《無(wú)機(jī)材料磁性》PPT課件

1、1,無(wú)機(jī)材料物理性能-,無(wú)機(jī)材料的磁學(xué)性能,李享成博士 Email: Office Tel.: 68862616 Mobile Tel.:2,問(wèn)題：,磁性是什么，為什么有的物質(zhì)顯示磁性、而有的不顯示磁性？ 磁性有哪些性質(zhì)，有哪些用途？,3,一 人類對(duì)磁性的認(rèn)識(shí),指南針-戰(zhàn)國(guó)起用于作戰(zhàn),羅盤-宋朝起用于航海,4,人類對(duì)磁性的認(rèn)識(shí),18世紀(jì) 奧斯特 電流產(chǎn)生磁場(chǎng),法拉弟效應(yīng) 在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)導(dǎo)體產(chǎn)生電流,5,The Nobel Prize in Physics 2007,Albert Fert (France),Peter Grnberg (Germany),1988年巨磁電

2、阻效應(yīng)發(fā)現(xiàn),海量磁盤,人類對(duì)磁性的認(rèn)識(shí),6,7,GMR物理結(jié)構(gòu),8,9,10,二、物質(zhì)磁性的物理描述,1 磁感應(yīng)強(qiáng)度 表示材料在外磁場(chǎng)H的作用下在材料內(nèi)部的磁通量密度。 B的單位: T 或Wb/m2 在真空中，磁感應(yīng)強(qiáng)度為,式中0為真空磁導(dǎo)率，它是一個(gè)普適常數(shù) 其值: 410-7 單位: H（亨利）/m。,11,在磁介質(zhì)中，磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系為 式中的為介質(zhì)的磁導(dǎo)率，是材料的特性常數(shù)。 的單位為H/m。,磁化強(qiáng)度（M）是描述物質(zhì)被磁化后 其磁性強(qiáng)弱的物理量。,12,一方面，磁化過(guò)程是由于外磁場(chǎng)的作用而引起的，磁化強(qiáng)度M必隨外磁場(chǎng)H的增大而增強(qiáng)，故：,定義,為相對(duì)磁導(dǎo)率,x稱為磁化率或磁

3、化系數(shù)。,一方面，物質(zhì)的磁化過(guò)程實(shí)質(zhì)上是其內(nèi)部原子磁矩取向的過(guò)程，所以定義磁化強(qiáng)度為單位體積內(nèi)原子磁矩的總和。,13,2、磁矩： 在電磁學(xué)中：線圈或分子電流的磁矩 它們?cè)诖艌?chǎng)中受到的力矩為 類似地，磁矩用作表征磁性體磁性大小的物理量。 磁矩在磁場(chǎng)中受到的力為（考慮一維情況）： 顯然，磁矩愈大，物體在磁場(chǎng)中所受的力矩愈大， 磁性就愈強(qiáng)。,14,原子的電子結(jié)構(gòu),原子的經(jīng)典玻爾模型：Z個(gè)電子圍繞原子核做園周運(yùn)動(dòng),核外電子結(jié)構(gòu)用四個(gè)量子數(shù)表征：n.l.m.s ( 多電子體系 ) 電子軌道大小由主量子數(shù)n決定 n=1, 2, 3, 4,的軌道群 又稱為K, L, M, N,.的電子殼層,軌道的形狀由角動(dòng)

4、量l決定 l=0, 1, 2, 3,.n-1 又稱為s, p, d, f, g,.電子 當(dāng)施加一個(gè)磁場(chǎng)在一個(gè)原子上時(shí)，平行于磁場(chǎng)的角動(dòng)量也是量子化的。l在磁場(chǎng)方向上的分量由磁量子數(shù)m決定 m=l, l-1, l-2,0,.-( l-1), -l,電子自旋量子數(shù)由s決定,電子磁矩之原子結(jié)構(gòu)回顧,15,同一個(gè)量子數(shù)n，l，m，s表征的量子狀態(tài)只能有一個(gè)電子占據(jù)。 庫(kù)侖相互作用：n,l,m 表征的一個(gè)電子軌道上如果有兩個(gè)電子， 雖然它們的自旋是相反的，但靜電的庫(kù)侖排斥勢(shì) ,仍然使系統(tǒng)能量提高。因而一個(gè)軌道傾向只有一個(gè)電子占據(jù)。 凡是滿電子殼層的總動(dòng)量矩和總磁矩都為零。只有未填滿電子的殼層上才有未成對(duì)

5、的電子磁矩對(duì)原子的總磁矩做出貢獻(xiàn)。這種未滿殼層稱為磁性電子殼層。,泡利不相容原理：,16,凡是滿電子殼層的總動(dòng)量矩和總磁矩都為零。只有未填滿電子的殼層上才有未成對(duì)的電子磁矩對(duì)原子的總磁矩做出貢獻(xiàn)。這種未滿殼層稱為磁性電子殼層。,n l,1 1s,2 1s,2s,2p,3 1s,2s,2p,3s,3p,(4s),3d,(4s),4p,4d,( 5s,5p,6s ),4f,5d,4,17,洪德法則： 未滿殼層的電子自旋si排列，泡利原理傾向一個(gè)軌道只被一個(gè)電子占據(jù)，而原子內(nèi)的自旋-自旋間的相互作用使自旋平行排列，從而總自旋S（）取最大值。 每個(gè)電子的軌道矢量li的排列，電子傾向于同樣的方向繞核旋轉(zhuǎn)

6、，以避免靠近而增加庫(kù)侖排斥能，使總的軌道角動(dòng)量L（）取 最大值。(如3d電子，m=2時(shí)該軌道磁矩在外場(chǎng)方向上的分量最大，軌道磁矩與外磁場(chǎng)平行能量最低，最穩(wěn)定)。 由于L和S間的耦合，電子數(shù)n小于半滿時(shí) J=L-S，電 子 數(shù)n大于半滿時(shí) J=L+S。 (洪德法則一般的描述只有(1)和(2)項(xiàng)),18,軌道磁矩,自旋磁矩,產(chǎn)生磁矩的原因 軌道磁矩 電子圍繞原子核的軌道運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生一個(gè)非常小的磁場(chǎng)，形成一個(gè)沿旋轉(zhuǎn)軸方向的磁矩，即軌道磁矩。 自旋磁矩 每個(gè)電子本身有自旋運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)沿自旋軸方向的磁矩，即自旋磁矩。,19,磁矩的常用單位：,玻爾磁子：,核磁子：,原子核比電子重1000倍，運(yùn)動(dòng)速度僅為電子

7、速度的幾千分之一，原子核的自旋磁矩是電子自旋磁矩(玻爾磁子)的1840分之一。,任何物質(zhì)都有磁性嗎,20,如Fe是26號(hào)，1s22p63s23p63d64s2,電子磁矩為,求27Co2+, 30Zn, 29Cu的電子自旋磁矩,21,三、物質(zhì)的磁性,根據(jù)物質(zhì)在外磁場(chǎng)中的磁化特性，通常將物質(zhì)的磁性分為抗磁性，順磁性，鐵磁性, 反鐵磁性,磁化率為負(fù)值，-10-5,磁化率為正值（10-5）,磁化率可達(dá)103,反鐵磁性：相鄰原子或離子的磁矩呈反方向平行排列，結(jié)果總磁矩為零。,22,EA和ES兩種狀態(tài)的能量差ex僅與 J 有關(guān)。J 是電子之間、電子和原子核之間靜電作用的一種形式,ex通常稱為交換能，稱 J

8、為交換積分，它是由于電子云交疊而引起的附加能量。,對(duì)于含有幾個(gè)未成對(duì)電子組成的原子的合成自旋為Si和Sj , 則 Eex=-2J Si Sj,23,奈耳根據(jù)上述兩個(gè)條件，總結(jié)了不同3d和4f以及4f等元素及合金的交換積分J與(a-2r)的關(guān)系。從圖中給出的J0和J0的情況相對(duì)應(yīng)的元素和合金與實(shí)際情況是一致的。,斯圖阿特和如弗里曼分別計(jì)算了鐵的交換積分J 值，發(fā)現(xiàn)J 值比相對(duì)于保證3d金屬出現(xiàn)鐵磁性所要求的數(shù)值小得多。說(shuō)明海森伯交換作用模型只能給出定性結(jié)果。,24,小結(jié),描述物質(zhì)磁性的物理量及意義； 任何物質(zhì)都有磁性嗎,為什么？ Co的原子序號(hào)為27，計(jì)算Co2+的電子磁矩。 磁性材料的分類及依

9、據(jù)。,25,任何鐵磁體和亞鐵磁體，在溫度低于居里溫度Tc時(shí)，都是由磁疇組成的。磁疇是自發(fā)磁化到飽和（即其中的磁矩均朝一個(gè)方向排列）的小區(qū)域。 相鄰磁疇之間的界線叫磁疇壁。磁疇壁是一個(gè)有一定厚度的過(guò)渡層，在過(guò)渡層中磁矩方向逐漸改變。,四 鐵磁性理論 4.1 磁疇,對(duì)于Fe，磁疇寬約為5.7um，疇壁約為42nm,26,在無(wú)外磁場(chǎng)時(shí)，各磁疇排列雜亂無(wú)章，鐵磁質(zhì)不顯磁性； 在外磁場(chǎng)中，各磁疇沿外場(chǎng)轉(zhuǎn)向，介質(zhì)內(nèi)部的磁場(chǎng)迅速增加，在鐵磁質(zhì)充磁過(guò)程中伴隨著發(fā)聲、發(fā)熱。,4.2 鐵磁體的磁化機(jī)制,磁疇的轉(zhuǎn)向,27,1.裝置：環(huán)形螺繞環(huán); 鐵磁Fe,Co,Ni及稀釷族元素的化合物，能被強(qiáng)烈地磁化。,實(shí)驗(yàn)測(cè)量B

10、,如用感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)測(cè)量或用小線圈在縫口處測(cè)量；,由 得出 曲線。,2.原理：勵(lì)磁電流 I; 用安培定理得H。,當(dāng)外磁場(chǎng)變化一個(gè)周期時(shí)，鐵磁質(zhì)內(nèi)部的磁場(chǎng)變化曲線如圖所示；,4.3 磁化曲線,磁化曲線的實(shí)驗(yàn)測(cè)定,28,c,起始磁化曲線為 oc ,當(dāng)外磁場(chǎng)減小時(shí)，介質(zhì)中的磁場(chǎng)并不沿起始磁化曲線返回，而是滯后于外磁場(chǎng)變化， 磁滯現(xiàn)象。,Hc,Br,Hc,當(dāng)外磁場(chǎng)為 0 時(shí)，介質(zhì)中的磁場(chǎng)并不為 0，有一剩磁 Br; 矯頑力加反向磁場(chǎng)Hc，使介質(zhì)內(nèi)部的磁場(chǎng)為 0， 繼續(xù)增加反向磁場(chǎng)，介質(zhì)達(dá)到反向磁飽和狀態(tài)； 改變外磁場(chǎng)為正向磁場(chǎng)，不斷增加外場(chǎng)，介質(zhì)又達(dá)到正向磁飽和狀態(tài)。,磁化曲線形成一條磁滯回線。,結(jié)論,鐵

11、磁質(zhì)的 不是一個(gè)常數(shù)， 它是 的函數(shù)。,B的變化落后于H，從而具有剩磁，即磁滯效應(yīng)。,4.4 磁滯回線,29,4.5 磁滯回線與磁疇的關(guān)系,30,五 鐵氧體磁性無(wú)機(jī)材料,一般是含鐵及其它元素的復(fù)合氧化物，通常稱為鐵氧體 ，它具有亞鐵磁性，,5.1 尖晶石結(jié)構(gòu)鐵氧體,A位共8個(gè),B位共16個(gè),尖晶石AB2O4 正尖晶石 如Zn2+（Fe3+）204 反尖晶石 如Fe3+（Fe3+M2+）04,31,Nel的亞鐵磁性理論,在亞鐵磁體中，A和B次晶格由不同的磁性原子占據(jù)，而且有時(shí)由不同數(shù)目的原子占據(jù)，A位和B位上的磁性離子平等排列，形成磁矩MA和MB； MA和MB 取向相反，存在AA，BB和AB三種

12、交換作用，其磁化強(qiáng)度為 MAMB ； 這樣的磁性稱為亜鐵磁性，1948年Nel提出。,鐵磁性,反鐵磁性,亞鐵磁性,32,亞鐵磁性來(lái)自兩種不同磁矩：一種磁矩在一個(gè)方向排列整齊，另一種磁矩在相反的方向排列。方向相反，大小不等磁矩之差形成自發(fā)磁化現(xiàn)象。,例1 Fe3O4 Fe3+(Fe2+Fe3+)O4 反型 MA Fe3+ 3s23p63d34d2 MA=3B MB Fe3+ 3B Fe2+ 4B MB=7B Mtotal=|MA-MB|=4B,例2 ZnFe2O4 Zn2+Fe3+O4 正型 MA Zn2+ 3d10 MA=0B MB Fe3+ 6B MB=6B Mtotal=|MA-MB|=6

13、B,33,混合尖晶石：,為1時(shí)，為正尖晶石結(jié)構(gòu)； 為0時(shí)為反尖晶石結(jié)構(gòu)：0 1為混合尖晶石結(jié)構(gòu)。,34,上述鐵氧體屬何種類型，磁矩是多少？,35,(1) 軟磁材料 具有較高的磁導(dǎo)率和較高的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度； 較小的矯頑力（矯頑力很小，即磁場(chǎng)的方向和大小發(fā)生變化時(shí)磁疇壁很容易運(yùn)動(dòng)）和較低磁滯損耗，磁滯回線很窄； 在磁場(chǎng)作用下非常容易磁化； 取消磁場(chǎng)后很容易退磁化,象軟鐵、坡莫合金、硒鋼片、鐵鋁合金、鐵鎳合金等。 由于軟磁材料磁滯損耗小，適合用在交變磁場(chǎng)中，如變壓器鐵芯、繼電器、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子、定子都是用軟件磁性材料制成。,六 鐵磁材料分類,36,(2) 硬磁材料 硬磁材料又稱永磁材料，難于磁化又難于退

14、磁。 主要特點(diǎn) 具有較大的矯頑力，典型值Hc104106A/m； 磁滯回線較粗，具有較高的最大磁能積(BH)max； 剩磁很大； 這種材料充磁后不易退磁，適合做永久磁鐵。 硬磁性材料如碳鋼、鋁鎳鈷合金和鋁鋼等。,37,硬磁材料主要應(yīng)用 用于制造各種永磁體，以便提供磁場(chǎng)空間； 可用于各類電表和電話、錄音機(jī)、電視機(jī)中以及利用磁性牽引力的舉重器、分料器和選礦器中。 鋁鎳鈷合金硬磁材料 六方鐵氧體硬磁材料 稀土永磁材料 一類是釹鐵硼(Nd-Fe-B)系合金，是目前工業(yè)用硬磁材料最大磁能積最高者。其主要缺點(diǎn)是溫度穩(wěn)定性和抗腐蝕性稍差。 一類是鈷基稀土永磁材料，主要代表是SmCo5燒結(jié)永磁體和Sm2Co17多相沉淀硬化永磁材料。它們的缺點(diǎn)是脆，加工性稍差。,鐵磁性理論 鐵磁材料分類,38,3 矩磁材料（磁存儲(chǔ)材料）,由一個(gè)由線圈纏繞的軟磁性材料讀寫頭來(lái)完成數(shù)據(jù)讀寫。數(shù)據(jù)（寫）由線圈中的電信號(hào)引入，并通過(guò)磁頭的磁隙在