材料科学工程导论m

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-),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,Magnesia:mineralingredientofthephilosophersstone,fromMedievalLatin,fromGreek,akindofore,fromMagnesia,anancientcityofAsiaMinor磁：慈石,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,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,磁偶極(magneticdipole)磁場、磁力線(fieldline)想像的工具(imaginarytool)電流圈(currentloop)、磁棒(bar),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,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,磁感應（magneticinduction）B磁通量密度（magneticfluxdensity）物質內部磁場B=H：導磁率（permeability）,真空中B0=0H0：真空導磁率1.257x10-6H/m,相對導磁率：/0材料磁化程度外加磁場引致磁感應之難易,磁化（magnetization）MB=0H+0MB=B0+0MM=mHm：磁化率（magneticsusceptibility）,B=0H+0M=0(1+m)B=H=r0Hm=r1,磁矩來源磁性由電子磁矩而來軌道運動自旋,最基本磁矩：Bohr磁子（magneton）BPaulisoonintroducedtheatomicmagnetonandnameditafterNielsBohr.（1925）9.27x10-14A-m2自旋磁矩：B軌道磁矩：mlB,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,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r110-510-2,鐵磁性大而永久磁化Fe,Co,Ni,Gd磁化率：106,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）,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,例21.1Ni之飽和磁化與飽和磁通量密度Ms=0.60BNN=9.13x1028atoms/m3Ms=5.1x105A/mBs=0Ms=0.64tesla,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,亞鐵磁性（ferrimagnetism）淨磁矩來源MFe2O4Fe3O4：磁石,例21.2Fe2O3之飽和磁通量密度立方晶包：8Fe2+,16Fe3+，a=0.839nmMs=NBN=nB/Vc8x4=32Ms=5.0 x105A/m,設計例21.1設計Ms為5.25x105A/m磁石材料nB=33.45Bohrmagneton85+4(1-x)=33.45x=0.181用Mn取代,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,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,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）,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）,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,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,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）,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,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）,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,高能硬磁材料（BH）max80kJ/m2SmCo5、Nd2Fe14B,SmCo5：Co,Fe與輕稀土元素（BH）max：120-240kJ/m2Hc高（9,000Oe）粉末冶金方法,Nd2Fe14B：Sm較貴重Co：價格不穩定（BH）max：255kJ/m2Hc高（10,600Oe）,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,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,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,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,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,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,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）,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,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,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,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:1.5x1052.5x105A/m(2000-3000Oe),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）,TheNobelPrizeinPhysics1913forhisinvestigationsonthepropertiesofmatteratlowtemperatureswhichled,interalia,totheproductionofliquidhelium,HeikeKamerlingh-Onnes(1853-1926),TheNobelPrizeinPhysics1972fortheirjointlydevelopedtheoryofsuperconductivity,usuallycalledtheBCS-theory,JohnBardeen(1908-91)LeonNeilCooper(1930-)andJohnRobertSchrieffer(1931-),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,第一（typeI）與第二（typeII）型第一（typeI）型：完全反磁，B=0Al,Pb,Sn,Hg第二型：TTc1，B=0Tc1T77K：液態氮（N2）液態氦（He，helium），4K脆線材應用,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）,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,TheNobelPrizeinPhysics1933forthediscoveryofnewproductiveformsofatomictheory,ErwinSchrdinger(1887-1961)PaulAdrienMaurice