材料物理性能5(120)剖析

第四章 材料的磁性能,主讲：胡木林 2016年10月,材料物理性能,4.1 磁学现象及磁性,材料物理性能材料的磁性能,外磁场发生改变时，系统的能量也随之改变，这时就表现出系统的宏观磁性。,在学童时代，我们都接触过磁现象：磁铁吸引铁片，同极相斥、异极相吸，接触过磁铁的大头针用细线吊起会自动南北指向，磁铁上的铁屑会形成毛刺并构成连线等等。,磁性是物质的基本属性之一。,磁性不只是一个宏观的物理量，而且与物质的微观结构密切相关。它不仅取决于物质的原子结构，还取决于原子间的相互作用键合情况、晶体结构。因此，研究磁性是研究物质内部结构的重要方法之一。,磁学基本量,材料物理性能材料的磁性能,环形电流在其运动中心处产生一个磁矩m(或称磁偶极矩),一个环形电流的磁矩定义为：,式中：I为环形电流的强度，S为环流所包围的面积，m的方向可用右手定则来确定。,将磁矩m放入磁感应强度为B的磁场中，它将受到磁场力的作用而产生转矩，其所受转矩为：,磁矩与外磁场的作用能称为静磁能。处于磁场中某方向的磁矩所具有的静磁能为，,材料物理性能材料的磁性能,磁场在真空中的磁感应强度为B0，其磁场强度H与B0的关系是，,式中 ，称为真空磁导率。,任何材料在外磁场作用下都会或大或小地显示出磁性，这种现象称为材料被磁化。,一个物体在外磁场中被磁化的程度，用单位体积内磁矩多少来衡量，称之为磁化强度M，,将材料放入磁场强度为H的自由空间，材料中的磁感应强度为，,式中 称为束缚电流的磁感应强度。,材料物理性能材料的磁性能,式中 称为相对磁导率。,绝对磁导率为：,式中 称为磁化率。,物质磁性分类：,材料物理性能材料的磁性能,根据物质的磁化率，可以把物质的磁性大致分为五类：,抗磁体,磁化率 为很小的负数，大约在10-6数量级。它们在磁场中受微弱斥力。金属中约有一半简单金属是抗磁体。 根据 与温度的关系，抗磁体又可分为： “经典”抗磁体，它的 不随温度变化，如铜、银、金、汞、锌等。反常抗磁体，它的 随温度变化，且其大小是前者的10一100倍，如铋、镓、锑、锡、铟、铜一锆合金中的 相等。,材料物理性能材料的磁性能,顺磁体,磁化率 为正值，大约在10-3 10-6数量级。,根据 与温度的关系可分为：,正常顺磁体，其 随温度变化符合 lT关系，如，金属铂、钯、奥氏体不锈钢、稀土金属等。,与温度无关的顺磁体，例如锂、钠、钾、铷等金属。,材料物理性能材料的磁性能,在较弱的磁场作用下，就能产生很大的磁化强度。,铁磁体,是很大的正数，且与外磁场呈非线性关系变化。具体金属有铁、钴、镍等。,铁磁体在温度高于某临界温度后变成顺磁体。 此临界温度称为居里温度或居里点，常用Tc表示。,铁磁体是我们要重点介绍的磁性物质。,材料物理性能材料的磁性能,这类磁体有些像铁磁体，但 值没有铁磁体那样大通常所说的磁铁矿、铁氧体等属于亚铁磁体。,亚铁磁体,这类磁体的 是小的正数，在温度低于某温度时，它的磁化率同磁场的取向有关；高于这个温度，其行为像顺磁体。,反铁磁体,具体材料有一Mn、铬，还有如氧化镍、氧化锰等。,材料物理性能材料的磁性能,五类磁体的磁化曲线示意图,11,§4-2 材料抗磁性和顺磁性的物理本质,材料的磁性来源于原子的磁性（或分子的磁性）。 原子磁性包括： 电子轨道磁矩； 电子自旋磁矩； 原子核磁矩。 其中原子核磁矩很小，只有电子磁矩的几千分之一，可以忽略。,一、电子磁矩 由于电子绕核运动，相当于一环形电流，比在其运动中心处产生磁矩，磁矩的大小为： 该磁矩的方向垂直于电子运动轨迹平面，并符合右手螺旋法则。它在外磁场方向上的投影，即电子轨道磁矩在外磁场方向上的分量，满足量子化条件：,12,13,为了确定材料是顺磁性还是抗磁性，要把它放入外磁场中观察其磁性表现。根据理论研究，材料磁性要从以下四个方面讨论： 点阵节点上正离子抗磁性； 正离子的顺磁性； 自由电子的抗磁性； 自由电子的顺磁性。 上述四种磁性可能单独存在，也可能共同存在，综合考虑那个因素影响最大，从而确定其磁性性质及其变化规律。,14,15,二、正离子的抗磁性 正离子是指去掉自由电子后的原子，即由原子核及其绕核运动的剩余电子构成。,16,17,18,19,若材料中每单位体积有N个原子、每个原子又有Z个内层电子，则由于进动而产生的磁化强度为：,20,21,上述推导表明，抗磁性来源于电子轨道运动，故可以说任何物质在外磁场作用下均应有抗磁性效应。 但只有次电子层填满了电子的物质，抗磁性才能表现出来；否则抗磁性就被别的磁性掩盖了。 抗磁性物质有： 惰性气体、离子型固体（NaCl）、Na+、Cl- 共价键的C、Si、Ge、S、P 大部分有机物质 金属中的Bi、Pb、Cu、Ag等。,22,三、正离子的顺磁性 正原子的顺磁性来源于原子的固有磁矩。 原子的固有磁矩就是电子轨道磁矩和电子自旋磁矩的矢量和，又称本征磁矩，Pm。 如果原子中所有电子壳层都是填满的，由于形成一个球形对称的集体，则电子轨道磁矩和自旋磁矩各自相抵消，Pm=0，不产生顺磁性。 因此，产生顺磁性的条件就是： Pm0。在如下情况下， Pm0： 具有奇数个电子的原子或点阵缺陷； 内壳层未被填满的原子或离子。如过渡族金属（d壳层没有填满电子）和稀土金属（f壳层未填满电子）。,在B0=0时，由于原子的热运动，各原子的磁矩倾向于混乱分布，此时原子的动能EkkT。对外表现出宏观磁特性H=0。 当加上外加磁场时，外磁场要使原子磁矩Pm与B0的夹角减小。使原子磁矩转向外加磁场方向。 当外磁场逐渐增加到使能量U=-PmB0cos的减少能补偿热运动能量时，原子磁矩就一致排列了。此时有kT=PmB0。,23,计算可得20时，使顺磁物质达到饱和磁化强度所需要的磁场约为8×1010A.m-1。目前人们所获得的恒磁场约为4.8×108A.m-1，通常只有1.2×108A.m-1。所以室温下磁化很弱。 若在1K温度下，例如GdSO4的B024×104A.m-1，便达到磁饱和状态。 可以认为：顺磁物质的磁化就是磁场克服原子或分子热运动的干扰，使原子磁矩转向磁场方向的结果。,24,常见的顺磁物质有： （1）氧、Pt、钯、Re、（Fe、Co、Ni）的盐类； （2）铁磁材料在相当高的温度（居里点以上）； （3）Li、Na、Ti、K、Al、V。 顺磁性物质原子的磁化率和温度有很强烈的依赖关系，一般可用居里定律表示： 上述定律只适用于部分顺磁性物质；而另外一些物质，特别是过渡族金属元素、相当多的固溶体，则满足居里万斯定律：,25,铁磁性物质在居里点以上温度时，其顺磁性表现为服从居里万斯定律，此时=-。（为居里温度） 顺磁性物质的磁化率顺=1103抗。所以在顺磁性物质中，抗磁性被掩盖了。 一般，顺磁、抗磁物质的磁化率与H无关，而且磁化过程是可逆的。,26,2019/10/16,27,四、自由电子的顺磁性和抗磁性 1、顺磁性 自由电子的顺磁性来源于电子的自旋磁矩，在外磁场H作用下，自由电子的自选磁矩转到外磁场方向，因而显现顺磁性。,2019/10/16,28,由于EF与温度关系不大，所以与T关系也不大，可表示为泡利磁化率： 2、抗磁性 朗道指出：自由电子在磁场中除了表现为顺磁性外，同时亦具有抗磁性。 因为自由电子在外磁场方向的分运动保持不变，而在垂直于磁场方向的平面内，自由电子的运动因受到洛仑兹力而作圆周运动，从而产生一个同外加磁场H方向相反的磁场，表现出抗磁性。,29,因此，对于一种金属或物质，其磁性的表现，必须从以上各个方面综合考虑，看哪个因素是主要因素。,30,某些元素的磁性分析,4.3 铁磁性和亚铁磁性材料的特性,材料物理性能材料的磁性能,铁磁性材料铁、钴、镍及其合金，稀土族元素镝以及亚铁磁性材料铁氧体等都很容易磁化，在不很强的磁场作用下，就可得到很大的磁化强度。,磁学特性与顺磁性、抗磁性物质不同，主要特点表现在磁化曲线和磁滞回线上。,磁化曲线,材料物理性能材料的磁性能,铁磁性物质的磁化曲线(MH或BH)是非线性的。,随磁化场的增加，磁化强度M或磁感强度B开始时增加较缓慢，然后迅速地增加，再转而缓慢地增加，最后磁化至饱和。 磁化至饱和后，磁化强度不再随外磁场的增加而增加。 称为饱和磁化强度； 称为饱和磁感应强度。,材料物理性能材料的磁性能,起始磁导率 ：,它相当于磁化曲线起始部分的斜率。技术上规定在0.10.001Oe磁场的磁导率为起始磁导率，它是软磁材料的重要技术参量。,最大磁导率 ：,它是磁化曲线拐点处的斜率，它也是软磁材料的重要技术参量。,磁滞回线,材料物理性能材料的磁性能,将一个试样磁化至饱和，然后慢慢地减少H，则M也将减小，这个过程叫退磁。,M不按照磁化曲线反方向进行，而是按另一条曲线改变。,当H减小到零，,当H为一反向磁场Hc，,剩余磁化强度,剩余磁感应强度,矫顽力,内禀矫顽力,试样的磁化曲线形成一个封闭曲线，称为滋滞回线。,磁滞回线所包围的面积表征磁化一周时所消耗的功，称为磁滞损耗Q。,磁晶各向异性和各向异性能,材料物理性能材料的磁性能,磁性各向异性在单晶体的不同晶向上，磁性能不同。,磁化功示意图,磁化功为了使铁磁体磁化，要消耗一定的能，它在数值上等于右图中阴影部分的面积。,沿不同方向的磁化功不同。反映了磁化强度矢量( )在不同方向取向时的能量不同。 沿易磁化轴时能量最低(通常取此能量为基准)，沿难磁化轴时能量最高。,磁化矢量沿不同晶轴方向的能量差代表磁晶各向异性能，用 表示，磁晶各向异性能是磁化矢量方向的函数。,对于立方晶体，,磁晶各向异性常数，同物质结构有关；而Ko代表主晶轴方向磁化能量，与变化的磁化方向无关。一般情况，K2较小可忽略，把K1视为晶体各向异性能常数。,材料物理性能材料的磁性能,铁、镍、钴沿不同晶向的磁化曲线,铁磁体的形状各向异性及退磁能,材料物理性能材料的磁性能,铁磁体在磁场中的能量为静磁能。它包括铁磁体与外磁场的相互作用能和铁磁体在自身退磁场中的能量。后一种静磁能常称为退磁能。,非取向的多晶体并不显示磁的各向异性，把它做成球形则是各向同性的。,形状对磁性有重要影响。长片状试样，沿不同方向测得的磁化曲线是不同的，其磁化行为是不同的，这种现象称为形状各向异性。,铁磁体的形状各向异性,材料物理性能材料的磁性能,铁磁体的形状各向异性是由退磁场引起的。当铁磁体表面出现磁极后，除在铁磁体周围空间产生磁场外，在铁磁体的内部也产生磁场。这一磁场与铁磁体的磁化强度方向相反，它起到退磁的作用，因此称为退磁场，如图所示。,铁磁体的退磁场,退磁场强度的表达式为，,式中，N和D称为退磁因子。说明退磁场与磁化强度成正比。退磁因子的大小与铁磁体的形状有关。,单位体积的退磁能可表示为，,磁致伸缩与磁弹性能,材料物理性能材料的磁性能,铁氧体在磁场中磁化，其形状和尺寸都会发生变化，这种现象称为磁致伸缩。,设铁磁体原来的尺寸为 ，放在磁场中磁化时，其尺寸变为 ，长度的相对变化为，,称为线磁致伸缩系数。,计算多晶体与磁化方向成 角的磁致伸缩系数公式，,材料物理性能材料的磁性能,在非取向的多晶体材料中，其磁致伸缩是不同取向的晶粒的磁致伸缩的平均值，,材料物理性能材料的磁性能,把铁磁物质和顺磁件物质的磁化情形做一比较，可以很清楚地看出它们的差别。,4.4 磁性材料的自发磁化,从这些物质的原子磁矩来看，铁磁物质的原子磁矩和相似元素的原子磁矩并无本质的差别。例如过渡族的快础物质Fe，Co，Ni，与非铁磁性的Mn，Cr的原子内的3d层电子都是没什填满的壳层，原子都有一定的磁矩。 怎样解释铁磁物质和顺磁物质的巨大差异呢？现在知道，物质是否具有铁磁性，关键不在于组成物质的