《磁性物理基础》PPT课件.ppt

无论是电子技术 电力技术 通信技术 还是空间技术 计算技术 生物技术 乃至家用电器 磁学和磁性材料都是不可缺少的重要部分 从1902年P 塞曼和H A 洛伦兹获得诺贝尔奖 到1998年华裔的崔琦先生获诺贝尔物理学奖 至少有24次诺贝尔奖得主在磁学领域作出了杰出的贡献 公元前2500年我国已有磁性指南 司南的记载 其开创了人类对磁学和磁性材料研究的先河 以磁科学进行研究的创始者当数吉尔伯特 后经安培 奥斯特 法拉第等人开创性的发现和发明 初步奠定了磁学科学的基础 从1900年到1930年 先后确立了金属电子论 顺磁性理论 分子磁场 磁畴概念 X射线衍射分析 原子磁矩 电子自旋 波动力学 铁磁性体理论 金属电子量子论 电子显微镜等相关的的理论 从而形成了完整的磁学科学体系 在此后的20 30年间 出现了种类繁多的磁性材料 我国的磁学前辈当数叶企孙 1924年从美国哈佛大学获博士学位回国 施汝为先生 1931年在国内发表了第一篇磁学研究论文 现我国已有十余所高校 十几个研究所及几百个生产企业从事磁学研究 教学和生产 引言 磁性材料是电子功能材料中极其重要的一类 已成为现代工业和科学技术的支撑性材料之一 广泛应用于通信 自动化 电机 仪器仪表 广播电视 计算机 家用电器以及医疗卫生等领域 如各类变压器 电感器 滤波器 磁头和磁盘 各类磁体 换能器以及微波器件等 这类材料按其导电性差异 可分为金属和铁氧体磁性材料两大类 按其磁性能差异 又可分为软磁 永磁 旋磁 压磁以及磁光材料等类别 应用 精密的仪器仪表 电讯 电声器件 工业设备 控制器件 其它器件 作用原理利用永磁材料在给定的空间产生一定的磁场强度 利用永磁合金的磁滞特性产生转动矩 使电能转化为机械能 特点充磁后 去掉外磁场后仍可保留磁性 磁性材料是功能材料的重要分支 磁性元器件具有转换 传递 处理信息 存储能量 节约能源等功能 应用于能源 电信 自动控制 通讯 家用电器 生物 医疗卫生 轻工 选矿 物理探矿 军工等领域 尤其在信息技术领域已成为不可缺少的组成部分 信息化发展的总趋势是向小 轻 薄以及多功能 数字化 智能化方向发展 要求磁性材料制造的元器件不仅大容量 小型化 高速度 而且具有可靠性 耐久性 抗振动和低成本的特点 我国磁性材料的生产在国际上占有重要的地位 其中 永磁铁氧体的产量达1 1 105 居世界首位 软磁铁氧体产量4 104 居世界前列 稀土永磁产量4300 居世界第二 根据中国工程院的专项调查和预测 我国2008年磁性材料的需求量 永磁铁氧体15 104 软磁铁氧体6 104 稀土永磁8000 10000 但是 目前我国生产的磁性材料基本上是低性能水平的材料 与世界先进水平存在较大的差距 1 加强磁性材料的基础研究和应用基础研究 2 改造和完善现有的磁性材料 提高其磁性能 优化制备工艺 降低生产成本 3 发展新型的磁性材料 特别是纳米磁性材料纳米磁性材料是纳米材料中最早进入工业化生产的功能材料 应用广泛 性能优异 特别是在信息存储 处理与传输中占据重要地位 其基础研究和应用开发正方兴未艾 4 加强研究 生产 应用三方面的结合 不断开拓磁性材料新的应用领域并促使其发展 磁性材料的研究和发展将主要集中在以下几个方面 1 1静磁现象 1 2材料的磁化 1 3磁性和磁性材料分类 第一章磁学基础知识 1 1 1磁矩 a 磁铁 永磁体 方向性 N S极不可分离性 磁力线 磁力线切线方向为磁场方向 正磁极负磁极正磁荷 m负磁荷 m b 定义 磁体无限小时 体系定义为磁偶极子 其磁偶极矩 方向 m指向 m单位 Wb m 1 1静磁现象 1 磁偶极子 2 磁矩用环形电流描述磁偶极子 其磁矩 单位 A m2结论 a二者的物理意义相同 表征磁偶极子磁性强弱与方向 但单位不同 公式有差异 c 电子的轨道运动相当于一个恒定的电流回路 必有一个磁矩 但自旋不能用电流回路解释 因此 最好将自旋磁矩视为基本粒子的固有磁矩 i 电流 b 方向 右手螺旋法则决定 1 1 2磁化强度M 磁极化强度 磁化强度 比饱和磁化强度 均为描述空间任意一点的磁场参量 矢量 1 H 静磁学定义H为单位点磁荷在该处所受的磁场力的大小 方向与正磁荷在该处所受磁场力方向一致 1 1 3磁场强度H与与磁感应强度B 实际应用中 往往用电流产生磁场 并规定H的单位在SI制中 用1A的电流通过直导线 在距离导线r 1 2 米处 磁场强度即为1A m 1 常见的几种电流产生磁场的形式为 1 无限长载流直导线 方向是切于与导线垂直的且以导线为轴的圆周 2 直流环形线圈圆心 r为环形圆圈半径 方向由右手螺旋法则确定 3 无限长直流螺线管 n 单位长度的线圈匝数 方向沿螺线管的轴线方向 2磁感应强度B往往确定磁场效应采用磁感应强度B 而非H SI制中 自由真空中 B与H平行 磁体内部 B与H不一定平行 单位 B T或Wb m 2 H A m M A m J Wb m 2真空中 M 0当H 107 4 A m 1时 B 1T 磁学量的单位制 使用Gauss单位制时 此时 B的单位为Gs H的单位为Oe 0 1G Oe式中M为磁极密度单位为Gs 4 M为磁通线的密度 SI制与Gauss制间的转换B 1G 10 4TH 103A m 1 4 Oe 103 4 A m 1 79 577A m 1 1Oe 和 磁矩 在Gauss单位制中 0 1G Oe 则磁偶极矩与磁矩无差别 通称为磁矩 单位为电磁单位 e m u 1e m u 磁偶极矩 4 10 10Wb m1e m u 磁矩 10 3A m2磁化强度 Gauss单位制中 磁极化强度 J 与磁化强度 M 相同 单位 G 1 1 4磁化率与磁导率磁体置于外磁场中磁化强度M将发生磁化 其中 称为磁体的磁化率 是单位磁场在磁体内感生的磁化强度 表征磁体磁化难易程度 令 1 B 0H 相对磁导率 表征磁体磁性 导磁性及磁化难易程度 单位 T m A或H mSI制中 绝对磁导率 绝对 B H 绝对 0注意 只有B H M相互平行时 为标量 否则为张量 磁导率的不同定义 1 初始磁导率 是磁中性状态 H 0 M 0 下磁导率的极限值 在弱场下使用时 i是一重要参数2 最大磁导率 max 表征单位H在磁体中感生出最大B的能力 一般而言磁性体的磁导率就是指这个参数 3 振幅磁导率磁体在交变磁场 无直流磁场 中被磁化时 在一定振幅的磁场下 其磁感应强度也有一定振幅 它是 H或B 的振幅的函数 其最大值称为最大振幅磁导率 4 增量磁导率 指磁体受直流电磁场H0作用 在H0上再叠加一个较小的交变磁场 此时磁体对于交变磁场的磁导率即为 5 可逆磁导率 rev 原因是在交变场作用下 B H间有相位差 所有磁导率的值都是H的函数 6 复数磁导率 1 退磁场有限几何尺寸的磁体在外磁场中被磁化后 表面将产生磁极 从而使磁体内部存在与磁化强度M方向相反的一种磁场 起减退磁化的作用 称为退磁场Hd Hd的大小与磁体形状及磁极强度有关 若磁化均匀 则Hd也均匀 且与M成正比 其中N为退磁因子 只与磁体几何形状和尺寸有关 非均匀磁化时还与磁性体磁导率有关 1 1 5退磁能 Hd NM 2 简单几何形状磁体的退磁因子N对于旋转椭球体 三个主轴方向退磁因子之和 由此可求出 球体 N 1 3细长圆柱体 Na Nb 1 2 Nc 0薄圆板体 Na Nb 0 Nc 1 3 退磁场能量指磁体在它自身的Hd中所具有的能量 适用条件 磁体内部均匀一致 磁化均匀 形状不同或沿不同的方向磁化时 Fd也不同 这种因形状不同而引起的能量各向异性的特征 形状各向异性 即 Fd是形状各向异性能量 一 外磁场能 H 磁体由于本身的磁偶极矩Jm与H间的相互作用 产生一力矩 1 1 5静磁能 负号表示力矩沿顺时针方向 逆时针方向为正 00 L最小 处于稳定状态 0 L 0 不稳定 会使磁体转到与H方向一致 这就要做功 相当于使磁体在H中位能降低 即 磁体在磁场中位能 单位体积中磁位能 即磁场能量密度 0 FH最小 180o FH最大 磁性材料对外加磁场有明显的响应特征 状态随外加磁场强度而变化 可用磁化曲线与磁滞回线表征 1 2 1磁化曲线表示磁场强度H与所感生的B或M之间的关系B H关系 工程技术中应用M H关系 磁性物理学中常用可通过环形磁材样品测出 初级线圈N1接DC电路 次级线圈N2接电子磁通计 当N1通DC时 磁环内部产生磁场 此环形样品被磁化 由磁通计反映出B的变化 由此可作出B H曲线 也可由B 0 H M 画出 0M H曲线 如图 1 2材料的磁化 O点 H 0 B 0 M 0 磁中性和原始退磁状态OA段 近似线性 起始磁化阶段AB段 较陡峭 表明急剧磁化结论 1 两曲线机理一样 2 HHm后 M逐渐趋于一定值MS 饱和磁化强度 而B则仍不断增大 4 由B H M H 曲线可求出 或 5 饱和后再磁化无意义 1 2 2磁滞回线 从饱和磁化状态开始 再使磁化场减小 B或M不再沿原始曲线返回 当H 0时 仍有一定的剩磁Br或Mr 为使B M 趋于零 需反向加一磁场 此时H Hc称为矫顽力 分为 BHC 使B 0的Hc 工程技术上所指 MHC M 0时的Hc 内禀矫顽力 一般 BHC MHC 1 矫顽力HcHc是表征材料在磁化后保持磁化状态的能力 通常以Hc划分软磁 永磁 半永磁材料 软磁 硬磁 半硬磁 H从正的最大到负的最大 再回到正的最大时 B H或M H形成一封闭的曲线 磁滞回线 磁材的重要特性之一 磁滞回线的第二象限为退磁曲线 依据此考察硬磁材料性能 BH 为磁能积 表征永磁材料中能量大小 BH max是永磁的重要特性参数之一 2 磁滞回线 将退磁曲线上的 BH 对B作用 可得 BH 对B的关系曲线 磁化曲线与磁滞回线是磁性材料的重要特征 能反映许多磁特性 如 MS Bs Mr Br BHC MHC BH max等 从实用的观点 根据磁化率 M H 大小与符号 可分为五种 一 抗磁性原子磁矩 J 0 在外磁场作用下 电子运动将产生一个附加的运动 由电磁感应定律而定 出现附加角动量 感生出与H反向的磁矩 因此 d 0 且 d 10 5 与H T无关 1 3磁性和磁性材料分类 1 3 1物质的磁性分类 实例 惰性气体 许多有机化合物 某些金属 Bi Zn Ag Mg 非金属 如 Si P S 二 顺磁性1 J 0 无相互作用 各原子磁矩取向混乱 对外不显示宏观磁性 2 P 0 但数值很小 显微弱磁性 室温下 P 10 3 10 6 3 P与T有关 如 稀土金属和铁族元素的盐 其中 C为居里常数 TP为顺磁性居里温度 三 反铁磁性 即在T TN 奈尔温度 时 af最大 实例 过渡族元素的盐类及化合物 如MnO CrO CoO等 O 1 J 0 af与顺磁物质接近 2 物质中存在相互作用 自旋次晶格成反平行排列 每一次晶格的磁矩大小相等 合成磁矩为零 3 af与T有关 存在奈尔温度TN 四 铁磁性1 J 0 f 0 约为10 106 有磁滞现象 2 物质中存在相互作用 J有序 3 f与T有关 存在居里温度Tc 铁磁性或亚铁磁性物质转变为顺磁性的临界温度 当T TC时 铁磁性转变为顺磁性 服从居里 外斯定律 实例 3d金属Fe Co Ni 4f金属铽 铒 铥 钬 铒 铥 鐠和钕以及很多合金与化合物 五 亚铁磁性 1 m 0 m 0 约为100 103 2 存在相互作用 J有序 内部磁结构与反铁磁性相同 但相反排列的磁矩大小不等量 3 f与T有关 不服从居里 外斯定律 4 电阻率高 多用于高频 典型代表为铁氧体 前三种为弱磁性 后两种为强磁性 具有此二性的材料叫磁性材料 按其被应用的性能 磁性材料可分为软磁 永磁 旋磁 矩磁 压磁五类 O 1 3 2磁性材料分类 软磁材料永磁材料信磁材料特磁材料 从实用观点分 1 软磁材料 1 主要特征是 高的初始磁导率和最大磁导率 低的矫顽力Hc 高的饱和磁化强度和低的剩余磁感应强度 此外 出于节省能源降低噪声等方而考虑 软磁材料还应具备低的铁损 高的电阻率 低的磁致伸缩系数等特征 易受磁场磁化 又易退磁的材料作用形式 能量转换 信息处理 特点 在外磁场作用下才显示磁性 去掉外磁场后不对外显示磁性 2 应用用于制造发电机和电动机的定子和转子 变压器 电感器 电抗器 继电器和镇流器的铁芯 计算机磁芯 磁记录的磁头与磁介质 磁屏蔽 电磁铁的铁芯 极头与极靴 磁路的导磁体等 它们是电机工程 无线电 通讯 计算机 家用电器和高新技术领域的重要功能材料 软磁材料制造的设备与器件大多数是在交变磁场条件下工作 要求其体积小 雨量轻 功率大 灵敏度高 发热量小 稳定胜好 寿命长 2 永磁材料 1 主要特征 高的剩余磁感应强度和高的剩余磁化强度 高的矫顽力 高的最大磁能积 高的稳定性 又称为硬磁材料 能长期保留Br 作用原理 利用永磁合金在给定的空间产生一定的磁场强度 利用永磁合金的磁滞特性产生转动矩 使电能转化为机械特点 充磁后 去掉外磁场后仍可保留磁性 2 应用应用主要利用永磁体在气隙产生足够强的磁场 利用磁极与磁极的相互作用 磁场对带电物体或离子或载