【教学课件】第二章材料的磁学.ppt
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1、材料的磁学,Magnetic Properties of Materials,第二章,杜慧玲 博士 主讲西安科技大学材料科学与工程系,主要内容,材料的磁性概述材料的抗磁性与顺磁性理论材料的铁磁性理论材料的磁弹性能动态磁化特征,1.材料的磁性概述1.1 磁性材料发展简历,磁性材料是一簇新兴的基础功能材料。虽然早在3000多年前我国就已发现磁石相互吸引和磁石吸铁的现象,并在世界上最先发明用磁石作为指示方向和校正时间的应用,在韩非子和东汉王充著的论衡两书中所提到的“司南”就是指此,但毕竟只是单一地应用了天然的磁性材料。人类注意于磁性材料的性能特点、制造、应用等的研究、开发的发展历史尚不到100年时间
2、。经过近百年的发展,磁性材料已经形成了一个庞大的家族,按材料的磁特性来划分,有软磁、永磁、旋磁、记忆磁、压磁等;按材料构成来划分,有合金磁性材料,铁氧体磁性材料。,公元前4世纪,中国发明了司南。后来,出现了指南车。公元前3世纪,战国时期,中这样记载:“先王立司南以端朝夕”。中记载:“郑人取玉,必载司南,为其不惑也”。公元1世纪,东汉,王充在中写道:“司南之杓,投之于地,其柢指南”。公元11世纪,北宋,沈括在中提到了指南针的制造方法:“方家以磁石磨针锋,则能指南.水浮多荡摇,指抓及碗唇上皆可为之,运转尤速,但坚滑易坠,不若缕悬之最善。”同时,他还发现了磁偏角,即:地球的磁极和地理的南北极不完全重
3、合。,1.材料的磁性概述1.1 磁性材料发展简历,公元17世纪,英国的吉尔伯特发表了世界上第一部磁学专著。公元18世纪,瑞典科学家在磁学著作中对磁性材料的磁化作了大胆的描绘。公元19世纪,近代物理学大发展,电流的磁效应、电磁感应等相继被发现和研究,同时磁性材料的理论出现,涌现出了象法拉第、安培、韦伯、高斯、奥斯特、麦克丝韦、赫兹等大批现代电磁学大师。20世纪初,法国的外斯提出了著名的磁性物质的分子场假说,奠定了现代磁学的基础。,1.材料的磁性概述1.1 磁性材料发展简历,磁介质的磁化磁介质的分类顺磁质,同向,抗磁质,反向,铁磁质:,,1.材料的磁性概述1.2 磁性的基本概念,一、磁性的分类,二
4、、磁场强度H如果磁场是由长度为l,电流为I的圆柱状线圈(N匝)产生的,则H的单位为A/m,1.材料的磁性概述1.2 磁性的基本概念,三、磁感应强度B:表示材料在外磁场H的作用下在材料内部的磁通量密度。B的单位:T 或Wb/m2在真空中,磁感应强度为式中0为真空磁导率,它是一个普适常数 其值:410-7 单位:H(亨利)/m。,1.材料的磁性概述1.2 磁性的基本概念,在磁介质中,磁场强度和磁感应强度的关系为 式中的为介质的磁导率,是材料的特性常数。的单位为H/m。,1.材料的磁性概述1.2 磁性的基本概念,除了SI单位制以外,还有一种高斯(Gauss)单位制,当使用高斯单位制时,磁感应强度的表
5、达式为这里,B的单位为高斯G,磁场强度H的单位为奥斯特Oe。磁性常数(真空磁导率)为1,单位是G/Oe M是磁极密度,4M 是磁通线的密度。,1.材料的磁性概述1.2 磁性的基本概念,四、磁导率,2.有四种表示方法:绝对磁导率相对磁导率r=/0起始磁导率i复数磁导率,在给定激磁条件下的磁导率,复数磁导率的表示方法(串联等效电路),1.材料的磁性概述1.2 磁性的基本概念,3.在工程中磁导率分为:有效磁导率、永久磁导率、表观磁导率、振幅磁导率、可逆磁导率、切变磁导率、脉冲磁导率、最大磁导率等,磁导率的物理意义:表示材料在单位磁场强度的外磁场作用下,材料内部的磁通量密度。是材料的特征常数。,4.相
6、对磁导率r,定义:材料的磁导率与真空磁导率0之比。r为无量纲的参数磁化率与相对磁导率之间的关系,1.材料的磁性概述1.2 磁性的基本概念,五、磁化强度M定义:在外磁场H的作用下,材料中因磁矩沿外场方向排列而使磁场强化的量度,其值等于单位体积材料中感应的磁矩大小。单位为A/m,与磁场强度H单位一致。,1.材料的磁性概述1.2 磁性的基本概念,1.材料的磁性概述1.3 磁性的起源,一、磁矩磁源于电:环形电流周围的磁场,符合右螺旋法则,其磁矩定义为:m 载流线圈的磁矩I-载流线圈通过的电流S-载流线圈的面积n-载流线圈平面的法线方向上的单位矢量,1.材料的磁性概述1.3 磁性的起源,轨道磁矩,自旋磁
7、矩,二、产生磁矩的原因 轨道磁矩电子围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磁矩,即轨道磁矩。自旋磁矩每个电子本身有自旋运动产生一个沿自旋轴方向的磁矩,即自旋磁矩。,1.材料的磁性概述1.3 磁性的起源,最基本磁矩:Bohr磁子(magneton)B原子中每个电子的自旋磁矩为:B(+为自旋向上,-为自旋向下)軌道磁矩大小则为:miB(mi为磁量子数),三、最基本磁矩-玻尔磁子,1.材料的磁性概述1.3 磁性的起源,四、原子磁矩:为原子中各电子磁矩总和 原子中每个电子都可以看作是一个小磁体,具有永久的轨道磁矩和自旋磁矩。一个原子的净磁矩是所有电子磁矩的相互作用的矢量和,
8、又称为本征磁矩或固有磁矩。电子对的轨道磁矩相互对消,自旋磁矩也可能相互对消,所以当原子电子层或次层完全填滿:磁矩为零如He,Ne,Ar以及某些离子材料。,本节小结:,磁感应强度B、磁场强度H、磁化强度M 等几个概念的关系磁导率的概念磁性的来源:轨道磁矩与自旋磁矩玻尔磁子、净磁矩,1.材料的磁性概述,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:有磁矩,直接交换相互作用 5.亚铁磁性:有磁矩,间接交换相互作用 6.自旋玻璃和混磁性: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每一种材料至
9、少表现出其中一种磁性,这取决于材料的成分和结构。,2.物质的各类磁性,由于外磁场使电子的轨道运动发生变化而引起的,方向与外磁场相反的一种磁性。它是一种很弱的、非永久性的磁性,只有在外磁场存在时才能维持。原子的本征磁矩为零,外磁场作用使电子的轨道运动发生变化而引起的。,2.物质的各类磁性2.1 抗磁性,一、定义:,2.物质的各类磁性2.1 抗磁性,二、特征:,所感应的磁矩很小,方向与外磁场相反,即磁化强度M为很小的负值。相对磁导率r 1,磁化率 0(为负值)。在抗磁体内部的磁感应强度B比真空中的小。抗磁体的磁化率约为-10-5数量级。所有材料都有抗磁性。因为它很弱,只有当其它类型的磁性完全消失时
10、才能被观察。如Bi,Cu,Ag,Au,有些固体的原子具有本征磁矩;无外磁场作用时,材料中的原子磁矩无序排列,材料表现不出宏观磁性;受外磁场作用时,原子磁矩能通过旋转而沿外场方向择优取向,表现出宏观磁性,这种磁性称为顺磁性。,2.物质的各类磁性2.2 顺磁性,一、定义:,2.物质的各类磁性2.2 顺磁性,在此材料中,原子磁矩沿外磁场方向排列,磁场强度获得增强,磁化强度为正值,相对磁导率r 1,磁化率为正值。磁化率0,也很小,只有10-510-2。抗磁体和顺磁体对于磁性材料应用来说都视为无磁性。它们只有在外磁场存在下才被磁化,且磁化率极小。,二、特征:,有些磁性材料在外磁场作用下产生很强的磁化强度
11、。外磁场除去后仍保持相当大的永久磁性,这种磁性称为铁磁性。过渡金属铁、钴、镍和某些稀土金属如钆、钇、钐、铕等都具有铁磁性。此材料的磁化率可高达103,MH,材料是否具有铁磁性取决于两个因素:(1)原子是否具有由未成对电子,即自旋磁矩贡献的净磁矩(本征磁矩)(2)原子在晶格中的排列方式,2.物质的各类磁性2.3 铁磁性,铁、钴、镍等过渡元素都具有未成对的3d电子。分别具有4、3和2的净磁矩。铁、钴、镍金属在室温下具有自发磁化的倾向(交换作用)。形成相邻原子的磁矩都向一个方向排列的小区域,称为磁畴。,Transitional metal-Unfilled d-,f-Orbitals Lead to
12、 Large Magnetic Moments!,2.物质的各类磁性2.3 铁磁性,在有些材料中,相邻原子或离子的磁矩呈反方向平行排列,结果总磁矩为零,叫反铁磁性。反铁磁性物质有某些金属如Mn,Cr等,某些陶瓷如MnO,NiO等以及某些铁氧体如ZnFe2O4等。以氧化锰(MnO)为例,它是离子型陶瓷材料,由Mn2+和O2-离子组成 O2-离子没有净磁矩,因为其电子的自旋磁矩和轨道磁矩全都对消了;Mn2+离子有未成对3d 电子贡献的净磁矩 在MnO晶体结构中,相邻Mn2+离子的磁矩都成反向平行排列,结果磁矩相互对消,整个固体材料的总磁矩为零,2.物质的各类磁性2.4 反铁磁性,亚铁磁性在宏观性能
13、上与铁磁性类似,区别在于亚铁磁性材料的饱和磁化强度比铁磁性的低。成因是由于材料结构中原子磁矩不象铁磁体中那样向一个方向排列,而是呈反方向排列,相互抵消了一部分。,2.物质的各类磁性2.5 亚铁磁性,以立方铁氧体为例说明亚铁磁性的本质,立方铁氧体的用化学式MFe2O4,其中的M为某种金属元素磁铁矿Fe3O4就是一种亚铁磁体Fe3O4可以写成Fe2+O2-(Fe3+)2(O2-)3其中二价铁离子和三价铁离子的比例为1:2每个Fe2+和Fe3+都具有净自旋磁矩,分别为4和5O2-是无磁矩的,2.物质的各类磁性2.5 亚铁磁性,3.抗磁性与顺磁性理论3.1 抗磁性理论,1905年郎之万在经典统计理论基
14、础上,首先给出了第一个顺磁性理论,其理论要点如下:设顺磁物质中每个原子(或磁离子)的固有磁矩为,而且原子之间没有相互作用;当外磁场H=0,各原子磁矩受热扰动的影响,在平衡态时,其方向是无规分布的,所以体系的总磁矩M=0;外加磁场H时,原子磁矩趋近于磁场H方向,磁化强度正比与外磁场。,3.抗磁性与顺磁性理论3.2 顺磁性理论,设第i个原子的磁矩为,单位体积内个N原子,外加磁场为H,则根据经典统计理论可推导出磁化强度与磁场强度、温度的关系式为上式即为顺磁性朗之万方程。,3.抗磁性与顺磁性理论3.2 顺磁性理论,(1)高温情况:在高温下,kBT JH,所以 1式中C为居里常数,顺磁材料的居里定律:,
15、3.抗磁性与顺磁性理论3.2 顺磁性理论,根据-T实验曲线斜率的倒数,便可从实验上测出居里常数,再代入居里常数的定义式,就得到每个原子磁矩的大小。,3.抗磁性与顺磁性理论3.2 顺磁性理论,(2)低温情况下或在磁场非常强的条件下 这时,H kT,即 1 L()=0 因而得到:M=N J=Ms(饱和磁化强度)郎之万最早从理论上推导出居里定律,他开创了从微观出发,用统计方法研究物质磁性的道路。然而,他的理论没有考虑到磁矩在空间的量子化,因而与实验结果相比,在定量上有较大的差别。,3.抗磁性与顺磁性理论3.2 顺磁性理论,不是常数,随 而变 有剩磁现象 有居里温度(),铁磁质顺磁质,:,,,:,材料
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