《磁性物理与性能》PPT课件.ppt

第七章磁性物理与性能 无论是电子 电力 通信 还是空间 计算 生物 乃至家用电器 磁学和磁性材料都是不可缺少的重要部分 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 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 磁学基础 a 在一个通有电流的导线周围铁屑的分布情况 b 对于一根直导线 通过的电流与其产生的磁场的关系图 1 磁矩 磁矩是表征磁性物体磁性大小的物理量 磁矩越大 磁性越强 即物体在磁场中受的力越大 电子绕原子核运动产生电子轨道磁矩 电子本身自旋 产生电子自旋磁矩 任何一个封闭的电流都具有磁矩m 其大小为电流与封闭环型的面积的乘积 由个圆环产生的总磁矩是由这些单一圆环产生的磁矩的迭加 即 2 磁偶极子 磁偶极子 所谓磁偶极子是指强度相等 极性相反并且其距离无限接近的一对 磁荷 磁偶极矩矢量 磁场强度 3 磁化强度 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 各磁矩有规则取向 使磁介质宏观显示磁性 这就是磁化 磁化强度M是单位体积的磁矩 表征物质被磁化的程度 磁学基本量 磁化强度M 单位体积内具有磁偶极矩矢量和称为磁极化强度 单位体积内具有的磁矩矢量和称为磁化强度 分别表示如下 和 二者之间存在以下关系 3 磁场强度 磁场强度和磁感应强度均为表征磁场性质 即磁场强弱和方向 的两个物理量 在充满均匀磁介质的情况下 若包括介质因磁化而产生的磁场在内时 用磁感应强度B表示 其单位为特斯拉T 是一个基本物理量 单独由电流或者运动电荷所引起的磁场 不包括介质磁化而产生的磁场时 则用磁场强度H表示 其单位为A m2 是一个辅助物理量 r 0为介质的相对磁导率 r 1定义为介质的磁化率 反映材料磁化的能力 无量纲 可正可负 取决于材料的不同磁性类别 其中 磁性的微观解释 磁介质的基本单元 分子分子内原子中电子的运动 轨道运动 电子轨道磁矩自旋运动 电子自旋磁矩 本征磁矩是物质磁性的主要来源 材料的磁化 磁化的相关概念自发磁化和磁畴磁有序物质在无外加磁场的情况下 由于近邻原子间电子的交换作用或其他相互作用 使物质中各原子的磁矩在一定空间范围内呈现有序排列而达到的磁化 称为自发磁化 自发磁化的小区域称之为磁畴 磁化过程磁化过程是指处于磁中性状态的强磁性体在外磁场的作用下 其磁化状态随外磁场发生变化的过程 反磁化过程是指强磁性体沿一个方向磁化饱和后 当外磁场逐渐减小或沿相反方向逐渐增加时 其磁化状态随外磁场发生变化的过程 对磁化过程的宏观描述是磁化曲线 对反磁化过程的宏观描述是磁滞回线 材料的磁化 磁化过程 静态磁化 动态磁化 技术磁化 内禀磁化 材料的磁化 磁化曲线的基本特征 M f H 或B f H 五个阶段 可逆区域 磁场弱瑞利区域 磁场略强 不可逆 最大磁导率区域 中等磁场趋近饱和区域 强磁场顺磁区域 更强磁场 物质的三种磁性 根据物质在外磁场中的磁化特性 通常将物质的磁性分为抗磁性 顺磁性 铁磁性 三种磁性物质的磁化特点是抗磁性物质 磁化率为负值 约为 10 7 10 7 表明抗磁性一般很微弱 顺磁性物质 磁化率为正值 一般也很小 室温下约为10 5 铁磁性物质 磁化率为正值 室温下其值可达103数量级 铁磁性物质即使在较弱的磁场内 也可得到极高的磁化强度 而且当外磁场移去后 仍可保留极强的磁性 但当外场增大时 由于磁化强度迅速达到饱和 其磁化率变小 物质的磁性为什么会有这么不同 其原因是什么 物质的抗磁性和顺磁性 物质的磁性和原子的组成及结构有着密切的关系 孤立原子的磁矩决定于原子的结构 由于原子核的自旋磁矩仅为电子磁矩的千分之几 所以原子磁矩主要决定于核外电子的磁矩 涡旋电场使电子的轨道角速度和轨道磁矩都减小 与外磁场方向相反 抗磁性 抗磁性是一些物质的原子中电子磁矩互相抵消 合磁矩为零 但是当受到外加磁场作用时 电子轨道运动会发生变化 而且在与外加磁场的相反方向产生很小的合磁矩 常见的抗磁物质 水 金属铜 碳 C 和大多数有机物和生物组织 抗磁物质的一个重要特点是磁化率不随温度变化 一般含有奇数个电子的原子或分子 电子未填满壳层的原子或离子 如过渡元素 稀土元素 锕系元素 还有铝铂等金属 都属于顺磁物质 顺磁性 反铁磁性 原子自旋 磁矩 受交换作用而呈现有序排列的序磁材料中 如果相邻原子自旋间因受负的交换作用 自旋为反平行排列 则磁矩虽处于有序状态 称为序磁性 但总的净磁矩在不受外场作用时仍为零 这种磁有序状态称为反铁磁性 反铁磁性 1 当T TN时 反铁磁性转变为顺磁性 磁化率服从居里 外斯定律 多数反铁磁性物质的顺磁奈尔温度为正值 也有的为负值 2 当T TN时 表现为反铁磁性 最大特征是 磁化率随温度降低反而减小 因此在点具有极大值 3 在TN点附近 除磁化率的反常变化外 比热和热膨胀系数也将出现反常高峰 某些物质的杨氏模量也将发生反常变化 这表明是TN二类相变温度 4 存在磁晶各向异性 当样品为单晶时 沿不同晶轴方向测量的磁化率明显不同 铁磁性 即使无外加磁场 磁矩也按同一方向整齐排列 这种性质称为铁磁性 具有铁磁性的物质称为铁磁体 特点 具有自发磁化 克服热运动 具有高饱和磁化强度存在铁磁性消失的温度 居里温度存在磁滞现象饱和磁化强度与温度的关系磁晶各向异性和磁滞伸缩现象 Weiss分子场理论 1 分子场 理论的两点假设 a 分子场假设 b 磁畴假设 2 作用与地位a 是现代磁性理论的基础 自发磁化理论 技术磁化理论 b 可定性解释自发磁化利用Langevine顺磁性理论推广到铁磁性物质中 可导出自发磁化强度与温度的关系 居里 外斯定律 一 分子场理论对自发磁化的唯象解释T Tc时 铁磁性转变为顺磁性 热骚动能破坏了分子场对原子磁矩有序取向的作用 二 自发磁化强度Ms及其与温度的关系Weiss假设 分子场Hmf与自发磁化强度Ms成正比 式中 为Weiss分子场系数 在外场作用下 由Langevine顺磁理论 联立求解方程1 2可得到一定H与T下的M 若令H 0 即可得到Ms 也可计算Tc 主要结论 1 在T Tc的任何温度下 自发极化总是存在的 因此材料表现出铁磁性 当T 0K时 温度升高 自发极化强度逐渐降低 在T Tc时 自发极化强度为零 材料表现出顺磁性 这个临界温度就是居里温度 2 当T TC后 材料的磁化率服从居里 外斯定律 即 T P时 铁磁性转变为顺磁性 这些结果与实验结果符合的很好 3 交换积分常熟与居里温度成正比 其物理意义为 越大 交换作用越强 要破坏原子磁矩的整齐排列所需要的热能就越大 因而居里温度也越高 M0与Ms的区别 a 饱和磁化强度M0 原子磁矩在H作用下趋于H方向 即使再增加H 磁化强度不再增加 此时M趋近于M0 b 自发磁化强度Ms 把饱和磁化强度外推到H 0时的磁化强度的值 磁畴假说大块铁磁性物质内部 存在许多小区域 在每一个这样的小区域内 原子磁矩受到分子场的作用都是平行取向的 而不同磁畴中的原子磁矩取向却不同 具有这样特点的小区域称为磁畴 磁晶各向异性 相互作用能外磁场能外磁场能是各向异性的 H 0 F 0 铁磁体处于宏观退磁状态 对外不显磁性 H 0时 铁磁体被磁化 宏观上显磁性 所以外磁场是铁磁体磁化的动力 磁体在均匀磁场中的受力分析 相互作用能退磁场能被磁化的非闭合磁体将在磁体两端产生磁荷 如果磁性体内部磁化不均匀 还将产生体磁荷 面磁荷和体磁荷都会在磁性体内部产生磁场 其方向和磁化强度方向相反 有减弱磁化的作用 退磁场Hd 表面的自由磁极及产生的退磁场 若磁性体磁化是均匀的 则退磁场也是均匀的 可以表示为 序言 在磁性物质中 自发磁化主要来源于自旋间的交换作用 这种交换作用本质上是各向同性的 如果没有附加的相互作用存在 在晶体中 自发磁化强度可以指向任意方向而不改变体系的内能 实际上在磁性材料中 自发磁化强度总是处于一个或几个特定方向 该方向称为易轴 当施加外场时 磁化强度才能从易轴方向转出 此现象称为磁晶各向异性 磁晶各向异性 磁晶各向异性能 饱和磁化强度矢量在铁磁体中取不同方向而改变的能称为磁晶各向异性能 它只与磁化强度矢量在晶体中相对的取向有关 易轴上 磁晶各向异性能最小 各向异性常数 描述单晶体磁各向异性的强弱易磁化方向和难磁化方向由磁晶各向异性常数的大小和正负符号所决定 铁磁性物质的形状在磁化过程中发生形变的现象 叫磁致伸缩 由磁致伸缩导致的形变 l l一般比较小 其范围在10 5 10 6之间 虽然磁致伸缩引起的形变比较小 但它在控制磁畴结构和技术磁化过程中 仍是一个很重要的因素 应变 l l随外磁场增加而变化 最终达到饱和 产生这种行为的原因是材料中磁畴在外场作用下的变化过程 每个磁畴内的晶格沿磁畴的磁化强度方向自发的形变e 且应变轴随着磁畴磁化强度的转动而转动 从而导致样品整体上的形变 式中 e为磁化饱和时的形变 覌察方向 测试方向 与磁化强度方向之间的夹角 H 磁致伸缩 磁畴形成的根本原因F Fex 交换作用能 Fk 磁晶各向异性能 F 应力能 FH 外磁场能 Fd 退磁能 F 根据热力学平衡原理 产生磁畴也就是Ms平衡分布要满足总自由能必定极小的条件 若无H与 作用时 Ms应分布在由Fd Fex Fk三者所决定的总自由能极小的方向 但由于铁磁体有一定的几何尺寸 Ms的一致均匀分布必将导致表面磁极的出现而产生Hd 从而使总能量增大 不再处于能量极小的状态 因此必须降低Fd 故只有改变其Ms矢量分布方向 从而形成多磁畴 因此Fd最小要求是形成磁畴的根本原因 畴壁与畴壁结构 但是形成磁畴后 将引起Fex与Fk的增加 即畴壁能 因此 磁畴数目的多少及尺寸的大小完全取决于Fd与畴壁能的平衡条件 只有Fd是形成多畴结构的根本原因决定磁畴结构的因素除Fd外1 磁各向异性实际铁磁体中磁矩方向不能任意选取 综合考虑Fex Fk 2 磁致伸缩 即考虑F 磁畴壁的分类 理论和实验都证明 在两个相邻磁畴之间原子层的自旋取向由于交换作用的缘故 不可能发生突变 而是逐渐的变化 从而形成一个有一定厚度的过渡层 称为畴壁 按畴壁两边磁化矢量的夹角来分类 可以把畴壁分成180 壁和90 壁两种类型 在具有单轴各向异性的理想晶体中 只有180 壁 在K1 0的理想立方晶体中有180 壁和90 壁两种类型 在K1 0的理想立方晶体中除去180 和90 壁外 还可能有109 和71 壁 实际晶体中 由于不均匀性 情况要复杂得多 但理论上仍常以180 和90 壁为例进行讨论 磁畴壁的分类 按畴壁中磁矩转向的方式分 布洛赫 Bloch 壁 磁畴壁的分类 按畴壁中磁矩转向的方式分 奈尔 Neel 壁 奈尔壁中磁矩过渡方式 Neel壁 Bloch壁 从图可以看出 随着材料厚度的变薄 Bloch壁在样品表面产生的退磁场能会变得很大 相反 Neel壁的退磁场能会变得比较小 所以薄膜中会出现Neel壁 磁畴结构 1 均匀铁磁体的磁畴结构 片型畴 封闭畴 表面畴 磁畴结构 非均匀性铁磁体的畴壁结构掺杂与空隙 空穴 对畴壁的影响 所以材料总掺杂物或空隙越多 畴壁磁化越困难 材料磁导率 越低 磁畴结构 非均匀性铁磁体的畴壁结构多晶体的畴壁结构 跨过晶粒边界时 磁化方向虽转了一个角度 磁力线大多仍是连续的 这样晶粒边界上出现的磁极少 磁畴结构 非均匀性铁磁体的畴壁结构单壁结构 单畴结构内无畴壁 不会有畴壁位移磁化过程 只有磁畴转动磁化过程 这样的材料 其磁化与退磁均不容易 具有较低的磁导率与高 即永磁材料 磁滞现象 magnetichysteresis 无外磁场作用时 如果铁磁体对外不显示磁性 即M 0 这时铁磁体所处的状态称为退磁状态 M纵坐标H横坐标坐标系中原点O表示退磁状态 用Mr表示剩余磁化强度 使铁磁体剩余磁化强度全部消失时所必须施加的反向磁场称为矫顽力 常用Hc表示 Ms Mr O 饱和磁化强度用Ms表示 基本磁化曲线 通常不是直线 铁磁体的磁化率 m不是常量 是磁场强度H的函数 随着磁场强度的变化 铁磁体的磁状态沿着一闭合曲线变化 此闭合曲线就称为磁滞回线 参量B与H间的关系也表现为类似的闭合曲线 铁磁体磁化过程的这种不可逆性 称为磁滞现象 铁磁材料具有不同形状的磁滞回线 具有不同的应用 1 软磁材料 如硅钢 坡莫合金 一种铁镍合金 锰锌铁氧体和镍锌铁氧体等 特点 r大 易磁化 易退磁 起始磁化率大 饱和磁感应强度大 矫顽力 Hc 小 磁滞回线的面积窄而长 损耗小 HdB面积小 作变压器 还用于继电器 电机 以及各种高频电磁元件的磁芯 磁棒 2 作永久磁铁的硬磁材料 碳钢 铝镍钴 稀土 钴 钕铁硼和钡铁氧体等 矫顽力大 102A m 1 剩磁大 磁滞回线的面积大 损耗大 3 作存储记忆元件的矩磁材料 三氧化二铁或二氧化铬粉层 坡莫合金薄膜和锂锰铁氧体等 Br Bs Hc不大 磁滞回线是矩形 当正脉冲产生 H Hc使磁芯呈 B态 负脉冲产生 H Hc使磁芯呈 B态 可作为二进制的两个态 还用于磁电式电表中的永磁铁 耳机中的永久磁铁 永磁扬声器 计算机硬盘和软盘 录音 录像磁带等 5 磁屏蔽 用软磁材料 如坡莫合金 做成的闭合空腔 由于空腔的磁导率比外界大得多 绝大部分磁感线从空腔壁内通过 而不会有外磁场进入腔内 达到磁屏蔽的目的 把磁导率不同的磁介质放在磁场中 在介质交界面上磁场会发生突变 磁感应强度大小和方向都要发生变化而引起磁感线折射 这时磁感线对界面法线的偏离很大