《材料磁性能》PPT课件.ppt
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1、材料物理性能,教 师:陈国钦联系电话:电子邮件:办公地址:哈尔滨工业大学 科学园C3栋505,第六章 材料磁性能,6.1 磁学基本量及磁性分类6.2 铁磁性和亚铁磁性材料的特性6.3 磁性材料的自发磁化和技术磁化,6.1 磁性基本量及磁性分类,1.磁学基本量:1)磁场强度H:一根通有I安培(A)直流电的无限长直导线,在距导线轴线r米(m)处产生的磁场强度:2)磁偶极矩m:环形电流在其运动中心处产生一个磁矩(或称磁偶极矩):3)磁感应强度B:材料在磁场强度为H的外加磁场作用下,会在材料内部产生一定的的磁通量密度,称其为磁感应强度B。单位:特斯拉(T),或韦伯/米2(Wb/m2),或(VS/m2)
2、式中:u为磁导率,是材料的本征参数,表示材料在单位磁场强度的外加磁场作用下,材料内部的磁通量密度。在真空中 0为真空磁导率,0=410-7(H/m),(A/m),(A m2),6.1 磁性基本量及磁性分类,1.磁学基本量:4)相对磁导率r:5)磁化率X:6)磁化强度M:当M,B与H相互平行时,X和r为标量,否则,它们为多阶张量。磁感应强度还可写成:材料的宏观磁性是组成材料的原子中电子的磁矩引起的,产生磁矩的原因有两个(1)电子绕原子核的轨道运动,产生一个非常小的磁场,形成一个沿旋转轴方向的轨道磁矩;(2)电子绕自身的旋转轴运动,产生自旋磁矩,它比轨道磁矩要大得多。因此可以把原子中每个电子都看作
3、一个小磁体,具有永久轨道磁 矩和自旋磁矩。,1)H(A/m)-E(V/m):导致极化的外部驱动力的量度;2)B(VS/m2)-P(C/m2):材料对外部作用场的响应的量度;3)X()-Xe 无量纲,描述材料对外部作用场的响应;4)0-0 建立材料的相应参数和尺度参比量,2.磁性参数与介电参数的比较,6.1 磁性基本量及磁性分类,例:将Al磁化到磁感应强度与地球的磁感应强度相同(6 10-5T),Al的磁化率X=16.510-6),求施加的外部磁场强度。,6.1 磁性基本量及磁性分类,3.物质的磁性分类:根据固体中电子与外部磁场之间交互作用的性质与强度,将材料分为5类:与外部无响应(基本):抗磁
4、性 顺磁性 X 1 反铁磁性 与外部磁场有强烈的相互作用:铁磁性 X1 亚铁磁性,6.1 磁性基本量及磁性分类,4.抗磁性/顺磁性 1)抗磁体:内部磁场M与外部磁场H的方向相反(X0,10-6),它们在磁场中受微弱的斥力。可分为:“经典”抗磁体:X与T无关 Cu,Ag,Au,Hg,Zn“反常”抗磁体:X与T有关 Bi,Ga,In,Zr-Cu(其X是前者的10100倍)注:电子绕原子核的轨道旋转对物质的抗磁性有贡献,电子的自旋可能对顺磁性有贡献。组成物质的原子具有完全填满的电子壳层,具有抗磁性。在填满的壳层中,正负电子自旋的电子数相等,来自自旋运动总的磁矩为0,例:大多数的离子键晶体和共价键晶体
5、,几乎全部在机化合物,惰性气体。,6.1 磁性基本量及磁性分类,4.抗磁性/顺磁性 2)顺磁体:磁化率X为正值,约为10-310-6,它们在磁场中受微弱的引力。可分为:正常顺磁体:X 1/T Pt,钯,奥氏体不锈钢,稀土金属 X与温度无关的顺磁体:Li,Na,K,Rb(1)源自未填满的内电子壳层中那些未成对的电子具有的磁矩,绝大多数的过渡金属和稀土金属具有顺磁性。(2)具有奇数个电子的原子或点阵缺陷。,6.2 铁磁性和亚铁磁性材料的特性,1.铁磁性 X1,在较低的温度下,铁磁物质中相邻原子磁偶极矩之间的交换作用,其强度可以克服热起伏的影响,结果没有外部磁场的作用下,相邻的偶极子也彼此整齐的排列
6、。例:纯铁-B0=10-6T时,其磁化强度M=104A/m FeSO4(顺磁性),B0=10-6T时,其磁化强度M=0.001A/m 具有铁磁性的物质满足以下条件:1)内层电子未填滿,2)未填满的电子层有较小的轨道半径 3)未填满的电子层的电子能带很窄 上述条件在Fe,Co,Ni的 3d能带及稀土金属的4f得到满足:,6.2 铁磁性和亚铁磁性材料的特性,1.铁磁性居里温度 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
7、的。居里温度是指材料可以在铁磁体和顺磁体之间改变的温度。低于居里温度时该物质成为铁磁体,此时和材料有关的磁场很难改变。当温度高于居里温度时,该物质成为顺磁体,磁体的磁场很容易随周围磁场的改变而改变。这时的磁敏感度约为10的负6次方。,6.2 铁磁性和亚铁磁性材料的特性,2.磁化曲线特征:非线性的,Ms:饱和磁化强度;Bs:饱和磁感应强度(1)起始磁导率(ui):磁化曲线起始部分的斜率.(2)最大磁导率(um):磁化曲线拐点k处的斜率,6.2 铁磁性和亚铁磁性材料的特性,3.磁滞回线 当H下降时,B-C-D-E Mr:剩余磁化强度 Br:剩余磁感应强度 Hc:矫顽力得封闭曲线:EFG-B(1)退
8、磁过程中M的变化落后于H的变化-磁滞现象;(2)试样的磁化曲线形成一个封闭曲线-磁滞回线。磁滞回线所包围的面积表征磁化一周时所消耗的功,称为磁滞损耗Q,6.2 铁磁性和亚铁磁性材料的特性,4.磁晶各向异性和各向异性能 1)磁性的各向异性:在单晶体的不同晶向上,磁性能是不同的。磁化功:使铁磁体磁化消耗的能量。磁晶各向异性能:磁化强度矢量沿不同晶轴方向的能量差。2)对于 Fe,Ni,Co,6.2 铁磁性和亚铁磁性材料的特性,4.磁晶各向异性和各向异性能 3)对于立方晶系:设,分别为磁化强度M与三个晶轴方向的余弦,即 有:Ek:磁晶各向异性能 K0:主晶轴方向磁化能量,与变化的磁化方向无关。K1,K
9、2:磁晶各向异性常数,由原子结构决定。一般情况下,K2可以忽略。,6.2 铁磁性和亚铁磁性材料的特性,5.铁磁体的形状各向异性及退磁能 1)形状各向异性:对一定形状的材料,沿不同方向测得的磁化曲线是不同的。2)静磁能:铁磁体在磁场中的能量。包括铁磁体与外磁场 的作用和铁磁体在自身退磁场中的能量。3)退磁场:形状各向异性是由退磁场引起的。退磁场强度:退磁场强度与磁化强度成正比,负号表示退磁场的方向与磁化强度的方向相反。D为退磁场因子,与形状有关。,6.2 铁磁性和亚铁磁性材料的特性,5.磁致收缩与磁弹性能 1)磁致收缩:铁磁体在磁场中磁化,形状与尺寸都会发生变化。特性:(1)与磁场强度有关(2)
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