无机材料磁学性能

第五章 无机材料的磁学性能一、磁场强度H1. 材料的磁性概述 1.1 磁性的基本概念电流方向和磁场强度的方向符合右手定则:有右手 握住导线，让大拇指所指的方向跟电流方向一致，那么弯 曲的四指所指方向就是磁感线的环绕方向。这个方法叫做 直线电流的右手螺旋定则。 安培环路定律：磁场中任何闭合回路磁场强度的线积 分,等于通过这个闭合路径内电流的代数和 .即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I1I2I3二、磁感应强度B和介质磁化： 在真空中，磁感应强度为B的单位: T 或Wb/m2式中0为真空磁导率，它是一个普适常数 其值: 4×10-7 单位: H（亨利）/m。 磁介质存在时:式中为介质磁导率,只与介质有关1. 材料的磁性概述 1.1 磁性的基本概念介质的磁化：介质中分子或原子内的电子运动形成分子电流，微观上形 成不规则分布的磁偶极矩。在外磁场力作用下，磁偶极矩定向排列，形成宏 观上的磁偶极矩,使磁介质宏观上显示磁性。三、磁矩（表征磁性物体磁性大小） 磁源于电：环形电流周围的磁场，符合右手螺旋法则，其磁 矩定义为：m 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1. 材料的磁性概述 1.1 磁性的基本概念F=m×(dB/dx)磁矩在磁场中受到的力：磁矩越大,磁性越强,物体在磁 场中所受的力越大.B磁感应强度四、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，其值等于材料单位体积中感应的磁矩大小。单位为 A/m，与磁场强度H单位一致。1. 材料的磁性概述 1.1 磁性的基本概念磁化率与相对磁导率之间的关系:介质相对磁导率:材料的磁导率与真空磁导率0之比:介质的磁化强度与磁场强度的关系:磁学和电学基本物理量的比较磁学基本物理量 电学基本物理量 名称单位名称单位 磁极强度q韦伯Wb电荷量q库仑C 磁矩mWb·m电偶极矩C·m 磁化强度MWb/m2（特斯拉T）极化强度PC/m2 磁通量Wb电流强度IA 磁通密度BWb/m2电流密度JA/m2 磁场强度HA/m电场强度EV/m 磁导率H/m(亨利/米)介电常数F/m(法拉/米)1. 材料的磁性概述 1.2 磁性的本质 Orbi ta Spi n 轨道磁矩自旋磁矩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 原子核自旋磁矩比电子自旋磁矩的千分之几 ，可以忽略不计物质磁性主要由电子自旋磁矩引起的，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。1. 材料的磁性概述 1.2 磁性的本质最基本磁矩(原子中每个电子的自旋磁矩：Bohr磁子B为：最基本磁矩 - 玻尔磁子原子磁矩：（原子结构）总的来说，组成宏观物质的原子有两类：非磁原子:原子中的电子数为偶数，这些成对电子的自旋磁矩和轨道磁 矩方向相反而互相抵消，使原子中的电子总磁矩为零，整个原子就好像没 有磁矩一样。磁性原子: 原子中的电子数为奇数，或者虽为偶数但其磁矩由于一些特 殊原因而没有完全抵消使原子中电子的总磁矩（有时叫净磁矩，剩余磁矩 ）不为零.1. 材料的磁性概述 1.2 磁性的本质Transitional metal - Unfilled d-, f- Orbitals Lead to Large Magnetic Moments!物质磁性的主要决定因素 （1）原子是否具有未成对电子，即自旋磁矩贡献的净磁矩 （2）原子在晶格中的排列方式交换作用所产生能量，通常用J表示，称作交换能，因其以 波函数的积分形式出现，也称作交换积分。它取决于近邻原 子未填满的电子壳层相互靠近的程度，并决定了原子磁矩的 排列方式和物质的基本磁性。一般地：当J大于零时，交换作用使得相邻原子磁矩平行排列，产 生铁磁性。当J小于零时，交换作用使得相邻原子磁矩反平行排列， 产生反铁磁性。当原子间距离足够大时，J值很小时，交换作用已不足于 克服热运动的干扰，使得原子磁矩随机取向排列，于是产生 顺磁性。交换作用：（晶体结构）处于不同原子间的未被填满壳层的电子间发生特殊的相 互作用，原子间好像在交换电子，所以称为“交换”作用。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：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, 周期表前18元素,几乎所有组成的阴离 子为填满壳层，自旋磁矩为零.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：在此材料中，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。它们只有在外磁场存在下才被磁化，且磁化率极小。 过渡元素、稀土元素、锕系元素、铝、铂等金属属于顺磁物质。二、特征：顺磁性物质的磁性不仅与H有关还依赖与温度，磁化率豫绝对温度T成反比：x=C/T C为居里常数抗磁体和顺磁体对于磁性材料应用来说都视为无磁性磁介质的磁导率(非磁性材料)顺磁性抗磁性物质（r -1） /106物质（1r）/106氧（1大气压 ）1.9氢0.063铝23铜8.8铂360岩盐12.6铋176 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(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)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，M>>H2. 物质的各类磁性 2.3 铁磁性图 体心立方-Fe、面心立方Ni和六方密堆Co中的铁磁性有序在有些材料中，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MnO晶体中离子的自旋(a) 基态（b）激发态Mn2+(3d5)O2-(2p6)Mn+(3d)6O-(2p5)Mn2+(3d5)O的自旋与左方Mn+自旋方向相同。当右方的Mn2+的自旋 方向相反时，系统有较低的能量，这是Mn2+通过O的相互 作用出现的情况。激发态的出现，是O2提供了一个2p电子 导致的，而p电子的空间分布是型，故MOM间的夹角 为180度时，间接交换作用最强，而=90时的作用最弱。超 交换理论也可以说明铁氧体所具有的亚铁磁性。反铁磁性MnOMnO点阵中Mn2+的自旋排列尖晶石的元晶胞(a)及子晶胞(b)、(c)M 2+OFe2 3+ O3MFe,Ni,Mg或复合铁氧体Mg 1-xMnxFe2O4氧四面体空隙为A 位，八面体空隙为B 位.两价离子都处于A位， 则为正尖晶石结构；二 价离子占有B位，三价 离子占有A位及余下的B 位，则为反尖晶石。3. 铁氧体的磁性与结构 3.1 尖晶石铁氧体所有的亚铁磁性尖晶石几乎都是反型的（ Fe 3+(Fe3+M2+)O4A位离子与反平行态的B位离子之间，借助于电子自旋耦合而 形成二价离子的净磁矩，即Fea+3Feb+3Mb+2阳离子出现于反型程度，取决于热处理条件。一般来说，提 高正尖晶石的温度会使离子激发至反型位置。所以在制备类 似于CuFe2O4的铁氧体时，必须将反型结构高温淬火才能得到 存在于低温的反型结构。锰铁氧体约为80正型尖晶石，这种离子分布随热处理变化 不大。3. 铁氧体的磁性与结构 3.1 尖晶石铁氧体A位离子与B位离子磁矩反向平行。 A位与B位离子数不等，或A位与B位的磁矩也不等，因此有剩余磁矩。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。3. 铁氧体的磁性与结构 3.2 亚铁磁性4.4. 铁磁性理论铁磁性理论 4.1 铁磁体的磁化曲线磁化曲线的三种形式一、磁化曲线 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 µ0 初（起）始磁导率是磁性材料的重要性能指标之一1.装置：环形螺绕环; 铁磁Fe,Co,Ni及稀土 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 部的磁场变化曲线如图所示；4.4. 铁磁性理论铁磁性理论 4.1 铁磁体的磁化曲线二、磁化曲线的实验测定BHoc起始磁化曲线为 oc ,当外磁场减小时，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。磁滞现象。HcBr 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。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。4.4. 铁磁性理论铁磁性理论 4.1 铁磁体的磁化曲线三、磁滞曲线所谓磁畴磁畴，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。磁畴的体积约为 10-9 cm3 ,约有1015个原子. 各个磁畴之间的交界面称为磁畴壁。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。磁畴壁的厚度约为 10-5 cm 。在外磁场中，各磁畴沿外场转向，介质内部的磁场迅速增加一、磁畴Bo4.4. 铁磁性理论铁磁性理论 4.2 磁化机制由磁畴扩大（b), 及磁化矢量转向（c）引起的磁化过程，（a）是退磁 状态下的磁畴分布（a）（b）（c）HHO Hs H磁畴壁完全消失可逆壁移不可逆壁 移转向磁化abcBs二、磁滞回线与磁畴的关系(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;主要用于电磁能的转换4.4. 铁磁性理论铁磁性理论 4.3 铁磁材料分类(2) 硬磁材料 硬磁材料又称永磁材料，难于磁化又难于 退磁。具有较大的矫顽力，典型值Hc 104106A/m；磁滞回线较粗，具有较高的最大 磁能积(BH)max；剩磁很大；这种材料充磁后不易退磁，适合 做永久磁铁。硬磁性材料如碳钢、