《材料的磁性能》PPT课件.ppt

- 2 -,引 言,- 3 -,极 光,- 4 -,司南（春秋战国）,磁学与磁性材料的发展,公元前4世纪 Fe3O4磁性记载（中国）,公元前3世纪 最早的指南针发明（中国）,吕氏春秋.精通篇云：”慈石召铁，或引之也。”,- 5 -,公元1600年，英国的吉尔伯特发表了世界上第一部磁学专著。,吉尔伯特,磁学与磁性材料的发展,北宋.沈括梦溪笔谈,魏.管辂管氏地理指蒙,以磁石磨针锋，则能指南；然常微偏东，不全南也。水浮多荡摇，指爪及碗唇上皆可为之，运转尤速，但坚滑易坠，不若缕悬为最善。其法：取新纩中独茧缕，以芥子许腊缀于针腰，无风处悬之，则针常指南。其中有磨而指北者。予家指南、北者皆有之。磁石之指南，犹柏之指西，莫可原其理。,磁者母之道，针者铁之戕，母子之性，以是感以是通，受戕之性，以是复以是完，体轻而径，所指必端，应一气之所，召土曷中而方曷，偏较轩辕之纪，尚在星虚丁癸之躔，惟岁差之法，随黄道而占之，见成象之昭然。 磁石受太阳之气而成，磁石孕二百年而成，铁虽成于磁，然非太阳之气不生，则火实为石之母，南离属太阳，真火针之指南北，顾母而恋其子也。,- 6 -,磁学与磁性材料的发展,- 7 -,磁学与磁性材料的发展,- 8 -,发电机和电动机等电气化设备，是以磁场的作用和磁性材料为基础进行能量转换的。,磁性材料的应用,- 9 -,电子工业中的应用。,磁性材料的应用,- 10 -,磁性材料的应用,- 11 -,磁性材料的应用,- 12 -,磁性材料的应用,- 13 -,磁性材料的应用,- 14 -,在高能加速器和粒子检测器中以及高温等离子体装置中，都需要使用强磁场。,磁性材料的应用,- 15 -,在生物学和医学方面，利用弱生物磁性和极微弱生物磁场的变化进行生理和病理方面的研究以及疾病的诊断。,核磁共振(MRI)又叫核磁共振成像技术。,磁性材料的应用,基本原理：是将人体置于特殊的磁场中,用无线电射频脉冲激发人体内氢原子核,引起氢原子核共振,并吸收能量。在停止射频脉冲后,氢原子核按特定频率发出射电信号,并将吸收的能量释放出来,被体外的接受器收录,经电子计算机处理获得图像,这就叫做核磁共振成像。,- 16 -,军事工业中的应用。,铁氧体雷达波吸收材料用于F117隐身战机,磁性材料的应用,- 17 -,本章纲要,- 18 -,电流(或运动电荷),磁场,磁学的基本概念,磁学现象的两个基本命题：,(1)磁及磁现象的根源是电流，或者说是电荷的运动。,(2) 所有的物质都是磁性体。 （磁的自发性）,（电流的磁效应和变化磁场的电效应),- 19 -,磁场强度：指空间某处磁场的大小，符号H，单位:(A/m)。,磁学的基本概念,磁感应强度：磁感应强度B的定义是：B=0(H+M)，其中H和M分别是磁场强度和磁化强度，0为真空导磁率。又称为磁通密度，单位是特斯拉(T),或韦伯米-2 。,磁化强度：指材料内部单位体积的磁矩矢量和，符号M，单位:(A/m)。,磁化率：物体在磁场中被磁化的程度与磁化场的强度有关，其关系为M=H，即为磁化率。,- 20 -,1820年，奥斯特发现电流能在周围空间产生磁场，一根通有I安培(A)直流电的无限长直导线，在距导线轴线r米(m)处产生的磁场强度H（magnetic field strength）为:,在国际单位制中，单位为安培/米(A/m)。,磁感应强度,材料在磁场强度为H的外加磁场(直流、交变或脉冲磁场)作用下，会在材料内部产生一定磁通量密度，称其为磁感应强度B (magnetic flux density)。,B和H是既有大小、又有方向的向量。,即在强度为H的磁场被磁化后，物质内磁场强度的大小。 单位为特斯拉(T)或韦伯/米2(Wb/m2)。,- 21 -,磁导率的定义是=B/H，是磁化曲线上任意一点上B和H的比值。磁导率实际上代表了磁性材料被磁化的容易程度，或者说是材料对外部磁场的灵敏程度。,真空中：,磁学的基本概念,v真空中的磁导率，或叫做磁常数。,v =410-7NA-2(或亨利米-1，Hm-1),B=vH,介质中：,r介质的相对磁导率，,=rv介质的磁导率。,B=rvH =H,- 22 -,磁导率,单位磁场中材料的磁感应强度大小。,材料在磁场中的磁化的难易程度。,- 23 -,磁学的基本概念,m：磁化率 magnetic susceptibility,Hm：磁化强度 magnetization,- 24 -,磁矩：将磁极强度为qm、相距为L的磁极对置于磁场强度H中，为达到与磁场平行，该磁极对要受到磁场力F的作用，在转矩T=LqmHsin的作用下，发生旋转,该式中的系数qmL定义为磁矩。,-qmH,qmH,S,N,磁学的基本概念,偶极子：构成质点的正负电荷沿电场方向在有限范围内短程移动，形成一个偶极子。,电偶极矩 ：=ql,H,磁偶：具有磁矩的磁极对,Mi= qmL,- 25 -,磁矩,任何一个封闭的电流都具有磁矩m;,磁矩(magnetic moment),是表示磁体本质的一个物理量。,其方向与环形电流法线的方向一致;,其大小为电流与封闭环形的面积的乘积IS。,在均匀磁场中，磁矩受到磁场作用的力矩J,JmB,式中，J为矢量积，B为磁感应强度，其单位为,其中Wb(韦伯)是磁通量的单位。,- 26 -,为了求得磁矩在磁场中所受的力，对一维情况可以写出,静磁能,在均匀磁场中，磁矩受到磁场作用的力矩J试图使得磁矩m处于位能较低的方向。磁矩与外加磁场的作用能称为静磁能。,UmB,此式为分析磁体相互作用、以及在磁场中所处状态是否稳定的依据。,- 27 -,在一外磁场H中放入一磁介质，磁介质受外磁场作用，处于磁化状态，则磁介质内部的磁感强度B将发生变化：,式中为介质的绝对磁导率，只与介质有关。,式中M称为磁化强度（intensity of magnetization），它表征物质被磁化的程度。,磁化强度,对于一般磁介质，无外加磁场时，其内部各磁矩的取向不一，宏观无磁性。但在外磁场作用下，各磁矩有规则地取向，使磁介质宏观显示磁性，这就叫磁化。,- 28 -,磁化强度的物理意义是单位体积的磁矩。设体积元V内磁矩的矢量和为,则磁化强度M为,磁化强度,m的单位为Am2，V的单位为m3，因而磁化强度M的单位为Am-1，即与H的单位一致。,介质的相对磁导率,介质的磁化率,- 29 -,仅与磁介质性质有关。它反映材料磁化的能力，没有单位，为一纯数。,可正、可负，决定于材料的不同磁性类别,介质的磁化率,常见材料在室温时的磁化率,- 30 -,磁性的种类,五类磁体的磁化曲线示意图,磁化率为甚小的负数，大约在10-6数量级。,磁化率为正值，约为l0-310-6,磁化率是很大的正数，且与外磁场呈非线性关系变化。,类似于铁磁体，但磁化率没有铁磁体那样大,在温度低于某温度时，其磁化率同磁场的取向有关；高于这个温度，其行为像顺磁体。,- 31 -,磁性的种类,抗磁性(diamagnetism) m 0 含有非零角动量原子(例如过渡金属)的材料。 mT-1(居里定理) 一些非过渡金属(例如Al)。 m与T无关,r略小于1，m=-10-4-10-8,r略大于1，=10-310-6,- 32 -,铁磁性(ferromagnetism) 在不太强的磁场中，就可以磁化到饱和状态 。 铁磁居里温度 ferromagnetic Curie temperature,磁性的种类,r很大约102104；m为正值，很大；M与H呈非线性关系,- 33 -,磁性的种类,反铁磁性(antiferromagnetism) 在外电场作用下，相邻磁矩反向排列。 Mn、Cr 铁氧体磁性(ferrimagnetism) 不同的磁矩反平行排列时，在一个方向呈现出净磁矩。 代表：磁铁矿Fe3O4,铁磁性 反铁磁性 铁氧体磁性,- 34 -,反铁磁性(MnO),思考题,为什么材料会表现出不同的磁性？,在晶体中，轨道与轨道、轨道与自旋、自旋与自旋的直接或间接的相互作用以及这些磁矩对外磁场响应的特性就构成了各种不同的磁性物质。物质中产生磁场的方式通常有三种：,- 36 -,磁性的来源磁偶极子,magnetic dipoles,The spin of the electron produces a magnetic field with a direction dependent on the quantum number ms,Electrons orbiting around the nucleus create a magnetic field around the atom .,- 37 -,材料的磁性主要来源于电子的轨道磁矩和自旋磁矩。材料中原子核的磁矩很小，通常可以略去不计。,磁性的来源磁偶极子,- 38 -,组成宏观物质的原子有两类：,磁性的来源磁偶极子,1、原子中的电子数为偶数，即电子成对地存在于原子中。这些成对电子的自旋磁矩和轨道磁矩方向相反而互相抵消，使原子中的电子总磁矩为零，整个原子就好像没有磁矩一样，习惯上称他们为非磁原子。,2、原子中的电子数为奇数，或者虽为偶数但其磁矩由于一些特殊原因而没有完全抵消使原子中电子的总磁矩(有时叫净磁矩，剩余磁矩)不为零，带有电子剩余磁矩的原子称作磁性原子。,- 39 -,电子轨道磁矩,电子绕原子核的轨道运动，产生一个非常小的磁场，形成一个沿旋转轴方向的轨道磁矩。设r为电子运动轨道的半径，L为电子运动的轨道角动量，为电子绕核运动的角速度，电子的电量为e，质量为m。,该磁矩的方向垂直于电子运动轨迹平面，并符合右手螺旋定则。,- 40 -,电子轨道磁矩在外磁场方向上的分量，满足量子化条件：,电子轨道磁矩,ml为电子运动状态的磁量子数，下角z表示外磁场方向；B为玻尔磁子(Bohr magneton)，是电子磁矩的最小单位，其值为,e 、h、 me分别为电子电量、普朗克(Planck)常量和电子质量。,- 41 -,自旋磁矩,每个电子本身作自旋运动，产生一个沿自旋轴方向的自旋磁矩 （electronic spin magnetic moment）。因此可以把原子中每个电子都看作一个小磁体，具有永久的轨道磁矩和自旋磁矩。,实验测定电子自旋磁矩在外磁场方向上的分量恰为一个玻尔磁子：,其符号决定于电子自旋方向。,- 42 -,原子是否具有磁矩，取决于其具体的电子壳层结构。若有未被填满的电子壳层，其电子的自旋磁矩未被完全抵消(方向相反的磁矩可互相抵消)，则原子就具有永久磁矩。,原子本征磁矩,而根据洪德法则，3d壳层的电子应尽可能填充不同的轨道，其自旋应尽量在向一个平行方向上。,2s22p63s23p63d64s2,铁原子的电子层分布,3d壳层的5个轨道中除了1个轨道填有2个自旋相反的电子外，其余4个轨道均只有1个电子，且这4个电子的自旋方向互相平行，使总的电子自旋磁矩为4B。,- 43 -,抗磁性,对于电子壳层已填满的原子，虽然其轨道磁矩和自旋磁矩的总和为零，但这仅是在无外磁场的情况下。,无外磁场,电子循轨运动产生轨道磁矩,电子受向心力,Kmr2,当有外磁场作用时，即使对于那种总磁矩为零的原子也会显示出磁矩来。,- 44 -,电子的循轨运动在外磁场的作用下产生了抗磁磁矩P。,加上外磁场,受洛伦兹力,KHer,向心力增为K+Kmr(+)2,抗磁性,- 45 -,既然抗磁性（diamagnetism）是电子的轨道运动产生的，而任何物质又都存在这种运动，故可以说任何物质在外磁场作用下都要产生抗磁性。,抗磁性,这并不能说任何物质都是抗磁体，这是因为原子除了产生抗磁磁矩外，还有轨道磁矩和自旋磁矩产生的顺磁磁矩。在此情况下只有那些抗磁性大于顺磁性（paramagnetism）的物质才能称为抗磁体。抗磁体的磁化率很小，约为-10-6，且与温度、磁场强度等无关或变化极小。,凡是电子壳层被填满了的物质都属抗磁体，如惰性气体、离子型固体、共价键的C、Si、Ge、S、P等通过共有电子而填满了电子壳层，故也属抗磁体。,- 46 -,顺磁性,顺磁体的原子或离子是有磁矩的(称为原子固有磁矩，它是电子的轨道磁矩和自旋磁矩的矢量和)，其源于原子内未填满的电子壳层(如过渡元素的d层，稀土金属的f层)，或源于具有奇数个电子的原子。,但无外磁场时，由于热振动的影响，其原子磁矩的取向是无序的，故总磁矩为零。当有外磁场作用，则原子磁矩便排向外磁场的方向，总磁矩便大于零而表现为正向磁化。,- 47 -,顺磁性,顺磁体的磁化乃是磁场克服热运动的干扰，使原子磁矩排向磁场方向的结果。,根据顺磁磁化率与温度的关系，可以把顺磁体大致分为三类，即正常顺磁体、磁化率与温度无关的顺磁体和存在反铁磁体转变的顺磁体。,- 48 -,顺磁性,- 49 -,（1） 正常顺磁体,顺磁体的分类,O2、NO、Pd稀土金属，Fe、Co、Ni的盐类，以及铁磁金属在居里点以上都属正常的顺磁体。,原子磁化率与温度成反比,但还有相当多的固溶体顺磁物质，特别是过渡族金属元素是不符合居里定律的。,居里定律,居里常数,居里-外斯定律(Curie-Weiss law),如存在铁磁转变,-c(表示居里温度),- 50 -,（2）磁化率与温度无关的顺磁体,顺磁体的分类,碱金属Li、Na、K、Rb属于此类，它们的=10-710-6，其顺磁性是由价电子产生的，由量子力学可证明它们的与温度无关。,（3）存在反铁磁体转变的顺磁体,过渡族金属及其合金或它们的化合物属于这类顺磁体。它们都有一定转变温度，称为反铁磁居里点或尼尔点，以TN表示。,当温度高于TN时，它们和正常顺磁体一样服从居里-外斯定律，且0；当温度低于TN时，它们的随T升高而下降，当T0K时，常数；在TN处有一极大值，MnO、MnS、NiCr、CrS-Cr2S、Cr2O3、FeS2、FeS等都属这类。,- 51 -,顺磁体的-T关系曲线示意图,单纯顺磁性,存在铁磁性,存在反铁磁性转变,- 52 -,1907年法国科学家外斯系统地提出了铁磁性假说，主要内容：,铁磁性假说,（1）铁磁物质内部存在很强的“分子场”，在“分子场”的作用下，原子磁矩趋于同向平行排列，即自发磁化至饱和，称为自发磁化；,（2）铁磁体自发磁化分成若干个小区域(这种自发磁化至饱和的小区域称为磁畴)，由于各个区域(磁畴)的磁化方向各不相同，其磁性彼此相互抵消，所以大块铁磁体对外不显示磁性。,铁磁性的本质,技术磁化理论，解释 铁磁体在磁场中的行为,- 53 -,自发磁化,某些原子的核外电子的自旋磁矩不能抵消，从而产生剩余的磁矩。但是，如果每个原子的磁矩仍然混乱排列，那么整个物体仍不能具有磁性。,铁磁性材料的磁性是自发产生的。所谓磁化过程(又称感磁或充磁)只不过是把物质本身的磁性显示出来，而不是由外界向物质提供磁性的过程。,只有所以原子的磁矩沿一个方向整齐地排列，就象很多小磁铁首尾相接，才能使物体对外显示磁性，成为磁性材料。这种原子磁矩的整齐排列现象，就称为自发磁化。,- 54 -,形成铁磁性的条件,(1)在原子的电子壳层中存在没有被电子填满的状态是产生铁磁性的必要条件。,可是对另一些过渡族元素，如锰在3d态上有五个空位，若同向排列，则它们自旋磁矩的应是5B，但它并不是铁磁性元素。,- 55 -,形成铁磁性的条件,(2)形成晶体时，原子之间相互键合作用是否对形成铁磁性有利。,根据键合理论可知，原子相互接近形成分子时，电子云要相互重叠，电子要相互交换。,相邻原子磁矩同向平行排列，实现自发磁化。,这种相邻原子的电子交换效应，其本质仍是静电力迫使电子自旋磁矩平行排列，作用的效果好像强磁场一样。,对于过渡族金属，原子的3d的状态与4s态能量相差不大，因此它们的电子云也将重叠，引起s、d状态电子的再分配。,1s22s22p63s23p63d64s2,- 56 -,电 子 云,1s22s22p63s23p63d64s2,- 57 -,Rab-原子间距 r-未填满的电子层半径,交换积分A与Rab/r的关系,- 58 -,原子内部要有末填满的电子壳层；,铁磁性产生的条件,原子本征磁矩不为零,一定的晶体结构,及Rabr之比大于3使交换积分A为正。,例如：温度对铁磁性的影响。当温度升高时，原子间距加大，降低了交换作用，同时热运动不断破坏原子磁矩的规则取向，故自发磁化强度Ms下降。直到温度高于居里点，以致完全破坏了原子磁矩的规则取向，自发磁矩就不存在了，材料由铁磁性变为顺磁性。,- 59 -,铁磁性材料的原子磁矩,- 60 -,应用举例： （电饭煲的控制）,对于所有的磁性材料来说，并不是在任何温度下都具有磁性。一般地，磁性材料具有一个临界温度Tc.,居里温度,在这个温度以上，由于高温下原子的剧烈热运动，原子磁矩的排列是混乱无序的。在此温度以下，原子磁矩排列整齐，产生自发磁化，物体变成铁磁性的。,- 61 -,反铁磁性和亚铁磁性,铁磁性 反铁磁性 亚铁磁性,- 62 -,铁磁性和铁电性,有相似规律,也有本质差别,铁电性在非对称晶体中发生，而铁磁性发生在次价电子的非平衡自旋中；,铁电体的居里点是由于熵的增加,而铁磁体的居里点是原子的无规则振动破坏了原子间的“交换”作用，从而使自发磁化消失引起的。,铁电性是由离子位移引起，而铁磁性则是由原子取向引起；,(温度上升带电粒子趋于混乱分布极化难度铁电性消失),铁电居里温度(Tc)：电介质的铁电性存在的最高温度。,电畴 磁畴 电滞回线 磁滞回线,- 63 -,磁畴自旋磁矩在一个个微小区域内“自发地”整齐排列起来而形成的磁化小区域。,磁 畴,磁畴 Magnetic Domain,磁畴壁 Magnetic Domain Wall,- 64 -,宏观物体一般总是具有很多磁畴，这样，磁畴的磁矩方向各不相同，结果相互抵消，矢量和为零，整个物体的磁矩为零，它也就不能吸引其它磁性材料。也就是说磁性材料在正常情况下并不对外显示磁性。只有当磁性材料被磁化以后，它才能对外显示出磁性。,磁 畴,- 65 -,a、软磁材料条形畴 ；b、树枝状畴 ；c、薄膜材料中可以见到的磁畴,磁畴壁示意图,- 66 -,磁畴壁示意图,- 67 -,交换作用能使铁磁材料中相邻原子磁矩同向平行(铁磁性耦合)或反向平行(反铁磁性耦合)排列，在磁畴范围内使原子磁矩自发磁化到饱和，但不可能使整个大块的铁磁体自发磁化到饱和。,这些能量对铁磁体的磁行为和磁参量有重要的影响。这些能量中，交换能是近程的，属于静电性质，其数值比其他各项能量大34个数量级。,因为大块铁磁体磁化到饱和后，退磁能要大大提高，迫使铁磁体分成畴。平衡状态下的磁畴大小、形状、取向与铁磁体的磁晶各向异性能、退磁场能、磁弹性能、交换能等有关。,磁场中的能量,- 68 -,磁晶各向异性能,铁磁晶体不同晶轴方向磁化时所增加的自由能不同，这部分与磁化方向有关的自由能成为磁晶各向异性能Ek(magnetocrystalline anisotropy energy)。,很明显，磁晶各向异性能是磁化强度矢量相对晶体学方向函数。,- 69 -,磁致伸缩与磁弹性能,- 70 -,退磁场能,- 71 -,实验表明，磁畴结构的形成是由于这种磁体为了保持自发磁化的稳定性，必须使强磁体的能量达最低值，因而就分裂成无数微小的磁畴。,磁 畴,闭合磁畴示意图,磁畴结构总是要保证体系的能量最小,各个磁畴之间彼此取向不同，首尾相接，形成闭合的磁路，使磁体在空气中的自由静磁能下降为0，对外不显现磁性。,- 72 -,软钢的磁化曲线,初始磁导率,- 73 -,一些工业材料的基本磁化曲线,- 74 -,磁化过程（a） 磁畴扩大（b） 磁化矢量转向（c）,磁化曲线分布示意图,- 75 -,hysteresis loop,磁滞回线,- 76 -,当H0时(OB段),当H= 0时,磁化过程,M=0(各磁畴内磁矩相互抵消),与外磁场同向的磁畴的磁畴壁扩展，畴区扩大。,与外磁场方向不同的磁畴的畴壁转动，使磁畴磁矩转向外磁场方向，达磁饱和。(B= BS),- 77 -,当H减小到0时(C点),畴壁不能完全回转复原，出现剩余磁场Br。,磁化过程,当H反向增至Hc时,畴壁完全回转复原，B=0。(退磁),磁化、退磁过程均靠畴壁的运动来实现。,畴壁运动阻力磁化、退磁的难度BrHc硬磁性 (反之则软磁性),- 78 -,铁磁性的影响因素,(1)原子本征磁矩(m)Bs(Fe、Co、Ni的Bs高),(2)温度磁矩趋于混乱分布，Bs铁磁性,加工硬化，钢淬火后，或固溶体溶质增加畸变硬磁性,(3)材料中晶体缺陷(晶界、相界、位错)杂质、第二相质点多钉扎磁畴壁磁畴壁扩展转动的阻力、Br、Hc硬磁性（反之则软磁性高）,- 79 -,(4)磁致伸缩(伸缩过程消耗外磁能),铁磁体在外磁场作用下被磁化时其形状和尺寸也随着变化的现象。,(5)材料晶体结构各向异性磁晶各向异性,(因各向异性磁化时需克服更大的磁晶各向异性能垒),铁磁性的影响因素,- 80 -,铁磁体的分类,- 81 -,Bs,Hc,Br,，磁滞回线粗大(在交变的H下磁耗大),提高硬磁性的途径,a、成分：Fe、Co、Ni、稀土为基的多元合金。,b、快冷细晶晶界面积,c、淬火+时效位错，细粒状第二相沉淀,用途：仪表、电器上的永磁铁，磁记忆元件：磁带、磁盘。,硬磁体,特点,- 82 -,软磁体,(交变H下，磁耗小),特点,(3)高的磁导率;,(5)某些材料的磁滞回线呈矩形，要求高的矩形比。,(4)高的饱和磁感应强度； Bs ,(2)电阻率较高;,(1)矫顽力和磁滞损耗低；,Hc , Br磁滞回线细长,磁通变化时产生的涡流损耗小；,有时要求低磁场下具有恒定磁导率；,- 83 -,提高软磁性途径,a、成分：Fe、Co、Ni、纯金属或合金(Bs)，非晶态合金。,b、纯化基体(杂质少，第二相质点少),c、慢冷粗化晶粒减少晶界，退火减少位错,用途,a、磁敏感元件：磁探头，磁头,b、磁屏蔽罩、带。,c、交流变压器、继电器铁芯。,软磁体,- 84 -,典型的软磁工程材料,- 85 -,就静态磁性来说，一般金属磁性材料要达到Hc8l04Am-1是相当困难的，但铁氧体却可得到很高的Hc。例如，钡铁氧体可得到Hc=11.5104Am-1；而铁氧体的Ms较低，而金属磁性材料的Ms都较高。,铁氧体与金属磁性材料磁滞回线的比较,- 86 -,矩磁材料,其剩磁大而矫顽磁力小，磁滞回线为矩形。(记忆元件),a)矫顽力Hc要适当 (1680kA/m),以便有效地存储信息，抵抗