材料物理性能-第6章-磁学性能课件.ppt

6.4磁性材料的物理效应6.3铁磁性和亚铁磁性材料的特性6.2磁性的本质6.1磁学现象及磁性分类第 6 章 材料的磁学性能6.1磁学现象及磁性 6.1 磁学现象及磁性 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引言 1.磁学基本量 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，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式中称为相对磁导率绝对磁导率为：式中称为磁化率2.磁学物理量和电学物理量的对比记忆磁学物理量和电学物理量的对比记忆一、电极化一、电极化：在外电场作用下，介质内的质点（原子、分子、：在外电场作用下，介质内的质点（原子、分子、离子）正负电荷重心的分离，使其转变成偶极子的过程离子）正负电荷重心的分离，使其转变成偶极子的过程或在外电场作用下，正、负电荷尽管可以逆向移动，但它们或在外电场作用下，正、负电荷尽管可以逆向移动，但它们并不能挣脱彼此的束缚而形成电流，只能产生微观尺度的相并不能挣脱彼此的束缚而形成电流，只能产生微观尺度的相对位移并使其转变成偶极子的过程对位移并使其转变成偶极子的过程二、磁化：二、磁化：是指在物质中形成了成对的是指在物质中形成了成对的N、S磁极三、电荷三、电荷磁极，电荷量磁极，电荷量磁极强度磁极强度两个磁极间的相互作用力与两个电荷间的相互作用力表达式两个磁极间的相互作用力与两个电荷间的相互作用力表达式相似所不同的是公式中一个有真空介电常数相似。

所不同的是公式中一个有真空介电常数 o，一个为真，一个为真空磁导率空磁导率 o偶极子：偶极子：构成质点的正负电荷沿构成质点的正负电荷沿电场方向在有限范围内短程移动，电场方向在有限范围内短程移动，形成一个偶极子形成一个偶极子电偶极矩电偶极矩：=ql磁矩：将磁极强度为磁矩：将磁极强度为qm、相距为相距为L的磁极对置于磁场强度的磁极对置于磁场强度H中，为达中，为达到与磁场平行，该磁极对要受到到与磁场平行，该磁极对要受到磁场力磁场力F的作用，在转矩的作用，在转矩T=LqmHsin 的作用下，发生旋转的作用下，发生旋转,该式中的系数该式中的系数qmL定义为磁矩定义为磁矩Mi=qmL磁偶：具有磁矩的磁极对磁偶：具有磁矩的磁极对-q+qlE偶极子偶极子-qmHqmHSN 磁矩磁矩极化强度极化强度P磁化强度磁化强度M（单位体积中的偶极矩或单位体积中的偶极矩或磁偶矩，表征材料被极化或磁偶矩，表征材料被极化或磁化的能力磁化的能力也可用环行电流描述也可用环行电流描述磁矩磁矩M的定义的定义：M=IS（I：为环形电流，为环形电流，S：封闭环形的面积）封闭环形的面积）极化强度极化强度P：P=o eE（e：电极化率）：电极化率）磁化强度磁化强度M=m/V=H(：磁化率磁化率)如图：有如图：有F=BI，电流外磁场H力F(罗仑兹力）yzx真空中有真空中有B=0H(o:真空磁导率真空磁导率)(相对应电相对应电流密度与外加电场的关系：流密度与外加电场的关系：=1/=J/E)磁性体对外部磁场的反应强度可通过下式表示：磁性体对外部磁场的反应强度可通过下式表示：对于厘米克秒制单位：对于厘米克秒制单位：B=0H+M=(0+)H=H=0+引入无量刚引入无量刚 r=/0 r=/0=r+1 r、r分别为相对磁化率和相对磁导率。

分别为相对磁化率和相对磁导率磁介质的磁导率磁介质的磁导率顺磁性顺磁性抗磁性抗磁性物质物质（r1）/106物质物质（1r）/106氧（氧（1大气压）大气压）1.9氢氢0.063铝铝23铜铜8.8铂铂360岩盐岩盐12.6铋铋176常用铁磁性物质、铁氧体的磁性能常用铁磁性物质、铁氧体的磁性能物质物质0（起始）起始）居里温度居里温度Fe1501043Ni110627Fe3O470858NiFe2O410858Mn0.65Zn0.35Fe2O41500400 3.物质磁性分类：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顺磁体磁化率为正值，大约在10-310-6数量级根据与温度的关系可分为：1)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2)与温度无关的顺磁体，例如锂、钠、钾、铷等金属。

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、氧化锰等五类磁体的磁化曲线示意图6.2磁性的本质原子本征磁矩、抗磁性和顺磁性 材料的磁性来源于原子磁矩原子磁矩包括：电子轨道磁矩、电子自旋磁矩和原子核磁矩电子轨道磁矩电子绕原子核运动，犹如一环形电流，此环流也应在其运动中心处产生磁矩，称为电子轨道磁矩设电子运动轨道的半径为，电子轨道运动的速度为，电子的电量为，质量为运动轨道的周期为：沿着圆形轨道的电流为：运动轨道的周期为：因此，电子轨道磁矩为：因此，电子轨道磁矩是量子化的电子轨道磁矩在外磁场方向上的分量，满足量子化条件：为玻尔磁子实验和理论证明原子核磁矩很小，只有电子磁矩的几千分之一，通常不考虑它对原子磁矩贡献。

电子除了做轨道运动还有自旋，因此具有自旋磁矩实验测定电子自旋磁矩在外磁场方向上的分量恰为一个玻尔磁子：原子中电子的轨道磁矩和电子的自旋磁矩构成了原子固有磁矩，也称本征磁矩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，此时原子本征磁矩为，电子自旋磁矩p原子的磁矩 材料物理性能材料的磁性能p原子的磁矩p原子的磁矩 材料物理性能材料的磁性能p原子的磁矩 材料物理性能材料的磁性能p原子的磁矩材料物理性能材料的磁性能理论研究证明，在外磁场作用下，一个电子的轨道运动和自旋运动以及原子核的自旋运动都会发生变化，产生一附加磁矩mq抗磁性来源电子的轨道运动产生一附加磁矩感生磁矩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原子的电子壳层完全填满了电子的物质，抗磁性才能表现出来，否则抗磁性就被别的磁性掩盖了凡是电子壳层被填满了的物质都属于抗磁性物质例如惰性气体；离子型固体，如氯化钠等；共价键的碳、硅、锗、硫、磷等通过共有电子而填满了电子层，故也属于抗磁性物质；大部分有机物质也属于抗磁性物质金属的行为比较复杂，要具体分析，其中属于抗磁性物质的有铋、铅、铜、银等。

q顺磁性来源材料的顺磁性来源于原子的固有磁矩产生顺磁性的条件就是原子的固有磁矩不为零：1)具有奇数个电子的原子或点阵缺陷；2)内壳层未被填满的原子或离子金属中主要有过渡族金属(d壳层没有填满电子)和稀土族金属(f壳层没有填满电子)6.3铁磁性和亚铁磁性材料的特性6.3 铁磁性和亚铁磁性材料的特性 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 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 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 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 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 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，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，铁铁磁磁性性和和铁铁电电性性有有相相似似的的规规律律，但但应应该该强强调调的的是是它它们们的的本本质质差差别别；铁铁电电性性是是由由离离子子位位移移引引起起的的，而而铁铁磁磁性性则则是是由由原原子子取取向向引引起起的的；铁铁电电性性在在非非对对称称的的晶晶体体中中发发生生，而而铁铁磁磁性性发发生生在在次次价价电电子子的的非非平平衡衡自自旋旋中中；铁铁电电体体的的居居里里点点是是由由于于。