第四章 材料的磁学.ppt

1、材料的磁学,Magnetic Properties of Materials,第二章,刘允中 主讲 华南理工大学机械与汽车工程学院,主要内容,材料的磁性概述 材料的抗磁性与顺磁性理论 材料的铁磁性理论 材料的磁弹性能 动态磁化特征,1. 材料的磁性概述 1.1 磁性材料发展简历,磁性材料是一簇新兴的基础功能材料。虽然早在3000多年前我国就已发现磁石相互吸引和磁石吸铁的现象, 并在世界上最先发明用磁石作为指示方向和校正时间的应用, 在韩非子和东汉王充著的论衡两书中所提到的“司南”就是指此, 但毕竟只是单一地应用了天然的磁性材料。 人类注意于磁性材料的性能特点、制造、应用等的研究、开发的发展历史

2、尚不到100年时间。经过近百年的发展, 磁性材料已经形成了一个庞大的家族,按材料的磁特性来划分, 有软磁、永磁、旋磁、记忆磁、压磁等; 按材料构成来划分, 有合金磁性材料、铁氧体磁性材料。,公元前4世纪，中国发明了司南。后来，出现了指南车。 公元前3世纪，战国时期，中这样记载：“先王立司南以端朝夕”。中记载：“郑人取玉，必载司南，为其不惑也”。 公元1世纪，东汉，王充在中写道：“司南之杓，投之于地，其柢指南”。 公元11世纪，北宋，沈括在中提到了指南针的制造方法：“方家以磁石磨针锋，则能指南.水浮多荡摇，指抓及碗唇上皆可为之，运转尤速，但坚滑易坠，不若缕悬之最善。”同时，他还发现了磁偏角，即：

3、地球的磁极和地理的南北极不完全重合。,1. 材料的磁性概述 1.1 磁性材料发展简历,公元17世纪，英国的吉尔伯特发表了世界上第一部磁学专著。 公元18世纪，瑞典科学家在磁学著作中对磁性材料的磁化作了大胆的描绘。 公元19世纪，近代物理学大发展，电流的磁效应、电磁感应等相继被发现和研究，同时磁性材料的理论出现，涌现出了象法拉第、安培、韦伯、高斯、奥斯特、麦克斯韦、赫兹等大批现代电磁学大师。 20世纪初，法国的外斯提出了著名的磁性物质的分子场假说，奠定了现代磁学的基础。,1. 材料的磁性概述 1.1 磁性材料发展简历,磁介质的磁化 磁介质的分类 顺磁质, 同向， 抗磁质, 反向， 铁磁质： ，,

4、1. 材料的磁性概述 1.2 磁性的基本概念,一、磁性的分类,二、磁场强度H 如果磁场是由长度为L，电流为I的圆柱状线圈（N匝）产生的，则 H的单位为A/m,1. 材料的磁性概述 1.2 磁性的基本概念,三、磁感应强度B： 表示材料在外磁场H的作用下在材料内部的磁通量密度。 B的单位: T 或Wb/m2 在真空中，磁感应强度为 式中0为真空磁导率，它是一个普适常数 其值: 410-7 单位: H（亨利）/m。,1. 材料的磁性概述 1.2 磁性的基本概念,在磁介质中，磁场强度和磁感应强度的关系为 式中的为介质的磁导率，是材料的特性常数。 的单位为H/m。,1. 材料的磁性概述 1.2 磁性的基

5、本概念,除了SI单位制以外，还有一种高斯（Gauss）单位制，当使用高斯单位制时，磁感应强度的表达式为 这里，B的单位为高斯G，磁场强度H的单位为奥斯特Oe。磁性常数（真空磁导率）为1，单位是G/Oe M是磁极密度，4M 是磁通线的密度。,1. 材料的磁性概述 1.2 磁性的基本概念,四、磁导率,2. 有四种表示方法： 绝对磁导率 相对磁导率r= /0 起始磁导率i 复数磁导率,在给定激磁条件下的磁导率,复数磁导率的表示方法 （串联等效电路）,1. 材料的磁性概述 1.2 磁性的基本概念,3. 在工程中磁导率分为： 有效磁导率、永久磁导率、表观磁导率、振幅磁导率、可逆磁导率、切变磁导率、脉冲磁

6、导率、最大磁导率等,磁导率的物理意义： 表示材料在单位磁场强度的外磁场作用下，材料内部的磁通量密度，是材料的特征常数。,4.相对磁导率r,定义： 材料的磁导率与真空磁导率0之比。 r为无量纲的参数 磁化率与相对磁导率之间的关系,1. 材料的磁性概述 1.2 磁性的基本概念,五、磁化强度M 定义：在外磁场H的作用下，材料中因磁矩沿外场方向排列而使磁场强化的量度，其值等于单位体积材料中感应的磁矩大小。单位为A/m，与磁场强度H单位一致。,1. 材料的磁性概述 1.2 磁性的基本概念,1. 材料的磁性概述 1.3 磁性的起源,一、磁矩 磁源于电：环形电流周围的磁场，符合右螺旋法则，其磁矩定义为： m

7、 载流线圈的磁矩 I - 载流线圈通过的电流 S - 载流线圈的面积 n - 载流线圈平面的法线方向上的单位矢量,1. 材料的磁性概述 1.3 磁性的起源,轨道磁矩,自旋磁矩,二、产生磁矩的原因 轨道磁矩 电子围绕原子核的轨道运动，产生一个非常小的磁场，形成一个沿旋转轴方向的磁矩，即轨道磁矩。 自旋磁矩 每个电子本身有自旋运动产生一个沿自旋轴方向的磁矩，即自旋磁矩。,1. 材料的磁性概述 1.3 磁性的起源,最基本磁矩：Bohr磁子（magneton）B 原子中每个电子的自旋磁矩为： B（+为自旋向上，-为自旋向下） 軌道磁矩大小则为：miB（mi为磁量子数）,三、最基本磁矩 - 玻尔磁子,1

8、. 材料的磁性概述 1.3 磁性的起源,四、原子磁矩：为原子中各电子磁矩总和 原子中每个电子都可以看作是一个小磁体，具有永久的轨道磁矩和自旋磁矩。 一个原子的净磁矩是所有电子磁矩的相互作用的矢量和，又称为本征磁矩或固有磁矩。 电子对的轨道磁矩相互对消，自旋磁矩也可能相互对消，所以当原子电子层或次层完全填滿时，磁矩为零，如He, Ne, Ar以及某些离子材料的磁矩等于零。,本节小结：,磁感应强度B 、磁场强度H 、磁化强度M 等几个概念及相互关系 磁导率的概念 磁性的来源：轨道磁矩与自旋磁矩 玻尔磁子、净磁矩,1. 材料的磁性概述,1. 抗磁性：没有固有原子磁矩 2. 顺磁性：有固有磁矩，没有相

9、互作用 3. 铁磁性：有固有磁矩，直接交换相互作用 4. 反铁磁性：有磁矩，直接交换相互作用 5. 亚铁磁性：有磁矩，间接交换相互作用 6. 自旋玻璃和混磁性：有磁矩，RKKY相互作用 7. 超顺磁性：磁性颗粒的磁晶各向异性与热激发的竞争 每一种材料至少表现出其中一种磁性，这取决于材料的成分和结构。,2. 物质的各类磁性,由于外磁场使电子的轨道运动发生变化而引起的，方向与外磁场相反的一种磁性。它是一种很弱的、非永久性的磁性，只有在外磁场存在时才能维持。 原子的本征磁矩为零，外磁场作用使电子的轨道运动发生变化而引起的。,2. 物质的各类磁性 2.1 抗磁性,一、定义：,2. 物质的各类磁性 2.

10、1 抗磁性,二、特征：,所感应的磁矩很小，方向与外磁场相反，即磁化强度M为很小的负值。 相对磁导率r 1，磁化率 0（为负值）。 在抗磁体内部的磁感应强度B比真空中的小。抗磁体的磁化率约为-10-5数量级。 所有材料都有抗磁性。因为它很弱，只有当其它类型的磁性完全消失时才能被观察。 如Bi,Cu,Ag,Au,有些固体的原子具有本征磁矩； 无外磁场作用时，材料中的原子磁矩无序排列，材料表现不出宏观磁性； 受外磁场作用时，原子磁矩能通过旋转而沿外场方向择优取向，表现出宏观磁性，这种磁性称为顺磁性。,2. 物质的各类磁性 2.2 顺磁性,一、定义：,2. 物质的各类磁性 2.2 顺磁性,在此材料中，

11、原子磁矩沿外磁场方向排列，磁场强度获得增强，磁化强度为正值，相对磁导率r 1，磁化率为正值。 磁化率0，也很小，只有10-510-2。 抗磁体和顺磁体对于磁性材料应用来说都视为无磁性。 它们只有在外磁场存在下才被磁化，且磁化率极小。,二、特征：,有些磁性材料在外磁场作用下产生很强的磁化强度。 外磁场除去后仍保持相当大的永久磁性，这种磁性称为： 铁磁性。 过渡金属铁、钴、镍和某些稀土金属如钆、钇、钐、铕 等都具有铁磁性。 此材料的磁化率可高达103，MH,材料是否具有铁磁性 取决于两个因素： (1)原子是否具有由未 成对电子，即自旋磁 矩贡献的净磁矩(本征 磁矩) (2)原子在晶格中的排 列方式

12、,2. 物质的各类磁性 2.3 铁磁性,铁、钴、镍等过渡元素都具有未成对的3d电子。 分别具有4、3和2的净磁矩。 铁、钴、镍金属在室温下具有自发磁化的倾向（交换作用）。 形成相邻原子的磁矩都向一个方向排列的小区域，称为磁畴。,Transitional metal - Unfilled d-, f- Orbitals Lead to Large Magnetic Moments!,2. 物质的各类磁性 2.3 铁磁性,在有些材料中，相邻原子或离子的磁矩呈反方向平行排列，结果总磁矩为零，叫反铁磁性。反铁磁性物质有某些金属如Mn，Cr等，某些陶瓷如MnO，NiO等以及某些铁氧体如ZnFe2O4等。

13、 以氧化锰(MnO)为例，它是离子型陶瓷材料，由Mn2+和O2-离子组成 O2-离子没有净磁矩，因为其电子的自旋磁矩和轨道磁矩全都对消了； Mn2+离子有未成对3d 电子贡献的净磁矩 在MnO晶体结构中，相邻Mn2+离子的磁矩都成反向平行排列，结果磁矩相互对消，整个固体材料的总磁矩为零,2. 物质的各类磁性 2.4 反铁磁性,亚铁磁性在宏观性能上与铁磁性类似，区别在于亚铁磁性材料的饱和磁化强度比铁磁性的低。成因是由于材料结构中原子磁矩不象铁磁体中那样向一个方向排列，而是呈反方向排列，相互抵消了一部分。,2. 物质的各类磁性 2.5 亚铁磁性,以立方铁氧体为例说明亚铁磁性的本质,立方铁氧体的用化

14、学式MFe2O4，其中的M为某种金属元素 磁铁矿Fe3O4就是一种亚铁磁体 Fe3O4可以写成Fe2+O2-(Fe3+)2(O2-)3 其中二价铁离子和三价铁离子的比例为1:2 每个Fe2+和Fe3+都具有净自旋磁矩，分别为4和5 O2-是无磁矩的,2. 物质的各类磁性 2.5 亚铁磁性,3.抗磁性与顺磁性理论 3.1 抗磁性理论,1905年郎之万在经典统计理论基础上,首先给出了第一个顺磁性理论,其理论要点如下: 设顺磁物质中每个原子(或磁离子)的固有磁矩为，而且原子之间没有相互作用； 当外磁场H=0,各原子磁矩受热扰动的影响,在平衡态时，其方向是无规分布的，所以体系的总磁矩M=0； 外加磁场

15、H时，原子磁矩趋近于磁场H方向，磁化强度正比于外磁场强度。,3.抗磁性与顺磁性理论 3.2 顺磁性理论,设第i个原子的磁矩为i，单位体积内个N原子，外加磁场为H，则根据经典统计理论可推导出磁化强度与磁场强度、温度的关系式为 上式即为顺磁性朗之万方程。,3.抗磁性与顺磁性理论 3.2 顺磁性理论,（1）高温情况： 在高温下，kBT JH，所以 1 式中C为居里常数， 顺磁材料的居里定律：,3.抗磁性与顺磁性理论 3.2 顺磁性理论,根据-T实验曲线斜率，便可从实验上测出居里常数,再代入居里常数的定义式，就得到每个原子磁矩的大小。,3.抗磁性与顺磁性理论 3.2 顺磁性理论,（2） 低温情况下或在

16、磁场非常强的条件下 这时，H kT，即 1 L （）=0 因而得到：M=N J=Ms （饱和磁化强度） 郎之万最早从理论上推导出居里定律，他开创了从微观出发，用统计方法研究物质磁性的道路。 然而，他的理论没有考虑到磁矩在空间的量子化，因而与实验结果相比，在定量上有较大的差别。,3.抗磁性与顺磁性理论 3.2 顺磁性理论,不是常数， 随 而变 有剩磁现象 有居里温度（ ） ，铁磁质变为顺磁质,:,，,:,材料是否具有铁磁性取决于两个因素： (1) 原子是否具有由未成对电子，即自旋磁矩贡献的净磁矩(本征磁矩) (2) 原子在晶格中的排列方式,4. 铁磁性理论 4.1 铁磁性,一、铁磁性材料的决定因

17、素,材料是否具有自发磁化形成磁畴的倾向与晶格中原子间距与它的3d轨道直径之比有关。 比值在1.42.7之间的材料，如铁、钴、镍等有形成磁畴的倾向，是铁磁性材料。 比值在1.42.7之外的材料，如锰、铬等虽然也有未成对的3d电子贡献的净磁矩，但由于没有自发磁化形成磁畴的倾向，故成为非铁磁性材料。 铁磁性材所能达到的最大磁化强度叫做饱和磁化强度，用Ms表示。,4. 铁磁性理论 4.1 铁磁性,对于所有的磁性材料来说，并不是在任何温度下都具有磁性。 一般地，磁性材料具有一个临界温度Tc，在这个温度以上，由于高温下原子的剧烈热运动，原子磁矩的排列是混乱无序的。在此温度以下，原子磁矩排列整齐，产生自发磁

18、化，物体变成铁磁性或亚铁磁性。 所以，居里温度 是铁磁体或亚铁磁体的相变转变点， 铁磁态或亚铁磁态 顺磁态,Tc,二、铁磁性材料的居里温度,4. 铁磁性理论 4.1 铁磁性,铁磁体的居里温度 - 应用实例,利用这个特点，人们开发出了很多控制元件。 例如，我们使用的电饭锅就利用了磁性材料的居里点的特性。在电饭锅的底部中央装了一块磁铁和一块居里点为105度的磁性材料。当锅里的水分干了以后，食品的温度将从100度上升。当温度到达大约105度时，由于被磁铁吸住的磁性材料的磁性消失，磁铁就对它失去了吸力，这时磁铁和磁性材料之间的弹簧就会把它们分开，同时带动电源开关被断开，停止加热。,4. 铁磁性理论 4

19、.1 铁磁性,4. 铁磁性理论 4.1 铁磁性,所谓磁畴，是指磁性材料内部的一个个小区域，每个区域内包含大量原子，这些原子的磁矩都象一个个小磁铁那样整齐排列，但相邻的不同区域之间原子磁矩排列的方向不同。 各个磁畴之间的交界面称为磁畴壁。 宏观物体一般总是具有很多磁畴，这样，磁畴的磁矩方向各不相同，结果相互抵消，矢量和为零，整个物体的磁矩为零，它也就不能吸引其它磁性材料。 也就是说磁性材料在正常情况下并不对外显示磁性。只有当磁性材料被磁化以后，它才能对外显示出磁性。,三、磁畴,任何铁磁体和亚铁磁体，在温度低于居里温度Tc时，都是由磁畴组成的。 磁畴是自发磁化到饱和（即其中的磁矩均朝一个方向排列）

20、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。,4. 铁磁性理论 4.1 铁磁性,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。那么，在畴壁内部，原子磁矩必须成某种形式的过渡状态。 实际上，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。,4. 铁磁性理论 4.1 铁磁性,磁畴的线尺寸：

21、通常约为0.10.01cm 对于多晶体 可能其中的每一个晶粒都是由一个以上的磁畴组成的； 因此一块宏观的样品包含许许多多个磁畴； 每一个磁畴都有特定的磁化方向； 整块样品的磁化强度则是所有磁畴磁化强度的向量和。,在一块不经外磁场磁化的样品中、磁畴的取向是无序的，故磁畴的向量之和为零，因此，整块磁体对外不显示磁性。,4. 铁磁性理论 4.1 铁磁性,1.装置：环形螺绕环; 铁磁Fe,Co,Ni及稀钍族元素的化合物，能被强烈地磁化。,实验测量B,如用感应电动势测量或用小线圈在缝口处测量；,由 得出 曲线。,2.原理：励磁电流 I; 用安培定理得H。,当外磁场变化一个周期时，铁磁质内部的磁场变化曲线

22、如图所示；,4. 铁磁性理论 4.1 铁磁体的磁化曲线,一、磁化曲线的实验测定,4. 铁磁性理论 4.1 铁磁体的磁化曲线,3. 磁化曲线的三种形式,铁磁与亚铁磁B-H曲线 （亚）铁磁体磁化时，磁化强度M(B)与磁场强度H间不是简单的线性比例关系； 磁化强度M(B)随H的变化如右图所示(假设样品在一开始已经退磁化)。,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）,4. 铁磁性理论 4.1 铁磁体的磁化曲线,二、磁化曲线与磁畴的关系,M(B)与H的变化关系 开始M的增加比较缓慢 后来增加较快 最后达到Ms(饱和磁化强度) 纵坐标改为磁感应强度B，则对应于平衡

23、值Ms的磁感应强度值称为饱和磁感应强度(Bs ） 磁导率随H的变化 磁导率是B-H曲线上的斜率 在B-H曲线上，当H0时的斜率称为初（起）始磁导率i 初（起）始磁导率是磁性材料的重要性能指标之一,4. 铁磁性理论 4.1 铁磁体的磁化曲线,磁化状态下的磁体中的静磁能量,4. 铁磁性理论 4.1 铁磁体的磁化曲线,样品磁化到饱和点之后，慢慢地减小H，则M也减小。这个过程叫退磁化过程。 M(B)的变化并不是按磁化曲线的原路程退回，而是按另一条曲线变化。,4. 铁磁性理论 4.1 铁磁体的磁化曲线,三、磁滞回线,4. 铁磁性理论 4.1 铁磁体的磁化曲线,c,起始磁化曲线为 oc ,当外磁场减小时，

24、介质中的磁场并不沿起始磁化曲线返回，而是滞后于外磁场变化， 磁滞现象。,Hc,Br,Hc,当外磁场为 0 时，介质中的磁场并不为 0，有一剩磁 Br; 矫顽力加反向磁场Hc，使介质内部的磁场为 0， 继续增加反向磁场，介质达到反向磁饱和状态； 改变外磁场为正向磁场，不断增加外场，介质又达到正向磁饱和状态。,磁化曲线形成一条磁滞回线。,结论,铁磁质的 不是一个常数， 它是 的函数。,B的变化落后于H，从而具有剩磁，即磁滞效应。,4. 铁磁性理论 4.1 铁磁体的磁化曲线,4. 铁磁性理论 4.1 铁磁体的磁化曲线,四、磁滞回线与 磁畴的关系,在无外磁场时，各磁畴排列杂乱无章，铁磁质不显磁性； 在

25、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。磁畴的体积约为 10-12 m3 。,4. 铁磁性理论 4.2 铁磁体的磁化机制,一、磁畴的转向,随着外磁场增加，能够提供转向的磁畴越来越少，铁磁质中的磁场增加的速度变慢，最后外磁场再增加，介质内的磁场也不会增加，铁磁质达到磁饱和状态。,起始磁化曲线,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。,4.

26、 铁磁性理论 4.2 铁磁体的磁化机制,磁饱和状态,磁滞损耗 磁滞回线所包围的面积表征一个磁化周期内，以热的形式所消耗的功(J/m3)。 最大的磁能积 (BH)max 它是磁滞回线在第二象限内磁感应强度和磁场强度乘积的最大值。,4. 铁磁性理论 4.2 铁磁体的磁化机制,二、磁滞损耗与最大磁能积,磁化，未必一定要磁化到饱和后才改变外磁场方向。 在右图中，封闭曲线即是未达到饱和时的磁滞回线。也可以在将材料磁化到任何一点时开始改变外磁场的方向，产生其它形式的滋滞回线，如右图中的封闭曲线LM。 如果要将已磁化的铁磁体或亚铁磁体去磁，有效方法之一是使之经受一个振幅逐渐减小的交变磁场的作用。,三、磁化程

27、度,4. 铁磁性理论 4.2 铁磁体的磁化机制,(1)加热法,当铁磁质的温度升高到某一温度时，磁性消失，由铁磁质变为顺磁质，该温度为居里温度 tc 。当温度低于 tc 时，又由顺磁质转变为铁磁质。,铁的居里温度 Tc = 770C 30%的坡莫合金居里温度 Tc = 70oC,原因：由于加热使磁介质中的分子、原子的振动加剧，提供了磁畴转向的能量，使铁磁质失去磁性。,四、退磁方法,(2)敲击法：通过振动可提供磁畴转向的能量，使介质失去磁性。如敲击永久磁铁会使磁铁磁性减小。 (3)加反向磁场法：加反向磁场，提供一个矫顽力Hc ,使铁磁质退磁。 (4)加交变衰减的磁场：使介质中的磁场逐渐衰减为0 ，

28、应用在录音机中的交流抹音磁头中。,4. 铁磁性理论 4.2 铁磁体的磁化机制,4. 铁磁性理论 4.2 铁磁性的物理本质,(1) 软磁材料 具有较高的磁导率和较高的饱和磁感应强度； 较小的矫顽力（矫顽力很小，即磁场的方向和大小发生变化时磁畴壁很容易运动）和较低磁滞损耗，磁滞回线很窄； 在磁场作用下非常容易磁化； 取消磁场后很容易退磁化,象软铁、坡莫合金、硅钢片、铁铝合金、铁镍合金等。 由于软磁材料磁滞损耗小，适合用在交变磁场中，如变压器铁芯、继电器、电动机转子、定子都是用软磁性材料制成。,4. 铁磁性理论 4.4 铁磁材料分类,软磁材料主要应用 制造磁导体，变压器、继电器的磁芯(铁芯)、电动机转子和定子、磁路中的连接元件、磁极头、磁屏蔽材料、感应圈铁芯、电子计算机开关元件和