材料的磁学性能.ppt

第7章 材料的磁学性能(Magnetic properties of materials),磁性与材料的微观结构的联系通过磁性研究材料的结构：键合情况、晶体结构。,本章内容：材料的磁学材料磁学性质、来源？材料对外磁场的反应？本质原因？不同磁性材料的性能及其应用。,磁性材料获得了越来越多的应用：软磁材料：铁芯、电磁铁硬磁材料：永久磁铁磁记录材料：磁头、软盘、硬盘、磁带,普通物理强调电与磁的交互作用,71 材料磁性能的表征参量和材料磁化的分类(Character parameters of magnetic properties of materials and classification of material magnetization),7.1.1 材料磁性能的表征参量(Character parameters of magnetic properties of materials),人类最早认识的磁现象：磁石吸铁、指南北、分磁极、磁偏角。磁针以磁石使铁针磁化。,磁力通过磁场传递。磁场通过对载流导体或运动电荷有力的作用体现出来的定义磁场中一点的磁感应强度,q：磁场中运动电荷的电量；v：电荷的运动速度；Fmax：电荷在磁场中所受的最大力，出现在电荷运动速度与磁场方向垂直时；k：比例系数,划时代的伟大发现1820年，奥斯特，电流能在周围空间产生磁场，首次将电与磁联系起来。,国际单位制中通过选择合适的单位使k=1，则,单位：F为牛顿(N)，q为库仑(C)，v为米秒(m/s)，B为特斯拉(T)。B是矢量，其方向是磁场方向，规定为该点所放的小磁针平衡时N极所指的方向。,磁介质在磁场中发生磁化而影响磁场，所以磁介质中的磁感应强度B等于真空中的磁感应强度B0和由于磁介质磁化而产生的附加磁感应强度B之和，即 B=B0+B,磁感应强度B描述的是传导电流的磁场和磁介质中磁化电流的磁场的综合场的特性。,如果磁场在真空中形成的磁感应强度为B0，则磁场的强度H可由下式确定：B0=0H0：真空磁导率（真空透磁率）0=410-7亨利米(H/m)H描述磁场的一个重要的物理量，无论在真空或在磁介质中，H只表征传导电流的磁场特征，与磁介质无关。,电介质中的电场强度E为真空中的电场强度E0和由于电极化而产生的附加电场强度E之和,将材料放入磁场强度为H的自由空间，则材料中的磁感应强度B=H 其中称为材料的磁导率或绝对磁导率。,所以 B=B0+B=0H+0M=0(H+M)其中M称为材料的磁化强度，其物理意义为材料在外磁场中被磁化的程度。,材料内部的磁感应强度可看成材料对自由空间的反应0H和磁化引起的附加磁场0M两部分场叠加而成。,磁化强度M用单位体积内的磁矩多少来衡量，即,其中V为材料的体积，m为其中磁矩的矢量和。,外磁场强度H增大，则材料的磁化强度增大 M=H 其中称为材料的磁化率，即单位磁场强度可引起的材料的磁化强度，是一个无量纲的量。,定义,为材料的相对磁导率，r也是无量纲的。可推导,B=H=0H+0M=0H+0H0(1+)H,所以,绝对磁导率、相对磁导率r、和磁化率都是描述材料在外磁场下磁化能力的物理量，他们之间有固定的关系，知道其中的一个即可求出另外的两个。,7.1.2 材料磁化的分类(classification of material magnetization),根据材料的磁化率，将材料分为五类,1.抗磁体：0且绝对值很小，在10-6数量级。约一半金属是抗磁体，如Cu，Ag，Au，Hg，Zn、Bi、Ga、Sb、Sn、In等。,2顺磁体：0，在10-310-6数量级。如奥氏体，Pt，Pd，Li，Na，K，Rb等。顺磁体的另一特征是其磁化率一般与绝对温度成反比。,3铁磁体：0且很大，可达106数量级，与外磁场呈非线性关系。在高于某一临界温度Tc变成顺磁体，Tc称为居里点或居里温度。外磁场消失仍保留一定的磁化率如Fe，Co，Ni，Y，Dy及其某些合金等。,5反铁磁体：0，且在低温时与磁场方向有关，在高温时与顺磁体相同。如-Mn，MnO，Cr2O3，Cr,CoO,ZnFeO4等。,4亚铁磁体：0，与铁磁体类似，但 小些。如磁铁矿，铁氧体等。磁化率不如铁磁体高，但其电阻大，产生的涡流损耗小，适于制作电导率低的磁性材料。,铁磁体和亚铁磁体称为强磁体；抗磁体、顺磁体和反铁磁体称为弱磁体，通常磁性材料为强磁体。,7.2 孤立原子的磁矩(Magnetic moment of isolated atoms),7.2.1 电子和原子核的磁矩(magnetic moments of electrons and atomic nucleus),从本质上说，一切材料的磁性都来源于电荷的运动（或电流）。材料的磁性源于原子（小磁铁）的磁性。,原子的磁矩来源于电子的运动和原子核的自旋。,1.磁矩,与电荷类似，将磁荷定义成磁的基本单位。两磁极若分别有q1和q2磁荷的磁极强度，则其作用力,其中r为磁极间距，k为比例常数。磁极q在外磁场中要受到力的作用，且有该力 F=qH其中H为外磁场的强度。,实际上磁极总是以正负对的形式存在，目前尚未发现单独存在的磁极。（此句要修正Science,2009,9,3）,将相互接近的一对磁极q和q称为磁偶极子真空中，单位外磁场作用在相距d的磁偶极子上的最大的力矩 Pmqd 称为该磁偶极子的磁偶极矩（磁动量）。磁偶极矩与真空磁导率0的比值称为磁矩，用m表示，即 m=Pm/0,当磁偶极子与外磁场方向成一定角度时它将受到磁场力的作用产生转矩，转矩力图使磁偶极矩Pm处于能量最低方向。,磁偶极矩与外磁场的作用的势能称为静磁能UPmHPmHcos,其中是Pm与H的夹角。,外磁场作用下磁场力的作用转矩有使磁偶极矩处于能量最低状态的趋势。,2.电子轨道磁矩,将电子绕核的运动考虑成环形电流，设轨道半径为r，电子电量为e，质量为m，运动角速度为，轨道角动量为Ll，则轨道电流强度,电子轨道磁矩,其中S为环形电流的面积。,电子的轨道角动量,其中l为角量子数，为狄拉克常数。当主量子数n=1,2,3时，l=n-1,n-2,0。所以电子轨道磁矩,是量子化的。其中,为一常数，是电子磁矩的最小单位，称为玻尔磁子,电子轨道磁矩的方向垂直于电子运动环形轨迹的平面，并符合右手螺旋定则，它在外磁场方向的投影，即电子轨道磁矩在外磁场z方向的分量,也是量子化的，其中ml=0,1,2,l，为电子轨道运动的磁量子数。,由于电子的轨道磁矩受不断变化方向的晶格场的作用，不能形成联合磁矩。,3.电子自旋磁矩,电子自旋角动量Ls和自旋磁矩ms取决于自旋量子数s，s=1/2，,他们在外磁场z方向的分量取决于自旋磁量子数mss=1/2，即,其符号取决于电子自旋方向，一般取与外磁场方向z一致的方向为正。实验上也测定出电子自旋磁矩在外磁场方向的分量恰为一个玻尔磁子,4.原子核磁矩,原子核中的质子也带电，其自旋也会产生磁矩。,质子质量是电子质量的103倍以上，运动速度比电子小三个数量级，其磁矩N一般比玻尔磁子B三个数量级。考虑原子磁矩时可将其忽略。,但利用核能级（磁矩）的量子化可以分析材料的结构（键结构、磁矩结构等）。,物理基础原子核与周围电子云的超微细相互作用。,穆斯堡尔效应（Mossbauer effect,原子核对射线的共振吸收）：处于不同环境的原子吸收的射线光子数目不同。核磁共振(Nuclear magnetic resonance,NMR)：处于不同环境的原子与外界交变磁场产生共振的频率不同。,分析穆斯堡尔谱或核磁共振谱可了解磁体中顺磁相、铁磁相的量及各类原子周围的化学环境（键结构）。,超微细相互作用：原子核与其周围的电子云相互作用，使原子核的能级发生极其微小的移动或分裂的现象。,7.2.2 原子的磁矩(Magnetic moment of atoms),不考虑原子核的贡献，原子的总角动量和总磁矩由其中电子的轨道与自旋角动量耦合而成。,总轨道角动量由总轨道量子数L决定：,其中L=mli是各电子的轨道磁量子数的总和。总轨道磁矩,Russell-Saunders耦合，各电子的轨道角动量与自旋角动量先分别合成总轨道角动量PL和总自旋角动量PS，然后二者再合成出总角动量PJ。,总自旋角动量由自旋量子数S决定：,其中S=msi是各电子的自旋磁量子数的总和。总自旋磁矩,总轨道磁矩在外磁场z方向的分量为 Lz=mLB,其中mL=L,(L-1),(L-2),0，对应于2L+1个取向。,总自旋磁矩在外磁场z方向的分量为 Sz=2mSB,其中mS=S,(S-1),(S-2),0，对应于2S+1个取向。,原子总角动量由总角量子数J决定：,其中J由L和S合成，依赖于PL和PS的相对取向,原子的总磁矩,其中,称为朗德劈裂因子，其数值反映出电子轨道运动和自旋运动对原子总磁矩的贡献。当S=0而L0时，gJ=1；当S0而L=0时，gJ=2；当S0且L0时，孤立原子或离子的gJ可大于或小于2。,原子总自旋磁矩在外磁场z方向的分量为 Jz=gJmJB,其中mJ=J,(J-1),(J-2),0，共2J+1个可能值。,小结,以上孤立原子磁矩的表达式都适用于孤立离子。,当原子的J=0时，原子的总磁矩J=0当原子中的电子壳层均被填满时即属此情况。当原子的电子壳层未被填满时，其J0，原子的总磁矩J0，其原子总磁矩称为原子的固有磁矩或本征磁矩。,原子的固有磁矩与其中的电子排布有关。,占据同一轨道的两电子的自旋磁矩方向相反，互相抵消,原子的电子壳层是满填的，自旋磁矩完全相互抵消，原子磁矩由轨道磁矩决定。原子的电子壳层未满填洪特规则自旋磁矩未完全抵消，磁矩主要由自旋磁矩决定。,洪特(Hund)规则描述含有未满壳层的原子或离子基态的电子组态及其总角动量。第一，未满壳层中各电子的自旋取向(mS)使总自旋量子数S最大时能量最低；第二，在满足第一规则的条件下，以总轨道角量子数L最大的电子组态能量最低；第三，当未满壳层中的电子数少于状态数的一半时，J=的能量最低。,例：孤立铁原子的电子层分布为1s22s22p63s23p63d64s2其d电子的轨道占据情况为：,使总电子自旋磁矩为4B。,未满壳层中的电子数少于状态数的一半时占据尽可能多的轨道，且其中电子自旋方向平行。,7.3 抗磁性和顺磁性(Diamagnetism and paramagnetism),材料中原子的电子态与孤立原子不同，使其磁性与孤立原子不同键合使外层电子排布发生了变化。,共价结合常使价电子配对甚至杂化成总磁矩为零的电子结构氢分子。在离子化合物中可使有磁矩的原子变成无磁矩的离子。金属中磁性取决于正离子实和自由电子的磁性。例：过渡金属中，d轨道展宽成能带，与s能带交叠，使s带和d带中的电子数与孤立原子不同。孤立钯原子的外层电子组态为3d104s0，没有磁矩，但在金属钯中外层电子组态则变成3d9.44s0.6，出现磁矩。,7.3.1 抗磁性(Diamagnetism),理论研究表明，抗磁性来源于电子轨道运动在外磁场作用下的改变。,外磁场使材料中电子轨道运动发生变化，感应出很小的磁矩，其方向与外磁场方向相反。,所有物质均有抗磁性磁化率，但其磁化率很小，在材料具有原子、离子或分子磁矩时，其他磁化率掩盖了抗磁化率只有材料中没有固有磁矩或固有磁矩很小时抗磁性才能表现出来电子壳层满填的物质才能成为抗磁体。,例：惰性气体、离子型固体如氯化钠、共价晶体碳、硅、锗、硫、磷等，多数有机物。金属的行为复杂，部分金属为抗磁体，如Pb,Cu,Ag等。,7.3.2 顺磁性(Paramagnetism),顺磁性主要来源于外磁场对原子或离子固有磁矩的取向作用。,1895年居里(P.Curie)顺磁磁化率与温度的关系(居里定律),其中T为绝对温度；C为常数，称为居里常数。,朗之万(P.Langevin)等的解释：根据经典统计理论，原子热振动的动能Ek与温度成正比，即 EkkT其中k为玻尔兹曼常数，T为绝对温度。,热振动使原子磁矩倾向于混乱分布，在任何方向上的原子磁矩之和为零，对外不表现磁性。,当外磁场增加到使势能U的减少能够补偿热运动的能量时，原子磁矩即一致排列，此时：,当有磁感应强度为B0的外磁场时，原子磁矩m与B0的夹角要尽量小，以降低势能：U=-mB0cos 外磁场使原子磁矩m趋于一致排列。,kT mB0,不考虑材料中磁性离子的相互作用，在高温低磁场的情形下，可推导出磁化率,其中n为单位体积内的原子数,称为居里常数,通过测量和T的关系，可求出斜率C，进而求出原子磁矩m。,大多数物质为顺磁性：如稀土元素（室温），居里点以上的Fe,Co,Ni,过渡金属的盐，Li,Na,K,Ti,Al,V等。,计算表明：当T=1000K，磁场为1T，顺磁物质的磁化强度M102A/m顺磁物质很难磁化。,当材料中磁性离子较多，相互作用较强而不可忽略时，其顺磁磁化率常服从居里外斯定律,其中Tc是居里温度，可能来源于交换作用、偶极子相互作用或晶体电场的作用。,7.4 铁磁性(Ferromagnetism),7.4.1 铁磁体磁化的现象(Phenomena of the magnetization of ferromagnetic materials),退磁状态：普通的铁磁体在没有外磁场的作用时，外部不出现N、S极，不表现磁性的状态,施加外部磁场H：,M和B 都沿OB线增加,至B点达到饱和,Ms和Bs分别称为饱和磁化强度和饱和磁感应强度。,以后磁场强度增加，M和B不升高。,达到饱和后，逐渐减弱外磁场H，M和B也减小，此过程称为退磁。,1.磁滞回线,退磁并不沿OB逆向进行，而是沿BC段进行。,当H=0时，M和B 处于Mr和Br处(C点)，不为零，称为剩余磁化强度和剩余磁感应强度（剩磁）,加反向磁场至D，则M=0，B=0，即完全消除剩磁，此处的磁场强度H c称为矫顽力。,磁滞现象：退磁过程中M和B的变化落后于H的变化的现象。,继续增大反向磁场，至E点M和B达到反向饱和。,再沿正方向增大磁场，可得另一半磁化曲线EFGB,D,E,C,Mr(Br),Hc,磁滞回线：外磁场强度H从Hm变到-Hm再到Hm，磁化曲线形成封闭环。,磁滞回线所包围的面积表征磁化和退磁一周所消耗的功，称为磁滞损耗,磁化功：磁性材料磁化时消耗的能量。,显然在易磁化方向上的磁化功小，在此方向的磁化强度矢量Ms能量低。,2.磁晶各向异性,在晶体的不同的取向与外磁场平行时，磁化的难易不同,在不同方向上得到同样的磁化强度要消耗不同的能量。,磁化功在数值上等于阴影部分的面积,Fe,Ni,Co不同晶向的磁化难易,对立方晶系,其中K0为主晶轴方向上的磁化能量；1、2、3分别是磁化强度与x,y,z轴夹角的余弦，即1=cos，2=cos，3=cos；K1、K2称为磁晶各向异性常数。,一般 K2较小，可忽略，Ek仅用K1表示。,磁晶各向异性能：磁化强度矢量沿不同晶轴方向的能量差，用Ek表示。,其他晶系也有相应的磁晶各向异性能的表达式。,无织构的多晶铁磁体磁化时不显示各向异性，如果其形状为球形则其磁化是各向同性的。,实际铁磁体：几乎没有球形,3.形状各向异性,同样的磁场强度下在x、y、z方向的磁感应强度不同,由于磁体的形状不同引起的各方向磁化的差异,原因：不同方向有不同的退磁场能。,退磁场：铁磁体表面出现磁极后除在铁磁体周围产生磁场外，在铁磁体内部也产生磁场。该磁场与铁磁体的磁化强度方向相反，起退磁作用，称为退磁场。其表达式为：,Hd=-NM,N：退磁因子；M：磁化强度,N与铁磁体形状有关。如棒状铁磁体越短粗N越大，退磁场越强，达到磁饱和的外磁场越强,铁磁体在磁场中磁化时形状和尺寸发生变化的现象,4.磁致伸缩,为线磁致伸缩系数，其中l0为初始长度，l为磁化后的长度。,磁化达到饱和时的线磁致伸缩系数称为饱和线磁致伸缩系数，对一定的材料是定值。,定义,磁饱和后不继续伸缩,饱和线磁致伸缩系数代表铁磁体的磁致伸缩能力。一般铁磁体的饱和线磁致伸缩系数在10-6-10-3。,磁致伸缩现象可用于微步进旋转马达、机器人、传感器、驱动器等。,专门研制的磁致伸缩合金如TbDyFe合金的饱和线磁致伸缩系数可达0.2%,如果铁磁体在磁化过程中的尺寸变化受到限制，不能自由伸缩，则会形成拉（压）内应力，在磁体内部引起弹性能，称为磁弹性能。,磁弹性能是附加的内能升高，是磁化的阻力,7.4.2 铁磁体的自发磁化(Spontaneous magnetization of ferromagnetic materials),自发磁化：不加外磁场时铁磁性材料的原子磁矩就在很多局部发生取向一致的排列，产生局部的磁矩。,铁磁材料在被外磁场磁化之前不表现出磁性各个原子磁矩一致的小区域的原子磁矩取向是随机的，整个材料不表现出宏观磁矩。,磁畴：由于自发磁化形成的铁磁材料中的原子磁矩一致的小区域。,铁磁材料都有宏观磁矩？,技术磁化：外磁场作用下铁磁材料发生磁化，使磁畴的取向发生了与外磁场一致的有序排列，表现出宏观的磁化强度的现象。,1.外斯(P.Wiss)分子场理论,铁硅合金单晶在(100)面的粉纹图,观察到磁畴，是自发磁化理论的实验证明,外斯分子场理论的假设,其一为分子场假设：铁磁性材料在0K居里温度Tc的温度范围内存在与外加磁场无关的自发磁化，其原因是材料内部存在分子场，使原子磁矩克服热运动的无序效应，自发地产生平行一致取向。其二为磁畴假设：自发磁矩是按区域分布的，各个自发磁化的区域称为磁畴，在无外磁场时都是自发磁化到饱和，但各个磁畴自发磁化的方向有一定的分布，使宏观磁体的总磁矩为零。,铁磁材料在高于Tc的温度铁磁性消失是由于热运动能kT破坏了分子场对原子磁矩有序取向的作用能HmfPJ，所以在Tc的温度两种能量相等,kTc=HmfPJ,外斯分子场的大小,k：玻耳兹曼常数；Hmf：分子场，PJ：原子的磁偶极矩。代入相应数据可估算出Hmf=109A/m铁磁材料中该数量级的分子场使其中的原子磁矩发生自发磁化。,铁磁性磁化强度高铁磁性源于电子自旋磁矩,外斯理论存在使电子自旋磁矩同向排列的分子场,2.分子场的来源和交换作用理论,量子力学出现后才由海森堡(Heisenberg)在1928年用近邻原子的静电交换作用成功地解释。,分子场的来源？,出现铁磁性（自发磁化）的必要条件：原子自身有明显的磁矩原子自旋磁矩不为零有不满的d轨道或f轨道。,大部分过渡元素都满足此条件都是铁磁体？,海森堡交换作用理论,晶体中原子之间的键合对铁磁性有利才可形成铁磁性。,原子的磁矩能否形成联合磁矩？,当两原子相互接近形成分子或N个原子形成晶体时，原子间的电子有交互作用，相邻的i原子和j原子的电子可能交换位置，降低体系的能量。,例：过渡元素3d与4s态的能量相差不大，其电子云将重叠引起s、d态电子的再分配。,交换过程可能使相邻原子内d层未抵消的自旋磁矩同向排列起来。,此时体系的总自旋是各原子自旋的共同贡献，不是简单的加和。,N个原子系统的交换作用能,交换作用积分A由电子原来的状态和交换位置后的状态决定的，可代表交换作用的强弱。,可推知：A 0时，自旋同向能量低自发磁化铁磁性 A0时，自旋反向能量低反铁磁性,本质：静电力迫使电子自旋平行排列，像有强磁场作用一样外斯分子场。,由交换作用理论可推知：居里温度Tc（宏观）与交换积分A（理论，微观）成正比。,交换作用理论的验证,居里温度是铁磁材料内静电交互作用强弱在宏观上的表现，交换作用越强，破坏这种作用需要的热能越大，则居里温度越高,将宏观现象与微观机理联系起来交换作用理论与实验现象相符,说明分子场是量子交换作用的结果，纯属量子效应，自发磁化起源于电子间的静电交换作用,材料具有铁磁性的条件必要条件：材料原子中具有未充满的电子壳层，即有原子磁矩，原子的本征磁矩不为零。充分条件：交换积分A0，即原子磁矩同向平行排列,何时A 0？,计算表明：A不仅与电子运动的波函数有关，还强烈依赖于相邻原子核之间的距离rab,A很难从波函数计算出数值，但可从Tc的实验结果推测,r：参加交换作用的电子距核的距离，如3d层半径,rab/r小，A0，反铁磁性,rab/r变大，A0，铁磁性,rab/r再增大，A0，交换作用微弱，顺磁性,满足A0一定的晶体结构、原子间距rab/r3且接近3,纯元素只有Fe、Co、Ni满足，为铁磁性。合金化可改变晶体结构和原子尺寸，得到多种铁磁体,铁磁性：交换积分A0，原子磁矩同向平行排列。超过Tc，交换作用被破坏，变成顺磁性，磁化率服从居里外斯定律。,3、反铁磁性和亚铁磁性,顺磁性,反铁磁性：交换积分A0，原子磁矩反向平行排列。,超过TN（奈尔点，反铁磁性体的居里点），交换作用被破坏，变成顺磁性，磁化率服从居里外斯定律。,TN以下，T升高，增大与铁磁体相反,TN附近，热膨胀、电子、比热、弹性等反常利用,MnO的磁化率与温度的关系,极低温度相邻原子的自旋完全反向，磁矩几乎完全抵消，磁化率接近0,温度升高，自旋反向作用减弱，磁化率增大。,TN以上顺磁体,用中子衍射测出的MnO点阵中Mn2+离子的自旋排列,可见在同一(111)面上的离子自旋方向相同，而所有相邻(111)面上的离子自旋方向相反。,一般是金属氧化物铁氧体半导体，高电阻可用于高频磁化过程。,亚铁磁性：交换积分A0，原子磁矩反向平行排列，但A,B原子的磁矩不同，不能抵消。,超过Tc，交换作用被破坏，变成顺磁性，磁化率服从居里外斯定律,自发磁化铁磁体不需外磁场磁化，自动表现出铁磁性？不能退磁？,4.磁畴结构,自发磁化不是在整个晶体中都一致，而是在磁体内分成大量自发磁化的小区域外斯理论,分畴的原因,不分畴，端面形成磁极，磁场分布在整个铁磁体附近的空间内，有很大的静磁能,分两畴，磁场主要分布在铁磁体两端附近，静磁能降低。多畴更低，无限多畴静磁能最低，但不为0,降低铁磁体的总能量。,单晶情形,三角形封闭磁畴，静磁能为零。但某些磁畴的自发磁化不处于易磁化方向，产生磁晶各向异性能；且各磁畴的方向不同使其其磁致伸缩不同，产生磁弹性能。,磁畴细化，多个三角形的封闭畴，降低磁晶各向异性能和磁弹性能实际单晶磁畴形状,畴壁,畴壁也引起能量升高，称为畴壁能。,相邻磁畴之间的分界。,180o畴壁：相邻畴壁的磁化方向相反。90o畴壁：相邻畴壁的磁化方向差90o左右（109o，90o，71o等）。,磁畴细分可降低静磁能、磁晶各向异性能和磁弹性能，但增加畴壁能，当提高和降低能量的诸方面达到平衡时总能量最低，分畴停止。,畴壁是有一定厚度的过渡区,畴壁无过渡区，计算表明交界处的交换能Eex极大。,形成过渡层降低交换能，原子自旋方向逐渐过渡。畴壁越厚，交换能越小，但磁矩偏离易磁化方向的原子越多，磁晶各向异性能Ek越大。,畴壁厚度,单位面积的畴壁能W与壁厚N的关系,实验中已观察到了磁畴的存在，且畴壁厚度可以计算。,Eex与Ek平衡的结果，在N0处达到畴壁能最低，N0 即畴壁的平衡厚度,布洛赫(Bloch)壁在整个过渡区原子磁矩都平行于畴壁平面的畴壁。,畴壁中的原子磁矩可按不同方式逐步过渡到180或90的取向差。,磁畴结构：磁畴的形状、尺寸、畴壁类型与厚度的总称。同一材料经过不同的处理可得到不同的磁畴结构，可使其磁性千差万别。,比单晶体复杂。,晶界、第二相、晶体缺陷、夹杂、应力、偏析等都影响畴结构,多晶体的磁畴结构,每个晶粒都可能包含多个磁畴,磁畴内的磁化强度都沿晶体的易磁化方向。,相邻晶粒的取向不同，易磁化方向不同，其中的磁畴自发磁化方向不同畴壁不能穿过晶界,铁硅合金多晶体的畴界和晶界粉纹图,7.4.3 铁磁体的技术磁化(Magnetization of ferromagnetic materials),1.技术磁化和退磁的过程,技术磁化：外加磁场作用于磁畴，使其逐渐转向外磁场方向的过程。,方式：畴壁迁移和磁畴旋转，单独或同时起作用,低磁场，畴壁可逆迁移,磁场升高，畴壁不可逆迁移，外磁场消失也不回迁,高磁场，磁畴旋转,畴壁迁移举例,畴壁通过第二相，面积减小，降低畴壁能,外加磁场H，通过畴壁内原子依次转向H方向，与H方向相近的磁畴体积增大，畴壁向另一磁畴弯曲，可逆迁移,弯曲畴壁面积比通过第二相的平面畴壁大，畴壁脱离第二相,畴壁自动迁移到下一排第二相，面积减小，达到另一稳态。,不可逆迁移结果：整个材料成为一个大磁畴，磁化强度的方向是晶体易磁化方向，与外磁场方向相近。,继续增大外场，整个磁畴的磁矩方向转向外磁场方向磁畴的旋转。,磁畴旋转的结果：磁畴的磁化强度方向与外磁场相同再增加外场，磁矩方向不会再旋转，磁化强度不再增加磁饱和。,退磁机理,饱和磁化后撤去外磁场，磁畴逆向旋转，磁化强度从外磁场方向转回易磁化方向，但磁畴不可逆迁移仍保留剩磁Mr。,影响畴壁迁移、转动的因素,夹杂物、孔洞与第二相粒子作用类似。内应力：内应力起伏越大，分布越不均匀，对畴壁迁移的阻力越大。,加反向外磁场畴壁反向迁移消除剩磁反向迁移的难易决定矫顽力Hc。,磁晶各向异性能：畴壁迁移过程中原子磁矩的转动必然要通过难磁化方向，所以磁导率随磁晶各向异性能的降低而增大。磁致伸缩和磁弹性能：对磁畴迁移形成阻力，因为畴壁迁移会引起材料某一方向伸长，某些方向缩短。,2.强磁体磁性能的影响因素,饱和磁化强度与温度的关系,温度升高，饱和磁化强度Ms减小,到一定温度Ms减小到0，就是居里温度Tc。,亚铁磁体的饱和磁化强度与温度的关系,在Tcomp 有MA=MB，总磁化强度为0，称为补偿温度（补偿点），已经在磁光记录中得到了应用,随温度升高，强磁体矫顽力、剩磁等一般也是降低的。,多相合金的饱和磁化强度是各相饱和磁化强度按体积的加权平均。,冷塑性变形晶粒破碎、内应力增大畴壁不易迁移矫顽力增大；再结晶退火引起相反的组织结构变化磁性能发生相反的变化。冷塑性变形形成形变织构（晶粒择优取向）易磁化方向趋向一致，沿该方向就可获得高磁导率、饱和磁化强度等磁性能硅钢片轧制后有利取向上可提高磁导率一倍以上,提高磁性能的措施,热处理还可以改变铁磁体的应力状态、第二相形状、数量分布等，对磁性能产生复杂的影响。合适的热处理方式也是改善磁性能的重要手段。,磁化时使有织构的铁磁体的易磁化方向与外磁场方向一致可提高剩磁Mr。在磁场中进行热处理：在磁场中加热至Tc以上降温，造成磁畴有序排列，可提高剩磁Mr。,交变磁场下，强磁体的磁化行为与静态或准静态磁场下不同。,3.交变磁场下强磁体的能量损耗,反复磁化和退磁磁滞损耗。动态磁滞回线的形状与磁场的振幅、频率、波形有关磁滞回线包围的面积变化，能量损耗量变化,若强磁体是导体，在交变磁场中反复磁化时其内部的磁通密度总在变化，因此其内部有电流产生。这种在导体内部流动的电流称为涡流。,强磁体畴壁处还会产生微观涡流。,涡流会产生焦耳热而损耗能量,材料的电阻越大，涡流越弱，涡流损耗越小某些场合铁氧体比金属材料优越。,趋肤效应（集肤效应）：涡流产生与外磁场相反的磁通，材料内部这种效应更强烈，好像材料内部的磁感应强度被排斥到材料表面一样涡流集中于表面。,7.5 强磁材料(High magnetic materials),7.5.1 软磁材料(Soft magnetic materials),软磁材料：具有高磁导率和低矫顽力的磁性材料,易磁化，易退磁，用于电磁铁极头、发电机、电动机、变压器、继电器的铁芯等场合。,性能要求：大的磁导率一定磁场下产生很大的磁感应强度；小的矫顽力Hc磁化在外磁场去掉后立即消失，一般要求Hc100A/m。还要求其磁化的能量损耗小。,1.纯铁和低碳钢：/0可达1600，Hc=80A/m。2.硅钢加入硅提高电阻率，降低涡流损耗。通过冷轧后再结晶处理可获得具有织构的硅钢片，在易磁化方向获得优良的软磁性能。Fe-Si-Al硅钢的/0 可达40000，Hc可降低至8A/m。,3.坡莫合金(Ni-Fe合金)：Ni-Fe-Mo系合金/0可达200000，Hc可低至1A/m。,4.铁氧体软磁材料：大电阻率，在高频交变场下可有效地降低涡流损耗。其成分一般为MFe2O4，其中M=(Mn,Zn)+Fe或(Ni,Zn)+Fe，一般有与Fe3O4相似的尖晶石结构。,5.非晶态合金：具有优良的软磁性能。包括Fe-Co-Cr-Si-B、Fe-Ni-Mo-Si-B等体系。但太脆，在受热后易晶化，大块非晶合金难于制备。,6.纳米晶软磁材料：向Fe-B-Si基合金中加入Cu、Nb形成非晶态，经适当热处理使之晶化，形成纳米级晶粒。期望在纳米晶粒度下获得强烈的晶粒交换耦合作用，得到优异的磁性能。,7.5.2 硬磁材料(Hard magnetic materials),硬磁材料（永磁材料）：被外磁场磁化后，去掉外磁场仍然保持较强剩磁的材料。,性能要求：剩磁Mr和Br大，矫顽力Hc高，磁能积最大值(BH)m大。,用途：扬声器、耳机、话筒、小马达、冰箱封条,1.天然磁石2.碳钢淬火马氏体：高内应力锁定磁畴，获得高矫顽力。加入W、Ca、Co等改善之，贵。以Al取代：AlNiCo系磁钢，析出强铁磁性的第二相，其取向可通过热处理控制，在有利取向上可获得优良的磁性能。,3.硬磁铁氧体：MO6Fe2O3(M=Ba,Sr)，称为陶瓷磁体，成本更低，70年代逐渐取代AlNiCo,4.稀土永磁材料材料理论设计：稀土金属和3d过渡金属通过原子轨道磁矩产生很大的磁各向异性，3d过渡金属又产生很大的交换作用，使他们获得高的矫顽力和高居里温度。60年代 SmCo5（钐钴合金）80年代 Nd-Fe-B，Nd2Fe14B化合物，磁能积(BH)max可达钢的几十倍。,5.聚合物基永磁复合材料（粘结型磁体，Bond Magnets）：将永磁材料粉末橡胶、塑料等。易成型，易二次加工，韧性好，重量轻。,例：NdFeB系合金粉末制成的粘结磁体的磁性能可超过AlNiCo系磁钢和铁氧体。,硬磁材料磁能积的进展,7.5.3 磁记录材料(Magnetic recording materials),并非单独的一类材料通过特殊的加工方法将硬磁材料或软磁材料用于磁记录，使该材料可将信息转化为磁性材料的磁化（写入），再将材料的磁化转化为信息（读出）。,磁记录介质性能要求：高矫顽力，高剩磁，细化（记录密度大）。1.磁粉：涂于涤纶基体Fe2O3，CrO2，Fe2O3Co粉，-Fe2O3粉掺入或包覆Co等。2.高密度连续膜磁介质：微盒式磁带、新型录像带、硬盘：高容量，微型化。例：铝基片上沉积Ni、Co、Fe、Co-P、Co-Fe、Co-Ni、Co-Ni-Cr、Co-Ni-Pt、Co-Sm、Co-Cr等金属膜，非晶态合金如Co-Cr-Pt-Tb-B合金膜,写入头读出头要用软磁材料。,对其材料的性能要求有高饱和磁化强度、高磁导率、高使用频率、低矫顽力、高居里温度、低磁致伸缩系数等。已经应用的材料有单晶或多晶铁氧体、坡莫合金、Fe-Co-Ni合金、Fe-Al合金等。,巨磁电阻材料：磁电阻(Magneto-Resistance)：磁性材料的电阻可随磁化状态的改变而改变。“巨磁电阻”效应：1988，某些材料磁化后电阻率变化达50%以上。现象应用使硬盘容量成百倍增加法国、德国科学家先后独立发现该现象2007年诺贝尔物理学奖。,