第四章 材料的磁学.ppt

在真空中：,每个电子的自旋磁矩近似等于一个Bohr磁子。,动画,以上五种磁性类型的原子磁距分布特点,磁化强度M和磁场强度H之间的关系,抗磁性物质：Bi、Zn、Ag、Mg等金属，Si、P、S等非金属，许多有机高聚物及惰性气体；顺磁性物质：Al、Pt、La等，稀土金属、铁族元素的盐类；铁磁性物质：Fe、Co、Ni、Y、Dy等反铁磁性物质：Mn、Cr，部分铁氧体如ZnFe2O4，和某些化合物MnO、CoO、FeF2等。亚铁磁性物质：尖晶石型晶体、石榴石型晶体等几种结构类型的铁氧体。,不同磁性物质磁性的异同点,磁化功：物体磁化，改变其磁化强度，需要做功。,第一项是真空中的磁场能量密度，第二项是使单位体积磁性体磁化所做的功。,该式告诉我们：在绝热等容过程中，磁化功的等于磁体内能的增加。,M,该式告诉我们：等温、等容过程中，磁场做的磁化功等于体系自由能的增加。只是等容过程，可以得出：,如果能从理论上给出自由能的表达式，则可获得一定温度下的M-H关系式。,自由能,考虑到：于是：,此时，吉布斯函数是温度、压力和磁场的函数。,知道了G,即可求出磁化强度。,吉布斯函数（也称热力学势）,统计物理中的配分函数（状态和）是系统微观状态的总体反映，由它可以导出宏观量：,结合前面的结果，可以给出：,是某一微观态的能量，是与这一状态相应的简并度。,小结：通过量子力学求出原子系统在外磁场中的能量本征值及相应的简并度后，即可计算其磁化强度。,配分函数Z,动画,几个重要的物理参量：Ms、Tc、Hc、Mr、Br、r等,存在磁性转变的特征温度居里温度，温度低于居里温度时呈铁磁性，高于居里温度时表现为顺磁性，其磁化率温度关系服从居里-外斯定律。,饱和磁化强度MS等于每个磁畴中原来的磁化强度，该值很大，这就是铁磁质磁性r大的原因。磁滞现象是由于掺杂和内应力等的作用，当撤掉外磁场时磁畴的畴壁很难恢复到原来的形状，而表现出来。,任何铁磁体和亚铁磁体，在温度低于居里温度Tc时，都是磁畴组成的。磁畴是自发磁化到饱和（即其中的磁矩均朝一个方向排列）的小区域。相邻磁畴之间的界线叫磁畴壁磁畴壁是一个有一定厚度的过渡层，在过渡层中磁矩方向逐渐改变。,磁畴：铁磁质中由于原子的强烈作用，在铁磁质中形成磁场很强的小区域。磁畴的体积约为10-12m3。,既然磁畴内部的磁矩排列是整齐的，那么在磁畴壁处原子磁矩又是怎样排列的呢？在畴壁的一侧，原子磁矩指向某个方向，假设在畴壁的另一侧原子磁矩方向相反。在畴壁内部，原子磁矩必须成某种形式的过渡状态。,畴壁由很多层原子组成。为了实现磁矩的转向，从一侧开始，每一层原子的磁矩都相对于磁畴中的磁矩方向偏转了一个角度，并且每一层的原子磁矩偏转角度逐渐增大，到另一侧时，磁矩已经完全转到和这一侧磁畴的磁矩相同的方向。,磁畴的转向,在无外磁场时，各磁畴排列杂乱无章，铁磁质不显磁性；在外磁场中，各磁畴沿外场转向，介质内部的磁场迅速增加，在铁磁质充磁过程中伴随着发声、发热。,磁化曲线与磁畴的关系,H增加，磁域界移动，磁域逐渐改变，磁矩方向转向，渐与磁场平行，单一磁域（饱和磁化）,磁滞回线与磁畴的关系,动画,动画,4.3.3铁磁材料的相互作用能,铁磁性材料内存在的相互作用能量，直接影响到铁磁材料中磁畴的形成及其具体结构图形。五种相互作用能：交换能Fex磁晶各向异性能Fk磁弹性能F退磁场能Fd外磁场能FH,动态磁滞回线：材料在交变磁场作用下被反复磁化形成的磁滞回线。静态磁滞回线：材料在静态磁场作用下形成的磁滞回线。,在动态磁化过程中，材料样品内的磁损耗除了具有静态磁化时磁滞损耗外，还有涡流损耗和剩余损耗。,复数磁导率,外加交变磁场：,材料内磁感应强度：,若令,复数磁导率：,：B落后于H的相位差，称为损耗角。,弹性磁导率，相当于静态磁化的磁导率。,粘滞性磁导率，与磁能损耗成正比。,磁能的储存,磁能的损耗,动态磁化过程,品质因子Q：能量的储存与能量的损耗之比值,动画,一般指在弱交变磁场中的复数磁导率中和随频率f变化的关系。,它的磁性与铁磁性的相同点：具有自发磁化强度和磁畴。,它的磁性与铁磁性的不同之处：铁氧体一般是多种金属的氧化物复合而成。,铁氧体磁性来自两种磁矩（亚铁磁性）,一种磁矩在相反方向排列,一种磁矩在一个方向相互排列整齐,硬磁材料的特点：矫顽力Hc大、剩磁Br大、最大磁能积(BH)max大,软磁材料的特点：矫顽力Hc小、磁导率高、饱和磁感应强度Bs大、磁损耗tan低、电阻率高、截止频率fc高。矩磁性材料的特点：磁滞回线近似为矩形、表征其矩形度的剩磁比Br/Bm大、矫顽力Hc小、磁损耗tan小、开关系数Sw小。剩磁感应强度Br很高，接近于饱和磁感应强度Bs，