材料的磁性能与磁性功能材料.ppt

材料的磁性能与磁性功能材料,谭成文,磁学现象的两个基本命题：1 磁及磁现象的根源是电流，或者说是电荷 的运动。2 所有的物质都是磁性体,磁学初步认识：,安培分子电流学说：组成磁铁的每个分子都具有一个小的分子电流，经过磁化的磁铁其小分子电流都定向规则排列。,现代科学认为物质的磁性来源于组成物质中原子的磁性：原子中外层电子的轨道磁矩电子的自旋磁矩原子核的核磁矩,原子的总磁矩应是按照原子结构和量子力学规律将原子中各个电子的轨道磁矩和自旋磁矩相加起来的合磁矩,总的来说，组成宏观物质的原子有两类：1、原子中的电子数为偶数，即电子成对地存在于原子中。这些成对电子的自旋磁矩和轨道磁矩方向相反而互相抵消，使原子中的电子总磁矩为零，整个原子就好像没有磁矩一样，习惯上称他们为非磁原子。2、原子中的电子数为奇数，或者虽为偶数但其磁矩由于一些特殊原因而没有完全抵消使原子中电子的总磁矩（有时叫净磁矩，剩余磁矩）不为零，带有电子剩余磁矩的原子称作磁性原子。,自发磁化：如前所述某些原子的核外电子的自旋磁矩不能抵消，从而产生剩余的磁矩。但是，如果每个原子的磁矩仍然混乱排列，那么整个物体仍不能具有磁性。只有所以原子的磁矩沿一个方向整齐地排列，就象很多小磁铁首尾相接，才能使物体对外显示磁性，成为磁性材料。这种原子磁矩的整齐排列现象，就称为自发磁化。磁畴：磁性材料内部的一个个小区域，每个区域内部包含大量原子，这些原子的磁矩都象一个个小磁铁那样整齐排列，但相邻的不同区域之间原子磁矩排列的方向不同，如下图所示。各个磁畴之间的交界面称为磁畴壁。宏观物体一般总是具有很多磁畴，这样，磁畴的磁矩方向各不相同，结果相互抵消，矢量和为零，整个物体的磁矩为零，它也就不能吸引其它磁性材料。也就是说磁性材料在正常情况下并不对外显示磁性。只有当磁性材料被磁化以后，它才能对外显示出磁性。,磁畴示意图,a、软磁材料条形畴；b、树枝状畴；c、薄膜材料中可以见到的磁畴,磁畴壁示意图,居里温度：对于所有的磁性材料来说，并不是在任何温度下都具有磁性。一般地，磁性材料具有一个临界温度Tc，在这个温度以上，由于高温下原子的剧烈热运动，原子磁矩的排列是混乱无序的。在此温度以下，原子磁矩排列整齐，产生自发磁化，物体变成铁磁性的。,应用举例：（电饭煲的控制）,磁学基本概念：,磁场强度：指空间某处磁场的大小，用H表示，它的单位是安/米（A/m）。磁化强度：指材料内部单位体积的磁矩矢量和，用M表示，单位是安/米（A/m）。磁化率：物体在磁场中被磁化的程度与磁化场的强度有关，其关系为M=H，即为磁化率。磁感应强度：磁感应强度B的定义是：B=0(H+M)，其中H和M分别是磁化强度和磁场强度，0是一个系数，叫做真空导磁率。磁感应强度又称为磁通密度，单位是特（T）。导磁率：导磁率的定义是=B/H，是磁化曲线上任意一点上B和H的比值。导磁率实际上代表了磁性材料被磁化的容易程度，或者说是材料对外部磁场的灵敏程度。,物质磁性:,物质放入磁场中会表现出不同的磁学特性，称为物质的磁性。,根据物质的磁化率，可以把物质的磁性分为五类：1、抗磁体，为甚小的负数（大约在-10-6量级），在磁场中受微弱的斥力，如金、银。2、顺磁体，为正数（大约在10-310-6量级）在磁场中受微弱的引力，如铂、钯、奥氏体不锈钢。3、铁磁体，为很大的正数，在较弱磁场作用下可以产生很大的磁化强度，如铁、钴、镍。4、亚铁磁体，处于铁磁体与顺磁体之间，即通常所说的磁铁矿、铁氧体等。5、反铁磁体，为小正数，高于某一温度时其行为与顺磁体相似，低于某一温度磁化率与磁场的取向有关。,铁磁性材料,亚铁磁性材料,顺铁性材料,反铁磁性材料,抗铁磁性材料,H,M,五种磁体的磁化曲线示意图,磁饱和性,H,B,B0,B,BJ,O,磁化曲线,B0 是真空情况下的磁感应强度；,BJ 是磁化产生的磁感应强度；,B 是介质中的总磁感应强度。,磁性物质因磁化产生的磁场是不会无限制增加的，当外磁场(或激励磁场的电流)增大到一定程度时，全部磁畴都会转向与外场方向一致。这时的磁感应强度将达到饱和值。,磁滞性,磁感应强度滞后于磁场强度变化的性质称为磁滞性。如图为磁性物质的滞回曲线。,要使剩磁消失，通常需进行反向磁化。将 B=0时的 H 值称为 矫顽磁力 Hc，（见图中3和6所对应的点。）,在铁心线圈通有交变电流时，铁心将受到交变磁化。在电流变化一次时，B随H而变化的关系如图所示。,从图中可以看出，当H减少为零时，B 并未回到零值，出现剩磁Br。,磁性物质的分类,(1)软磁材料,其矫顽磁力较小，磁滞回线较窄。(铁心),(2)永磁材料,其矫顽磁力较大，磁滞回线较宽。(磁铁),(3)矩磁材料,其剩磁大而矫顽磁力小，磁滞回线为矩形。(记忆元件),根据滞回曲线和磁化曲线的不同，分成三类：,磁学的各种物理效应及应用,磁致伸缩效应使消磁状态的铁磁体磁化，一般情况下其尺寸，形状会发生变化，这种现象为磁致伸缩效应。为磁致伸缩系数，高于10-3以上的材料为超磁致伸缩材料，代表为TbxDy1-xFe.,磁致伸缩产生的机制,磁致伸缩产生的原因，除单纯的磁偶极子相互作用外，还有自旋间各种类型的相互作用。,超磁致伸缩产生机理,一般认为超磁致伸缩是由于晶体在特定方向上的电子云分布受磁场的影响更大所致。,超磁致伸缩材料的应用,能够产生更大伸缩量的超磁致伸缩材料在各种伺服机构中有广泛的应用。,超磁致伸缩材料的应用,超磁致伸缩材料的应用,超磁致伸缩材料的应用,德国的E.Quandt等人设计的一种悬臂梁式磁致伸缩微阀门，图3（a）和（b）分别为阀门关闭和开启时的示意图,图3(c)为阀的A向截面图。,磁致伸缩振子：超声波焊机，切割机，声纳，滤波器件等,超磁致伸缩材料的应用,為美國一家公司生產的揚聲器轉換裝置。這個看似鼠標的東西用處很大，能把大多數平坦光滑的堅硬物例如牆体或家具表面變成揚聲器，用于播放音樂和語音。它使用了一种美國軍方的聲納材料，在磁場作用下，能通過膨脹或收縮，把音頻信號傳遞到平坦物体表面，從而把這些物体變成傳聲板。,磁性液体,所谓磁性液体，就是把表面活性剂处理过的超细磁性微粒高度分散在基液中形成一种磁性胶体溶液。磁性液体的微粒（10nm)的磁距在平时是混乱的，但施加外磁场后磁液被磁化。磁性液体有：铁氧体型磁性液体和金属型磁性液体。,磁性液体的特性：1、磁性；2、粘性当施加外磁场时，粘度增加；3、磁压力4、界面控制。,磁性液体的制备方法,1、磁性氧化物超微粒的制备：一般是以磁铁矿等铁氧化物为主体，由金属盐类水溶液通过共沉淀制成超微粒。2、超微粒的分散：将氧化物借助于界面活性剂（甘油三油酸等）溶入在碳氢化合物（油类）中。,磁性液体的种类,磁性液体在非均匀磁场中将聚集于磁场梯度最大处，因此利用外磁场可将磁性液体约束在密封部位形成磁性液体“O”型环，具有无泄露、无磨损、自润滑、寿命长等特点。,磁性液体的应用,1、磁性密封,2、磁流体装甲,MIT的McKinley，Oily fluid full of tiny iron particles before being near a magnet(above);and after.,扬声器阻尼器磁性液体在磁场的作用下可以自动定位，而不会四处流动。所以可以将磁性液体放置在扬声器音圈和磁隙中,可以有效改善扬声器的性能。,磁光效应,透明的铁磁性材料中光的透射或反射时，光与自发磁化相互作用，会发生特异的光学现象。,磁光效应的应用,1磁光调制器磁光调制器是利用偏振光通过磁光介质发生偏振面旋转来调制光束。磁光调制器有广泛的应用，可作为红外检测器的斩波器，可制成红外辐射高温计、高灵敏度偏振计，还可用于显示电视信号的传输、测距装置以及各种光学检测和传输系统中。,2磁光传感器用磁光效应来检测磁场或电流的器件称为磁光传感器。它集激光、光纤和光技术于一体，以光学方式来检测磁场和电流的强弱及状态的变化，可用于高压网络的检测和监控，还可用于精密测量和遥控、遥测及自动控制系统。,4磁光记录磁光记录是近十几年迅速发展起来的高新技术。磁光记录是目前最先进的信息存储技术，它兼有磁盘和光盘两者的优点。磁光盘广泛应用于国家管理、军事、公安、航空航天、天文、气象、水文、地质、石油矿产。磁光盘是以稀土元素（RE）铽、镝、钆等与过渡族金属（TM）铁、钴的非晶合金薄膜为记录介质。这种磁光记录薄膜是用Tb-FeCo等RE-TM合金靶材通过真空溅射沉积而成的，RE-TM合金靶材是制造磁光盘的关键材料。,磁光记录,磁光读取,