磁性材料 第1章 物质磁性概述.ppt

第一章磁学概述，第一节基本磁量，第二节磁性材料的分类，第三节强磁性材料的宏观磁学，第一节基本磁量，第一节磁矩m(磁矩)，永磁体总是同时具有偶数个磁极。当磁体是无限大时，系统被定义为元磁偶极子：它指的是相等的强度。一对极性相反、距离无限近的“磁荷”，磁偶极矩：方向：-m指向m单位：Wbm，安培提出磁偶极矩与电流环元之间的磁等效原理，据此，宏观物质的磁性来源于“分子电流”假说，磁矩：单位：Am2，两者的物理意义：代表磁偶极矩的磁强度和方向，单位体积的磁性体， 所有磁偶极子的jm或磁矩微米的矢量和为：磁极化强度：磁化强度：2，磁化强度M，(磁化强度)，这意味着：描述H的程度的物理量(宏观磁体的磁化强度，1，磁场强度H(静磁定义):(静磁定义)是施加在该位置的单位点磁荷上的磁场力的大小和方向，与施加在该位置的正磁荷上的磁场力的方向相同。3，磁场强度h和磁感应强度b，phySIcal含义：两者都是描述空间中任意点的磁场参数(矢量)，并计算磁偶极子产生的磁场强度：磁势：沿r方向和角增大方向的h分量计算：在位移矢量从-m到m的延长线上：在l的中垂直面上，在实际应用中，磁场经常是由电流产生的， 在si系统中，h的单位是规定的：1A电流用于通过直导线，在距离导线r=1/2 m处，磁场强度为1A/m。 几种电流产生的磁场的常见形式是：(1)无限长载流直导线：方向在垂直于导线并以导线为轴的圆上切割，(2)DC环形线圈的中心：r是环形圆的半径，方向由右手螺旋法则确定。(3)无限长DC螺线管：n:每单位长度的匝数，沿着螺线管轴线的方向，2。磁感应强度B(磁感应强度):初步知识：国际单位制(MKSA)和高斯(高斯)单位制，国际单位制：主要磁量由电流的磁效应决定。其中，磁感应强度B是主导量(B必须用于与其他物理量的任何相互作用)。磁感应强度B的定义可以从安培公式中得到：磁场强度H可以根据安培环路定理定义：H是导出量，仅用于计算传导电流产生的磁场，不能代表磁场强度与外界的相互作用。高斯单位制(绝对电磁单位制):早年使用的单位制。所有的磁量都是通过磁偶极子的概念建立的，其中磁化强度M定义为：单位：高斯，磁场强度H定义为：单位：Oe。磁感应强度B的引入是为了满足以下关系：在高斯单位系统中，M和H具有明确的物理意义，是基本物理量，而B只是一个导出量，放置在外磁场中的磁体的磁化强度M将发生变化(磁化强度)。其中，磁体的磁化率是由单位磁场强度H在磁体中感应的，单位磁场强度H是表示磁体磁化难度的物理量，因此：磁导率=(1 )=B/0h(相对磁导率，表示磁体的磁性、磁导率和磁化难度)，4。磁化率和磁导率，磁导率的不同表达式(不同的磁化条件):(1)初始磁导率I:磁中性状态下的磁导率极限值，弱磁场中使用的磁体，(2) maximum磁导率max:材料磁化过程中的最大值，(3)复磁导率：磁体在交变磁场中磁化，在动态磁化中经常遇到， (4)增量磁导率:在稳定磁场H0的作用下，叠加一个较小的交变磁场，交变磁感应强度的峰值，交变磁场强度的峰值，(5)可逆磁导率rev:当交变磁场趋于零时的极限值，(6)微分磁导率diff:初始磁化曲线上任何一点的斜率，注意：所有磁导率都是磁场强度h的函数。在第二节中，物质根据其磁性进行分类。 为了便于研究物质磁性的原因，我们可以根据物质在磁场中的表现对其进行分类，例如，根据正负磁化率、大小及其与温度的关系。这种分类是否科学取决于它是否反映了内在磁机制的差异。随着研究的深入，分类也在不断改进和完善。直到20世纪70年代，在晶体固体中发现了五种主要类型的磁性结构物质。它们的形成机制和宏观特征不同，它们的成功解释形成了今天磁学的核心内容。自20世纪70年代以来，随着非晶和纳米材料的兴起，一些新的磁性类型被发现，它们的研究仍在进行中。(1)物质磁性的分类，它是自19世纪下半叶以来发现和研究的一种弱磁性。它最基本的特点是磁化率为负，其绝对值很小。0，1表示反磁性物质在外磁场中产生的磁化方向与磁场相反，在不均匀磁场中被推向磁场减弱的方向，因此也称为抗磁性。典型的反磁性物质的磁化率是恒定的，不随温度和磁场而变化。有一些异常。深入研究发现，典型的抗磁性是由轨道电子在外磁场中的电磁作用产生的，因此所有物质都具有一定的抗磁性，但只有在构成原子(离子)或分子的物质中，具有零磁距，且没有其他磁性时，这种抗磁性才会在外磁场中表现出来。排出的物质包括稀有气体：氦、氖。氩、氪、氙、大部分非金属和少数金属：硅、锗、硫、磷、铜、银、金、无过渡族元素的离子晶体：氯化钠、无过渡族元素的共价键化合物：二氧化碳、甲烷，以及几乎所有的有机化合物和生物组织：水；异常反磁性物质：铋、镓、锌、铅，磁化率与磁场和温度有关。广义地说，超导体也是一种反磁性物质，=-1，它的机制完全不同，超出了我们的讨论范围。-1.9-7.2-19.4-28.0-43，见蒋舒p25，CGS单位摩尔磁化率，它们的电子壳层都是满壳层，所以原子磁矩为零。在CGS单位制下，磁化率典型值为10-6cm3mol-1。统一值被转换成体积磁化率值，其数量级为10-6。在国际单位制中，它应该乘以4，数量级为10-5。基特尔图书资料(2002)，见冯索斯基现代磁学 (1953)p74，20时某些反磁性金属的分子磁化率(CGS单位):这是自19世纪下半叶以来发现和研究的另一种弱磁性。它最基本的特点是磁化率是正的，很小，00，磁化率很大，磁化率是温度和磁场的函数。磁转变的特征温度为居里温度，低于居里温度时为铁磁，高于居里温度时为顺磁性。磁化率的温度关系遵循居里-韦斯定律。比热和其他性质的异常出现在居里温度附近。磁化强度M和磁场H之间的关系不是单值函数，存在磁滞效应。构成这种物质的原子也有一定的磁矩，但宏观性能与顺磁性完全不同。解释铁磁性的原因已经成为人类智力的最大挑战。尽管经过近百年的努力，已经有了相对成功的理论，但仍有许多问题需要后代去解决。3.铁磁性。铁磁性元素只有以下几种：一些过渡族元素和稀土元素。然而，有许多铁磁合金和化合物主要由上述元素组成，它们构成磁性材料的主体，并在技术上发挥重要作用。例如，铁镍、铁硅、铁钴、铝镍钴、二氧化铬、氧化铕、三氧化二钆，在室温以上，只有4种元素是铁磁性的。见Kittel固态物理学第8版p227，姜书p52也有此数据，略有不同。法国科学家尼尔在1936年首次从理论上预测了反铁磁性，并在1938年发现了它。1949年的中子实验证实了这一点。它的基本特征是有一个磁转变温度，在此温度下磁化率温度关系达到峰值。4.反铁磁。(见应用磁学P9)，互易磁化率和温度之间的关系也经常在文献中描述。铁磁性，一种在低温下表现出反铁磁性的物质，在超过磁转变温度(通常称为尼耳温度)后变成顺磁性，磁化率和温度之间的关系遵循居里-韦斯定律：注意铁磁性之间的区别！磁化率复杂，Tp,TpTC，反铁磁性物质主要是一些过渡族元素的氧化物、卤化物和硫化物，如FeO、MnO、nio、COO、cr2o3、fecl2、fef2、FeS、MnS，右图是MnO在1938年测得的磁化率温度曲线，这是首次发现反铁磁性物质，其转变温度为122K .该表取自Kittel 2005的中文版p236，表明反铁磁性物质的转变温度普遍较低人类首次发现和使用的铁磁性物质Fe3O4是铁磁性物质。自20世纪30年代和40年代以来，在此基础上人工合成了一些具有铁磁性的氧化物，但它们的宏观磁性与铁磁性物质相似。长期以来，人们没有意识到它的特殊性。直到1948年尼尔在反铁磁性理论的基础上建立了铁磁性理论，人们才意识到这种物质的特殊性。在磁性结构的本质上，它是相似的强磁性！5.亚铁磁性、磁化率与温度关系的倒数、饱和磁化的温度关系、磁化率与磁化强度一般比铁磁性物质低，但其电阻率一般高得多。铁磁性和铁磁性的宏观区别。铁磁性物质主要是一些人工合成的氧化物，具有一定的特定结构，含有过渡族元素和稀土元素，如尖晶石结构：Fe3O4，MnFe2O4，CoFe2O4石榴石结构：A3 Fe5O12，(A=Y，Sm，Gd，Dy，Ho，Er，Yb)磁铅石结构：BaFe12O19，PbFe12O19，SrFe12O19，钙钛矿结构：LaFeO3，五种主要磁性的原子磁距分布特征。1.将晶体的磁性分为五类，并分析其原因，这是人类对物质磁性理解的一次飞跃。1950年前后，第一批主要解释五种磁性成因的现代磁学理论专著问世，标志着磁学已经成为一门独立而完整的学科。它极大地促进了20世纪下半叶磁性材料的基础研究、开发和利用。50年后的今天，我们不仅对上述五种磁性有了更深入的了解，而且还发现了一些新的磁性结构。严格地说，上述分类是基于物质的磁性。同一种物质在不同的温度区域会表现出不同的磁性类型，这与它的晶体结构密切相关：例如，室温附近的金属铁是铁磁性的，超过居里温度(1040K)后变成顺磁性的。当受到高于1.51010Pa的高压时，其结构从bcc变为hcp，其磁性变为非铁磁性。我们只能说，在常温常压下，铁是一种铁磁性物质。上述磁有序结构是共线的、平行的或反平行的。自20世纪70年代以来，在稀土金属和合金中发现了一些非共线结构，在微粉和纳米磁性材料以及非晶材料中也发现了一些新的结构类型，极大地丰