[工学]材料的磁学性能.ppt

第三章 材料的磁学性能Fe 单晶体的显微图片，磁场（H）作用下的磁畴及其形状；箭头表示每个磁畴的磁化方向；易于沿外场方向取向的磁畴，其生长以损耗其它磁畴为代价材料的磁性磁化：条件、行为、材料化学成分、组织结构、机制 … …磁性物理量：磁化率、磁导率、磁致伸缩、磁致损耗、剩磁、矫顽力 … …§3-1 磁性基本概念和物理量一、磁性基本物理量1、磁场任何磁极和运动电荷或电流都能在其周围产生磁场，磁场的特性是能使其中的磁介质磁化，对在其中运动的电荷或载流导体产生作用力并对它们作功磁铁产生磁场运动电荷（电流）产生磁场2、磁感应强度（磁通量密度） 在外部磁场 H 作用下，表征物质（介质）内部的磁场强弱的量，单位Wb/m2 真空中介质中相对磁导率：真空磁导率：绝对磁导率：3、磁场强度 表征磁场大小的矢量通电螺线管中，匝数N、电流I、长度l，则产生的磁场强度为H，单位 A/m4、磁化强度 磁化：任何物质（或磁介质）将其置于磁场中，都会表现出一定的磁特性，并对该处的磁场产生影响磁介质可以根据其磁化特性进行分类 — 磁化率，无量纲5、磁通量 通过给定曲面的磁力线总数单位：韦伯 电磁学中的单位制CGSE制：绝对静电单位制（esu）基本量是长度、质量和时间，基本单位是厘米、克 、秒 。

由库仑定律，确定电场强度E，电势U ，极化强度P ，电位移D和电流强度I等电学量的 CGSE 单位；由安培环路定理和法拉第电磁感应定律等公式 ，确定磁感应强度B和磁场强度H等磁学量的CGSE单位CGSM制：绝对电磁单位制（emu） 基本量和基本单位与CGSE制相同（故统称CGS制）由安培定律 ，确定B、m、H、D、E等电磁量的 CGSM 单位在CGSM制中，B和H单位相同，磁导率 μ无量纲，真空磁导率μ0＝1，但E和D有不同量纲，在真空中 ，即真空 电容率 ，和ε都是有量纲的高斯单位制：又称混合单位制 基本 量和基本单位与CGSE制及CGSM制相同其主要特点是：凡电学量如q、I、E、P、D等都采用CGSE制单位，凡磁学量如B、M、H等都采用 CGSM 制单位；电容率ε和磁导率μ都是无量纲的纯数 MKSA 有理单位制：国际单位制（SI）的电磁学部分 基本量是长度、质量、时间和电流强度§3-2 材料磁性的物理本质一、物质的磁性安培假说：物质的磁性起源于其内部的环电流（分子电流），环电流形成了物质的基元磁铁原子磁矩：环电流包括电子的自旋运动、轨轨运动、核自旋运动1、磁矩环电流磁矩：带电带电 粒子，只要做循轨轨运动动或自旋运动动，均可等效为环电为环电 流，产产生磁矩I — 电流强度；S — 环电流所围面积轨道磁矩自旋磁矩2、电子的磁矩1）电子的循轨磁矩 角动量（动量矩）：磁矩：根据量子力学，电子的轨道角动量的能量是量子化：因此，电子的轨道磁矩：玻尔磁子 —电子约化质量 —电子质量 —离子实质量 —轨道磁矩在外场方向Z上的分量：ml — 轨道磁量子数（空间量子数），共2l+1个轨道磁矩2）电子的自旋磁矩 电子自旋角动量（自旋动量矩）：电子自旋磁矩：电子自旋磁矩在外场方向Z上的分量 ：— 自旋量子数ms = 1/2 — 自旋磁量子数 3）核磁矩核磁矩是由核内质子产生的磁矩，由于质子的质量为电子质量的1836.5倍。

所以，核磁矩 n 远小于玻尔磁子核磁矩通常被忽略 自旋磁矩4）原子的总磁矩原子的总磁矩 ，由原子核外未被电子填满的壳层上的所有电子的总轨道磁矩和总自旋磁矩 组成， 等于 和 在 反方向的投影之和而不等于和 的矢量之和，即 由各电子的磁矩（或角动量）组合成原子的总磁矩（或总角动量），主要有两种耦合方式：①原子序数在32以下，为L-S 耦合，即或 ②原子序数在82以上，为 j - j 耦合，即或③原子序数在32～82之间，为两种混合耦合方式3d 过渡族金属、 4f 稀土金属及其合金主要为 L-S 耦合二、物质质的磁化特性及磁介质质分类类1、抗磁性（diamagnetic），10-6~10-4数量级，与H、T无关的常数2、顺磁性（paramagnetic），10-5~10-2数量级，与H无关与T相关3、铁磁性（ferromagnetic）， 101~106数量级，与H呈非线性关系与T相关4、亚铁磁性（ferrimagnetic），100~103数量级5、反铁磁性（antiferromagnetic）顺磁铁磁亚铁磁反铁磁三、顺磁性及其物理本质主要由各原子或离子实的磁矩 和各自由电子的自旋磁矩 在外磁场中的取向过程造成原子或离子实磁矩的顺磁性： H磁场H中的磁位能：T 温度下磁矩数量：+d之间的磁矩数量：、H方向磁矩分量之和：原子的顺磁磁化率：自由电子的顺磁性： 自由电子的自旋磁矩 ，在外磁场作用下取向所引起无外磁场时，电子自旋方向随机分布，宏观上不显示自旋引起的磁性有外磁场时，为降低体系磁位能，部分自旋反平行外磁场的磁矩将转到平行外磁场方向自由电子引起的顺磁磁化率：自旋反转引起磁位能降低和电子跃迁至高能级而引起的系统能量增高，两者达到平衡抗磁性材料顺磁性材料原子或离子实的抗磁性受到原子核束缚的电子在作循轨运动时，因受到外磁场劳伦兹力的作用而产生附加磁矩 的结果总是与外磁场 H 的方向相反，从而产生抗磁性N — 单位体积中原子（离子）数 Z — 每个原子（离子）的电子数— 第 i 个电子循轨运动的平均半径 0 — 真空磁导率 m、e — 电子的质量、电量四、抗磁性及其物理本质源自电子（束缚电子、自由电子）的运动，在外磁场作用下，受到劳伦兹力的作用而产生附加磁矩自由电子的抗磁性源于自由电子因受到劳伦兹力的作用，而在垂直于外磁场的平面内作定向的环绕运动所产生的附加磁矩，该附加磁矩也总是反平行于外磁场自由电子的抗磁磁化率：自由电子的总磁化率：所有物质在外磁场作用下均产生抗磁性，但因抗磁磁化率数值较小，只有当构成物质的原子或离子的总磁矩为零或接近于零时，这种抗磁性才易被发现（或易于显现），其它情况下则极易被顺磁性和铁磁性掩盖抗磁磁化率基本上不受温度影响，而顺磁磁化率与温度有关自由电子既可产生顺磁性，又能产生抗磁性，综合作用的结果，自由电子对物质磁性的贡献是顺磁性五、铁磁性及其物理本质物质中相邻原子或离子的磁矩，由于相互作用而在某些区域中大致按同一方向排列，当所施加的磁场强度增大时，这些区域的合磁矩定向排列程度会随之增加到某一极限值的现象永久磁矩，来源于电子自旋净磁矩，无外场条件下（如图）磁畴，晶体中自旋取向相同的区域铁磁材料中，无外磁场条件下，原子磁矩的定向排列反铁磁性（实例）：反铁磁MnO中，自旋磁矩的反向平行排列反铁磁MnO中：Ø Mn2+离子存在净磁矩Ø O2+离子的净磁矩为零Ø 整个晶体的净磁矩为零亚铁磁性（实例）：立方铁氧体Fe3O4（天然磁石）的分子式表示为：Fe2+O2-–(Fe3+)2 (O2-)3Ø O2-的净磁矩为零Ø Fe2+的净磁矩为4BØ Fe3+的净磁矩为5BØ 整个晶体存在净磁矩（如表）亚铁磁Fe3O4中，Fe2+和Fe3+的自旋磁矩的排列1、铁磁质的磁化特性1）磁化曲线和磁位能第一阶段：磁化强度随外磁场缓慢增加；撤除外磁场，磁化强度恢复为原始值（可逆磁化） 第二阶段：磁化强度随外磁场快速增加；去除外磁场，磁化强度不能完全恢复至原始状态（不可逆磁化或有剩磁）第三阶段：磁化强度又随外磁场缓慢增加并趋于饱和状态磁位能：静态磁化曲线磁滞：指铁磁材料的磁性状态变化时，磁化强度滞后于磁场强度，它的磁通密度B与磁场强度 H之间呈现磁滞回线关系剩磁Br：磁滞回线中，外磁场 减小为零时，铁磁质所具有的磁感应强度矫顽力Hc：为使剩磁降低为零而施加的反向外磁场强度 磁致损耗：铁磁材料在磁化过程中由磁滞现象引起的能量损耗。

经一次循环，磁滞损耗等于磁滞回线的面积动态磁化曲线（磁滞回线）硬磁、软磁材料(BH)max — 最大磁能积1 MGOe = 106 gauss-oersted1 MGOe = 7.96 kJ/m3硬磁材料性能软磁材料性能2）磁各向异性和磁各向异性能磁各向异性：外磁场对铁磁单晶体的磁化，在不同的晶向上，磁化的难易程度各不相同容易磁化的晶向为易磁化方向，而难磁化的晶向为难磁化方向磁化功：磁化过程中，外磁场对磁介质所作的功，代表外磁场在此过程中消耗的能量磁各向异性能：沿不同晶向磁化而增加的体系内能，其大小可用沿不同晶向的磁化功表征沿难磁化方向磁化，体系内能增加较多；而沿易磁化方向磁化，内能增加较少磁化曲线、磁化强度坐标轴和饱和磁化强度三条线围成的面积代表磁化功的大小3）磁致伸缩与磁弹性能磁致伸缩：指磁介质被磁化时，其尺寸和形状发生改变的现象磁弹性能：磁介质磁化时，当磁致伸缩受到应变阻力，磁化功中必须额外增加一部分用于克服这种应变阻力，所额外增加的部分以磁弹性能形式进入磁介质体系的内能中磁致伸缩易于增加体系的磁弹性能磁致伸缩系数： 4）几何退磁因子与退磁能形状各向异性：磁介质磁化的难易程度收到外部几何形状影响的现象退磁场Hd：铁磁介质被磁化时，其内部会出现退磁场，用以阻碍外磁场对它的磁化3个样品长径比：1 易磁化23 难磁化退磁能Ed：退磁场与铁磁质的相互作用能N — 形状退磁因子2、铁磁质自发磁化的机理（铁磁质的自发磁化理论）1）Wiss 铁磁性假说分子场假说：铁磁质内部存在很强的分子场，在该分子场的作用下，原子磁矩趋向于同方向平行排列磁畴假说：铁磁质内分布有若干原子磁矩同向平行排列的小区域（磁畴），各磁畴的磁化方向随机分布，彼此抵消，整体对外不显磁性ü 尽管Wiss理论并未揭示分子场的本质，但基本上正确描述了铁磁质的内部形态ü 铁磁质由磁畴组成，而磁畴是因某种场力作用，使原子磁矩同方向平行排列、磁化达到饱和状态的小区域ü 在无外磁场时，铁磁质内已自发磁化形成磁畴，只不过是因为方向紊乱而对外不显示磁性而已ü 如果把原子磁矩比作个体，磁畴比作团体，则顺磁质磁化是原子磁矩的个体行为，而铁磁质是磁畴的团体行为2）自发磁化的条件 自发磁化：铁磁质不依靠外磁场（或仅依靠其内磁场），形成若干饱和磁化小区域（磁畴）的现象原子结构条件（必要）：原子（或离子）总磁矩 ，即存在未被抵消的轨道、自旋磁矩，特别是 例如：在元素周期表中，第四周期副族，其3d亚层均未被电子填充满。

理论上它们均有可能构成铁磁质，但实际上只有Fe、Co、Ni才具有铁磁性晶体结构条件（充分）：原子磁矩同方向平行排列的“分子场”,实际上是晶体内相邻原子间电子自旋的交换作用，与其相对应的能量为交换能：— 自旋角动量，  — 两自旋角动量夹角A — 交换积分常数，取决于电子运动状态的波函数和两原子间距A  0时， = 0，两电子自旋磁矩同向平行排列A  0时， = ，两电子自旋磁矩反向平行排列Aa/r3dA  0 Fe、Co、Ni Cr、Mn Gd 原子间间距能够够决定A 的正、负负或趋趋于 0 — 决定磁性3）磁畴结构及其成因磁畴： 铁磁质内部自发磁化至饱和状态（原子磁矩同向平行排列）的小区域，自发磁化的结果磁畴结构（磁畴组态）：磁畴的形态、尺寸、取向、畴壁类型、畴壁厚度及其组成形式① 磁畴结构a）主畴：一般都为大而长的片状或棱柱状，通常沿晶体易磁化方向；副畴：多为短而小的三角形，不保证都出现在易磁化方向b）磁畴壁：相邻磁畴之间、自旋磁矩改变方向的过渡区c）相邻磁畴通过主畴、副畴和磁畴壁组合形成自己封闭的磁回路d）磁畴的尺度通常小于晶粒，畴壁不能穿越晶界② 决定磁畴结构的因素交换能最低：倾向于让所有自旋磁矩同方向平行排列，形成磁单畴退磁能最低：倾向于让所有磁畴均形成封闭磁回路磁弹性能最低：倾向于形成多数量、小尺寸、多方向、应变自恰的磁畴结构磁各向异性能最低：倾向于让所有磁。