第四章 材料的磁学.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,在真空中,：,每个电子的自旋磁矩近似等于一个,Bohr,磁子。,动画,以上,五种磁性类型的原子磁距分布特点,磁化强度,M,和磁场强度,H,之间的关系,抗磁性物质,：,Bi,、,Zn,、,Ag,、,Mg,等金属，,Si,、,P,、,S,等非金属，许多有机高聚物及惰性气体；,顺磁性物质：,Al,、,Pt,、,La,等，稀土金属、铁族元素的盐类；,铁磁性物质：,Fe,、,Co,、,Ni,、,Y,、,Dy,等,反铁磁性物质：,Mn,、,Cr,，部分铁氧体如,ZnFe,2,O,4,，和某些化合物,MnO,、,CoO,、,FeF,2,等。,亚铁磁性物质：,尖晶石型晶体、石榴石型晶体等几种结构类型的铁氧体。,不同磁性物质磁性的异同点,磁特性,抗磁性,顺磁性,反铁磁性,铁磁性,亚铁磁性,原子磁矩,J,J,=0,J,0,J,0,J,0,J,0,相对磁导率,r,1,1,1,1,1,磁化率,-10,-5,-10,-6,10,-4,10,-5,10,-2,10,-4,10,2,10,6,10,2,10,6,交换积分常数,A,0,约,0,-,+,-,磁化曲线,线性,线性,线性,非线性,非线性,饱和磁化场,H,S,/Am,-1,无限大,10,10,10,10,10,2,10,5,10,2,10,5,磁性强弱,弱,弱,弱,强,强,磁化功：,物体磁化，改变其磁化强度，需要做功。,第一项是,真空中的磁场能量密度,，第二项是,使单位体积磁性体磁化所做的功,。,该式告诉我们：在绝热 等容 过程中，,磁化功的等于磁体内能的增加。,M,该式告诉我们：,等温、等容过程中，磁场做的磁化功等于体系自由能的增加。,只是等容过程，可以得出：,如果能从理论上给出自由能的表达式 ，则可获得一定温度下的,M-H,关系式,。,自由能,考虑到：,于是：,此时，吉布斯函数是温度、压力和磁场的函数。,知道了,G,即可求出磁化强度。,吉布斯函数（也称热力学势）,统计物理中的配分函数（状态和）是系统微观状态的总体反映，由它可以导出宏观量：,结合前面的结果，可以给出：,是某一微观态的能量，是与这一状态相应的简并度。,小结：,通过量子力学求出原子系统在外磁场中的能量本征值及相应的简并度后，即可计算其磁化强度,。,配分函数,Z,动画,几个重要的物理参量：,M,s,、,T,c,、,H,c,、,M,r,、,B,r,、,r,等,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。,饱和磁化强度,M,S,等于每个磁畴中原来的磁化强度，该值很大，这就是铁磁质磁性,r,大的原因。,磁滞现象是由于掺杂和内应力等的作用，当撤掉外磁场时磁畴的畴壁很难恢复到原来的形状，而表现出来,。,任何铁磁体和亚铁磁体，在温度低于居里温度,T,c,时，都是,磁畴,组成的。,磁畴,是自发磁化到饱和（即其中的磁矩均朝一个方向排列）的小区域。,相邻磁畴之间的界线叫,磁畴壁,磁畴壁,是一个有一定厚度的过渡层，在过渡层中磁矩方向逐渐改变。,磁畴：,铁磁质中由于原子的强烈作用，在铁磁质中形成磁场,很强的小区域。磁畴的体积约为,10,-12,m,3,。,既然磁畴内部的磁矩排列是整齐的，那么在磁畴壁处原子磁矩又是怎样排列的呢？,在畴壁的一侧，原子磁矩指向某个方向，假设在畴壁的另一侧原子磁矩方向相反。,在畴壁内部，原子磁矩必须成某种形式的过渡状态,。,畴壁由很多层原子组成,。为了实现磁矩的转向，从一侧开始，每一层原子的磁矩都相对于磁畴中的磁矩方向偏转了一个角度，并且每一层的原子磁矩偏转角度逐渐增大，到另一侧时，磁矩已经完全转到和这一侧磁畴的磁矩相同的方向。,磁畴的转向,在无外磁场时，各磁畴排列杂乱无章，铁磁质不显磁性；,在外磁场中，各磁畴沿外场转向，介质内部的磁场迅速增加，在铁磁质充磁过程中伴随着发声、发热。,磁化曲线与磁畴的关系,H,增加，磁域界移,动,，磁域逐,渐,改,变,，磁矩方向,转,向，,渐与,磁,场,平行，,单,一磁域（,饱,和磁化）,磁滞回线与磁畴的关系,动画,动画,4.3.3,铁磁材料的相互作用能,铁磁性材料内存在的相互作用能量，直接影响到铁磁材料中磁畴的形成及其具体结构图形。,五种相互作用能,：,交换能,F,ex,磁晶各向异性能,F,k,磁弹性能,F,退磁场能,F,d,外磁场能,F,H,动态磁滞回线：,材料在交变磁场作用下被反复磁化形成的磁滞回线。,静态磁滞回线：,材料在静态磁场作用下形成的磁滞回线。,在,动态磁化过程,中，材料样品内的磁损耗除了具有,静态磁化时磁滞损耗,外，还有,涡流损耗,和,剩余损耗,。,复数磁导率,外加交变磁场：,材料内磁感应强度：,若令,复数磁导率：,：,B,落后于,H,的相位差，称为损耗角。,弹性磁导率,，,相当于静态磁化的磁导率。,粘滞性磁导率,，,与磁能损耗成正比。,磁能的储存,磁能的损耗,动态,磁化过程,品质因子,Q,：能量的储存与能量的损耗之比值,动画,一般指在,弱交变磁场中,的复数磁导率 中,和 随,频率,f,变化的关系。,它的磁性与铁磁性的,相同点：,具有自发磁化强度和磁畴。,它的磁性与铁磁性的,不同之处：,铁氧体一般是多种金属的氧化物复合而成。,铁氧体磁性,来自两种磁矩,（亚铁磁性）,一种磁矩在相反方向排列,一种磁矩在一个方向相互排列整齐,硬磁材料的特点：,矫顽力,H,c,大、剩磁,B,r,大、最大磁能积,(,BH,),max,大,软磁材料的特点：,矫顽力,H,c,小、磁导率,高、饱和磁感应强度,B,s,大、,磁损耗,tan,低、电阻率,高、截止频率,f,c,高。,矩磁性材料的特点：,磁滞回线近似为矩形、表征其矩形度的剩磁比,B,r,/,B,m,大、矫顽力,H,c,小、磁损耗,tan,小、开关系数,S,w,小。,剩磁感应强度,B,r,很高,，接近于饱和磁感应强度,B,s,，即,B,r,/,B,s,=0.8,以上，,(,BH,),max,比较高，可以得到高的读“,1”,信号和低的读“,0”,磁噪声；,矫顽力低，,可以降低存取“,1”,和“,0”,磁噪声的功率，因而降低温度。,信噪比和抗干扰比高,，对环境和温度稳定性好等。,