《磁学基础知识》PPT课件.ppt
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1、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
2、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
3、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
4、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=
5、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
6、,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=
7、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
8、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。
9、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
10、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
11、,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
12、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
13、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
14、-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
15、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
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