中科大材料科学课件21磁性

第二十一章磁性（magneticproperties）磁偶极(magneticdipole)磁场向量磁矩来源(magneticmoment)反磁与顺磁(dia-,para-)铁磁、反铁磁与亚铁磁(ferro-,antiferro-,ferri-)

温度对磁性影响磁区(domain)与磁滞(hysteresis)软磁材料(soft-)硬磁材料(hard-)高能硬磁材料磁储存、超导性

Magnesia:mineralingredientofthephilosophers'stone,fromMedievalLatin,fromGreek,akindofore,fromMagnesia,anancientcityofAsiaMinor磁：慈石

十二世纪：中国人航海十八世纪：Coulomb研究磁石作用1820：Oersted（1777-1851），电流偏折磁针电荷使电场扭曲（distortion）：磁场磁场是电场相对论性质副产品

磁性发电机、变电器、马达、收音机、电视、电话、计算机、视听系统铁、某些钢铁、天然磁石磁场对所有物质都有影响

磁偶极(magneticdipole)磁场、磁力线(fieldline)想像的工具(imaginarytool)电流圈(currentloop)、磁棒(bar)

磁偶极与电偶极相似想像为一包含南北极小磁棒由箭头代表，由南指向北磁场对磁偶极产生一力矩：顺向

磁场向量磁场强度（magneticfieldstrength）H：外加磁场如磁场由一圆柱形线圈（螺形线圈）产生设线圈含有N密接圈、长度为L，电流IH=NI/L

磁感应（magneticinduction）B磁通量密度（magneticfluxdensity）物质内部磁场B=μHμ：导磁率（permeability）

真空中B0=μ0Hμ0

：真空导磁率1.257x10-6H/m

相对导磁率：μ/μ0材料磁化程度外加磁场引致磁感应之难易

磁化（magnetization）MB

=μ0H+μ0MB

=B0+μ0MM=χmHχm

：磁化率（magneticsusceptibility）

B

=μ0H+μ0M=μ0(1+χm)B

=μH=μrμ0Hχm=μr–1

磁矩来源磁性由电子磁矩而来轨道运动自旋

最基本磁矩：Bohr磁子（magneton）μBPaulisoonintroducedtheatomicmagnetonandnameditafterNielsBohr.（1925）

9.27x10-14A-m2自旋磁矩：±μB轨道磁矩：mlμB

原子磁矩各电子磁矩总和原子电子层或次层完全填满：磁矩为零He,Ne,Ar以及某些离子材料

反磁性（diamagnetism）与顺磁性（paramagnetism）反磁性：由外加磁场改变电子轨道运动而来μr<1所有材料中，弱

顺磁性某些固体材料：轨道运动与/或（and/or）自旋磁矩不完全注销，永久磁矩随意指向μr>110-5–10-2

铁磁性大而永久磁化Fe,Co,Ni,Gd磁化率：106

B

=μ0M电子自旋磁矩偶合相互作用：电子自旋对齐偶合作用受电子结构影响磁域（domain）

饱和（saturation）磁化最大（maximum）磁化

饱和磁通量密度净磁矩与原子数目乘积Fe:Co:Ni=2.22:1.72:0.6

例21.1Ni之饱和磁化与饱和磁通量密度Ms=0.60μBNN=9.13x1028atoms/m3Ms=5.1x105A/mBs=μ0

Ms=0.64tesla

反铁磁性（anti-ferromagnetism）电子自旋对齐与磁场反向MnOMn2+，O2-Mn2+：净磁矩，主要为自旋磁矩邻近Mn2+磁矩反向：净磁矩=0

亚铁磁性（ferrimagnetism）净磁矩来源MFe2O4Fe3O4：磁石

例21.2Fe2O3

之饱和磁通量密度立方晶包：8Fe2+,16Fe3+

，a=0.839nmMs=N’μB

N’=nB/Vc8x4=32Ms=5.0x105A/m

设计例21.1设计Ms

为5.25x105A/m磁石材料nB=33.45Bohrmagneton8[5+4(1-x)]=33.45x=0.181用Mn取代

温度对磁性影响热振动：磁矩转向较易温度升高：磁化降低Curie温度（Tc）：M=0Tc：768（Fe），1120（Co），335（Ni），586（Fe3O4）0CNeel温度：反铁磁M=0

磁域（domain）与磁滞（hysteresis）Hysteresis:Greek,ashortcoming,fromhusterein,tocomelate,fromhusteros,late磁域：磁矩同方向区域磁域界（domainboundary，wall）磁域界磁矩方向逐渐改变每一晶粒可能有多于一之磁域M为各磁域磁化向量和

铁磁与亚铁磁B-H曲线Ms：饱和磁化

μ，（H）H=0，μi

：初始导磁率（initialpermeability）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）

H降低，B降低速率较低：磁滞H=0，Br

：残留磁场密度（remanence）H降低，磁域界移动阻抗B=0，-Hc：保磁力（coercivity）反向饱和磁化，-Br，+Hc消磁（demagnetizing）

软磁材料磁化-去磁环：磁能损失，热软磁：交流磁场，变压器核心磁滞环面积小μi高，Hc小

饱和磁化由材料成份决定磁化率，Hc与结构变数有关缺陷或非磁性粒子阻碍磁域界移动：Hc增加

电阻Eddy（涡）电流减少能量损失：电阻率高Fe-Si，Fe-Ni合金陶属亚铁盐热处理：方形磁滞环

（某些放大器、脉冲变压器）

硬磁材料高残留磁场密度（remanence）、保磁力（coercivity）、饱和磁场密度、低初始导磁率保磁力能量积（BH）max永久磁铁消磁所需能量

一般硬磁材料（BH）max

：2-80kJ/m2磁性钢铁，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：阻碍磁域界运动热处理：极小单磁域晶粒强磁Fe-Co微粒

高能硬磁材料（BH）max>80kJ/m2SmCo5、Nd2Fe14B

SmCo5：Co,Fe与轻稀土元素（BH）max

：120-240kJ/m2Hc高（9,000Oe）粉末冶金方法

Nd2Fe14B：Sm较贵重Co：价格不稳定（BH）max

：255kJ/m2Hc高（10,600Oe）

磁化-消磁磁域界运动：制程控制小晶粒形状、大小、方向第二相颗粒特性与分布Nd2Fe14B：粉末冶金方法、快速固化

硬磁应用

马达：硬磁电力需求较低、散热问题小

尺寸较小，用于马力小马达无线钻床、螺丝起子、汽车（起动、电动窗、雨刷、洗窗喷射器、风扇）、录影机、录音机、时钟、音响喇叭、耳机、助听器、计算机周边设备

磁储存录音带，录影带，录影机，硬碟机，软碟片，硬碟片，信用卡计算机：半导体元件记忆体硬碟：容量大，成本低录音与电视业：磁带

磁储存媒体：磁带或磁片转录或撷取：感应读写磁头感应读写磁头：感应线圈，磁芯数据资料：电子讯号产生磁场磁化磁带或磁片：储存讯号

感应读写磁头撷取储存讯号磁场改变：产生电子讯号（电压）放大与转换

复合磁头感应写磁头磁阻读磁头（magnetoresistivehead）磁头电阻因磁场变化而改变高灵敏度与数据资料转换速率

铁磁与亚铁磁B-H曲线Ms：饱和磁化

μ，（H）H=0，μi

：初始导磁率（initialpermeability）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）

磁介质（medium,media）微粒状（paticulate）与薄膜型微粒状：针（needlelike）、刺（aciculate）状：

γ-Fe2O3,CrO2高分子膜、金属盘微粒长轴与通过磁头运动方向平行

薄膜型高储存密度、低成本硬碟片CoPtCr,CoCrTa：10-50nm厚，晶粒10-30nm晶粒大小均匀、单一磁域

薄膜型磁化方向与通过磁头运动方向平行高储存密度：磁域堆积密度高微粒由空隙隔离108

vs.2x109bit/in.2Cr,Cr合金

磁介质磁性：磁滞环方形、大永久储存、磁化反转微粒记录媒体，Bs:4,000-6,000gauss薄膜型，Bs:6,000-12,000gaussHc:1.5x105–2.5x105A/m(2000-3000Oe)

超导性与磁性有关、磁性应用临界温度（Tc）金属：1-20K氧化物：>100KMgB2

（2001）

TheNobelPrizeinPhysics1913"forhisinvestigationsonthepropertiesofmatteratlowtemperatureswhichled,interalia,totheproductionofliquidhelium"HeikeKamerlingh-Onnes(1853-1926)TheNobelPrizeinPhysics1972"fortheirjointlydevelopedtheoryofsuperconductivity,usuallycalledtheBCS-theory"JohnBardeen(1908-91)LeonNeilCooper(1930-)andJohnRobertSchrieffer(1931-)温度、磁场、电流密度BCS（Bardeen-Cooper-Schrieffer）理论互相吸引电子对（Cooperpair）热振动、杂质散射剧降

第一（typeI）与第二（typeII）型第一（typeI）型：完全反磁，B=0Al,Pb,Sn,Hg第二型：T<Tc1，B=0Tc1<T<Tc2：磁场穿透

第二型超导体较实用临界温度、临界磁场较高Nb-Ze，Nb-Ti，Nb-Sn

TheNobelPrizeinPhysics1987"fortheirimportantbreak-throughinthediscoveryofsuperconductivityinceramicmaterials"J.GeorgBednorz(1950-)andK.AlexanderMüller(1927-)氧化物超导体室温绝缘体YBa2Cu3O7：92KBi2Sr2Ca2Cu3O10：110KTl2Ba2Ca2Cu3O10：125KHgBa2Cu2O8：153