磁学和磁性材料基础知识专题培训ppt课件.ppt
磁学和磁性材料基础知识,2,1.1 静磁现象,电荷周围存在电场，可以用电力线来表示,电荷之间存在相互作用,那么磁场呢？是否有和电场相似的性质呢？,磁场,3,磁极和电流周围都存在磁场，磁场可以用磁力线表示：,4,如果一个小磁体能够用无限小的电流回路来表示，我们就称为磁偶极子。用磁偶极矩jm表示：,磁偶极子和磁矩,与磁偶极子等效的平面回路的电流和回路面积的乘积定义为磁矩，用m表示：,jm=ml,m=iS,磁偶极矩和磁矩具有相同的物理意义，存在关系：,jm=0m ，o=410-7Hm-1 ，真空磁导率,m为磁极强度,5,磁化强度M,定义单位体积磁体内磁偶极子具有的磁偶极矩矢量和称为磁极化强度，用Jm 表示； 单位体积磁体内磁偶极子具有的磁矩矢量和称为磁化强度，用M表示。,J m和M亦有如下关系： Jm=0M,6,磁化强度可以看成是磁偶极子的集合,磁化强度又可以看成是闭合电流环的集合,7,磁场强度H和磁感应强度B,磁场中的磁极会受到力的作用，表示为： F=m H， m为磁极强度定义磁场强度H：单位强度的磁场等于单位磁极受到1牛顿的力。,在更多场合，确定场效应的量是磁感应强度B（磁通密度）。在SI单位制中，B的定义为： B o（HM） T or Wbm2,8,各种物理量之间的关系？,9,磁化强度M和磁场强度H存在如下关系： Mc H 或 cM/Hc称为磁体的磁化率，表征磁体磁性强弱的参量。由此 B=m0(H+c H)=m0(1+c)H 定义m（1c）为相对磁导率，即mB/ m0 H。 磁导率是表征磁体的磁性、导磁性及磁化难易程度的磁学量。,磁化率和磁导率,10,在不同的磁化条件下，磁导率被分为以下四种：(1)起始磁导率 ：(2)最大磁导率： (3)增量磁导率： (4)可逆磁导率：,11,退磁场,材料被磁化时，两端的自由磁极会产生与磁化反方向的磁场，即退磁场,，N为退磁因子仅与材料形状有关,只有具有高对称性的简单体可以求出N的大小：,12,旋转椭球形状样品的磁化是均匀的，我们选取坐标系与椭球的主轴重合，则退磁场的三个分量可以表示为：,在CGS单位值中,13,旋转椭球的极限情况：,14,静磁能,磁场中的磁体受到力的作用，力矩为：,具有的能量密度为：,15,显然，磁性体在磁化过程中，也将受到自身退磁场的作用，产生退磁场能，它是在磁化强度逐步增加的过程中外界做功逐步积累起来的，单位体积内,对于均匀材料制成的磁体，容易得出;,N 是磁化方向的退磁因子。对于非球形样品，沿不同方向磁化时退磁场能大小不同，这种由形状造成的退磁场能随磁化方向的变化，通常也称形状各向异性能。退磁能的存在是自发磁化后的强磁体出现磁畴的主要原因。,16,适用条件：磁体内部均匀一致，磁化均匀。,17,1.2. 材料的磁化,表示磁场强度H与所感生的B或M之间的关系O点：H0、B0、M0，磁中性或原始退磁状态OA段：近似线性，起始磁化阶段AB段：较陡峭，表明急剧磁化HHm后，M逐渐趋于一定值MS（饱和磁化强度），而B则仍不断增大(原因?)由BH（MH）曲线可求出或 ,磁化曲线,18,磁化曲线是反映材料特性的基本曲线，从中可以得到标志材料的参量：饱和磁化强度Ms、起始磁化率a 和最大磁化率m。,Ms可以理解为该温度下的自发磁化强度M0,抗磁性物质磁化曲线,顺磁性物质磁化曲线,19,磁滞回线,Br，Mr表示剩磁,M=0时的矫顽力，称为内禀矫顽力,B=0时的矫顽力，称为磁感矫顽力,20,不同的回线形状反映了不同的磁性质，有着不同的应用。,21,退磁曲线,退磁曲线上每一点的B和H的乘积(BH)为磁能积，表征永磁材料中能量大小的物理量。(BH)的最大值为最大磁能积(BH) max,22,从磁感应强度磁场曲线上得到： 起始磁导率 最大磁导率,23,矫顽力Hc是表征材料在磁化后保持磁化状态的能力。,H从正的最大到负的最大，再回到正的最大时，BH或MH形成一封闭的曲线磁滞回线。（磁材的重要特性之一) 磁滞回线的第二象限为退磁曲线（依据此考察硬磁材料性能）,(BH)为磁能积，表征永磁材料中能量大小。 (BH)max 是永磁的重要特性参数之一。,24,退磁场对样品磁性能的影响是明显的：,有退磁场是曲线倾斜,所有材料性能表给出的磁导率等数值都是针对有效磁场的数值，材料性能的实际测量中必须尽量克服退磁场的影响。,25,26,27,为了方便研究物质磁性的起因，我们可以按其在磁场中的表现把物质进行分类， 例如依据磁化率的正负、大小及其与温度的关系来进行分类，分类是否科学取决于是否反映了内在磁性机理上的不同。随着研究的深入，分类也在不断完善和细化，到上个世纪 70 年代为止，在晶状固体里，共发现了五种主要类型的磁结构物质，它们的形成机理和宏观特征各不相同，对它们的成功解释形成了今天的磁性物理学核心内容。 上世纪 70 年代以后，随着非晶材料和纳米材料的兴起，又发现了一些新的磁性类型，对它们的研究尚在深化之中，课程只做初步介绍。,一. 物质的磁性分类,1.3 磁性和磁性材料分类,28,按磁化率的大小，可将物质磁性分为五个种类：抗磁性 普遍性 且绝对值也很小顺磁性 遵守居里-外斯定律：反铁磁性 存在奈尔温度铁磁性 绝对值很大，存在亚铁磁性 绝对值比铁磁体稍低， 但磁结构却不同,物质的磁性分类,29,这是19世纪后半叶就已经发现并研究的一类弱磁性。它的最基本特征是磁化率为负值且绝对值很小，0， 1 显示抗磁质在外磁场中产生的磁化强度与磁场反向，在不均匀的磁场中被推向磁场减小的方向，所以又称逆磁性。典型抗磁性物质的磁化率是常数，不随温度、磁场而变化。有少数的反常。 深入研究发现，典型抗磁性是轨道电子在外磁场中受到电磁作用而产生的，因而所有物质都具有的一定的抗磁性，但只是在构成原子（离子）或分子的磁距为零，不存在其它磁性的物质中， 才会在外磁场中显示出这种抗磁性。在外场中显示抗磁性的物质称作抗磁性物质。除了轨道电子的抗磁性外，传导电子也具有一定的抗磁性，并造成反常。,1. 抗磁性（Diamagnetism),30,抗磁性,物质的抗磁性是一些物质的原子中电子磁矩互相抵消，合磁矩为零。但是当受到外加磁场作用时，电子轨道运动会发生变化，而且在与外加磁场的相反方向产生很小的合磁矩。这样表示物质磁性的磁化率便成为很小的负数(量)。,31,自然界中很多物质都是抗磁性物质：周期表中三分之一的元素、绝大多数的有机材料和生物材料都是抗磁性物质。包括： 稀有气体：He,Ne.Ar,Kr,Xe 多数非金属和少数金属：Si,Ge,S,P, Cu,Ag,Au, 不含过渡族元素的离子晶体：NaCl,KBr, 不含过渡族元素的共价键化合物：H2,CO2,CH4 等 几乎所有的有机化合物和生物组织： 水；反常抗磁性物质：Bi,Ga,Zn,Pb,磁化率与磁场、温度有关。 广义地说，超导体也是一种抗磁性物质，=-1 ，它的机理完全不同，不在我们讨论之内。,32,见冯索夫斯基现代磁学(1953) p74,一些抗磁性金属在20时的分子磁化率（CGS单位）：,33,这是19世纪后半叶就已经发现并研究的另一类弱磁性。它的最基本特征是磁化率为正值且数值很小，01。,顺磁性物质的磁化率是温度的函数，服从居里定律或居里-外斯（Curie-Waiss)定律。,C 称作居里常数，Tp 称作居里顺磁温度,服从居里-外斯定律的物质都是在某一个温度之上才显示顺磁性，这个温度之下，表现为其它性质。 典型顺磁性物质的基本特点是含有具有未满壳层的原子（或离子），具有一定的磁矩，是无规分布的原子磁矩在外磁场中的取向产生了顺磁性。此外，传导电子也具有一定的顺磁性。,2. 顺磁性（Paramagnetism）,34,顺磁性,磁矩的排列与磁性的关系,35,顺磁性物质也很多，常见的顺磁性物质： 过渡族元素、稀土元素和锕系元素金属：Mn,Cr,W,La,Nd, Pt,Pa, 含有以上元素的化合物：MnSO4,FeCl3,FeSO4,Gd2O3, 碱金属和碱土金属：Li,Na,K,Ru,Cs,Mg,Ca,Sr,Ba 包含有奇数个电子的原子或分子： HCl,NO,有机化合物中的自由基 少数含有偶数个电子的化合物： O2,有机物中的双自由基等,36,反铁磁性是1936年首先由法国科学家Neel从理论上预言、1938年发现，1949年被中子实验证实的，它的基本特征是存在一个磁性转变温度，在此点磁化率温度关系出现峰值。,3. 反铁磁性（Antiferromagnetism),弱磁！,37,（见应用磁学P9）,文献中也常绘成磁化率倒数和温度关系：,铁磁性,低温下表现为反铁磁性的物质，超过磁性转变温度（一般称作Neel温度）后变为顺磁性的，其磁化率温度关系服从居里-外斯定律：注意与铁磁性的区别！,磁化率表现复杂,Tp,TpTC,38,反铁磁物质主要是一些过渡族元素的氧化物、卤化物、硫化物， 如： FeO, MnO, NiO, CoO, Cr2O3, FeCl2, FeF2, MnF2, FeS, MnS,右图是1938 年测到的MnO磁化率温度曲线，它是被发现的第一个反铁磁物质，转变温度 122K。,39,该表取自Kittel 书2005中文版p236，从中看出反铁磁物质的转变温度一般较低，只能在低温下才观察到反铁磁性。,Tp,40,这是人类最早发现并利用的强磁性，它的主要特征是：1. 0，磁化率数值很大磁化率数值是温度和磁场的函数；存在磁性转变的特征温度居里温度TC，温度低于居里温度时呈铁磁性，高于居里温度时表现为顺磁性，其磁化率温度关系服从居里-外斯定律。在居里温度附近出现比热等性质的反常。磁化强度M和磁场H之间不是单值函数，存在磁滞效应。,构成这类物质的原子也有一定的磁矩，但宏观表现却完全不同于顺磁性，解释铁磁性的成因已成为对人类智力的最大挑战，虽然经过近100年的努力已经有了比较成功的理论，但仍有很多问题有待后人去解决。,4. 铁磁性（Ferromagnetism),41,即使无外加磁场，磁矩也按同一方向整齐排列，这种性质称为铁磁性，具有铁磁性的物质称为铁磁体。 铁磁体在室温下磁化率为1105数量级，属于强磁性物质，如铁、钴、镍等。 即使在较弱的磁场内，铁磁体也可得到极高的磁化强度，而且当外磁场移去后，仍可保留极强的磁性。,铁磁性,磁矩的排列与磁性的关系,42,表现为铁磁性的元素物质只有以下几种： 一些过渡族元素和稀土元素金属： 但以上面元素为主构成的铁磁性合金和化合物是很多的，它们构成了磁性材料的主体，在技术上有着重要作用，例如： Fe-Ni, Fe-Si, Fe-Co, AlNiCo, CrO2, EuO, GdCl3,室温以上，只有4种元素是铁磁性的。,43,见Kittel 固体物理学8版p227，姜书p52也有此数据，稍有差别。,44,人类最早发现和利用的强磁性物质天然磁石Fe3O4就是亚铁磁性物质，上世纪3040年代开始在此基础上人工合成了一些具有亚铁磁性的氧化物，但其宏观磁性质和铁磁物质相似，很长时间以来，人们并未意识到它的特殊性，1948 年 Neel在反铁磁理论的基础上创建了亚铁磁性理论后，人们才认识到这类物质的特殊性，在磁结构的本质上它和反铁磁物质相似，但宏观表现上却更接近于铁磁物质。对这类材料的研究和利用克服了金属铁磁材料电阻率低的缺点，极大地推动了磁性材料在高频和微波领域中的应用，成为今日磁性材料用于信息技术的主体。 强磁！,5. 亚铁磁性（Ferrimagnetism),45,磁化率倒数和温度关系,饱和磁化强度温度关系,亚铁磁物质的磁化率和磁化强度一般比铁磁物质低，但其电阻率一般要高的多。,铁磁性和亚铁磁性的宏观区别,46,亚铁磁物质主要是一些人工合成的含过渡族元素和稀土元素的某些特定结构的氧化物，例如：尖晶石结构：Fe3O4, MnFe2O4, CoFe2O4石榴石结构：A3Fe5O12, (A=Y,Sm,Gd,Dy,Ho,Er,Yb )磁铅石结构：BaFe12O19, PbFe12O19, SrFe12O19,钙钛矿结构：LaFeO3,47,五种磁性材料的基本磁结构,48,49,磁矩,50,顺磁质,51,为什么铝片不能被磁铁吸起来？,52,1. 把晶体中的磁性归为五类并分析出它们的起因是人类对物质磁性认识的一次飞跃，1950年前后出版了第一批以解释五种磁性起因为主的现代磁学理论专著，标志着磁学成为一个独立完整的学科。它极大地推动了20世纪后半叶磁性材料的基础研究和开发利用。50年后的今天，我们不但对上述五种磁性有了更深入的认识，而且发现了一些新的磁结构。,2. 严格说来上面的分类是针对物质磁性质进行的，同一物质在不同的温度区域可以呈现出不同的磁类型，而且与其晶体结构有密切关系：例如室温附近的金属铁为铁磁性，超过居里温度（1040K）后变为顺磁性，它受到高于1.51010Pa的高压时，其结构从bcc变为hcp,磁性变为非铁磁性。我们只可以说常温常压下铁是铁磁性物质。,小结,53,上面几种磁有序结构，都是共线的，或平行，或反平行。20世纪70年代后，主要在稀土金属和合金里发现了一些非共线结构，在微粉和纳米磁性材料里，在非晶材料里，也都发现了一些新的结构类型，它们极大地丰富了我们对物质磁性的认识。,54,20世纪70年代后，随着稀土元素的研究和观测技术的提高，人们又在晶状材料中发现了很多非共线的磁结构，即在这些材料的不同原子层中的原子磁矩或在原子层平面内、或在与原子平面成一定角度的锥面内，以一定的旋转角度做螺旋式排列（见下页图）产生平面螺旋磁性或锥面螺旋磁性，通称螺旋型磁结构。虽然在磁性结构上，它和铁磁性、反铁磁性有所不同，但其宏观表现上是相似的。,例如：Gd：T 221K, 是平面型简单铁磁性。 221K T 228K，是平面型螺旋反铁磁性。,6. 螺旋型磁结构(Helimagnetism),55,姜书p115,56,当铁磁颗粒减小到临界尺寸以下(110 nm)，微粒的各向异性能远小于热运动能量，微粒的磁化矢量不再有确定的方向时，铁磁粒子的行为类似于顺磁性一样。这些磁性颗粒系统的总磁性叫做超顺磁性。普通顺磁性是具有固有磁矩的原子或分子在外磁场中的取向，而超顺磁性是均匀磁化的单畴粒子的原本无序取向的磁化矢量在外磁场中的取向。每个单畴粒子包含较大数目的原子所以有大得多的磁矩。,7. 超顺磁性（Superparamagnetism）,Superpara-:High MS, no MR;Para- ?,57,这是在某些非晶材料中发现的一种磁结构，由于非晶材料中原子磁矩间的间距有一定分布，从而使得原子磁矩不再有一致的排列，而是有了一定的分散排列，这种虽然分散但仍有序的磁矩排列称作散磁性，按其基本趋向又可以细分为散铁磁性、散反铁磁性和散亚铁磁性。,8. 散磁性,58,59,在抗磁性基体中掺入磁性原子，随浓度的逐渐增加,会出现各种磁性現象：,近藤效应 自旋玻璃态 混磁性 不均匀铁磁性,9. 其它,60,李国栋书p17,61,物质磁性分类是一个复杂问题，存在着不同观点,这是一种弱磁场中显示顺磁性，超过某一磁场值后，显示铁磁性的材料。,62,见应用磁学P9,亚铁磁性,各种磁性的磁化曲线特征,63,Kittel固体物理导论一书对磁有序结构的描述： 见2005年版,64,电磁学的单位由于历史的原因曾有过多种，有静电制(CGSE)，电磁制(CGSM) ，高斯制，以及目前规定通用的国际单位制（MKSA)，加之历史上对磁性起源有过不同的认识，至目前为止，磁学量单位的使用上仍存在着一些混乱，较早的文献多使用高斯制，目前虽多数文献采用了国际单位制，但仍不时有使用高斯单位制出现的情况。因此必须熟悉两种单位制之间的换算：,国际单位制（SI） 高斯单位制（EMU）,单位制问题：,没有0！,65,66,67,提示：高斯单位制中，因为0=1，磁偶极矩和磁矩是没有区别的，磁化强度和磁极化强度也是没有区别的，都称作磁化强度，单位是：高斯（Gs），但在国际单位制里，两者是不同的，所以换算关系不同：,而磁感应强度 B 在两个单位制中的变换是：,这是由于两个物理量在两种单位制中的关系不同造成的。,2. 从实用观点看，单位制问题，主要就是两种单位制之间的 换算问题，解决办法就是建立一个换算表。,J: 1 Gs=410-4 TM: 1 Gs=103 Am-1,B: 1 Gs=10-4 T,68,磁极化强度 J T Gs 4 10-4,69,摘自姜书p471,应为：,70,磁偶极矩磁极化强度,71,72,73,74,75,Thank you！,
