌道磁矩和自旋磁矩；

軌道磁矩ml：由電子循軌運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的磁矩，垂直于電子運(yùn)動(dòng)的軌道平面；

自旋磁矩mS：電子自旋運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的磁矩，方向平行于自旋軸；

4l為軌道角量子數(shù)，S為自旋量子數(shù)，mB為波爾磁子9.27×10－24J/T(Am2)，運(yùn)動(dòng)電子的磁矩是軌道磁矩和自旋磁矩的矢量和;5分子、原子產(chǎn)生磁矩由分子、原子的結(jié)構(gòu)決定原子中的一個(gè)次電子層被排滿時(shí)，這個(gè)電子層的磁矩總和為零原子中的電子層均被排滿時(shí)，原子沒(méi)有磁矩只有原子中存在未被排滿的電子層時(shí)，原子才具有磁矩(固有磁矩）3、原子磁矩4、磁化和磁介質(zhì)磁化：物質(zhì)在磁場(chǎng)中由于受磁場(chǎng)作用呈現(xiàn)出磁性現(xiàn)象；磁介質(zhì)：凡是能被磁場(chǎng)磁化的物質(zhì)；65、磁化強(qiáng)度M物質(zhì)在外磁場(chǎng)中被磁化的程度，單位體積內(nèi)磁矩大小，A/m，物體的磁化未改變?cè)庸逃写啪氐拇笮?，而是改變了它們的取向?、磁感應(yīng)強(qiáng)度B通過(guò)磁場(chǎng)某中點(diǎn)，垂直于磁場(chǎng)方向單位面積的磁力線數(shù)稱(chēng)為磁感應(yīng)強(qiáng)度；B單位T；χ磁化率，反映了物質(zhì)本身磁化特性；μ0：真空磁導(dǎo)率，4π×10－7H/m;μr:相對(duì)磁導(dǎo)率；都反應(yīng)磁化速度7§

10.1.2

磁性分類(lèi)按照物質(zhì)磁化率分為三類(lèi):抗磁性材料、順磁性材料(包括反鐵磁)、鐵磁性材料(包括亞鐵磁)；抗磁反鐵磁順磁亞鐵磁鐵磁MHO1、抗磁體：磁化率χ為10-6量級(jí)負(fù)數(shù)，附加磁矩與外磁場(chǎng)方向相反，減弱磁場(chǎng)；金屬中約一半是抗磁體；Ag、Cu、Au、Hg、Zn、Bi等2、順磁體：磁化率χ為10－3－10-6量級(jí)正數(shù)，略微增強(qiáng)磁場(chǎng)；Li、Na、Pt、Pd、K等磁化曲線示意圖83、鐵磁體：在較弱的磁場(chǎng)下就能產(chǎn)生很大的磁化強(qiáng)度，磁化率χ為很大的正數(shù)，且與外磁場(chǎng)非線性變化，F(xiàn)e、Co、Ni等，有臨界轉(zhuǎn)變溫度Tc－居里溫度；4、亞鐵磁和反鐵磁：亞鐵磁：磁化率χ值沒(méi)有鐵磁那么大，通常指磁鐵礦(Fe3O4，古代謂之慈石，司南、指南針用)、鐵氧體；反鐵磁：磁化率χ值很小的正數(shù)，與溫度有關(guān)系；如Mn、Cr、氧化鎳、氧化錳等9§

10.2.1

抗磁順磁的物理本質(zhì)§10.2抗磁性和順磁性1抗磁性

材料的抗磁性來(lái)源于電子循軌運(yùn)動(dòng)時(shí)受外加磁場(chǎng)作用所產(chǎn)生的抗磁矩1)電子軌道磁矩大小為2)電子抗磁矩電子在磁場(chǎng)中循軌運(yùn)動(dòng)時(shí)受向心力Fc和洛倫茲力影響,增大了向心力(mrω2),電子質(zhì)量半徑不變，角速度ω增加，軌道磁矩ml增加，與外加磁場(chǎng)的方向相反，單個(gè)電子增加的附加磁矩即抗磁矩：103)原子抗磁矩Z個(gè)電子，每個(gè)電子產(chǎn)生抗磁矩，軌道半徑區(qū)別，一個(gè)原子的抗磁矩為任何材料在磁場(chǎng)作用下都要產(chǎn)生抗磁性

2順磁性1)材料的順磁性主要來(lái)源于原子(離子)的固有磁矩2)磁矩與磁場(chǎng)作用，具有較高的靜磁能．降低靜磁能，磁矩改變與磁場(chǎng)的夾角3)要使原子磁矩轉(zhuǎn)向磁場(chǎng)方向，克服原子熱運(yùn)動(dòng)所造成的無(wú)序磁矩?zé)o序分布；4)通常順磁磁化進(jìn)行十分困難111213§

10.2.2

抗磁順磁的影響因素1、原子結(jié)構(gòu)的影響

１)自由電子的主要貢獻(xiàn)是順磁性２)惰性氣體原子磁矩為0，典型的抗磁性物質(zhì)３)絕大多數(shù)非金屬?zèng)]有固有磁矩，是抗磁性物質(zhì)，只有氧和石墨是順磁性物質(zhì)．４)金屬只有當(dāng)內(nèi)層電子末被填滿,自旋磁矩未被抵消時(shí)，才可能產(chǎn)生較強(qiáng)的順磁性金屬Ｃu、Ag、Au、Cd、Hg等，離子抗磁大于自由電子的順磁，是抗磁性的堿金屬都是順磁性的．堿土金屬(除Be外)也都是順磁性的3價(jià)金屬也是順磁性的稀土金屬順磁性較強(qiáng)，磁化率較大，有自旋磁矩；Ti、Ｖ、Ｃr、Ｍn等過(guò)渡族元素，3d電子自旋磁矩大，有強(qiáng)烈的順磁性，有些合金鐵磁性；142、溫度的影響

１)溫度對(duì)抗磁性影響：基本無(wú)影響２)溫度對(duì)順磁性影響：順磁的磁化克服原子分子熱運(yùn)動(dòng)使磁矩沿外疇方向排列的結(jié)果。影響大順磁物質(zhì)原子的磁化率與溫度的關(guān)系：

居里定律固溶體、過(guò)渡族金屬符合居里-外斯定律

C居里常數(shù)，Δ常數(shù)；鐵磁性物質(zhì)在居里點(diǎn)(居里溫度)以上是順磁性的

153、相變及組織轉(zhuǎn)變的影響１)當(dāng)材料發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變時(shí)，由于晶格類(lèi)型及原子間距發(fā)生了變化，會(huì)影響電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)而導(dǎo)致磁化率的變化２)加工硬化使金屬的原子間距增大而密度減小，使材料的抗磁性減弱３)退火與加工硬化的作用相反

4、合金成分與組織的影響由弱磁化率的兩種金屬組成固溶體時(shí)，其磁化率和成分按接近于直線的平滑曲線變化合金形成中間相(金屬化合物)時(shí)，其磁化率將發(fā)生突變16用磁稱(chēng)法測(cè)量磁化率Gouy磁天平：試樣是順磁材料，產(chǎn)生拉力；抗磁材料則相反§

10.2.3

抗磁順磁磁化率的測(cè)量17§10.3鐵磁性和反鐵磁性

Fe、Co、Ni及其合金，鑭系Pr、Gd、Dy，亞鐵磁鐵氧體很容易磁化，磁化率大，如純Fe在10-6T，磁化強(qiáng)度可達(dá)1T，而順磁的硫酸亞鐵在10-6T下，其磁化強(qiáng)度僅有0.001A/m;鐵磁性來(lái)源于原子中未被抵消的電子自旋磁矩；Mn、Cr等也有剩余的自旋磁矩，但不是鐵磁金屬，原因是不滿足自發(fā)磁化條件；定義：在沒(méi)有外磁場(chǎng)的情況下，材料的自旋磁矩自發(fā)的同向排列；§

10.3.1

自發(fā)磁化與技術(shù)磁化一、自發(fā)磁化1819金屬內(nèi)部的自發(fā)磁化是由于電子間的相互作用產(chǎn)生的，當(dāng)兩個(gè)原子相接近時(shí)，3d和4s層電子相互交換位置，迫使相鄰原子自旋磁矩產(chǎn)生有序排列。交換能：因交換作用產(chǎn)生的附加能量；能使相鄰院子內(nèi)d層未抵消的自旋磁矩同向排列；其本質(zhì)使靜電力，作用的效果和外磁場(chǎng)類(lèi)似，叫外斯分子場(chǎng)；A：交換積分常數(shù)；S1、S2兩個(gè)電子的自旋動(dòng)量矩；Φ是夾角，S是S1、S2的模；A＞0，φ＝0時(shí)，Eex最小，自旋磁矩自發(fā)排列同一方向，即產(chǎn)生自發(fā)磁化。A＜0，φ＝180°時(shí)，Eex也最小，自旋磁矩呈反向平行排列，即產(chǎn)生反鐵磁性。20根據(jù)量子力學(xué)推出交換積分常數(shù)和a/r的關(guān)系曲線，當(dāng)a／r＞3時(shí)，A＞0；當(dāng)a／r＜3時(shí)，A＜0鐵、鈷、鎳因其交換積分常數(shù)A具有較大的正值，有較強(qiáng)的自發(fā)磁化傾向；總之：鐵磁性產(chǎn)生條件是1)原子內(nèi)部要有未填滿的電子殼層；原子本征磁矩不為零2)a/r大于3，使交換積分系數(shù)A為正。要有一定的晶體結(jié)構(gòu)；a－原子間距；r－參加交換作用的電子與原子核的距離，即電子殼層半徑21沿不同晶軸方向的磁化強(qiáng)度不同，稱(chēng)為磁晶各向異性能磁化矢量沿易磁化