第七章无机材料的磁学性能1

第七章无机材料的磁学性能第七章无机材料的磁学性能1 1 第七章无机材料的磁学性能磁性材料金属和合金电阻率低 损耗大 不能满足应用之需要 尤其在高频范围内 含铁及其它元素的复合氧化物 称为铁氧体 ferrite 电阻率为为10 106 m 属于半导体范畴 无机磁性材料高电阻低损耗7 1物质的磁性 一 磁学性质基本概念 二 磁性的本质 三 磁性的分类 一 电极化在外电场作用下 介质内的质点 原子 分子 离子 正负电荷重心的分离 使其转变成偶极子的过程 或在外电场作用下 正 负电荷尽管可以逆向移动 但它们并不能 挣脱彼此的束缚而形成电流 只能产生微观尺度的相对位移并使其 转变成偶极子的过程 二 磁化是指在物质中形成了成对的N S磁极 三 电荷 磁极强度 极化强度 磁化强度磁性质与介电性质在磁场的作用下 物质中形成了成对的N S磁极 使其宏观表现为磁性 称这种现象为磁化 N S q m q m磁极上的磁荷如图 在N S磁极上带有 q m q m的磁量 与电场对应 把磁量叫做磁荷 一对等量异号的磁极体系叫做磁偶极子 一 磁学性质基本概念1 磁化磁介质能被磁场磁化的介质称为磁介 质 N S q m q m磁极上的磁荷对应于静电库仑定律 两个磁极间的相互作用F在二 者的连线上 其大小与磁荷 q m 1 q m2 及它们间的距离r有如下关系221041rq qFmm r 0为真空磁导率 4 10 7H m将磁极强度 磁荷 为q m 相距为L的的磁偶极子置于磁场强度H中 则磁偶极子受到的磁场 力可表示为F q m H磁矩m ql q mH qmHS N H qm Hsin L2 磁矩 magic moment 电偶极子 q q lE电矩ql 磁矩是表示磁体本质的一个物理量 表征磁性物体磁性 大小 磁偶极子磁矩小封闭环形电流S Im 磁矩的方向为它本身在圆心所产生的磁场方向 I 电流强度 S为封闭环形的面积m单位A m2磁矩愈大 磁性愈强 即物质在磁场中所受的力也愈大 磁矩只与物体本身有关 与外磁场无关 也可用环行电流描述磁矩3 磁化强度与磁感应强度把物质置于外磁 场中 物质可能被磁化 这时物质的磁化强度将发生变化 磁化强度M M与磁场强度H H有如下关系式M H或 M H式中 为物质的磁化率 介质的磁化率 仅与介质性质有关 反映材料磁化的能力 没有单位 可正可负 取决于材料不同的磁型类别 磁化强度M M磁化强度的物理意义是单位体积的磁矩 表征磁介质被磁化的程度 材料被磁化H总 H H1 矢量和 外加磁场强度为H 磁介质的总磁 场强度H1 M H磁感应强度B通过磁场中某点 垂直于磁场方向 单位面积的磁力线数 单位Wb m 2 T特斯拉 真真空磁介质H B00 H m 104 70 真空磁导率H HH B 1 00 总介质的磁导率 0 1 0 1 r介质的相对 磁导率介质的磁导率磁导率 表示磁性材料传导和通过磁力线的能 力 是磁性材料最重要的物理量之一 磁化过程中伴随着磁偶极子的转向和磁畴壁的移动 M如图为磁化强度M与磁场强度H的关系曲线 磁化曲线 它们一般 并不呈线性关系 二 磁性的本质磁现象和电现象有着本质的联系 材料内部电子的 循轨运动和自旋运动都可以看作是一个闭合的环形电流 因而必然 会产生磁矩 1 电子轨道磁矩电子自旋与绕核公转自旋电子 e r原子核 e电子绕核作圆周运动可以认为是一个闭合线路 则环形电 流能产生磁矩 电子绕原子核运动产生电子轨道磁矩 设电子质量m 电荷e 圆周运动半径r 角速度 则轨道运动速度为 2 相当于电流大小为e 2 A 流过界面 积为 r2的线圈 因此产生的磁矩为m i IS e 2 r2 e 2m P式中P m r2称为电子轨道运动的角动 量 2 电子自旋磁矩电子自旋产生自旋磁矩m s 电子自旋的磁矩与电子自旋的角动量P s存在以下关系 m s e m h 2 P s 2P s B其中 h为普朗克常数 电子自旋与绕核公转自旋电子 e r原子核 e3 原子核磁矩原子核的质量是电子的1800倍 运动速度仅 为电子速度的千分之几 所以原子核的自旋磁矩仅为电子自旋磁矩 的千分之几 原子核的自旋磁矩对原子磁矩贡献很小 可以忽略不计 磁性的本源电子的循轨运动和自旋运动 轨道磁矩 自旋磁矩电子磁矩 轨道磁矩 只有原子中存在未被排满的电子层时 电子磁矩之和不为零 原子 才具有磁矩 称为原子的固有磁矩 Fe原子3d64s2Zn不显示磁性各层都充满电子的原子结构原子结合成 分子时 它们的外层电子磁矩要发生变化 所以分子磁矩不是单个 原子磁矩的总和 三 磁性的分类使磁场减弱使磁场略有增强使磁场强烈增强1 抗磁 性 0 10 5 磁化强度为正 磁化率与绝对温度呈反比 C T C为居 里常数 原子 离子 存在固有磁矩 M与H呈线性关系 如过渡元素 稀土元素等 特点 3 铁磁性 强磁性 0 103 而且很大 磁化强度为正 较弱的磁场 也可得到极高 的磁化强度 去除外磁场后 仍保留极强的磁性 M与H呈非线性 关系 特点 如Fe Co Ni铁磁性原子未被抵消的自旋磁矩和自发磁化 Fe Co Ni原子的外层电子填充规律金属元素Fe CoNi原子外层电子分布3d64s23d74s23d84s2d层原子填充规律未抵消 自旋数432自发磁化无外磁场的情况下 材料所发生的磁化称为自发 磁化 产生原因处于不同原子间的 未被填满壳层上的电子发生特殊的相 互作用 参与相互作用的电子已不再局限于原来的原子 而是 公有化 了 原子间好像在交换电子 称为 交换作用 结果迫使相邻原子自旋磁矩产生有序排列 因交换作用所产生的附加能量称为交换能J J为正值时 呈现铁磁性 交换能J与晶格的原子间距有密切关系 原子间距a与与未被填满的 电子壳层直径D之比大于3时时 交换能为正值 表现出铁磁性 a D 3时时 交换能为负值 为反铁磁性 铁磁体的铁磁性只在某一温度以下才能表现出来 超过这一温度 由于热振动破坏了电子自旋磁矩的平行取向 自发磁化强度变为零 铁磁性消失 由顺磁性转变为铁磁性的温度为居里点 居里点以上 材料的磁化率与温度的关系服从居里 外斯定律0T TC C居里常数 不变 不变 变化4 反铁磁性 弱磁性 交换能J 为负值 使相邻原子间的自旋趋于反向平行排列 原子磁矩相互抵 消 不能形成自发磁化区域 特点 任何温度下 都观察不到反铁磁性物质的任何自发磁化现象 因此其宏观特性是顺磁性的 M与H呈线性关系 与温度的 关系 T T n反铁磁性物质 与温度的关系Tn反铁磁居里点抗抗 7 2磁畴与磁 滞回线 一 磁畴的形成 二 磁滞回线 一 磁畴的形成铁磁性物质中自发磁化方向一致的微小区域 称为 磁畴 相邻畴壁间的过渡层称为磁畴壁 BaFe12O19 磁畴结构保证体系能量最低磁畴首尾相接 形成闭合回 路主畴大而长的磁畴组织 其自发磁化方向必定沿着晶体的易磁化 方向 副畴小而短的磁畴组织 其自发磁化方向不一定是晶体的易磁化方 向 磁畴壁180 磁畴壁与与90 磁畴壁109 47 磁畴壁与与70 5 3 磁畴壁磁畴壁是一个过渡区 有一定厚度 磁畴的磁化方向在畴壁处不能突然转一个大角度 而是经过畴壁的 一定厚度逐步转过去的 即过渡区中的原子磁矩是逐步改变方向的 磁畴结构磁畴的形状 尺寸 畴壁的类型与厚度总称为磁畴结构 同一磁性材料 磁畴结构不同 则其磁化行为也不同 Bloch畴壁 块体磁性体中 Neel畴壁 薄膜磁性体中 磁畴壁内磁 矩始终与畴壁平面平行 即磁矩围绕平行难磁化轴而转动 磁畴壁内磁矩始终与薄膜平面平行 即磁矩围绕垂直薄膜表面的轴 而转动 二 磁滞回线1 磁化曲线铁磁体在外磁场中的磁化 使材料具有磁 性的过程 过程主要为畴壁的移动和磁畴内磁矩的转向 磁化过程oa微弱磁场中 磁感应强度B随随外磁场强度H的增大缓慢 上升 磁化强度M与外磁场强度H之之间近似呈直线关系 磁化是可 逆的 可逆壁移 ab畴壁移动使与外磁场方向一致的磁畴范围 扩大 其它方向的磁畴相应缩小 bc与磁场方向不一致的磁畴的磁 化矢量按外磁场方向转动 直到处于饱和状态 2 磁滞回线外磁场为交变磁场B s饱和磁感应强度B r剩余磁感应强度H c矫顽磁场强度 矫顽力 材料磁化与外磁场的关系磁滞回线磁感应 强度的变化滞后于磁场强度的变化磁滞损耗回线所包围的面积相当 于磁化一个周期所产生的能量损耗 铁磁材料的一个基本特征 33 软磁材料高磁导率 饱和磁感应强度大 电阻高 损耗低 矫 顽力H c小 稳定性好 1 特点2 应用电感线圈 小型变压器 脉冲变压器 中频变压器等 的磁芯 天线棒磁芯 录音磁头等 按照磁滞回线的形状