材料物理-22(1226)p.pdf

MSEMSE 第第6章 材料的磁性能章 材料的磁性能 磁性是一个宏观的物理量 磁性是一个宏观的物理量 磁性与物质的微观结构密切相关 磁性与物质的微观结构密切相关 磁学基本概念磁学基本概念 磁矩起源 自发磁化理论磁矩起源 自发磁化理论 磁性体中的自由能磁性体中的自由能 磁畴与磁化技术磁畴与磁化技术 磁性材料的动态特性磁性材料的动态特性 各种磁性材料各种磁性材料 信息存储磁性材料信息存储磁性材料 MSEMSE 第第 6 章 材料磁性能章 材料磁性能 6 1 磁学基本量及磁性分类磁学基本量及磁性分类 6 2 铁磁性和亚铁磁性材料的特性铁磁性和亚铁磁性材料的特性 6 3 磁性材料的自发磁化和技术磁化磁性材料的自发磁化和技术磁化 6 4 磁性材料的动态特性磁性材料的动态特性 6 5 磁性材料磁性材料 6 6 信息存储磁性材料信息存储磁性材料 MSEMSE 1 磁学基本量磁学基本量 磁极 磁矩磁极 磁矩 转矩 静磁能转矩 静磁能 磁场强度磁场强度 磁化强度 磁感应强度磁化强度 磁感应强度 磁化率 磁导率 磁化率 磁导率 MSEMSE 磁极磁极 一根棒状磁铁 均有两个磁极一根棒状磁铁 均有两个磁极 N 极和极和 S 极极 磁极之间有相互作用力 同性相斥 异性相 吸 磁极之间有相互作用力 同性相斥 异性相 吸 当两磁极的强度为当两磁极的强度为 m1和和 m2 时 且距离为时 且距离为 r 时 磁极间的作用力为时 磁极间的作用力为 12 2 mm Fk r m1 m2 wb 韦伯韦伯 0 1 4 k 7 0 410H m HWb A MSEMSE 磁矩磁矩 根据产生磁矩的方式 可有两种表达式 根据产生磁矩的方式 可有两种表达式 0 A m2 与与 w b m 为同一量纲 为同一量纲 圆电流产生的磁矩圆电流产生的磁矩 i 电流强度 电流强度 A S 圆电流回线包围的面积 圆电流回线包围的面积 m2 Mm 方向 右手定则方向 右手定则 iSM m0 一根长为一根长为 l m 极强为 极强为m wb 的棒的棒 状磁铁产生的磁矩 状磁铁产生的磁矩 mlM m 方向 由方向 由 S N 极极 MSEMSE 转矩与静磁能转矩与静磁能 将磁矩将磁矩 m 放入磁感应强度为放入磁感应强度为 B 的磁场中 会 受到磁场力的作用而产生 的磁场中 会 受到磁场力的作用而产生转矩转矩 磁矩与外加磁场的作用能称为磁矩与外加磁场的作用能称为静磁能静磁能 处于 磁场中某方向的磁矩所具有的静磁能 处于 磁场中某方向的磁矩所具有的静磁能 TmB u ruru r 6 2 Um B ur u r 6 3 MSEMSE 磁场强度磁场强度 根据产生磁场的方式 有两种表达式 根据产生磁场的方式 有两种表达式 NiH A m 1 2 2 m F Hk m r 电流产生的磁场电流产生的磁场 一个每米有一个每米有 N 匝线圈 通以电流强度为匝线圈 通以电流强度为 i A 的无的无 线长螺线管轴线中央的磁场强度 线长螺线管轴线中央的磁场强度 磁铁在其周围产生的磁场磁铁在其周围产生的磁场 极强为极强为 m1 的磁极 在距离的磁极 在距离 r 处产生的磁场强度是处产生的磁场强度是 单位极强单位极强 m2 1wb 在该处所受到的作用力在该处所受到的作用力 A m MSEMSE 磁化强度磁化强度M 设一个宏观磁体由许多具有固有磁矩的原子组 成 当原子磁矩紊乱排列时 宏观磁体对外不 显示磁性 设一个宏观磁体由许多具有固有磁矩的原子组 成 当原子磁矩紊乱排列时 宏观磁体对外不 显示磁性 在外磁场作用下当原子磁矩同向平行排列时 宏观磁体对外显示磁性最强 这种现象称为材 料被 在外磁场作用下当原子磁矩同向平行排列时 宏观磁体对外显示磁性最强 这种现象称为材 料被磁化磁化 V m M n i i 1 wb m2 T 宏观磁体单位体积在某一方 向的磁矩称为 宏观磁体单位体积在某一方 向的磁矩称为磁化强度磁化强度 M MSEMSE 磁感应强度磁感应强度B 任何物质在外磁场为任何物质在外磁场为 H 的作用下 材料中 的磁感应强度为 的作用下 材料中 的磁感应强度为 材料的磁感应强度由两部分叠加而成 材料的磁感应强度由两部分叠加而成 00 BHM BH 材料的绝对磁导率 材料的绝对磁导率 自由空间磁场自由空间磁场 在物质内部的外磁场在物质内部的外磁场 材料由于磁化引起的附加磁场 材料由于磁化引起的附加磁场 或者或者 MSEMSE 磁化率磁化率 材料在磁场中被磁化的程度与磁场强度有关材料在磁场中被磁化的程度与磁场强度有关 MH 磁化率 磁化率 00 1 r B B r r 材料的相对磁导率 材料的相对磁导率 磁化率与磁导率的相互关系磁化率与磁导率的相互关系 MSEMSE 2 物质的磁性分类物质的磁性分类 根据磁性物质的磁性强弱根据磁性物质的磁性强弱 即磁化率大小 和符号 即磁化率大小 和符号 磁性物质可分为 磁性物质可分为 弱磁体 抗磁体 常磁体 反铁磁体弱磁体 抗磁体 常磁体 反铁磁体 强磁体 铁磁体 亚铁磁体强磁体 铁磁体 亚铁磁体 MSEMSE 抗磁体抗磁体 不但小于零 且很小 约 不但小于零 且很小 约 10 5 数量 级 与温度无关 数量 级 与温度无关 惰性金属 许多有机化合物 若干金属惰性金属 许多有机化合物 若干金属 Bi Ag Mg Cu 非金属 非金属 Si P S MSEMSE 顺磁体顺磁体 磁化率为正值 磁化率为正值 10 3 10 6 仅显示微 弱磁性 仅显示微 弱磁性 稀土金属和铁族元素的盐类 稀土金属和铁族元素的盐类 MSEMSE 反铁磁体反铁磁体 磁化率是很小的正数 温度低于某温度 时 磁化率与磁场取向有关 高于此温度 其行为与顺磁体类似 磁化率是很小的正数 温度低于某温度 时 磁化率与磁场取向有关 高于此温度 其行为与顺磁体类似 过渡族元素的盐类及化合物过渡族元素的盐类及化合物 MnFe Cr2O3 CoO 等 等 MSEMSE 铁磁体铁磁体 这种物质在很小的磁场作用下 就能产生 很大的磁化强度 且与外磁场呈非线性关系 不但 这种物质在很小的磁场作用下 就能产生 很大的磁化强度 且与外磁场呈非线性关系 不但 且在 且在 10 106 数量级 数量级 铁磁体在温度高于某临界温度后变成顺磁 体 该临界温度称为 铁磁体在温度高于某临界温度后变成顺磁 体 该临界温度称为居里温度或居里点居里温度或居里点 Tc 具有铁磁性的元素不多 但具有铁磁性的 合金和化合物却各种各样 具有铁磁性的元素不多 但具有铁磁性的 合金和化合物却各种各样 MSEMSE 亚铁磁体亚铁磁体 其宏观磁性与铁磁体相同 仅仅其磁化率 的数量级稍低一些 大约为 其宏观磁性与铁磁体相同 仅仅其磁化率 的数量级稍低一些 大约为10 0 10 3 铁氧体即为典型的亚铁磁性物质 铁氧体即为典型的亚铁磁性物质 MSEMSE 3 磁性产生机制磁性产生机制 材料的磁性起源于原子本征磁矩 材料的磁性起源于原子本征磁矩 原子磁矩包括 原子磁矩包括 电子轨道磁矩电子轨道磁矩 电子自旋磁矩电子自旋磁矩 原子核磁矩 忽略不计 原子核磁矩 忽略不计 MSEMSE 电子轨道磁矩电子轨道磁矩 电子绕原子核运动 犹如一环形电流 此环 流在其运动中心处产生磁矩 称为 电子绕原子核运动 犹如一环形电流 此环 流在其运动中心处产生磁矩 称为电子轨道磁矩 电子轨道磁矩 r 电子运动轨道半径 电子运动轨道半径 mo 电子质量 电子质量 电子绕核运动的角速度 电子绕核运动的角速度 e 电子电量 电子电量 L 电子运动的轨道角动量 电子运动的轨道角动量 22 00000 0 222 e o ee miSermrL mm 0 2 e o e mL m uru r 6 14 MSEMSE 电子轨道磁矩电子轨道磁矩 续续 该磁矩方向垂直于电子运动轨迹平面 该磁矩方向垂直于电子运动轨迹平面 并符合右手定则 并符合右手定则 磁矩在外磁场上的投影 即电子轨道在 外磁场方向上的分量 满足量子化条件 磁矩在外磁场上的投影 即电子轨道在 外磁场方向上的分量 满足量子化条件 0 1 2 ezlBl mmml L ml 电子运动状态的磁量子数 电子运动状态的磁量子数z 表示外磁场方向 表示外磁场方向 24 2 9 273 10J T B em h 29 0 2 1 165 10 B emwb m h B 玻尔磁子 电子磁矩的最小单位 玻尔磁子 电子磁矩的最小单位 或者或者 0 2 e o e mL m uru r MSEMSE 电子自旋磁矩电子自旋磁矩 电子自旋磁矩在外磁场方向上的分量恰为一个 磁尔磁子 电子自旋磁矩在外磁场方向上的分量恰为一个 磁尔磁子 B sz m 符号取决于电子自旋方向 与外磁场方向一符号取决于电子自旋方向 与外磁场方向一 致时取为正 致时取为正 乌仑贝克乌仑贝克 G E Uhlenbeck 1900 1974 古兹米特古兹米特 S A Goudsmit 1902 1978 MSEMSE 原子磁矩原子磁矩 原子中电子的轨道磁矩和自旋磁矩构成 了 原子中电子的轨道磁矩和自旋磁矩构成 了原子固有磁矩 原子固有磁矩 也称也称本征磁矩 本征磁矩 满壳层电子的原子本征磁矩为零 因为 电子对称分布 磁矩互相为零 满壳层电子的原子本征磁矩为零 因为 电子对称分布 磁矩互相为零 MSEMSE 抗磁性抗磁性 抗磁性来源于电子轨道运动抗磁性来源于电子轨道运动 环形 电流 环形 电流 与楞次定律的共同作用 与楞次定律的共同作用 任何物质在磁场作用下均有抗磁性 任何物质在磁场作用下均有抗磁性 只有当原子固有磁矩不存在或者很小 时 它才很明显 只有当原子固有磁矩不存在或者很小 时 它才很明显 MSEMSE 顺磁性顺磁性 材料的顺磁性来源于原子的固有磁矩 由于 热运动的影响 原子的固有磁矩之间的相对 取向混乱排列 材料的顺磁性来源于原子的固有磁矩 由于 热运动的影响 原子的固有磁矩之间的相对 取向混乱排列 外磁场为零时 宏观上总磁矩为零 有外磁场时 外磁场使紊乱排列的原子磁矩 与 外磁场为零时 宏观上总磁矩为零 有外磁场时 外磁场使紊乱排列的原子磁矩 与 H夹角夹角 逐渐减小 最终使原子磁矩全部 转向外场方向 逐渐减小 最终使原子磁矩全部 转向外场方向 MSEMSE 顺磁性磁化的难易程度顺磁性磁化的难易程度 使顺磁体中的原子磁矩与外加磁场取向一 致时 所需要的磁场强度 相当于磁矩在外磁场作用下 使顺磁体中的原子磁矩与外加磁场取向一 致时 所需要的磁场强度 相当于磁矩在外磁场作用下 克服热运 动 克服热运 动 趋于排列取向一致 趋于排列取向一致 kTmH HkT m 3 24 10 9 273 10 TK mJ T 时 时 2 1 49 10HT 顺磁性物质很难磁化顺磁性物质很难磁化 MSEMSE 顺磁体的磁化率顺磁体的磁化率 由朗之万理论得 单位体积内金属顺磁磁化 率 由朗之万理论得 单位体积内金属顺磁磁化 率 2 0 3M HnmkTC T n 单位体积的原子数 单位体积的原子数 C 与原子磁矩有关的物理量 与原子磁矩有关的物理量 通过测量磁化率与温度的关系 可求出通过测量磁化率与温度的关系 可求出 物质的原子磁矩 物质的原子磁矩 6 19 MSEMSE 第第6章 材料磁性能章 材料磁性能 6 1 磁学基本量及磁性分类磁学基本量及磁性分类 6 2 铁磁性和亚铁磁性材料的特性铁磁性和亚铁磁性材料的特性 6 3 磁性材料的自发磁化和技术磁化磁性材料的自发磁化和技术磁化 6 4 磁性材料的动态特性磁性材料的动态特性 6 5 磁性材料磁性材料 6 6 信息存储磁性材料信息存储磁性材料 MSEMSE 6 2 铁磁性和亚铁磁性的特性铁磁性和亚铁磁性的特性 宏观的磁学特性与顺磁性 抗磁物质不同 主要特点表现在磁化曲线和磁滞回线上 宏观的磁学特性与顺磁性 抗磁物质不同 主要特点表现在磁化曲线和磁滞回线上 MSEMSE 6 2 1 磁化曲线磁化曲线 磁性物质的磁化曲线是非线性的 磁性物质的磁化曲线是非线性的 MSEMSE 磁学单位磁学单位 国际单位制 国际单位制 M A m H A m 高斯单位制 高斯单位制 B Gs H Oe 磁化强度磁场强度磁化强度磁场强度 MSEMSE 磁导率磁导率 高斯制中由于 所以高斯制中由于 所以4BHM o 1 MH 4 14 BHHHH 高斯单位制中磁导率的表达式 量纲为高斯单位制中磁导率的表达式 量纲为1 磁化曲线上任何磁化曲线上任何 B 和相应的和相应的 H 比值就比值就 是磁导率 是磁导率 MSEMSE 初始磁导率初始磁导率 相当于磁化曲线起始部分的斜率 相当于磁化曲线起始部分的斜率 技术上规定在技术上规定在 0 1 0 001 Oe 磁场的磁导率为磁场的磁导率为 i 软磁材料作为磁传感时的重要技术参量 软磁材料作为磁传感时的重要技术参量 0 0 lim i H H B H 0 lim i H dB dH MSEMSE 最大磁导率最大磁导率 磁化曲线中斜率最大 的值 磁化曲线中斜率最大 的值 软磁材料做为磁芯部 分的重要技术参量 软磁材料做为磁芯部 分的重要技术参量 MSEMSE 6 2 2 磁滞回线磁滞回线 退磁过程 剩余磁化强度 剩 余磁感应强度 矫顽力 退磁曲线 磁滞现象 退磁过程中 退磁过程 剩余磁化强度 剩 余磁感应强度 矫顽力 退磁曲线 磁滞现象 退磁过程中M的变 化落后于 的变 化落后于 H 的变化的现象 磁滞回线