材料科学工程导论mse-21磁性ppt课件.ppt

第二十一章磁性 magneticproperties 磁偶極 magneticdipole 磁場向量磁矩來源 magneticmoment 反磁與順磁 dia para 鐵磁 反鐵磁與亞鐵磁 ferro antiferro ferri 1 溫度對磁性影響磁區 domain 與磁滯 hysteresis 軟磁材料 soft 硬磁材料 hard 高能硬磁材料磁儲存 超導性 2 Magnesia mineralingredientofthephilosophers stone fromMedievalLatin fromGreek akindofore fromMagnesia anancientcityofAsiaMinor磁 慈石 3 十二世紀 中國人航海十八世紀 Coulomb研究磁石作用1820 Oersted 1777 1851 電流偏折磁針電荷使電場扭曲 distortion 磁場磁場是電場相對論性質副產品 4 磁性發電機 變電器 馬達 收音機 電視 電話 計算機 視聽系統鐵 某些鋼鐵 天然磁石磁場對所有物質都有影響 5 磁偶極 magneticdipole 磁場 磁力線 fieldline 想像的工具 imaginarytool 電流圈 currentloop 磁棒 bar 6 7 磁偶極與電偶極相似想像為一包含南北極小磁棒由箭頭代表 由南指向北磁場對磁偶極產生一力矩 順向 8 9 磁場向量磁場強度 magneticfieldstrength H 外加磁場如磁場由一圓柱形線圈 螺形線圈 產生設線圈含有N密接圈 長度為L 電流IH NI L 10 磁感應 magneticinduction B磁通量密度 magneticfluxdensity 物質內部磁場B H 導磁率 permeability 11 真空中B0 0H 0 真空導磁率1 257x10 6H m 12 13 相對導磁率 0材料磁化程度外加磁場引致磁感應之難易 14 磁化 magnetization MB 0H 0MB B0 0MM mH m 磁化率 magneticsusceptibility 15 B 0H 0M 0 1 m B H r 0H m r 1 16 磁矩來源磁性由電子磁矩而來軌道運動自旋 17 18 最基本磁矩 Bohr磁子 magneton BPaulisoonintroducedtheatomicmagnetonandnameditafterNielsBohr 1925 9 27x10 14A m2自旋磁矩 B軌道磁矩 ml B 19 20 原子磁矩各電子磁矩總和原子電子層或次層完全填滿 磁矩為零He Ne Ar以及某些離子材料 21 反磁性 diamagnetism 與順磁性 paramagnetism 反磁性 由外加磁場改變電子軌道運動而來 r 1所有材料中 弱 22 23 順磁性某些固體材料 軌道運動與 或 and or 自旋磁矩不完全註銷 永久磁矩隨意指向 r 110 5 10 2 24 25 26 鐵磁性大而永久磁化Fe Co Ni Gd磁化率 106 27 28 B 0M電子自旋磁矩偶合相互作用 電子自旋對齊偶合作用受電子結構影響磁域 domain 29 飽和 saturation 磁化最大 maximum 磁化飽和磁通量密度淨磁矩與原子數目乘積Fe Co Ni 2 22 1 72 0 6 30 例21 1Ni之飽和磁化與飽和磁通量密度Ms 0 60 BNN 9 13x1028atoms m3Ms 5 1x105A mBs 0Ms 0 64tesla 31 32 反鐵磁性 anti ferromagnetism 電子自旋對齊與磁場反向MnOMn2 O2 Mn2 淨磁矩 主要為自旋磁矩鄰近Mn2 磁矩反向 淨磁矩 0 33 34 亞鐵磁性 ferrimagnetism 淨磁矩來源MFe2O4Fe3O4 磁石 35 36 37 38 例21 2Fe2O3之飽和磁通量密度立方晶包 8Fe2 16Fe3 a 0 839nmMs N BN nB Vc8x4 32Ms 5 0 x105A m 39 設計例21 1設計Ms為5 25x105A m磁石材料nB 33 45Bohrmagneton8 5 4 1 x 33 45x 0 181用Mn取代 40 溫度對磁性影響熱振動 磁矩轉向較易溫度升高 磁化降低Curie溫度 Tc M 0Tc 768 Fe 1120 Co 335 Ni 586 Fe3O4 0CNeel溫度 反鐵磁M 0 41 42 磁域 domain 與磁滯 hysteresis Hysteresis Greek ashortcoming fromhusterein tocomelate fromhusteros late磁域 磁矩同方向區域磁域界 domainboundary wall 磁域界磁矩方向逐漸改變每一晶粒可能有多於一之磁域M為各磁域磁化向量和 43 44 45 46 鐵磁與亞鐵磁B H曲線Ms 飽和磁化 H H 0 i 初始導磁率 initialpermeability H增加 磁域界移動 磁域逐漸改變 磁矩方向轉向 漸與磁場平行 單一磁域 飽和磁化 47 H降低 B降低速率較低 磁滯H 0 Br 殘留磁場密度 remanence H降低 磁域界移動阻抗B 0 Hc 保磁力 coercivity 反向飽和磁化 Br Hc消磁 demagnetizing 48 49 50 軟磁材料磁化 去磁環 磁能損失 熱軟磁 交流磁場 變壓器核心磁滯環面積小 i高 Hc小 51 52 53 54 飽和磁化由材料成份決定磁化率 Hc與結構變數有關缺陷或非磁性粒子阻礙磁域界移動 Hc增加 55 電阻Eddy 渦 電流減少能量損失 電阻率高Fe Si Fe Ni合金陶屬亞鐵鹽熱處理 方形磁滯環 某些放大器 脈衝變壓器 56 硬磁材料高殘留磁場密度 remanence 保磁力 coercivity 飽和磁場密度 低初始導磁率保磁力能量積 BH max永久磁鐵消磁所需能量 57 58 59 一般硬磁材料 BH max 2 80kJ m2磁性鋼鐵 Cu Ni Fe合金 cunife alnico Al Ni Co 六方形ferrite BaO 6Fe2O3 60 硬磁材料含Wand orCr CW Cr碳化物 阻礙磁域界運動熱處理 極小單磁域晶粒強磁Fe Co微粒 61 高能硬磁材料 BH max 80kJ m2SmCo5 Nd2Fe14B 62 SmCo5 Co Fe與輕稀土元素 BH max 120 240kJ m2Hc高 9 000Oe 粉末冶金方法 63 Nd2Fe14B Sm較貴重Co 價格不穩定 BH max 255kJ m2Hc高 10 600Oe 64 磁化 消磁磁域界運動 製程控制小晶粒形狀 大小 方向第二相顆粒特性與分佈Nd2Fe14B 粉末冶金方法 快速固化 65 硬磁應用馬達 硬磁電力需求較低 散熱問題小尺寸較小 用於馬力小馬達無線鑽床 螺絲起子 汽車 起動 電動窗 雨刷 洗窗噴射器 風扇 錄影機 錄音機 時鐘 音響喇叭 耳機 助聽器 計算機周邊設備 66 磁儲存錄音帶 錄影帶 錄影機 硬碟機 軟碟片 硬碟片 信用卡計算機 半導體元件記憶體硬碟 容量大 成本低錄音與電視業 磁帶 67 磁儲存媒體 磁帶或磁片轉錄或擷取 感應讀寫磁頭感應讀寫磁頭 感應線圈 磁芯數據資料 電子訊號產生磁場磁化磁帶或磁片 儲存訊號 68 感應讀寫磁頭擷取儲存訊號磁場改變 產生電子訊號 電壓 放大與轉換 69 複合磁頭感應寫磁頭磁阻讀磁頭 magnetoresistivehead 磁頭電阻因磁場變化而改變高靈敏度與數據資料轉換速率 70 鐵磁與亞鐵磁B H曲線Ms 飽和磁化 H H 0 i 初始導磁率 initialpermeability H增加 磁域界移動 磁域逐漸改變 磁矩方向轉向 漸與磁場平行 單一磁域 飽和磁化 71 72 磁介質 medium media 微粒狀 paticulate 與薄膜型微粒狀 針 needlelike 刺 aciculate 狀 Fe2O3 CrO2高分子膜 金屬盤微粒長軸與通過磁頭運動方向平行 73 74 薄膜型高儲存密度 低成本硬碟片CoPtCr CoCrTa 10 50nm厚 晶粒10 30nm晶粒大小均勻 單一磁域 75 76 薄膜型磁化方向與通過磁頭運動方向平行高儲存密度 磁域堆積密度高微粒由空隙隔離108vs 2x109bit in 2Cr Cr合金 77 磁介質磁性 磁滯環方形 大永久儲存 磁化反轉微粒記錄媒體 Bs 4 000 6 000gauss薄膜型 Bs 6 000 12 000gaussHc 1 5x105 2 5x105A m 2000 3000Oe 78 超導性與磁性有關 磁性應用臨界溫度 Tc 金屬 1 20K氧化物 100KMgB2 2001 79 TheNobelPrizeinPhysics1913 forhisinvestigationsonthepropertiesofmatteratlowtemperatureswhichled interalia totheproductionofliquidhelium 80 HeikeKamerlingh Onnes 1853 1926 81 TheNobelPrizeinPhysics1972 fortheirjointlydevelopedtheoryofsuperconductivity usuallycalledtheBCS theory 82 JohnBardeen 1908 91 LeonNeilCooper 1930 andJohnRobertSchrieffer 1931 83 84 溫度 磁場 電流密度BCS Bardeen Cooper Schrieffer 理論互相吸引電子對 Cooperpair 熱振動 雜質散射劇降 85 第一 typeI 與第二 typeII 型第一 typeI 型 完全反磁 B 0Al Pb Sn Hg第二型 T Tc1 B 0Tc1 T Tc2 磁場穿透 86 87 88 89 90 第二型超導体較實用臨界溫度 臨界磁場較高Nb Ze Nb Ti Nb Sn 91 92 TheNobelPrizeinPhysics1987 fortheirimportantbreak throughinthediscoveryofsuperconductivityinceramicmaterials 93 J GeorgBednorz 1950 andK AlexanderM ller 1927 94 95 96 97 氧化物超導体室溫絕緣體YBa2Cu3O7 92KBi2Sr2Ca2Cu3O10 110KTl2Ba2Ca2Cu3O10 125KHgBa2Cu2O8 153K 98 99 77K 液態氮 N2 液態氦 He helium 4K脆線材應用 100 超導体應用科學試驗與研究設備核磁共振攝影 nuclearmagneticresonanceimaging 核磁共振能譜 nuclearmagneticresonancespectroscopy 101 超導体應用電力輸送高能加速器計算機高速開關 傳輸磁浮列車 102 103 104 105 106 TheNobelPrizeinPhysics1933 forthediscoveryofnewproductiveformsofatomictheory 107 ErwinSchr dinger 1887 1961