《磁学基础知识》PPT课件.ppt

磁性功能材料Magnetic Functional Materials,童六牛安徽工业大学材料学院E-mail:,第一章 磁学基础知识,磁与电究竟存在什么联系?,磁学基础物质的磁性,物质的磁性,环型电流的磁矩:,磁矩大小=电流强度回路所围面积磁矩的方向：右手螺旋定则确定,n,i,磁性的起源Origin of Magnetism,磁学基础物质的磁性,电子的轨道磁矩和自旋磁矩,磁学基础物质的磁性,磁矩:m=iS(Am2)磁矩是表示磁体本质的一个物理量。任何一个封闭的电流都具有磁矩=IS。其方向与环形电流法线的方向一致，其大小为电流与封闭环形的面积的乘积IS。磁偶极矩:jm=ml(Wbm),其中m为磁偶极子的磁极强度.两个磁极间作用力：F=（m1m2）/（40 r2)jm=0 m,其中0=410-7 H/m,1.1 磁学基础基本磁性参量,Magnetic Terminology&Units,磁化强度 M 定义为物质单位体积的磁矩：,是一个面积为 s 的电流为 i 的环形电流的磁矩。单位是 Am2,因此磁化强度的单位是 Am-1,它和磁场强度 H 的单位是一样的。,磁极化强度 Jm 定义为物质单位体积的磁偶极矩：,jm 是一个长度为 l,磁荷为qm的磁偶极子，其单位是：Wbm，因此磁极化强度的单位是：Wbm-2(和磁感应强度 B 单位 T 一致),两个物理量之间的关系为：,1.1 磁学基础基本磁性参量,磁化强度 M 和磁极化强度 Jm,磁场强度（H）：电流为 I 的电流在一个每米有N匝线圈的无限长螺旋管轴线中央产生的磁场强度 H 为：H=n I A/m（安/米）无限长载流直导线的磁场强度 H 为：H=I/（2r）磁感应强度(B):物质在外磁场作用下，其内部原子磁矩的有序排列还将产生一个附加磁场。在磁性材料内部外加磁场与附加磁场的和,单位为T（特斯拉）或Wb/m2。,1.1 磁学基础基本磁性参量,磁场强度（H）和磁磁感应强度(B):,磁化强度(M):单位体积磁体内各磁畴磁矩的矢量和，单位A/m,在真空中磁感应强度B与磁场强度H间的关系为：B=0H 在磁性材料中：B=0（H+M）在均匀的磁性材料中，上式的矢量和可改成代数和：B=0（H+M）磁性材料的磁导率定义为磁感应强度与磁场强度之比：=B/H 0:真空磁导率;:绝对磁导率，单位为 H/m，r:相对磁导率 r=/0 磁化率定义为磁化强度与磁场强度之比：=M/H,1.1 磁学基础基本磁性参量,磁导率和磁化率,磁化率和磁导率,反映物质磁化的难易程度。,磁化率(c)(Magnetic Susceptibility)：,(the same for S.I.and cgs units).,1.1 磁学基础基本磁性参量,磁感应强度:B(特斯拉)磁场强度:H(安/米)磁化强度:M(安/米)物质磁化后的总磁场为B：B=0（H+M）B=0（1+）HB=H=B/H,1.1 磁学基础基本磁性参量,磁导率,Definitions of Three Magnetic Vectors:HMagnetic field,磁场强度 MMagnetization,磁化强度 BMagnetic induction,磁感应强度,1.1 磁学基础基本磁性参量,磁场强度H和磁感应强度B,电磁学的单位由于历史的原因曾有过多种，有静电制(CGSE)，静磁制(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）,没有0！,1.1 磁学基础基本磁性参量,Two Units:,CGS:(centimeter,gram,second),fictitious magnetic polesSI:(SI:systme internationale),current sources,国际单位制（SI）高斯单位制（EMU）,单位:B：高斯（Gauss）H：奥斯特（Oe）,单位:B：特斯拉（T）或Wb/m2 H：（A/m）,磁极化强度 J T Gs 4 10-4,B:1 T=104 G H:1 kAm-1=4 OeM:1 kAm-1=emu cm-3(BH)max:1 kJm-3=4 p 10-2 MGOe,退磁场,当铁磁体由于磁化，在表面具有面磁极(荷)或体磁极(荷)时，在铁磁体内将产生与磁化强度方向相反的退磁场Hd。如果磁化均匀，则退磁场也是均匀磁场，且与磁化强度成比例而方向相反，因此,这时磁性体内部的有效磁场为：,N 称作退磁因子，它的大小与M无关，只依赖于样品的几何形状及所选取的坐标，一般情况下它是一个二阶张量。,1.1 磁学基础基本磁性参量,Hex,M,Hd,+,+,+,+,-,-,-,-,均匀磁化的磁性体中外磁场、退磁场、有效磁场三者关系示意图,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：,如果磁性体不是椭球形状，即使在均匀外场中，磁化也是不均匀的，这时退磁场的大小和方向随位置而变，很难用退磁因子来表示。,在CGS单位值中,旋转椭球的极限情况：,NiFe坡莫合金：,Hc=2 A/m；Ms=9.24 105 A/mHd=NMs=1/3 9.24 105=3.08 105 A/m,退磁场能：它是在磁化强度逐步增加的过程中逐步积累起来的，单位体积内,对于均匀材料制成的椭球样品，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。,铁磁体在外磁场H中的能量密度(单位体积),1.1 磁学基础基本磁性参量,退磁场能,1.2 材料的磁化,磁化曲线（起始磁化曲线）磁滞回线退磁曲线,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。,环状样品退磁场为零,见应用磁学p20,球形样品 容易修正,1.3 磁学基础物质磁性的分类,物质磁性分类,顺磁性,被磁化后，磁化场方向与外场方向相同，：1 104,铁磁性,被磁化后，磁化场方向与外场方向相同，：10-3-10-6,被磁化后，磁化场方向与外场方向相反，：（10-5 10-6）,抗磁性,与外加磁场的关系,顺磁性起因于原子或分子磁矩，在外加磁场作用下趋于沿外场方向排列，使磁质沿外场方向产生一定强度的附加磁场。顺磁性是一种弱磁性。顺磁性材料多用于磁量子放大器和光量子放大器，在工程上的应用极少。顺磁金属主要有Mo，Al，Pt，Sn等。,抗磁性是由于外磁场作用下，原子内的电子轨道绕场向运动，获得附加的角速度和微观环形电流，从而产生与外磁场方向相反的感生磁矩。原子磁矩叠加的结果使宏观物质产生与外场方向相反的磁矩。由于属于此类的物质有C，Au，Ag，Cu，Zn，Pb等。,1.3 磁学基础物质磁性的分类,H,m,m,Dm,k,k,Dk,Dk,Dm,产生抗磁性的原理,m：磁矩,Dm：附加磁矩,Dk：附加向心力,k：向心力,抗磁性具有普遍性,物质是否表现出抗磁性要看物质的抗磁场是否大于其顺磁场,1.3 磁学基础物质磁性的分类,物质内部原子磁矩的排列a:顺磁性 b:铁磁性 c:反铁磁性 d:亚铁磁性,由于原子间的交换作用使原子磁矩发生有序的排列，产生自发磁化，铁磁质中原子磁矩都平行排列（在绝对零度时),1.3 磁学基础物质磁性的分类,磁性的分类,弱磁性:1.抗磁性：是甚小的负常数，约10-6数量级。M与H反向.2.顺磁性：是正常数，约10-3 10-6 数量级.3.反铁磁性：为甚小的正常数.强磁性4.铁磁体：为很大的正变数，约在10 10 6 数量级。5.亚铁磁体：与铁磁体相似，但 值较小，如磁铁矿（Fe3O4)。,Classes of Magnetic Materials,物质的各种磁性,A.是否有固有原子磁矩？B.是否有相互作用？C.是什么相互作用？1.抗磁性：没有固有原子磁矩 2.顺磁性：有固有磁矩，没有相互作用 3.铁磁性：有固有磁矩，直接交换相互作用 4.反铁磁性：有固有磁矩，间(直)接交换相互作用 5.亜铁磁性：有固有磁矩，间接交换相互作用 6.自旋玻璃和混磁性：有固有磁矩，RKKY相互作用 7.超顺磁性：磁性颗粒的磁晶各向异性与热激发的竞争,物质磁性分类的原则,顺磁性,顺磁性定义:当材料被磁化后,磁化矢量与外加磁场的方向相同时，固体表现为顺磁性。顺磁性物质的磁化率一般很小，室温下约为10-310-6 数量级。原子内部存在固有磁矩(离子有未填满的电子壳层)。如过渡元素、稀土元素：3d-金属Ti,V;4d-金属铌Nb,锆Zr,钼Mo，钯Pd；5d-金属(Hf,Ta,W,铂Pt）。自由电子的顺磁性大于离子的抗磁性。如：碱金属和碱土金属离子虽然是填满的壳层，但Li，Na,K，Mg，Al是顺磁性金属。顺磁性物质的磁化率与温度 的关系服从居里-外 斯定律：,磁性的分类,在反铁磁性中，近邻自旋反平行排列，它们的磁矩因而相互抵消。因此反铁磁体不产生自发磁化磁矩，显现微弱的磁性。反铁磁的相对磁化率的数值为10-5到10-2。与顺磁体不同的是 自旋结构的有序化。,当施加外磁场时，由于自旋间反平行耦合的作用，正负自旋转向磁场方向的转矩很小，因而磁化率比顺磁磁化率小。随着温度升高，有序的自旋结构逐渐被破坏,磁化率增加，这与正常顺磁体的情况相反.然而在某个临界温度以上，自旋有序结构完全消失，反铁磁体变成通常的顺磁体。因而磁化率在临界温度(称奈耳温度Neel point)显示出一个尖锐的极大值。,四、反铁磁性,反铁磁自旋有序，首先是由舒尔和司马特利用中子衍射实验在MnO上证实。MnO的晶体结构是Mn离子形成面心立方晶格，O离子位于每个Mn-Mn对之间。从中子衍射线，超过奈耳点的室温衍射图与奈耳点以下80K温度的衍射图比较，看到低于奈耳点的衍射图有额外的超点阵线，通过分析得到反铁磁的磁结构。,奈耳点以上,奈耳点以下,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。,4.反铁磁性（antuferromagnetism),反铁磁性,反铁磁性反铁磁性物质大都是非金属化合物，如MnO。不论在什么温度下，都不能观察到反铁磁性物质的任何自发磁化现象，因此其宏观特性是顺磁性的,磁性的分类,反铁磁性,（见应用磁学P9）,文献中也绘成磁化率倒数和温度关系的：,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,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。,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都很低，只能在低温下才观察到反铁磁性。,铁磁性,铁磁性有一类物质如Fe,Co,Ni，室温下磁化率可达10 10 6 数量级，这类物质的磁性称为铁磁性铁磁性物质即使在较弱的磁场内，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（有剩磁）。各类磁性物质的-曲线示于下图,磁性的分类,铁磁性铁磁体的铁磁性只在某一温度以下才表现出来，超过这一温度，铁磁性消失。这一温度称为居里点其磁化率与温度的关系服从居里一外斯定律,铁磁性,磁性的分类,这是人类最早发现并利用的强磁性，它的主要特征是：1.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，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。,3.铁磁性（Ferromagnetism),铁磁质：磁矩的有序排列随着温度升高而被破坏，温度达到居里温度（Tc）以上时有序全部被破坏，磁质由铁磁性转为顺磁性。Tc是材料的M-T曲线上MS20对应的温度。顺磁质：朗之万（Langevin）顺磁性：磁化率服从居里(Curie)定律，即：=c/T。泡利（Pauli）顺磁性：服从居里-外斯（Curie-Weiss）定律，即：=C/(T-Tc)。,温度对物质磁性的影响,1.3 磁学基础物质磁性的分类,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。,见Kittel 固体物理学8版p227，姜书p52也有此数据，稍有差别。,-Fe-Fe(910);-Fe-Fe(1401);,铁在高温时顺磁磁化率的变化,强顺磁性过渡族金属Pd溶于Cu,Ag,Au中情况：,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。,5.亚铁磁性（ferrimagnetism),亚铁磁性体：相邻原子磁体反平行，磁矩大小不同，产生与铁磁性相类似的磁性。一般称为铁氧体的大部分铁系氧化物即为此。磁性材料：铁磁性与亚铁磁性的统称。,亚铁磁性体,磁性的分类,铁磁性和亚铁磁性宏观上的区别：,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。,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：LaFeO3,1.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,复习题,何谓磁矩?磁矩的最小单元是什么？电子磁矩可分哪几部分？原子的总磁矩与原子结构有何关系？何谓铁磁性?铁磁性物质与顺磁性物质有何区别?何谓抗磁性?产生抗磁性的根源是什么?列表给出主要磁学量的国际单位和高斯单位，并给出它们之间的换算关系。,铁磁质：磁矩的有序排列随着温度升高而被破坏，温度达到居里温度（Tc）以上时有序全部被破坏，磁质由铁磁性转为顺磁性。Tc是材料的M-T曲线上MS20对应的温度。顺磁质：朗之万（Langevin）顺磁性：磁化率服从居里(Curie)定律，即：=c/T。泡利（Pauli）顺磁性：服从居里-外斯（Curie-Weiss）定律，即：=C/(T-Tc)。,温度对物质磁性的影响,1.3 磁学基础物质磁性的分类,磁各向异性 磁性材料在不同方向上具有不同磁性能的特性。包括：磁晶各向异性，形状各向异性，感生各向异性和应力各向异性等。,单晶体的易磁化和难磁化方向,1.4 磁学基础磁各向异性,（五）磁致伸缩磁性材料磁化过程中发生沿磁化方向伸长(或缩短)，在垂直磁化方向上缩短(或伸长)的现象，叫做磁致伸缩。它是一种可逆的弹性变形。材料磁致伸缩的相对大小用磁致伸缩系数表示，即：=l/l 式中，l和l分别表示磁场方向的绝对伸长与原长。在发生缩短的情况下，l为负值，因而也为负值。当磁场强度足够高，磁致伸缩趋于稳定时，磁致伸缩系数称为饱和磁致伸缩系数，用s表示。对于3d金属及合金:s约为 10-510-6。,1.4 磁学基础磁致伸缩,(一)磁畴结构在铁磁性材料中，原子磁矩平行排列，以使交换作用能最低。但大量原子磁矩的平行排列增大了体系的退磁能，因而使一定区域内的原子磁矩取反平行排列，出现了两个取向相反的自发磁化区域，降低退磁能，直至形成封闭畴。每一个磁矩取向一致的自发磁化区域就叫做一个磁畴。,立方结构单晶铁磁材料的磁畴结构示意图,1.5 磁学基础磁畴结构,Co中的磁畴结构,1.5 磁学基础技术磁化过程,磁畴结构包括磁畴和畴壁两部分。磁畴的体积为10-110-6cm3。畴壁是指磁畴交界处原子磁矩方向逐渐转变的过渡层,畴壁,布洛赫(Bloch)磁畴壁,畴壁两侧的原子磁矩的旋转平面与畴壁平面平行，两个畴的磁化方向相差180,奈耳（Neel）磁畴壁,畴壁内原子磁矩的旋转平面与两磁畴的磁矩在同一平面平行于界面,1.5 磁学基础技术磁化过程,布洛赫,奈尔壁,1.5 磁学基础技术磁化过程,磁化过程：磁性材料在外磁场作用下由宏观的无磁状态转变为有磁状态的过程。磁化是通过磁畴的运动来实现。,（二）磁畴移动与磁化过程,受外磁场作用时，畴内整齐排列在易磁化方向上原子磁矩一致地偏离易磁化方向而向外磁场方向转动。外场愈强，材料的磁各向异性愈弱，则磁矩就愈偏向外场方向。,运动方式,转动,移动,各磁畴内部的磁矩平行或反平行于外加磁场，不受这一磁场的力矩。而畴壁附近的磁矩方向发生改变，使畴壁产生横向移动。,1.5 磁学基础技术磁化过程,畴壁的移动,磁畴的转动,1.5 磁学基础技术磁化过程,（三）磁化曲线,磁化过程四阶段：,（1）M随H呈线性地缓慢增长，可逆畴壁移动过程。（2）M随H急剧增长，不可逆畴壁移动过程，的巴克豪森（Barkhausen）跳跃。（3）M的增长趋于缓慢。磁畴的磁化矢量已转到最接近H方向，M的增长主要靠可逆转动过程来实现。（4）磁化曲线极平缓地趋近于水平线而达到饱和状态。,1.5 磁学基础技术磁化过程,(四）磁性材料的技术磁参量,技术磁参量,内禀磁参量:MS、Tc,外禀磁参量:Hc、Mr或Br、磁导率、损耗、磁能积,MS:饱和磁化强度Hc：矫顽力Mr或Br：剩磁,主要取决于材料的化学成分,对材料结构（如晶粒尺寸、晶体缺陷、晶粒取向等）敏感，可以通过适当的工艺改变,1.5 磁学基础技术磁化过程,损耗：软磁材料磁化一周总的能量损耗W，由涡流损耗，磁滞损耗Wh和剩余损耗Wr三部分组成，通常以每公斤材料损耗的功率表示，即:W=We+Wh+Wr We：在交变磁化条件下，材料垂直于磁场的平面内产生的涡流引起发热产生的损耗。循环磁化一周的涡流损耗与材料的电阻率、厚度D、磁感变化幅度Bm关系如下:WeD2Bm2/Wh：在循环磁化条件下，材料每循环磁化一周所消耗的能量，它也以热的形式表现出来，其大小与磁滞回线的面积呈正比。Wr：从总损耗中扣除涡流损耗和磁滞损耗所剩的部分,1.5 磁学基础技术磁化过程,磁能积（BH）：磁铁在气隙空间所建立的磁能量密度。永磁体均在开路状态下使用，作为磁场源或动作源。主要作用是在磁铁的两磁极空间(或称空气隙)产生磁场Hg。Hg=(BmHmVm/0Vg)1/2 式中Vm、Bm和Hm分别是磁铁的体积、磁感强度和磁场强度，Vg、Hg是气隙的体积和磁场强度。磁场强度（Hg）除与磁体的体积及气隙体积有关外，主要取决于磁体的磁能积（BH）。最大磁能积（BH）max：退磁曲线上磁能积最大的一点，工程应用中通常将(BH)max称为磁能积。,1.5 磁学基础技术磁化过程,对通常的永磁体的应用而言，Hg越大越好。因此、在设计磁铁时，应使其工作点在图中的D点附近。同时、(BH)max越大，Hg也越大。(BH)max越高，所需要的磁体体积就越小(BH)max的大小取决于磁感矫顽力Hc、剩磁Br和隆起系数，即:(BH)max=BrHCB,永磁材料的退磁曲线与磁能积(密度)曲线,1.5 磁学基础技术磁化过程,磁滞回线族,1.5 磁学基础技术磁化过程,（五）磁性材料的稳定性,衡量磁性材料的磁参量随外界因素作用产生的变化，主要考虑Br和Hc。（1）温度稳定性：磁性能随温度的变化。（2）时间稳定性：在某一特定工作环境下长期工 作过程中磁性随时间的变化。（3）化学稳定性：在腐蚀介质的环境中磁性随时 间的变化。,显微组织变化引起的组织时效,性能不稳定的原因,磁畴结构变化引起的磁时效,可逆，再次充磁时材料能恢复原来的磁性,不可逆,1.5 磁学基础技术磁化过程,磁学基础磁性材料分类,按矫顽力分类,软磁材料,半硬磁材料,硬（永）磁材料,Hc100A/m(1.25 Oe),Hc:1001000A/m(1.2512.5Oe),Hc1000A/m(12.5Oe),按用途分类,铁芯材料,磁记录材料,磁头材料,磁致伸缩材料,磁屏蔽材料,变压器、继电器,录音机,通讯仪器、电器,磁带、磁盘,传感器,磁学基础磁性材料分类,主要磁性材料分类,