第7章材料的磁学性能

1、2021/3/2312021/3/232本章内容本章内容:材料的磁学材料的磁学材料磁学性质、来源材料磁学性质、来源?材料对外磁场的反应材料对外磁场的反应?本质原因？本质原因？不同磁性材料的性能及其应用。不同磁性材料的性能及其应用。磁性材料获得了越来越多的应用磁性材料获得了越来越多的应用:软磁材料软磁材料:铁芯、电磁铁铁芯、电磁铁硬磁材料硬磁材料:永久磁铁永久磁铁磁记录材料：磁头、软盘、硬盘、磁带磁记录材料：磁头、软盘、硬盘、磁带普通物理普通物理强调电与磁的交互作用强调电与磁的交互作用2021/3/2332021/3/2342021/3/235磁力磁力通过磁场传递。通过磁场传递。磁场磁场通过对载

2、流导体或运动电荷有力的作用通过对载流导体或运动电荷有力的作用体现出来的体现出来的定义磁场中一点的磁感应强度定义磁场中一点的磁感应强度 q:磁场中运动电荷的电量磁场中运动电荷的电量;v:电荷的运动速电荷的运动速度度;Fmax:电荷在磁场中所受的最大力电荷在磁场中所受的最大力,出现在电荷出现在电荷运动速度与磁场方向垂直时运动速度与磁场方向垂直时;k：比例系数：比例系数划时代的伟大发现划时代的伟大发现1820年年,奥斯特奥斯特,电流能在电流能在周围空间产生磁场周围空间产生磁场,首次将电与磁联系起来。首次将电与磁联系起来。qvkmaxFB 2021/3/236单位单位:F为牛顿为牛顿(N),q为库仑为

3、库仑(C),v为米秒为米秒(m/s),B为特斯拉为特斯拉(T)。B是矢量，其方向是磁场方向，规定为该点所放是矢量，其方向是磁场方向，规定为该点所放的小磁针平衡时的小磁针平衡时N极所指的方向。极所指的方向。qvmaxFB 磁介质在磁场中发生磁化而影响磁场磁介质在磁场中发生磁化而影响磁场,所以磁介所以磁介质中的磁感应强度质中的磁感应强度B等于真空中的磁感应强度等于真空中的磁感应强度B0和由于磁介质磁化而产生的附加磁感应强度和由于磁介质磁化而产生的附加磁感应强度B 之之和和,即即 B=B0+B 2021/3/237如果磁场在真空中形成的磁感应强度为如果磁场在真空中形成的磁感应强度为B0,则磁则磁场的

4、强度场的强度H可由下式确定可由下式确定: B0= 0H 0:真空磁导率（真空透磁率）真空磁导率（真空透磁率） 0=410-7亨利米亨利米(H/m) H描述磁场的一个重要的物理量描述磁场的一个重要的物理量,无论在真空无论在真空或在磁介质中或在磁介质中,H只表征传导电流的磁场特征，与只表征传导电流的磁场特征，与磁介质无关。磁介质无关。2021/3/238所以所以 B=B0+B = 0H+ 0M= 0(H+M) 其中其中M称为材料的磁化强度称为材料的磁化强度,其物理意义为材料其物理意义为材料在外磁场中被磁化的程度。在外磁场中被磁化的程度。材料内部的磁感应强度可看成材料对自由材料内部的磁感应强度可看成

5、材料对自由空间的反应空间的反应 0H和磁化引起的附加磁场和磁化引起的附加磁场 0M两两部分场叠加而成。部分场叠加而成。2021/3/239其中其中V为材料的体积为材料的体积,m为其中磁矩的矢量和。为其中磁矩的矢量和。VmM 外磁场强度外磁场强度H增大增大,则材料的磁化强度增大则材料的磁化强度增大 M= H 其中其中 称为材料的磁化率称为材料的磁化率,即单位磁场强度可引起即单位磁场强度可引起的材料的磁化强度的材料的磁化强度,是一个无量纲的量。是一个无量纲的量。0r2021/3/2310所以所以绝对磁导率绝对磁导率 、相对磁导率、相对磁导率 r、和磁化率、和磁化率 都都是描述材料在外磁场下磁化能力

6、的物理量是描述材料在外磁场下磁化能力的物理量,他们他们之间有固定的关系之间有固定的关系,知道其中的一个即可求出另知道其中的一个即可求出另外的两个。外的两个。11r02021/3/23112021/3/23122021/3/23132顺磁体顺磁体: 0,在在10-310-6数量级。数量级。如奥氏体如奥氏体, Pt,Pd，Li，Na，K，Rb等。等。顺磁体的另一特征是其磁化率顺磁体的另一特征是其磁化率 一般一般与绝对温度与绝对温度成反比。成反比。3铁磁体铁磁体: 0且很大且很大,可达可达106数量级数量级,与外磁与外磁场呈非线性关系。场呈非线性关系。在高于某一临界温度在高于某一临界温度Tc变成顺磁

7、体变成顺磁体, Tc称为居里称为居里点或居里温度。外磁场消失仍保留一定的磁化率点或居里温度。外磁场消失仍保留一定的磁化率如如Fe，Co，Ni，Y，Dy及其某些合金等。及其某些合金等。2021/3/23145反铁磁体反铁磁体: 0,且在低温时与磁场方向有关且在低温时与磁场方向有关,在高温时与顺磁体相同。在高温时与顺磁体相同。如如 -Mn,MnO，Cr2O3，Cr, CoO, ZnFeO4等。等。铁磁体和亚铁磁体称为强磁体铁磁体和亚铁磁体称为强磁体;抗磁体、顺磁体和抗磁体、顺磁体和反铁磁体称为弱磁体反铁磁体称为弱磁体,通常磁性材料为强磁体。通常磁性材料为强磁体。2021/3/23152021/3/

8、23162021/3/2317原子的磁矩来源于电子的运动和原子核的自旋。原子的磁矩来源于电子的运动和原子核的自旋。原子的磁矩原子的磁矩2021/3/2318与电荷类似与电荷类似,将磁荷定义成磁的基本单位。两磁极将磁荷定义成磁的基本单位。两磁极若分别有若分别有q1和和q2磁荷的磁极强度磁荷的磁极强度,则其作用力则其作用力其中其中r为磁极间距为磁极间距,k为比例常数。为比例常数。磁极磁极q在外磁场中要受到力的作用在外磁场中要受到力的作用,且有该力且有该力 F=qH其中其中H为外磁场的强度。为外磁场的强度。221rqqkF 2021/3/2319将相互接近的一对磁极将相互接近的一对磁极q和和q称为磁

9、偶极子称为磁偶极子真空中真空中,单位外磁场作用在相距单位外磁场作用在相距d的磁偶极子上的磁偶极子上的最大的力矩的最大的力矩 Pmqd 称为该磁偶极子的磁偶极矩（磁动量）。称为该磁偶极子的磁偶极矩（磁动量）。磁偶极矩与真空磁导率磁偶极矩与真空磁导率0的比值称为磁矩的比值称为磁矩,用用m表示表示,即即 m=Pm/ 02021/3/2320磁偶极矩与外磁场的作用的势能称为静磁能磁偶极矩与外磁场的作用的势能称为静磁能UPmHPmHcos 其中其中 是是Pm与与H的夹角。的夹角。外磁场作用下磁场力外磁场作用下磁场力的作用转矩有使磁偶的作用转矩有使磁偶极矩处于能量最低状极矩处于能量最低状态的趋势。态的趋势

10、。2021/3/2321将电子绕核的运动考虑成环形电流将电子绕核的运动考虑成环形电流,设轨道半径设轨道半径为为r,电子电量为电子电量为e,质量为质量为m，运动角速度为，运动角速度为 ，轨，轨道角动量为道角动量为Ll，则轨道电流强度，则轨道电流强度22ddeetqI电子轨道磁矩电子轨道磁矩leLmermvmermmereISm222222其中其中S为环形电流的面积。为环形电流的面积。 2021/3/2322其中其中l为角量子数为角量子数, 为狄拉克常数。当主量子数为狄拉克常数。当主量子数n=1, 2, 3时时,l=n-1, n-2, , 0。所以电子轨。所以电子轨道磁矩道磁矩 ) 1( llLl

11、B) 1() 1(2llllmeme是量子化的。是量子化的。 其中其中J/T10273. 9224Bme为一常数为一常数,是电子磁矩的最小单位是电子磁矩的最小单位,称为玻尔磁子称为玻尔磁子2021/3/2323也是量子化的也是量子化的,其中其中ml=0, 1, 2, , l,为为电子轨道运动的磁量子数。电子轨道运动的磁量子数。Blezmm由于电子的轨道磁矩受不断变化方向的晶格场由于电子的轨道磁矩受不断变化方向的晶格场的作用的作用,不能形成联合磁矩。不能形成联合磁矩。2021/3/2324电子自旋角动量电子自旋角动量Ls和自旋磁矩和自旋磁矩ms取决于自旋量子取决于自旋量子数数s,s=1/2,他们

12、在外磁场他们在外磁场z方向的分量取决于自旋磁量子方向的分量取决于自旋磁量子数数mss= 1/2,即即其符号取决于电子自旋方向其符号取决于电子自旋方向,一般取与外磁场方一般取与外磁场方向向z一致的方向为正。实验上也测定出电子自旋一致的方向为正。实验上也测定出电子自旋磁矩在外磁场方向的分量恰为一个玻尔磁子磁矩在外磁场方向的分量恰为一个玻尔磁子23) 1(ssLsBB3) 1(2ssms21ssszmLBB2ssszmm2021/3/2325原子核中的质子也带电原子核中的质子也带电,其自旋也会产生磁矩。其自旋也会产生磁矩。质子质量是电子质量的质子质量是电子质量的103倍以上倍以上,运动速度比电运动速

13、度比电子小三个数量级子小三个数量级,其磁矩其磁矩 N一般比玻尔磁子一般比玻尔磁子 B三三个数量级。考虑原子磁矩时可将其忽略。个数量级。考虑原子磁矩时可将其忽略。2021/3/2326穆斯堡尔效应（穆斯堡尔效应（Mossbauer effect, 原子核对原子核对 射射线的共振吸收）线的共振吸收）:处于不同环境的原子吸收的处于不同环境的原子吸收的 射射线光子数目不同。线光子数目不同。核磁共振核磁共振(Nuclear magnetic resonance, NMR):处于不同环境的原子与外界交变磁场产生共振的处于不同环境的原子与外界交变磁场产生共振的频率不同。频率不同。分析穆斯堡尔谱或核磁共振谱可

14、了解磁体中顺磁分析穆斯堡尔谱或核磁共振谱可了解磁体中顺磁相、铁磁相的量及各类原子周围的化学环境（键相、铁磁相的量及各类原子周围的化学环境（键结构）。结构）。2021/3/23272021/3/2328总轨道角动量由总轨道量子数总轨道角动量由总轨道量子数L决定决定:) 1( LLPL其中其中L= mli是各电子的轨道磁量子数的总和。是各电子的轨道磁量子数的总和。总轨道磁矩总轨道磁矩B) 1(LLLRussell-Saunders耦合耦合,各电子的轨道角动量与各电子的轨道角动量与自旋角动量先分别合成总轨道角动量自旋角动量先分别合成总轨道角动量PL和总自旋和总自旋角动量角动量PS,然后二者再合成出总

15、角动量然后二者再合成出总角动量PJ。2021/3/2329总自旋角动量由自旋量子数总自旋角动量由自旋量子数S决定决定:) 1(SSPS其中其中S= msi是各电子的自旋磁量子数的总和。是各电子的自旋磁量子数的总和。总自旋磁矩总自旋磁矩B) 1(2SSS总轨道磁矩在外磁场总轨道磁矩在外磁场z方向的分量为方向的分量为 Lz=mL B其中其中mL= L, (L-1), (L-2), , 0,对应于对应于2L+1个取向。个取向。2021/3/2330其中其中mS= S, (S-1), (S-2), , 0,对应于对应于2S+1个取向。个取向。 原子总角动量由总角量子数原子总角动量由总角量子数J决定决定

16、:) 1( JJPJ其中其中J由由L和和S合成，依赖于合成，依赖于PL和和PS的相对取向的相对取向 SLL-SSLJ, , 1 ,-原子的总磁矩原子的总磁矩B) 1(JJgJJ2021/3/2331称为朗德劈裂因子称为朗德劈裂因子,其数值反映出电子轨道运动其数值反映出电子轨道运动和自旋运动对原子总磁矩的贡献。和自旋运动对原子总磁矩的贡献。当当S=0而而L 0时时,gJ=1;当当S 0而而L=0时时,gJ=2;当当S 0且且L 0时，孤立原子或离子的时，孤立原子或离子的gJ可大于或可大于或小于小于2。) 1(2) 1() 1() 1(1JJLLSSJJgJ其中其中mJ= J, (J-1), (J

17、-2), , 0,共共2J+1个可个可能值。能值。2021/3/2332以上孤立原子磁矩的表达式都适用于孤立离子。以上孤立原子磁矩的表达式都适用于孤立离子。当原子的当原子的J=0时时,原子的总磁矩原子的总磁矩 J=0当原子中当原子中的电子壳层均被填满时即属此情况。的电子壳层均被填满时即属此情况。当原子的电子壳层未被填满时当原子的电子壳层未被填满时,其其J 0,原子的总原子的总磁矩磁矩 J 0，其原子总磁矩称为原子的固有磁矩或，其原子总磁矩称为原子的固有磁矩或本征磁矩。本征磁矩。原子的固有磁矩与其中的电子排布有关。原子的固有磁矩与其中的电子排布有关。占据同一轨道的两电子的自旋磁矩方向相反占据同一

18、轨道的两电子的自旋磁矩方向相反,互互相抵消相抵消2021/3/2333洪特洪特(Hund)规则规则描述含有未满壳层的原子或描述含有未满壳层的原子或离子基态的电子组态及其总角动量。第一离子基态的电子组态及其总角动量。第一,未满未满壳层中各电子的自旋取向壳层中各电子的自旋取向(mS)使总自旋量子数使总自旋量子数S最大时能量最低最大时能量最低;第二第二,在满足第一规则的条件下在满足第一规则的条件下,以总轨道角量子数以总轨道角量子数L最大的电子组态能量最低最大的电子组态能量最低;第第三，当未满壳层中的电子数少于状态数的一半时，三，当未满壳层中的电子数少于状态数的一半时，J= 的能量最低。的能量最低。S

19、L2021/3/2334例例:孤立铁原子的电子层分布为孤立铁原子的电子层分布为1s22s22p63s23p63d64s2其其d电子的轨道占据情况为电子的轨道占据情况为:使总电子自旋磁矩为使总电子自旋磁矩为4 。2021/3/23352021/3/2336共价结合常使价电子配对甚至杂化成总磁矩为零共价结合常使价电子配对甚至杂化成总磁矩为零的电子结构的电子结构氢分子。氢分子。在离子化合物中在离子化合物中可使有磁矩的原子变成无磁可使有磁矩的原子变成无磁矩的离子。矩的离子。金属中金属中磁性取决于正离子实和自由电子的磁磁性取决于正离子实和自由电子的磁性。性。例例:过渡金属中过渡金属中,d轨道展宽成能带轨

20、道展宽成能带,与与s能带交叠能带交叠,使使s带和带和d带中的电子数与孤立原子不同。带中的电子数与孤立原子不同。孤立钯原子的外层电子组态为孤立钯原子的外层电子组态为3d104s0，没，没有磁矩，但在金属钯中外层电子组态则变成有磁矩，但在金属钯中外层电子组态则变成3d9.44s0.6，出现磁矩。，出现磁矩。2021/3/23372021/3/2338理论研究表明理论研究表明,抗磁性来源于电子轨道运动在外抗磁性来源于电子轨道运动在外磁场作用下的改变。磁场作用下的改变。外磁场使材料中电子轨道运动发生变化外磁场使材料中电子轨道运动发生变化,感应出感应出很小的磁矩很小的磁矩,其方向与外磁场方向相反。其方向

21、与外磁场方向相反。所有物质均有抗磁性所有物质均有抗磁性磁化率磁化率,但其磁化率很小但其磁化率很小,在在材料具有原子、离子或分子磁矩时材料具有原子、离子或分子磁矩时,其他磁化率其他磁化率掩盖了抗磁化率掩盖了抗磁化率例例:惰性气体、离子型固体如氯化钠、共价晶体惰性气体、离子型固体如氯化钠、共价晶体碳、硅、锗、硫、磷等碳、硅、锗、硫、磷等,多数有机物。金属的行多数有机物。金属的行为复杂为复杂,部分金属为抗磁体部分金属为抗磁体,如如Pb, Cu, Ag等。等。2021/3/23392021/3/23401895年居里年居里(P. Curie) 顺磁磁化率与温度的关系顺磁磁化率与温度的关系(居里定律居里

22、定律)TC其中其中T为绝对温度；为绝对温度；C为常数，为常数，称为居里常数。称为居里常数。朗之万朗之万(P. Langevin)等的解释等的解释:根据经典统计理根据经典统计理论论,原子热振动的动能原子热振动的动能Ek与温度成正比与温度成正比,即即 Ek kT其中其中k为玻尔兹曼常数为玻尔兹曼常数,T为绝对温度。为绝对温度。热振动使原子磁矩倾向于混乱分布热振动使原子磁矩倾向于混乱分布,在任何方向在任何方向上的原子磁矩之和为零上的原子磁矩之和为零,对外不表现磁性。对外不表现磁性。2021/3/2341当外磁场增加到使势能当外磁场增加到使势能U的减少能够补偿热运动的减少能够补偿热运动的能量时的能量时

23、,原子磁矩即一致排列原子磁矩即一致排列,此时此时:当有磁感应强度为当有磁感应强度为B0的外磁场时的外磁场时,原子磁矩原子磁矩m与与B0的夹角的夹角 要要尽量小尽量小,以降低势能以降低势能: U=-mB0cos 外磁场使原子磁矩外磁场使原子磁矩m趋于一致排列。趋于一致排列。 kT mB0mTBk02021/3/2342不考虑材料中磁性离子的相互作用不考虑材料中磁性离子的相互作用,在高温低磁在高温低磁场的情形下场的情形下,可推导出磁化率可推导出磁化率TTmnmTnmBnmHMCk3k320000其中其中n为单位体积内的原子数为单位体积内的原子数k3C20mn称为居里常数称为居里常数2021/3/2

24、343大多数物质为顺磁性大多数物质为顺磁性:如稀土元素（室温）如稀土元素（室温）,居里居里点以上的点以上的Fe, Co, Ni, 过渡金属的盐过渡金属的盐,Li, Na, K, Ti, Al, V等。等。计算表明计算表明:当当T=1000K,磁场为磁场为1T,顺磁物质的磁顺磁物质的磁化强度化强度M102A/m顺磁物质很难磁化。顺磁物质很难磁化。当材料中磁性离子较多当材料中磁性离子较多,相互作用较强而不可相互作用较强而不可忽略时忽略时,其顺磁磁化率常服从居里外斯定律其顺磁磁化率常服从居里外斯定律cTTC其中其中Tc是居里温度是居里温度,可能来源于交换作用、偶极子可能来源于交换作用、偶极子相互作用

25、或晶体电场的作用。相互作用或晶体电场的作用。 2021/3/23442021/3/23452021/3/2346施加外部磁场施加外部磁场H:BMs(Bs)M(B)OH M和和B 都沿都沿OB线增线增加加,至至B点达到饱和点达到饱和Ms和和Bs分别称为分别称为。以后磁场强度增加以后磁场强度增加, M和和B不升高。不升高。达到饱和后达到饱和后,逐渐减弱外磁场逐渐减弱外磁场H, M和和B也减小也减小,此过程称为退磁。此过程称为退磁。2021/3/2347退磁并不沿退磁并不沿OB逆向进行逆向进行,而是沿而是沿BC段进行。段进行。Ms(Bs)M(B)OH当当H =0时时,M和和B 处于处于Mr和和Br处

26、处(C点点),不为零不为零,称为称为加反向磁场至加反向磁场至D,则则M =0,B =0,即完全消除剩即完全消除剩磁，此处的磁场强度磁，此处的磁场强度H c称为称为磁滞现象磁滞现象:退磁过程中退磁过程中M和和B的变化落后于的变化落后于H的变化的现象。的变化的现象。EMr(Br)CBDHc继续增大反向磁场继续增大反向磁场,至至E点点M和和B达到反向饱和。达到反向饱和。 2021/3/2348再沿正方向增大磁场再沿正方向增大磁场,可得另一半磁化曲线可得另一半磁化曲线EFGBDECBMs(Bs)Mr(Br)HcM(B)OHFGHm-Hm磁滞回线磁滞回线:外磁场强外磁场强度度H从从Hm变到变到-Hm再到

27、再到Hm,磁化曲线磁化曲线形成封闭环。形成封闭环。磁滞回线所包围的磁滞回线所包围的面积表征磁化和退面积表征磁化和退磁一周所消耗的功，磁一周所消耗的功，称为磁滞损耗称为磁滞损耗BHQd2021/3/2349磁化功磁化功:磁性材料磁性材料磁化时消耗的能量。磁化时消耗的能量。显然在易磁化方向显然在易磁化方向上的磁化功小上的磁化功小,在此在此方向的磁化强度矢方向的磁化强度矢量量Ms能量低。能量低。在不同方向上得到同样的磁化强度要消耗不在不同方向上得到同样的磁化强度要消耗不同的能量。同的能量。 磁化功在磁化功在数值上等数值上等于阴影部于阴影部分的面积分的面积2021/3/2350Fe, Ni , Co不

28、同晶向的磁化难易不同晶向的磁化难易2021/3/2351其中其中K0为主晶轴方向上的磁化能量为主晶轴方向上的磁化能量; 1、 2、 3分别是磁化强度与分别是磁化强度与x, y, z轴轴夹角的余弦夹角的余弦,即即 1=cos , 2=cos , 3=cos ; K1、K2称为磁称为磁晶各向异性常数。晶各向异性常数。232221221232322222110kK)(KKE一般一般 K2较小较小,可忽略可忽略,Ek仅用仅用K1表示。表示。磁晶各向异性能磁晶各向异性能:磁化强度矢量沿不同晶轴方向磁化强度矢量沿不同晶轴方向的能量差的能量差,用用Ek表示。表示。其他晶系也有相应的磁晶各向异性能的表达式。其

29、他晶系也有相应的磁晶各向异性能的表达式。 2021/3/2352实际铁磁体实际铁磁体:几乎没有球形几乎没有球形同样的磁场强度下在同样的磁场强度下在x、y、z方向的磁感应强度不同方向的磁感应强度不同由于磁体的形状不同引起的由于磁体的形状不同引起的各方向磁化的差异各方向磁化的差异2021/3/2353退磁场退磁场:铁磁体表面出现磁极后除在铁磁体周围产铁磁体表面出现磁极后除在铁磁体周围产生磁场外生磁场外,在铁磁体内部也产生磁场。该磁场与铁在铁磁体内部也产生磁场。该磁场与铁磁体的磁化强度方向相反磁体的磁化强度方向相反,起退磁作用起退磁作用,称为退磁场。称为退磁场。其表达式为其表达式为:Hd=-NMN:

30、退磁因子退磁因子;M:磁化磁化强度强度N与铁磁体形状有关。与铁磁体形状有关。如棒状铁磁体越短粗如棒状铁磁体越短粗N越大越大,退磁场越强退磁场越强,达到达到磁饱和的外磁场越强磁饱和的外磁场越强2021/3/2354为线磁致伸缩系数为线磁致伸缩系数,其其中中l0为初始长度为初始长度,l为磁为磁化后的长度。化后的长度。磁化达到饱和时磁化达到饱和时的线磁致伸缩系的线磁致伸缩系数称为饱和线磁数称为饱和线磁致伸缩系数致伸缩系数,对一对一定的材料是定值。定的材料是定值。00lll 定义定义磁饱和磁饱和后不继后不继续伸缩续伸缩2021/3/2355饱和线磁致伸缩系数代表铁磁体的磁致伸缩能饱和线磁致伸缩系数代表

31、铁磁体的磁致伸缩能力。一般铁磁体的饱和线磁致伸缩系数在力。一般铁磁体的饱和线磁致伸缩系数在10-6-10-3。磁致伸缩现象可用于微步进旋转马达、机器人、磁致伸缩现象可用于微步进旋转马达、机器人、传感器、驱动器等。传感器、驱动器等。专门研制的磁致伸缩合金如专门研制的磁致伸缩合金如TbDyFe合金的饱和合金的饱和线磁致伸缩系数可达线磁致伸缩系数可达0.2%如果铁磁体在磁化过程中的尺寸变化受到限制如果铁磁体在磁化过程中的尺寸变化受到限制,不能自由伸缩不能自由伸缩,则会形成拉（压）内应力则会形成拉（压）内应力,在磁体在磁体内部引起弹性能，称为磁弹性能。内部引起弹性能，称为磁弹性能。磁弹性能是附加的内能

32、升高磁弹性能是附加的内能升高,是磁化的阻力是磁化的阻力2021/3/23562021/3/23572021/3/23582021/3/23592021/3/2360铁磁材料在被外磁场磁化之前不表现出磁性铁磁材料在被外磁场磁化之前不表现出磁性各个原子磁矩一致的小区域的原子磁矩取向是随各个原子磁矩一致的小区域的原子磁矩取向是随机的机的,整个材料不表现出宏观磁矩。整个材料不表现出宏观磁矩。磁畴磁畴:由于自发磁化形成的铁磁材料中的原子磁由于自发磁化形成的铁磁材料中的原子磁矩一致的小区域。矩一致的小区域。铁磁材料都有宏观磁矩铁磁材料都有宏观磁矩?技术磁化技术磁化:外磁场作用下铁磁材料发生磁化外磁场作用下

33、铁磁材料发生磁化,使磁使磁畴的取向发生了与外磁场一致的有序排列畴的取向发生了与外磁场一致的有序排列,表现表现出宏观的磁化强度的现象。出宏观的磁化强度的现象。2021/3/2361铁硅合金单晶在铁硅合金单晶在(100)面的粉纹图面的粉纹图 观察到磁观察到磁畴畴 , 是 自是 自发磁化理发磁化理论的实验论的实验证明证明2021/3/2362其一为分子场假设其一为分子场假设:铁磁性材料在铁磁性材料在0K居里温度居里温度Tc的温度范围内存在与外加磁场无关的自发磁化的温度范围内存在与外加磁场无关的自发磁化,其原因是材料内部存在分子场其原因是材料内部存在分子场,使原子磁矩克服使原子磁矩克服热运动的无序效应

34、热运动的无序效应,自发地产生平行一致取向。自发地产生平行一致取向。其二为磁畴假设其二为磁畴假设:自发磁矩是按区域分布的，各自发磁矩是按区域分布的，各个自发磁化的区域称为磁畴，在无外磁场时都是个自发磁化的区域称为磁畴，在无外磁场时都是自发磁化到饱和，但各个磁畴自发磁化的方向有自发磁化到饱和，但各个磁畴自发磁化的方向有一定的分布，使宏观磁体的总磁矩为零。一定的分布，使宏观磁体的总磁矩为零。2021/3/2363kTc=HmfPJ k:玻耳兹曼常数玻耳兹曼常数;Hmf:分子场分子场,PJ:原子的磁偶极矩。原子的磁偶极矩。代入相应数据可估算出代入相应数据可估算出Hmf=109A/m铁磁材料铁磁材料中该

35、数量级的分子场使其中的原子磁矩发生自发中该数量级的分子场使其中的原子磁矩发生自发磁化。磁化。 可推导出居里温度和居里外斯定可推导出居里温度和居里外斯定律律满意地解释了铁磁体自发磁满意地解释了铁磁体自发磁化化2021/3/2364外斯理论外斯理论存在使电子自旋磁矩同向排列的存在使电子自旋磁矩同向排列的分子场分子场量子力学出现后才由海森堡量子力学出现后才由海森堡(Heisenberg)在在1928年用近邻原子的静电交换作用成功地解释。年用近邻原子的静电交换作用成功地解释。分子场的来源分子场的来源?出现铁磁性（自发磁化）的必要条件出现铁磁性（自发磁化）的必要条件:原子自身有原子自身有明显的磁矩明显的

36、磁矩原子自旋磁矩不为零原子自旋磁矩不为零有不满有不满的的d轨道或轨道或f轨道。轨道。2021/3/2365大部分过渡元素都满足此条件大部分过渡元素都满足此条件都是铁磁体都是铁磁体?海森堡交换作用理论海森堡交换作用理论晶体中原子之间的键合对铁磁性有利才可形成铁晶体中原子之间的键合对铁磁性有利才可形成铁磁性。磁性。原子的磁矩能否原子的磁矩能否形成联合磁矩形成联合磁矩?当两原子相互接近形成分子或当两原子相互接近形成分子或N个原子形成晶体个原子形成晶体时时,原子间的电子有交互作用原子间的电子有交互作用,相邻的相邻的i原子和原子和j原原子的电子可能交换位置子的电子可能交换位置,降低体系的能量。降低体系的

37、能量。2021/3/2366例例:过渡元素过渡元素3d与与4s态的能量相差不大态的能量相差不大,其电子云其电子云将重叠引起将重叠引起s、d态电子的再分配。态电子的再分配。交换过程可能使相邻原子内交换过程可能使相邻原子内d层未抵消的自旋磁层未抵消的自旋磁矩同向排列起来。矩同向排列起来。N个原子系统的交换作用能个原子系统的交换作用能jiNjijiSSAAE22exSS其中其中Si、Sj是原子是原子i、j的自旋矢量，的自旋矢量，A为交换积分，为交换积分，jiSS 是决定系统电子自旋矢量平方的量子数是决定系统电子自旋矢量平方的量子数 2021/3/2367交换作用积分交换作用积分A由电子原来的状态和交

38、换位置后由电子原来的状态和交换位置后的状态决定的的状态决定的,可代表交换作用的强弱。可代表交换作用的强弱。可推知可推知:A 0时时,自旋同向能量低自旋同向能量低自发磁化自发磁化铁磁性铁磁性 A0,0,即原子磁矩同向平行即原子磁矩同向平行排列排列2021/3/2369计算表明计算表明:A不仅与电子运动的波函数有关不仅与电子运动的波函数有关,还强还强烈依赖于相邻原子核之间的距离烈依赖于相邻原子核之间的距离rabA很难从波函数计算出数值很难从波函数计算出数值,但可但可从从Tc的实验结果推测的实验结果推测r:参加交换作参加交换作用的电子距核用的电子距核的距离的距离,如如3d层半径层半径rab/r小小,

39、A0,铁磁铁磁性性2021/3/2370rab/r再增大再增大, A0,交换作用交换作用微弱微弱,顺磁性顺磁性满足满足A0一定的晶体结构、原子间距一定的晶体结构、原子间距rab/r3且接近且接近3纯元素纯元素只有只有Fe、Co、Ni满足满足,为铁磁性。合金化为铁磁性。合金化可改变晶体结构和原子尺寸可改变晶体结构和原子尺寸,得到多种铁磁体得到多种铁磁体 2021/3/2371铁磁性铁磁性:交换积分交换积分A0,原子磁原子磁矩同向平行排列。矩同向平行排列。超过超过Tc,交换作用被破交换作用被破坏坏,变成顺磁性，磁化变成顺磁性，磁化率率 服从居里外斯定服从居里外斯定律。律。3 3、反铁磁性和亚铁磁性

40、、反铁磁性和亚铁磁性顺磁性顺磁性2021/3/2372反铁磁性反铁磁性:交换积分交换积分A0,原原子磁矩反向平行排列。子磁矩反向平行排列。超过超过TN（奈尔点（奈尔点,反铁磁反铁磁性体的居里点）性体的居里点）,交换作交换作用被破坏用被破坏,变成顺磁性，变成顺磁性，磁化率磁化率 服从居里外斯服从居里外斯定律。定律。TN以下以下,T升高升高, 增增大大与铁磁体相反与铁磁体相反TN附近附近,热膨胀、电子、热膨胀、电子、比热、弹性等反常比热、弹性等反常利用利用2021/3/2373极低温度相邻原子极低温度相邻原子的自旋完全反向的自旋完全反向,磁磁矩几乎完全抵消矩几乎完全抵消,磁磁化率接近化率接近0温度

41、升高温度升高,自旋反向作自旋反向作用减弱用减弱,磁化率增大。磁化率增大。TN以上顺磁体以上顺磁体2021/3/2374可见在同一可见在同一(111)面上的面上的离子自旋方离子自旋方向相同向相同,而所而所有相邻有相邻(111)面上的离子面上的离子自旋方向相自旋方向相反。反。 2021/3/2375一般是金属氧化物一般是金属氧化物铁氧体铁氧体半导体半导体,高电高电阻阻可用于高频磁化可用于高频磁化过程。过程。亚铁磁性亚铁磁性:交换积交换积分分A0,原子磁矩反原子磁矩反向平行排列向平行排列,但但A, B原子的磁矩不同原子的磁矩不同,不不能抵消。能抵消。超过超过Tc,交换作用被交换作用被破坏破坏,变成顺

42、磁性变成顺磁性,磁化率磁化率 服从居里服从居里外斯定律外斯定律2021/3/23764. 4. 磁畴结构磁畴结构自发磁化不是自发磁化不是在整个晶体中在整个晶体中都一致都一致,而是在而是在磁体内分成大磁体内分成大量自发磁化的量自发磁化的小区域小区域外外斯理论斯理论2021/3/2377不分畴不分畴,端面形成端面形成磁极磁极,磁场分布在磁场分布在整个铁磁体附近整个铁磁体附近的空间内的空间内,有很大有很大的静磁能的静磁能分两畴分两畴,磁场主要分布在磁场主要分布在铁磁体两端附近铁磁体两端附近,静磁能静磁能降低。多畴更低降低。多畴更低,无限多无限多畴静磁能最低，但不为畴静磁能最低，但不为0 2021/3

43、/2378三角形封闭磁畴三角形封闭磁畴,静磁静磁能为零。但某些磁畴的能为零。但某些磁畴的自发磁化不处于易磁化自发磁化不处于易磁化方向方向,产生磁晶各向异产生磁晶各向异性能性能;且各磁畴的方向且各磁畴的方向不同使其其磁致伸缩不不同使其其磁致伸缩不同同,产生磁弹性能。产生磁弹性能。 磁畴细化磁畴细化,多个三多个三角形的封闭畴角形的封闭畴,降降低磁晶各向异性低磁晶各向异性能和磁弹性能能和磁弹性能实际单晶磁畴实际单晶磁畴形状形状2021/3/2379畴壁畴壁畴壁也引起能量升高畴壁也引起能量升高,称为畴壁能。称为畴壁能。相邻磁畴之间的分界。相邻磁畴之间的分界。180o畴壁畴壁:相邻畴壁的磁化方向相反。相

44、邻畴壁的磁化方向相反。90o畴壁畴壁:相邻畴壁的磁化方向差相邻畴壁的磁化方向差90o左右（左右（109o, 90o , 71o等）。等）。磁畴细分可降低静磁能、磁晶各向异性能和磁磁畴细分可降低静磁能、磁晶各向异性能和磁弹性能弹性能,但增加畴壁能但增加畴壁能,当提高和降低能量的诸当提高和降低能量的诸方面达到平衡时总能量最低方面达到平衡时总能量最低,分畴停止。分畴停止。2021/3/2380畴壁无过渡畴壁无过渡区区 , 计 算 表计 算 表明交界处的明交界处的交换能交换能Ee x极大。极大。 形成过渡层降低交换能形成过渡层降低交换能,原子原子自旋方向逐渐过渡。畴壁越厚自旋方向逐渐过渡。畴壁越厚,交

45、换能越小交换能越小,但磁矩偏离易磁但磁矩偏离易磁化方向的原子越多，磁晶各向化方向的原子越多，磁晶各向异性能异性能Ek越大。越大。2021/3/2381单位面积的畴壁能单位面积的畴壁能W与壁厚与壁厚N的关系的关系实验中已观实验中已观察到了磁畴察到了磁畴的存在的存在,且且畴壁厚度可畴壁厚度可以计算。以计算。Eex与与Ek平衡的结平衡的结果果,在在N0处达到畴处达到畴壁能最低壁能最低, N0 即畴即畴壁的平衡厚度壁的平衡厚度2021/3/2382畴壁中的原子磁矩可按不同方式逐步过渡到畴壁中的原子磁矩可按不同方式逐步过渡到180 或或90 的取向差。的取向差。 磁畴结构磁畴结构:磁畴的形状、尺寸、畴壁

46、类型与厚度磁畴的形状、尺寸、畴壁类型与厚度的总称。同一材料经过不同的处理可得到不同的的总称。同一材料经过不同的处理可得到不同的磁畴结构磁畴结构,可使其磁性千差万别。可使其磁性千差万别。2021/3/2383晶界、第二相、晶体晶界、第二相、晶体缺陷、夹杂、应力、缺陷、夹杂、应力、偏析等都影响畴结构偏析等都影响畴结构每个晶粒都每个晶粒都可能包含多可能包含多个磁畴个磁畴 磁畴内的磁化强磁畴内的磁化强度都沿晶体的易度都沿晶体的易磁化方向。磁化方向。相邻晶粒的取向相邻晶粒的取向不同不同,易磁化方易磁化方向不同向不同,其中的其中的磁畴自发磁化方磁畴自发磁化方向不同向不同畴壁畴壁不能穿过晶界不能穿过晶界20

47、21/3/2384铁硅合金多晶体的畴界和晶界粉纹图2021/3/23852021/3/2386技术磁化技术磁化:外加磁场作用于磁畴外加磁场作用于磁畴,使其逐渐转向外使其逐渐转向外磁场方向的过程。磁场方向的过程。方式方式:畴壁迁移和磁畴旋转畴壁迁移和磁畴旋转,单独或同时起作用单独或同时起作用低磁场低磁场,畴壁畴壁可逆迁移可逆迁移磁场升高磁场升高,畴壁不可畴壁不可逆迁移逆迁移,外磁场消失外磁场消失也不回迁也不回迁高磁场高磁场,磁磁畴旋转畴旋转2021/3/2387畴壁通畴壁通过第二过第二相相,面积面积减小减小,降降低畴壁低畴壁能能外加磁场外加磁场H,通过通过畴壁内原子依次畴壁内原子依次转向转向H方

48、向方向,与与H方向相近的磁畴方向相近的磁畴体积增大体积增大,畴壁畴壁向另一磁畴弯曲，向另一磁畴弯曲，可逆迁移可逆迁移弯曲畴壁弯曲畴壁面积比通面积比通过第二相过第二相的平面畴的平面畴壁大壁大,畴壁畴壁脱离第二脱离第二相相畴壁自动畴壁自动迁移到下迁移到下一排第二一排第二相相 , 面 积面 积减 小减 小 , 达达到另一稳到另一稳态。态。2021/3/2388继续增大外场继续增大外场,整个磁畴的磁矩方向转向外磁场整个磁畴的磁矩方向转向外磁场方向方向磁畴的旋转。磁畴的旋转。磁畴旋转的结果磁畴旋转的结果:磁畴的磁化强度方向与外磁场相磁畴的磁化强度方向与外磁场相同同再增加外场再增加外场,磁矩方向不会再旋转

49、磁矩方向不会再旋转,磁化强磁化强度不再增加度不再增加磁饱和。磁饱和。饱和磁化后撤去外磁场饱和磁化后撤去外磁场,磁畴逆向旋转磁畴逆向旋转,磁化强度从磁化强度从外磁场方向转回易磁化方向外磁场方向转回易磁化方向,但磁畴不可逆迁移仍但磁畴不可逆迁移仍保留保留剩磁剩磁Mr。2021/3/2389影响畴壁迁移、转动的因素影响畴壁迁移、转动的因素夹杂物、孔洞与第二相粒子作用类似。夹杂物、孔洞与第二相粒子作用类似。内应力内应力:内应力起伏越大内应力起伏越大,分布越不均匀分布越不均匀,对畴壁迁对畴壁迁移的阻力越大。移的阻力越大。加反向外磁场加反向外磁场畴壁反向迁移畴壁反向迁移消除剩消除剩磁磁反向迁移的难易决定矫

50、顽力反向迁移的难易决定矫顽力Hc。磁晶各向异性能磁晶各向异性能:畴壁迁移过程中原子磁矩的转动畴壁迁移过程中原子磁矩的转动必然要通过难磁化方向必然要通过难磁化方向,所以磁导率随磁晶各向异所以磁导率随磁晶各向异性能的降低而增大。性能的降低而增大。磁致伸缩和磁弹性能磁致伸缩和磁弹性能:对磁畴迁移形成阻力对磁畴迁移形成阻力,因为因为畴壁迁移会引起材料某一方向伸长畴壁迁移会引起材料某一方向伸长,某些方向缩短。某些方向缩短。 2021/3/23902. 2. 强磁体磁性能的影响因素强磁体磁性能的影响因素 饱和磁化强度与温度的关系饱和磁化强度与温度的关系 温度升高温度升高,饱饱和磁化强度和磁化强度Ms减小减

51、小 到一定温度到一定温度Ms减小到减小到0,就是居里温就是居里温度度Tc。 2021/3/2391在在Tcomp 有有MA=MB,总磁化强度为总磁化强度为0,称为称为补 偿 温 度 （ 补 偿补 偿 温 度 （ 补 偿点）点）,已经在磁光记已经在磁光记录中得到了应用录中得到了应用 两个子晶格上的原子形成两个子晶格上的原子形成的磁化强度的磁化强度MA、MB随温随温度升高降低速度不同，使度升高降低速度不同，使饱和磁化强度与温度的关饱和磁化强度与温度的关系有不同的变化。系有不同的变化。2021/3/2392多相合金的饱和磁化强度是各相饱和磁化强度多相合金的饱和磁化强度是各相饱和磁化强度按体积的加权平

52、均。按体积的加权平均。冷塑性变形冷塑性变形晶粒破碎、内应力增大晶粒破碎、内应力增大畴壁畴壁不易迁移不易迁移矫顽力增大矫顽力增大;再结晶退火再结晶退火引起相反的组织结构变化引起相反的组织结构变化磁磁性能发生相反的变化。性能发生相反的变化。冷塑性变形冷塑性变形形成形变织构（晶粒择优取形成形变织构（晶粒择优取向）向）易磁化方向趋向一致易磁化方向趋向一致,沿该方向就可获沿该方向就可获得高磁导率、饱和磁化强度等磁性能得高磁导率、饱和磁化强度等磁性能硅钢片硅钢片轧制后有利取向上可提高磁导率一倍以上轧制后有利取向上可提高磁导率一倍以上2021/3/2393提高磁性能的措施提高磁性能的措施热处理还可以改变铁磁

53、体的应力状态、第二相热处理还可以改变铁磁体的应力状态、第二相形状、数量分布等形状、数量分布等,对磁性能产生复杂的影响。对磁性能产生复杂的影响。合适的热处理方式也是改善磁性能的重要手段。合适的热处理方式也是改善磁性能的重要手段。磁化时使有织构的铁磁体的易磁化方向与外磁场磁化时使有织构的铁磁体的易磁化方向与外磁场方向一致可提高剩磁方向一致可提高剩磁Mr。在磁场中进行热处理在磁场中进行热处理:在磁场中加热至在磁场中加热至Tc以上降温以上降温,造成磁畴有序排列造成磁畴有序排列,可提高剩磁可提高剩磁Mr 。2021/3/23943. 3. 交变磁场下强磁体的能量损耗交变磁场下强磁体的能量损耗反复磁化和退

54、磁反复磁化和退磁磁滞损耗。磁滞损耗。动态磁滞回线的形动态磁滞回线的形状与磁场的振幅、状与磁场的振幅、频率、波形有关频率、波形有关磁滞回线包围的磁滞回线包围的面积变化面积变化,能量损能量损耗量变化耗量变化2021/3/2395强磁体畴壁处还会产生微观涡流。强磁体畴壁处还会产生微观涡流。涡流会产生焦耳热而损耗能量涡流会产生焦耳热而损耗能量材料的电阻越大材料的电阻越大,涡流越弱涡流越弱,涡流损耗越小涡流损耗越小某某些场合铁氧体比金属材料优越。些场合铁氧体比金属材料优越。趋肤效应（集肤效应）趋肤效应（集肤效应）:涡流产生与外磁场相反涡流产生与外磁场相反的磁通的磁通,材料内部这种效应更强烈材料内部这种效

55、应更强烈,好像材料内部好像材料内部的磁感应强度被排斥到材料表面一样的磁感应强度被排斥到材料表面一样涡流集涡流集中于表面。中于表面。2021/3/23962021/3/23972021/3/2398易磁化易磁化,易退磁易退磁,用于电磁铁极头、发电机、用于电磁铁极头、发电机、电动机、变压器、继电器的铁芯等场合。电动机、变压器、继电器的铁芯等场合。性能要求性能要求:大的磁导率大的磁导率 一定磁场下产生很大一定磁场下产生很大的磁感应强度的磁感应强度;小的矫顽力小的矫顽力Hc磁化在外磁场磁化在外磁场去掉后立即消失去掉后立即消失,一般要求一般要求Hc100A/m。还要求。还要求其磁化的能量损耗小。其磁化的能量损耗小。2021/3/23994. 铁氧体软磁材料铁氧体软磁材料:大电阻率大电阻率,在高频交变场下可在高频交变场下可有效地降低涡流损耗。其成分一般为有效地降低涡流损耗。其成分一般为MFe2O4,其其中中M=(Mn, Zn)+Fe或或(Ni, Zn)+Fe,一般有与一般有与Fe3O4相似的尖晶石结构。相似的尖晶石结构。5. 非晶态合金非晶态合金:具有优良的软磁性能。包括具有优良