第四讲.磁性材料课件

第四章磁性材料，磁性是物质的基本属性，就像物质具有质量和电学性质一样。换句话说，所有物质都是磁性的。据说西方的一个牧羊人发现了磁铁矿(Fe3O4)或磁赤铁矿(-Fe2O3)。他注意到他棍子的铁头被一块石头吸引住了。这种石头在小亚细亚、马其顿的氧化镁区和爱奥尼亚的氧化镁城都有发现。人们认为“磁性”一词来自这些地名。磁学史，17世纪：英国，威廉吉伯特，磁体，18世纪：法国，库仑，库仑定律，2300年前：天然磁铁，“西纳”，指南针，19世纪1820年：丹麦，奥斯特，电流产生的磁场1831年：英国，法拉第，电磁感应现象1873年：英国，麦克斯韦，统一电磁理论1899年：法国，居里，居里温度，磁变换，法拉第电磁感应，普丘利，1905年：法国，朗之万解释顺磁变化1907年：弗伦奇和韦斯提出了分子场理论，扩展了朗之万的理论。1921年：奥地利，泡利提出玻尔磁子作为原子磁矩的基本单位。在美国，康普顿提出电子也有对应于自旋的磁矩。1928:在英国，狄拉克用相对论量子力学完美地解释了电子的固有自旋和磁矩。狄拉克和德国物理学家海森堡一起证明了源于静电的交换力的存在，为现代磁学奠定了基础。1936年：在苏联，兰道完成了他的代表作理论物理教程，其中包含了关于现代电磁学和铁磁学的全面而精彩的一章。1936-1948年：法国，奈尔提出了反铁磁性和铁磁性的概念和理论。1967年，奥地利，斯奈德，在量子磁学的指导下，发现了具有前所未有磁能产品的稀土磁体(SmCo5)，从而开启了永磁材料发展的新篇章。1974年：第二代稀土永磁体Sm2Co17问世。1982年：第三代稀土永磁体Nd2Fe14B问世。1990年：原子间隙磁铁钐铁氮发表。1991年：德国和克诺尔提出了双相复合磁体交换的理论基础，并指出了纳米晶磁体的发展前景。磁力线和磁极，粉末颗粒法演示了磁力线的分布。同性磁体互相排斥，异性磁体互相吸引，无论大小，都有独特的北极和南极。对磁性的初步理解：奥斯特实验：电流和磁场之间的相互作用；螺线管和磁铁的等效，安培分子电流理论：构成磁铁的每个分子都有一个小分子电流，磁化磁铁的小分子电流有规律地排列。磁性的微观本质：原子中外层电子的轨道磁矩、电子的自旋磁矩、原子核的核磁矩(原子核的磁矩比电子的磁矩小三个数量级，通常可以忽略不计。)，根据原子结构和量子力学定律，原子的总磁矩应该是原子中每个电子的轨道磁矩和自旋磁矩之和。磁性是物质的基本属性！小载流闭环线圈中有一个磁矩：磁矩：单位：Am2磁矩反映载流线圈产生的磁场大小，可应用于微观物质系统。电子的轨道运动相当于一个恒流回路，并且一定有磁矩(轨道磁矩)。自旋也产生磁矩(自旋磁矩)。磁矩、轨道磁矩、自旋磁矩以及电子填充方法对磁矩的影响：大多数元素都有固有磁矩。这些原子也变成了磁性原子。当原子中的电子层完全被电子填充时，电子层中电子云的分布是球对称的，然后电子跟踪磁矩和自旋磁矩相互抵消，即该层的电子磁矩对原子的磁矩没有贡献。惰性元素没有固有的磁矩。根据原子结构和量子力学定律，原子的总磁矩应该是原子中每个电子的轨道磁矩和自旋磁矩的组合磁矩。大多数元素都有固有磁距的原子。物体的磁性取决于原子磁矩的方向。在没有外部磁场的情况下，每个原子磁矩的取向都是无序的，物质也不表现出宏观性质。然而，当它受到外部磁场的影响时，原子被定向，物质宏观上是磁性的。一是分子中每个电子的磁矩没有完全抵消，整个分子都有一定的固有磁矩。一个是分子中每个电子的磁矩，当整个分子没有固有磁矩时，它们完全相互抵消。物质中原子或分子中的每一个电子都参与两种运动：一种是轨道运动，即电子围绕原子核的旋转运动，其运动形成电流，进而产生称为轨道磁矩的磁矩；第二个是电子的自旋运动，它也产生磁矩，称为自旋磁矩。分子中所有电子的各种磁矩之和构成分子的固有磁矩Pm，称为分子磁矩。根据物质的磁化率，物质的磁性可以分为五类：1 .抗磁性，是一个非常小的负数(约为-10-6 ),在磁场中受到弱排斥力，如金和银。2.顺磁性，是一个正数(在10-310-6的数量级),在磁场中受到弱吸引，例如铂、钯和奥氏体不锈钢。3.铁磁性，是一个很大的正数，它能在弱磁场的作用下产生很大的磁化强度，如铁、钴和镍。4.铁磁性，位于铁磁性和顺磁性物体之间，即通常所说的磁铁矿、铁氧体等。5.反铁磁，是一个小正数，当它高于一定温度时，其行为类似于顺磁，而低于一定温度时的磁化率与磁场的取向有关。材料磁性分类，抗磁性：附加磁化与外部磁场相反。对于充满电子壳层的物质，原子的每个饱和电子壳层中的电子成对出现，它们的自旋和轨道运动相互抵消，原子的磁矩为零。在外部磁场的作用下，电子运动将产生额外的运动(由电磁感应定律决定)，这将取消部分抵消，并显示出与外部磁场反平行的感应净磁矩。这种性质变成了抗磁性。例如：惰性气体、许多有机化合物、一些金属(铋、锌、银、镁)和非金属(如硅、磷、硫)。磁化率最基本的特征是负的，其绝对值非常小。这表明反磁性物质在外部磁场中产生的磁化与磁场相反，并在不均匀磁场中被推向磁场减小的方向。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。当原子的每个饱和电子壳层中的电子成对出现时，它们的自旋和轨道运动相互抵消。所有物质都有一定的抗磁性。反磁性物质的一些解释：任何物质都具有反磁性。一种物质的反磁性并不一定使其具有反磁性，只有当该物质的反磁性因子超过其顺磁因子时，该物质才具有反磁性，即所谓的反磁性。随着外磁场的增加，附加反磁矩增加，反磁化强度增加。元素周期表中三分之一的元素、绝大多数有机物质和生物物质都是反磁性物质。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，几乎所有的有机化合物和异常反磁子当原子中有不成对的电子时，这些电子的磁矩将部分克服外部磁场中热搅动的随机排列，从而在磁场方向上获得微小的净磁矩分量。磁化率是正的，叫做顺磁性。例如，稀土金属和铁元素的盐。最基本的特征是磁化率是正的和小的。顺磁性材料的磁化率是温度的函数，其中一部分服从居里定律，更多的服从居里-韦斯定律。C叫做居里常数，Tp叫做居里顺磁温度，服从居里-维斯定律的物质只有在一定温度以上才表现出顺磁，而在这个温度以下，它们表现出其他性质。顺磁性物质的磁化强度随着外加磁场的增加而增加，但很难达到磁饱和。只有当温度接近热力学零时，顺磁物质的原子磁矩才能沿着外磁场完全有规律地取向。一点：过渡族元素、稀土元素和锕系金属：锰、铬、钨、镧、钕、铂、钯含上述元素的化合物：硫酸锰、三氯化铁、硫酸亚铁、氧化钆、碱金属和碱土金属：锂、钠、钾、钌、铯、镁、钙、锶、钡原子或含奇数个电子的分子：氯化氢、一氧化氮、有机化合物中的自由基少数含偶数个电子的化合物：O2、有机化合物中的自由基等。顺磁性物质，正常顺磁性体： 1/t关系(1/T)异常顺磁性体：与温度无关的顺磁性体，如锂、钠、钾、铷等金属。铁磁性，在弱磁场的作用下会产生很强的磁化。在外部磁场被去除后，它仍然保持相当大的永久磁性并且具有磁滞现象。温度高于居里温度后，铁磁体变得顺磁性。原子是否有不成对的电子，即自旋磁矩贡献的净磁矩(固有磁矩)，有序排列(自发磁化)；晶格中原子的排列(晶体结构)。铁磁性金属包括铁、钴、镍等。铁磁性应用最广泛，尤其是在信息记录和存储(磁带、计算机存储器)方面。一种材料是否具有铁磁性取决于两个因素：磁化率值很大；磁化率值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性，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。主要特征：反铁磁：在某些材料中，原始磁矩以最低能量反平行排列，相邻原子或离子的磁矩反平行排列，结果总磁矩为零，这称为反铁磁。反铁磁物质包括一些金属，如锰、铬等。一些陶瓷如MnO、NiO等。以及一些铁氧体，例如ZnFe2O4等。小正数，当温度低于一定温度时，其磁化率与磁场的取向有关；在这个温度以上，它的行为就像顺磁性物体。具体材料包括-锰、铬、氧化镍、氧化锰等。基本特征是存在磁转变温度，在该温度下磁化率温度关系达到峰值。基本特性，铁磁性，反铁磁性，铁磁性，磁化率与温度的倒数之间的关系也在文献中画出：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)后变得顺磁性，磁化率与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！磁化率是复杂的。反铁磁物质主要是一些过渡族元素的氧化物、卤化物和硫化物，如氧化亚铁、氧化锰、氧化镍、氧化钴、三氧化二铬、二氯化铁、氟化铁、硫化亚铁和硫化锰。右图是磁化率b铁磁性物质主要是一些含有过渡族元素和具有特定结构的稀土元素的合成氧化物，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、SrFe2O 19、SrFe2O 19、钙钛矿结构：LaFeO3、铁磁性物质，以及同一物质在不同温度区域的磁性变化。可以呈现不同的磁性类型，并且与其晶体结构密切相关。室温附近的金属铁是铁磁性的，并且在超过居里温度(1040千)后变得顺磁性。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。在常温常压下，铁是一种铁磁性物质。磁化曲线、磁滞回线和磁滞回线的几个概念：饱和磁感应；剩余磁感应强度br；矫顽力Hc。铁磁材料的宏观磁性，铁磁材料和亚铁磁材料在磁场中表现出很强的磁性，磁化率约为1105，在技术上有重大应用，我们通常称之为铁磁材料。两个概念，自发磁化原子磁矩排列整齐的现象，叫做自发磁化。一些原子的核外电子的自旋磁矩不能被抵消，导致剩余的磁矩。然而，如果每个原子的磁矩仍然无序排列，那么整个物体就不可能有磁性。磁畴材料中包含小面积的自发磁化，但是相邻不同区域之间原子磁矩排列的方向不同。不同磁畴之间的界面称为磁畴壁。物质强磁性的来源和特征，以及表明磁畴存在的磁有序结构，即自发磁化，是物质强磁性的主要来源。磁畴图、物质的强磁性的来源和特征、磁畴壁图、强磁性材料的自发磁化，磁畴内部的磁化方向一致，磁畴之间的磁化方向不一致，宏观上表现为无磁性。当被外部磁场磁化时，磁畴中的磁化方向旋转或者磁畴边界处的磁畴壁移动，导致宏观磁化。居里温度：所有磁性材料在任何温度下都不是磁性的。一般来说，磁性材料有一个临界温度Tc，超过这个温度，原子磁矩的排列就会由于原子在高温下的强烈热运动而变得混乱。在这个温度以下，原子磁矩按顺序排列，导致自发磁化，物体变成铁磁性的。例如：(电饭煲的控制)，电饭煲的温度控制采用居里温度和电饭煲的工作原理，内锅放置在加热板上，内锅的底部附着在加热板中心的限温软磁铁(铁氧体)。按下按键开关，软磁下面的永磁体上升与软磁接触；此时，锅还没有预热，软磁体低于居里温度，被永磁体磁化，并保持永磁体在高点位置，以驱动内部杠杆，连接电路的上下触点，并通电加热锅内的食物。当内锅底温度达到1032(软磁体的居里温度)时，软磁体失去磁性，永磁体在重力和内弹簧的共同作用下下落，并带动杠杆机构将电路的上下触点分开，从而断开电路，达到限温的目的。磁性材料的基本分类，根据磁性能：顺磁性材料、抗磁性材料、铁磁材料、亚铁磁性材料和反铁磁材料根据应用：永磁材料、软磁材料、磁致伸缩材料、磁光材料；根据其导电性：金属磁性材料、非金属磁性材料；根据原子排列状态：单晶磁性材料、多晶磁性材料、非晶磁性材料、磁性液体、基本浓度磁导率实际上代表磁性材料被磁化的难易程度，或者