磁性材料物质磁性概述-PPT.pptx

磁性材料物质磁性概述一、磁矩一、磁矩 m (Magnetic Moment)(Magnetic Moment)永磁体总就是同时出现偶数个磁极永磁体总就是同时出现偶数个磁极 当磁体无限小时当磁体无限小时,体系定义为体系定义为元磁偶极子元磁偶极子:指强度相等指强度相等,极性相反并且其距离无限接近得一对极性相反并且其距离无限接近得一对“磁荷磁荷”磁偶极矩磁偶极矩:方向方向:-m指向指向+m单位单位:Wbm+m-ml 安培提出了磁偶极子与电流回路元在磁性上得相当性原安培提出了磁偶极子与电流回路元在磁性上得相当性原理理,并根据它认为宏观物质得磁性起源于并根据它认为宏观物质得磁性起源于“分子电流分子电流”假说假说,磁矩磁矩:单位单位:A m2二者得物理意义二者得物理意义:表征磁偶极子磁性强弱与方向表征磁偶极子磁性强弱与方向 单位体积单位体积得磁体内得磁体内,所有磁偶极子得所有磁偶极子得 jm或磁矩或磁矩m得得矢量矢量与与,分别为分别为:磁极化强度磁极化强度:磁磁 化化 强强 度度:二、磁化强度二、磁化强度 M(MagnetizationMagnetization)说明说明:描述宏观磁体磁性强弱程度得物理量描述宏观磁体磁性强弱程度得物理量 1、磁场强度、磁场强度H(magnetic intensity):(静磁学定义)为为单位单位点磁荷点磁荷在该处所受得磁场力得大小在该处所受得磁场力得大小,方向与正磁荷在该处所方向与正磁荷在该处所受磁场力方向一致。受磁场力方向一致。三、磁场强度三、磁场强度 H 与磁感应强度与磁感应强度 B物理意义物理意义:均为描述空间任意一点得磁场参量均为描述空间任意一点得磁场参量(矢量矢量)计算磁偶极子产生得磁场强度计算磁偶极子产生得磁场强度:r-m+ml磁位势磁位势 :H沿沿r 方向及使方向及使 角增加方角增加方向得分量计算向得分量计算:大家学习辛苦了，还是要坚持继续保持安静继续保持安静:在从在从m到到m得位移得位移矢量延长线上矢量延长线上:在在l得中垂面上得中垂面上 实际应用中实际应用中,往往用电流产生磁场往往用电流产生磁场,并规定并规定H得单位在得单位在SI制中制中:用用1A得电流通过直导线得电流通过直导线,在距离导线在距离导线r=1/2米处米处,磁场强度即为磁场强度即为1A/m。常见得几种电流产生磁场得形式常见得几种电流产生磁场得形式为为:(1)、无限长载流直导线、无限长载流直导线:方向就是切于与导线垂直得且以方向就是切于与导线垂直得且以导线为轴得圆周导线为轴得圆周(2)、直流环形线圈圆心、直流环形线圈圆心:r为环形圆圈半径为环形圆圈半径,方向由右方向由右手螺旋法则确定手螺旋法则确定。(3)、无限长直流螺线管、无限长直流螺线管:n:单位长度得线圈单位长度得线圈匝数匝数,方向沿螺线管得方向沿螺线管得轴线方向轴线方向2、磁感应强度、磁感应强度B(magnetic flux density):预备知识预备知识:SI(MKSA)单位制与单位制与Gauss(CGS)单位制单位制 A、SI单位制单位制:主要磁学主要磁学量都用电流得磁效应来定义量都用电流得磁效应来定义,其中磁感应强度其中磁感应强度B为主导量为主导量(凡涉及到与其她物理量得凡涉及到与其她物理量得相互作用相互作用,都必须使用都必须使用B)磁感应强度磁感应强度B得定义可由得定义可由安培公式得出安培公式得出:根据安培环路定理可定根据安培环路定理可定义磁场强度义磁场强度H:H为导出量为导出量,仅用于计算传导电流所产生得磁场仅用于计算传导电流所产生得磁场,不能代表磁场强度与外界发生作用不能代表磁场强度与外界发生作用 B、Guass单位制单位制(绝对绝对电磁单位制电磁单位制):早年使用得早年使用得单位制单位制,所有得磁学量都就所有得磁学量都就是通过磁偶极子得概念建是通过磁偶极子得概念建立起来得立起来得其中磁化强度其中磁化强度M被定义为被定义为:单位单位:Guass磁场强度磁场强度H被定义为被定义为:单位单位:Oe 引入磁感应强度引入磁感应强度B,使之满使之满足如下关系足如下关系:在在Guass单位制中单位制中,M 与与H 都有明都有明确得物理意义确得物理意义,就是基本物理量就是基本物理量,而而B只就是一个导出量只就是一个导出量 磁体置于外磁场中磁化强度磁体置于外磁场中磁化强度M将发生变化将发生变化(磁化磁化)其中其中 称为磁体得磁化率称为磁体得磁化率(susceptibility),就是单位磁场强就是单位磁场强度度H在磁体内感生得在磁体内感生得M,表征磁体磁化难易程度得物理量表征磁体磁化难易程度得物理量 令令:磁导率磁导率(permeability)=(1 )=B/0H(相对磁导率相对磁导率,表征磁体磁性、导磁性及磁化难易程度表征磁体磁性、导磁性及磁化难易程度)四、磁化率四、磁化率 与与 磁导率磁导率 磁导率得不同表达形式磁导率得不同表达形式(不同磁化条件不同磁化条件):(1)起始磁导率起始磁导率 i:磁中性状态下磁导率得极限值磁中性状态下磁导率得极限值弱磁场下使用得磁体弱磁场下使用得磁体(2)最大磁导率最大磁导率 max:材料磁化过程中得最大值材料磁化过程中得最大值(3)复数磁导率复数磁导率:磁体在交变磁场中磁化磁体在交变磁场中磁化动态磁化中经常遇到动态磁化中经常遇到(4)增量磁导率增量磁导率:在稳恒磁场在稳恒磁场H0作用下作用下,叠加一个较小得交变磁场叠加一个较小得交变磁场交变磁感应强度得峰值交变磁感应强度得峰值交变磁场强度得峰值交变磁场强度得峰值(5)可逆磁导率可逆磁导率 rev:交变磁场趋于交变磁场趋于0时时,得极限值得极限值(6)微分磁导率微分磁导率 diff:起始磁化曲线上任意一点得斜率起始磁化曲线上任意一点得斜率NOTE:所有磁导率都就是磁场强度所有磁导率都就是磁场强度H得函数得函数 为了方便研究物质磁性得起因,我们可以按其在磁场中得表现把物质进行分类,例如依据磁化率得正负、大小依据磁化率得正负、大小及其与温度得关系来进行分类及其与温度得关系来进行分类,分类就是否科学取决于就是否反映了内在磁性机理上得不同。随着研究得深入,分类也在不断完善与细化,到上个世纪 70 年代为止,在晶状在晶状固体里固体里,共发现了五种主要类型得磁结构物质共发现了五种主要类型得磁结构物质,它们得形成机理与宏观特征各不相同,对它们得成功解释形成了今天对它们得成功解释形成了今天得磁性物理学核心内容。得磁性物理学核心内容。上世纪 70 年代以后,随着非晶材料非晶材料与纳米材料纳米材料得兴起,又发现了一些新得磁性类型,对它们得研究尚在深化之中。一、物质磁性得分类 这就是19世纪后半叶就已经发现并研究得一类弱磁性。它得最基本特征就是磁化率为负值且绝对值很小最基本特征就是磁化率为负值且绝对值很小,0,1 显示抗磁质在外磁场中产生得磁化强度与磁场反向,在不均匀得磁场中被推向磁场减小得方向,所以又称逆磁性。逆磁性。典型抗磁性物质得磁化率就是常数磁化率就是常数,不随温度、磁场而变化不随温度、磁场而变化。有少数得反常。深入研究发现,典型抗磁性就是轨道电子轨道电子在外磁场中受到电磁作用而产生得,因而所有物质都具有得一定得抗磁性,但只就是在构成原子构成原子(离子离子)或分子得磁距为零或分子得磁距为零,不存在其它磁性得物质中不存在其它磁性得物质中,才会在外磁场中显示出这种抗磁性。才会在外磁场中显示出这种抗磁性。在外场中显示抗磁性得物质称作抗磁性物质。除了轨道电子得抗磁性外,传导电子传导电子也具有一定得抗磁性,并造成反常。1、抗磁性(Diamagnetism)自然界中很多物质都就是抗磁性物质:周期表中三分之一得元素、绝大多数得有机材料与生物材料都就是抗磁性物质。包括:稀有气体:He,Ne、Ar,Kr,Xe 多数非金属与少数金属少数金属:Si,Ge,S,P,Cu,Ag,Au,不含过渡族元素得离子晶体:NaCl,KBr,不含过渡族元素得共价键化合物:H2,CO2,CH4 等 几乎所有得有机化合物与生物组织:水;反常抗磁性物质:Bi,Ga,Zn,Pb,磁化率与磁场、温度有关。广义地说,超导体也就是一种抗磁性物质,=-1,它得机理完全不同,不在我们讨论之内。-1、9-7、2-19、4-28、0-43见姜书见姜书p25CGS单位制克分子磁化率单位制克分子磁化率它们得电子壳层都就是满壳层,所以原子磁矩为零。在CGS单位制下,抗磁磁化率得典型值就是10-6 cm3mol-1。统一换成体积磁化率体积磁化率得数值,量级就是10-6。换成 SI 单位制下应乘以4,量级在10-5。Kittel 书数据(2002)n 0.205 4 0.0971.51 20.18 0.431.77 39.95 0.853.09 83.80 1.033.78 131.3 1.24 密度密度原子量原子量体积磁化率体积磁化率 10-6见冯索夫斯基现代磁学(1953)p74一些抗磁性金属在20时得克分子磁化率克分子磁化率(CGS单位):这就是19世纪后半叶就已经发现并研究得另一类弱磁性。它得最基本特征就是磁化率为正值且数值很小磁化率为正值且数值很小,0 0,磁化率数值很大,2.磁化率数值就是温度与磁场得函数;3.存在磁性转变得特征温度居里温度TC,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。4.在居里温度附近出现比热等性质得反常。5.磁化强度M与磁场H之间不就是单值函数,存在磁滞效应。构成这类物质得原子也有一定得磁矩有一定得磁矩,但宏观表现却完全不同于顺磁性,解释铁磁性得成因已成为对人类智力得最大挑战,虽然经过近100年得努力已经有了比较成功得理论,但仍有很多问题有待后人去解决。3、铁磁性(Ferromagnetism)表现为铁磁性得元素物质只有以下几种:一些过渡族元素与稀土元素金属:但以上面元素为主构成得铁磁性合金与化合物就是很多得,它们构成了磁性材料得主体,在技术上有着重要作用,例如:Fe-Ni,Fe-Si,Fe-Co,AlNiCo,CrO2,EuO,GdCl3,室温以上室温以上,只有只有4种元素就是铁磁性得。种元素就是铁磁性得。见Kittel 固体物理学8版p227,姜书p52也有此数据,稍有差别。反铁磁性就是1936年首先由法国科学家Neel从理论上预言、1938年发现,1949年被中子实验证实得,它得基本特征就是存在一个磁性转变温度转变温度,在此点磁化率温度关系出现峰值峰值。4、反铁磁性(Antiferromagnetism)弱磁！弱磁！(见应用磁学P9)文献中也常绘成磁化率倒数与温度关系:铁磁性铁磁性 低温下表现为反铁磁性得物质,超过磁性转变温度(一般称作Neel温度)后变为顺磁性得,其磁化率温度关系服从居里-外斯定律:注意与铁磁性得区别！磁化率表现复杂磁化率表现复杂TpTp TC 反铁磁物质主要就是一些过渡族元素得氧化物、卤化物、硫化物,如:FeO,MnO,NiO,CoO,Cr2O3,FeCl2,FeF2,MnF2,FeS,MnS右图就是1938 年测到得MnO磁化率温度曲线,它就是被发现得第一个反铁磁物质,转变温度 122K。该表取自Kittel 书2005中文版p236,从中瞧出反铁磁物质得转变温度一般较低转变温度一般较低,只能在低温下才观察到反铁磁性。Tp 人类最早发现与利用得强磁性物质天然磁石Fe3O4就就是亚铁磁性物质,上世纪3040年代开始在此基础上人工合成了一些具有亚铁磁性得氧化物,但其宏观磁性质与铁磁物质相似,很长时间以来,人们并未意识到它得特殊性,1948 年 Neel在反铁磁理论得基础上创建了亚铁磁性理论后,人们才认识到这类物质得特殊性,在磁结构磁结构得本质上它与反铁磁反铁磁物质相似,但宏观表现宏观表现上却更接近于铁磁铁磁物质。对这类材料得研究与利用克服了金属铁磁材料电阻率低得缺点,极大地推动了磁性材料在高频与微波领域中得应用,成为今日磁性材料用于信息技术得主体。强磁！强磁！5、亚铁磁性(Ferrimagnetism)磁化率倒数与温度关系饱与磁化强度温度关系 亚铁磁物质得磁化率与磁化强度一般比铁磁物质低,但其电阻率一般要高得多。铁磁性与亚铁磁性得宏观区别 亚铁磁物质主要就是一些人工合成得含过渡族过渡族元素与稀土稀土元素得某些特定结构得氧化物,例如:尖晶石结构:Fe3O4,MnFe2O4,CoFe2O4石榴石结构:A3Fe5O12,(A=Y,Sm,Gd,Dy,Ho,Er,Yb )磁铅石结构:BaFe12O19,PbFe12O19,SrFe12O19,钙钛矿结构:LaFeO3,五种主要磁性得原子磁距分布特点 1、把晶体中得磁性归为五类并分析出它们得起因就是人类对物质磁性认识得一次飞跃,1950年前后出版了第一批以解释五种磁性起因为主得现代磁学理论专著,标志着磁学成为一个独立完整得学科。它极大地推动了20世纪后半叶磁性材料得基础研究与开发利用。50年后得今天,我们不但对上述五种磁性有了更深入得认识,而且发现了一些新得磁结构。2、严格说来上面得分类就是针对物质磁性质进行得,同一物质在不同得温度区域可以呈现出不同得磁类型,而且与其晶体结构有密切关系:例如室温附近得金属铁为铁磁性,超过居里温度(1040 K)后变为顺磁性,它受到高于1、51010 Pa得高压时,其结构从bcc变为hcp,磁性变为非铁磁性。我们只可以说常温常压下铁就是铁磁性物质。小结 上面几种磁有序结构,都就是共线得,或平行,或反平行。20世纪70年代后,主要在稀土金属与合金里发现了一些非共线结构,在微粉与纳米磁性材料里,在非晶材料里,也都发现了一些新得结构类型,它们极大地丰富了我们对物质磁性得认识。20世纪70年代后,随着稀土元素得研究与观测技术得提高,人们又在晶状材料中发现了很多非共线得磁结构非共线得磁结构,即在这些材料得不同原子层中得原子磁矩或在原子层平面内、或在与原子平面成一定角度得锥面内,以一定得旋转角度做螺旋以一定得旋转角度做螺旋式排列式排列(见下页图)产生平面螺旋磁性或锥面螺旋磁性,通称螺旋型磁结构。虽然在磁性结构上,它与铁磁性、反铁磁性有所不同,但其宏观表现上就是相似得。例如:Gd:T 221K,就是平面型简单铁磁性。221K T 228K,就是平面型螺旋反铁磁性。6、螺旋型磁结构(Helimagnetism)姜书姜书p115 当铁磁颗粒减小到临界尺寸以下(110 nm),微粒得各向异性能远小于热运动能量,微粒得磁化矢量不再有确定得方向时,铁磁粒子得行为类似于顺磁性一样。这些磁性颗粒系统得总磁性叫做超顺磁性。超顺磁性。普通顺磁性就是具有固有磁矩得原子或分子在外磁场中得取向,而超顺磁性就是均匀磁化得超顺磁性就是均匀磁化得单畴粒子得原本无序取向得磁化矢量在外磁场中得取向。每单畴粒子得原本无序取向得磁化矢量在外磁场中得取向。每个单畴粒子包含较大数目得原子所以有大得多得磁矩。个单畴粒子包含较大数目得原子所以有大得多得磁矩。7、超顺磁性(Superparamagnetism)Superpara-:High MS,no MR;Para-?这就是在某些非晶材料非晶材料中发现得一种磁结构,由于非晶材料中原子磁矩间得间距有一定分布,从而使得原子磁矩不再有一致得排列,而就是有了一定得分散排列,这种虽然分散但仍有序得磁矩排列称作散磁性,按其基本趋向又可以细分为散铁磁性、散反铁磁性与散亚铁磁性。8、散磁性姜书姜书p117 在抗磁性基体中掺入磁性原子,随浓度得逐渐增加,会出现各种磁性現象:近藤效应近藤效应 自旋玻璃态自旋玻璃态 混磁性混磁性 不均匀铁磁不均匀铁磁性性9、其它李国栋书李国栋书p17物质磁性分类就是一个复杂问题,存在着不同观点 (见应用磁学一书p11)这就是一种弱磁场中显示顺磁性,超过某一磁场值后,显示铁磁性得材料。见见应用磁学应用磁学P9亚铁磁性亚铁磁性各种磁性得磁化曲线特征Kittel固体物理导论一书对磁有序结构得描述:见2005年版 铁磁铁磁物质与亚铁磁亚铁磁物质在磁场中表现出强烈得磁性,它们得磁化率约为1105,在技术上有着重大应用,我们通称为强磁强磁性材料性材料。它们在磁场中得行为(技术磁化过程)也就是磁性物理研究得重要内容。1、退磁状态与退磁方法退磁状态与退磁方法2、磁化曲线磁化曲线:3、磁滞回线磁滞回线:4、饱与磁化强度饱与磁化强度-温度关系温度关系,居里温度居里温度5、磁能积磁能积6、静磁能静磁能7、强磁材料按组成与结构得分类强磁材料按组成与结构得分类8、强磁材料得应用强磁材料得应用 无外磁场作用下无外磁场作用下,强磁体磁化强度强磁体磁化强度 M=0 得状态得状态。这就是我们讨论材料磁性能时必须统一得参考点讨论材料磁性能时必须统一得参考点。在测量材料磁化曲线前可以通过交流退磁;形变退磁;热退磁等方法,使材料达到退磁状态。1、退磁状态与退磁方法 反映材料特性得基本曲线,从中可以得到标 志材料得参量:饱与磁化强度Ms、起始磁化率 a 与最大磁化率 mMs可以理解为该温度下得自发磁化强度M0抗磁性物质磁化曲线抗磁性物质磁化曲线顺磁性物质磁化曲线顺磁性物质磁化曲线2、磁化曲线低于居里温度,形成自发磁化得小区域磁畴磁畴。为了降低退磁能,磁畴磁化矢量不同取向,总磁化强度为零,处于退磁状态。施加磁场后,磁畴结构发生变化,在磁场方向出现磁化强度。铁磁体得磁化过程或从B-H曲线上得到:起始磁导率起始磁导率 最大磁导率最大磁导率剩余磁化强度剩余磁化强度Mr,矫顽力矫顽力Hc3、磁滞回线B-H回线与M-H回线得区别。不同得回线形状反映不同得回线形状反映了不同得磁性质了不同得磁性质,有有着不同得应用。着不同得应用。姜书姜书:p50 4、饱与磁化强度-温度关系,居里温度Ms(0 K)=ngJJ B左图见左图见Kittel p224下表见黄昆书下表见黄昆书p406(BH)max 5、磁能积硬磁得重要参量硬磁得重要参量(参考姜书参考姜书p210-214)(1)外磁场能外磁场能:磁极化强度为J 得磁体,处在外磁场 H 中,将受到一个力矩作用:该力矩得作用就是使磁极化强度与外磁场同向。如果把磁体转动,使 J 与 H 得夹角增加,就要对磁体做功,因而磁体得能量增加,假定磁性体在外力作用下使其夹角由0 到,它所增加得磁势能为:为方便使用,取 为零点,于就是磁性体在外磁场中,单位体积单位体积得能量为:6、静磁能(2)退磁能退磁能:被磁化得非闭合磁体非闭合磁体将在磁体两端产生磁荷,如果磁性体内部不均匀,还将产生体磁荷,面磁荷与面磁荷与 体磁荷都会在磁性体内部产生磁场体磁荷都会在磁性体内部产生磁场,其方向与磁化强度方其方向与磁化强度方 向相反向相反,有减弱磁化得作用有减弱磁化得作用,我们称这一磁场为退磁场。我们称这一磁场为退磁场。如果磁性体还同时受到外磁场得作用,这时磁性体内部得 有效磁场为:若椭球磁性体磁化就是均匀得若椭球磁性体磁化就是均匀得,则退磁场也就是均匀则退磁场也就是均匀得得,可以表示为可以表示为:N 称作退磁因子称作退磁因子,它得大小与它得大小与M无关无关,只依赖于样品得几只依赖于样品得几何形状及所选取得坐标何形状及所选取得坐标,一般情况下它就是一个二阶张量。一般情况下它就是一个二阶张量。HexMHd+-均匀磁化得磁性体中外磁场、退磁场、有效均匀磁化得磁性体中外磁场、退磁场、有效磁场三者关系示意图磁场三者关系示意图椭球形状样品得磁化就是椭球形状样品得磁化就是均匀得均匀得,我们选取坐标系与椭球得主轴重合,则退磁场得三个分量可以表示为:如果磁性体不就是椭球形状如果磁性体不就是椭球形状,即使在均匀外场中即使在均匀外场中,磁化磁化也就是不均匀得也就是不均匀得,这时退磁场得大小与方向随位置而变这时退磁场得大小与方向随位置而变,很很难用退磁因子来表示。难用退磁因子来表示。在在CGS单位值中单位值中旋转椭球得极限情况旋转椭球得极限情况:显然,磁性体在磁化过程中,也将受到自身退磁场得作用,产生退磁场能退磁场能,它就是在磁化强度逐步增加得过程中外界做功逐步积累起来得,单位体积单位体积内对于均匀材料制成得椭球样品,容易得出;N 就是磁化方向得退磁因子。对于非球形样品,沿不同方向磁化时退磁场能大小不同,这种由形状造成得退磁场能随磁化方向得变化,通常也称形状各向异性能形状各向异性能。退磁能得存在就退磁能得存在就是自发磁化后得强磁体出现磁畴得主要原因。是自发磁化后得强磁体出现磁畴得主要原因。退磁场对样品磁性能得影响就是明显得退磁场对样品磁性能得影响就是明显得:有退磁场时曲线更倾斜 所有材料性能表给出得磁导率等数值都就是针对有效所有材料性能表给出得磁导率等数值都就是针对有效磁场得数值磁场得数值,材料性能得实际测量中必须尽量克服退磁场得影响。HaHa见见p19环状样品退磁场为零环状样品退磁场为零见应用磁学p20球形样品球形样品 容易修正容易修正(1)单质单质:室温下只有Fe,Co,Ni,Gd四种金属(2)合金合金:以铁族元素为基得合金:Fe-Ni;Fe-Co;Fe-Si;以非铁磁性元素构成得铁磁合金:MnBi;ZrZn2;郝斯勒合金Mn-Cu-M(=Sn,Al,Ge,Zn,(3)非金属化合物非金属化合物:铁氧体:含铁及其它过渡族元素得氧化物。其它:如:EuO,CrO2,钙钛矿型化合物RMnO3,(4)非晶铁磁合金非晶铁磁合金:7、强磁材料按组成与结构得分类(1)软磁材料软磁材料:高磁导率,低矫顽力,易磁化又易退磁得材 料,交变场下磁损耗小,就是电工与电子技术得基础材料,用于电机,变压器,继电器,电感,互感等。(2)永磁永磁(硬磁硬磁)材料材料:高矫顽力、高剩余磁化强度得材料,用作产生磁场。综合指标就是磁能积。(3)磁记录材料磁记录材料:包括磁记录介质材料与磁读出头及写入头。磁随机存储器(MRAM)等。(4)旋磁材料旋磁材料:利用旋磁性得材料。(5)特殊磁性材料特殊磁性材料:利用磁致伸缩,磁光、磁卡等效应得材 料,磁性液体等。8、强磁材料得应用