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1、第五章第五章 无机材料的磁学性能无机材料的磁学性能一、磁场强度一、磁场强度H H1.1.材料的磁性概述材料的磁性概述1.1 1.1 磁性的基本概念磁性的基本概念电流方向和磁场强度的方向符合右手定则电流方向和磁场强度的方向符合右手定则:有右有右手握住导线，让大拇指所指的方向跟电流方向一致，那么手握住导线，让大拇指所指的方向跟电流方向一致，那么弯曲的四指所指方向就是磁感线的环绕方向。这个方法叫弯曲的四指所指方向就是磁感线的环绕方向。这个方法叫做直线电流的右手螺旋定则。做直线电流的右手螺旋定则。安培环路定律：安培环路定律：磁场中任何闭合回路磁场强度的线积磁场中任何闭合回路磁场强度的线积分分,等于通过
2、这个闭合路径内电流的代数和等于通过这个闭合路径内电流的代数和.即即如果磁场是由长度为如果磁场是由长度为l l，电流为，电流为I I的圆的圆柱状线圈（柱状线圈（N N匝）产生的，则匝）产生的，则I1I2I3二、磁感应强度二、磁感应强度B和介质磁化和介质磁化：在真空中，磁感应强度为 B的单位:T 或Wb/m2 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。磁介质存在时:式中为介质磁导率,只与介质有关1.1.材料的磁性概述材料的磁性概述1.1 1.1 磁性的基本概念磁性的基本概念介介质质的的磁磁化化：介介质质中中分分子子或或原原子子内内的的电电子子运运动动形形成成分分
3、子子电电流流，微微观观上上形形成成不不规规则则分分布布的的磁磁偶偶极极矩矩。在在外外磁磁场场力力作作用用下下，磁磁偶偶极极矩矩定定向向排排列列，形形成成宏宏观上的磁偶极矩观上的磁偶极矩,使磁介质宏观上显示磁性。使磁介质宏观上显示磁性。四、磁化强度四、磁化强度M M定义：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，其值等于材料单位体积中感应的磁矩大小其值等于材料单位体积中感应的磁矩大小。单位为A/m，与磁场强度H单位一致。1.1.材料的磁性概述材料的磁性概述1.1 1.1 磁性的基本概念磁性的基本概念磁化率与相对磁导率之间的关系:介质相对磁导率:材料的磁导率与真空磁导
4、率0之比:介质的磁化强度与磁场强度的关系:磁学和电学基本物理量的比较磁学和电学基本物理量的比较 磁学基本物理量 电学基本物理量名称单位名称单位磁极强度q韦伯Wb电荷量q库仑C磁矩mWbm电偶极矩Cm磁化强度MWb/m2（特斯拉T）极化强度PC/m2磁通量Wb电流强度IA磁通密度BWb/m2电流密度JA/m2磁场强度HA/m电场强度EV/m磁导率H/m(亨利/米)介电常数F/m(法拉/米)1.1.材料的磁性概述材料的磁性概述1.2 1.2 磁性的本质磁性的本质OrbitaSpin轨道磁矩自旋磁矩 轨道磁矩轨道磁矩 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
5、磁矩。自旋磁矩自旋磁矩 每个电子本身有自旋运动产生 一个沿自旋轴方向的磁矩，即自旋磁矩原子核自旋磁矩原子核自旋磁矩 比电子自旋磁矩的千分之几，可以忽略不计物质磁性主要由电子自旋磁矩引起的，每一种材料至少表现出其中一种磁性，这取决于材料的成分和结构。1.1.材料的磁性概述材料的磁性概述1.2 1.2 磁性的本质磁性的本质Transitional metal-Unfilled d-,f-Orbitals Lead to Large Magnetic Moments!物质磁性的主要决定因素物质磁性的主要决定因素（1 1）原子是否具有未成对电子，即自旋磁矩贡献的净磁矩）原子是否具有未成对电子，即自旋磁
6、矩贡献的净磁矩 （2 2）原子在晶格中的排列方式）原子在晶格中的排列方式 交换作用所产生能量，通常用交换作用所产生能量，通常用J J表示，称作交换能，因其以表示，称作交换能，因其以波函数的积分形式出现，也称作交换积分。它取决于近邻原波函数的积分形式出现，也称作交换积分。它取决于近邻原子未填满的电子壳层相互靠近的程度，并决定了原子磁矩的子未填满的电子壳层相互靠近的程度，并决定了原子磁矩的排列方式和物质的基本磁性。一般地：排列方式和物质的基本磁性。一般地：当当J J大于零时，交换作用使得相邻原子磁矩平行排列，产大于零时，交换作用使得相邻原子磁矩平行排列，产生生铁磁性铁磁性。当当J J小于零时，交换
7、作用使得相邻原子磁矩反平行排列，小于零时，交换作用使得相邻原子磁矩反平行排列，产生产生反铁磁性反铁磁性。当原子间距离足够大时，当原子间距离足够大时，J J值很小时，交换作用已不足于值很小时，交换作用已不足于克服热运动的干扰，使得原子磁矩随机取向排列，于是产生克服热运动的干扰，使得原子磁矩随机取向排列，于是产生顺磁性。顺磁性。交换作用：（晶体结构）交换作用：（晶体结构）处于处于不同原子间不同原子间的未被填满壳层的电子间发生特殊的相的未被填满壳层的电子间发生特殊的相互作用，原子间好像在交换电子，所以称为互作用，原子间好像在交换电子，所以称为“交换交换”作用。作用。有些固体的原子具有本征磁矩，无外磁
8、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。2.2.物质的各类磁性物质的各类磁性2.2 2.2 顺磁性顺磁性一、定义：一、定义：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，相对磁导率度为正值，相对磁导率r 1 1，磁化率为正值。，磁化率为正值。磁化率磁化率0 0，也很小，只有，也很小，只有1010-5-51010-2-2。它们只有在外磁场存在下才被磁化，且磁化率极
9、小。它们只有在外磁场存在下才被磁化，且磁化率极小。过渡元素、稀土元素、锕系元素、铝、铂等金属属于顺磁物质。过渡元素、稀土元素、锕系元素、铝、铂等金属属于顺磁物质。二、特征：二、特征：顺磁性物质的磁性不仅与H有关还依赖与温度，磁化率豫绝对温度T成反比：x=C/T C为居里常数抗磁体和顺磁体对于磁性材料应用来说都视为无磁性抗磁体和顺磁体对于磁性材料应用来说都视为无磁性有些磁性材料在外磁场作用下产生很强的磁化强度，外磁场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(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)和某些稀土金属如钆、钇、钐、铕 等都
10、具有铁磁性。此材料的磁化率可高达10103 3，MHMH2.2.物质的各类磁性物质的各类磁性2.3 2.3 铁磁性铁磁性图 体心立方-Fe、面心立方Ni和六方密堆Co中的铁磁性有序在有些材料中，相邻原子或离子的磁矩呈反方向平行排列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
11、，结果磁矩相互对消，整个固体材料的总磁矩为零。2.2.物质的各类磁性物质的各类磁性2.4 2.4 反铁磁性反铁磁性反铁磁性反铁磁性MnOMnO点阵中Mn2+的自旋排列尖晶石的元晶胞(a)及子晶胞(b)、(c)M 2+OFe2 3+O3MFe,Ni,Mg或复合铁氧体或复合铁氧体Mg 1-xMnxFe2O4氧四面体空隙为氧四面体空隙为A位，八面体位，八面体空隙空隙为为B位位.两价离子都处于两价离子都处于A A位，位，则为正尖晶石结构；二则为正尖晶石结构；二价离子占有价离子占有B B位，三价位，三价离子占有离子占有A A位及余下的位及余下的B B位，则为反尖晶石位，则为反尖晶石。3.3.铁氧体的磁性
12、与结构铁氧体的磁性与结构3.1 3.1 尖晶石铁氧体尖晶石铁氧体所有的亚铁磁性尖晶石几乎都是反型的所有的亚铁磁性尖晶石几乎都是反型的（Fe 3+(Fe3+M2+)O4A位离子与反平行态的位离子与反平行态的B位离子之间，借助于电子自旋耦合而位离子之间，借助于电子自旋耦合而形成二价离子的净磁矩形成二价离子的净磁矩，即，即 Fea+3Feb+3Mb+2阳阳离离子子出出现现于于反反型型程程度度，取取决决于于热热处处理理条条件件。一一般般来来说说，提提高高正正尖尖晶晶石石的的温温度度会会使使离离子子激激发发至至反反型型位位置置。所所以以在在制制备备类类似似于于CuFe2O4的的铁铁氧氧体体时时，必必须须
13、将将反反型型结结构构高高温温淬淬火火才才能能得得到到存在于低温的反型结构。存在于低温的反型结构。锰锰铁铁氧氧体体约约为为80正正型型尖尖晶晶石石，这这种种离离子子分分布布随随热热处处理理变变化化不大。不大。3.3.铁氧体的磁性与结构铁氧体的磁性与结构3.1 3.1 尖晶石铁氧体尖晶石铁氧体A A位离子与位离子与B B位离子磁矩反向平行。位离子磁矩反向平行。A A位与位与B B位离子数不等，或位离子数不等，或A A位与位与B B位的磁矩也不等，因此有剩余磁矩。位的磁矩也不等，因此有剩余磁矩。亚铁磁性在宏观性能上与铁磁性类似，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
14、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。3.3.铁氧体的磁性与结构铁氧体的磁性与结构3.2 3.2 亚铁磁性亚铁磁性4.4.铁磁性理论铁磁性理论4.1 4.1 铁磁体的磁化曲线铁磁体的磁化曲线 磁化曲线的三种形式磁化曲线的三种形式一、磁化曲线一、磁化曲线磁导率是B-H曲线上的斜率在B-H曲线上，当H0时的斜率称为初（起）始磁导率0初（起）始磁导率是磁性材料的重要性能指标之一BHoc起始磁化曲线为 oc,当外磁场减小时，介质中的磁场并不沿起始磁化曲线返回，而是滞后于外磁场变化 磁滞现象。磁滞现象。HcBrHc当外磁场为 0 时，介质中的磁场并不为 0，有一剩磁剩磁
15、 BrBr;矫顽力矫顽力加反向磁场Hc，使介质内部的磁场为 0，继续增加反向磁场，介质达到反向磁饱和状态；改变外磁场为正向磁场，不断增加外场，介质又达到正向磁饱和状态。磁化曲线形成一磁化曲线形成一条磁滞回线。条磁滞回线。铁磁质的 不是一个常数，它是 的函数。B的变化落后于H，从而具有剩磁，即磁滞效应。4.4.铁磁性理论铁磁性理论4.1 4.1 铁磁体的磁化曲线铁磁体的磁化曲线三、磁滞曲线三、磁滞曲线所谓磁畴磁畴磁畴磁畴，是指磁性材料内部的一个个小区域，每个区域内包含大量原子，这些原子的磁矩都象一个个小磁铁那样整齐排列，但相邻的不同区域之间原子磁矩排列的方向不同。磁畴的体积约为 10-9 cm3
16、,约有1015个原子.各个磁畴之间的交界面称为磁畴壁。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。磁畴壁的厚度约为 10-5 cm。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外磁场中，各磁畴沿外场转向，介质内部的磁场迅速增加一、磁畴一、磁畴Bo4.4.铁磁性理论铁磁性理论4.2 4.2 磁化机制磁化机制由由磁磁畴畴扩扩大大（b),及及磁磁化化矢矢量量转转向向（c）引引起起的的磁磁化化过过程程，（a）是是退退磁磁状状态下的磁畴分布态下的磁畴分布（a）（b）（c）HHOHs H磁畴壁完全消失可逆壁移可逆壁移不不可可逆逆壁壁移移转向磁化转向磁化abcBs二、磁滞回线
17、与磁畴的关系二、磁滞回线与磁畴的关系(2)硬磁材料硬磁材料硬磁材料又称永磁材料，难于磁化又难于退磁。具有较大的矫顽力具有较大的矫顽力，典型值Hc104106A/m；磁滞回线较粗，具有较高的最大磁能积(BH)max；剩磁很大剩磁很大；这种材料充磁后不易退磁，适合做永久磁铁。硬磁性材料如碳钢、铝镍钴合金和铝钢等。4.4.铁磁性理论铁磁性理论4.3 4.3 铁磁材料分类铁磁材料分类(3)(3)矩磁材料矩磁材料 磁滞回线呈矩形，又称矩磁材料，磁滞回线呈矩形，又称矩磁材料，剩磁接近于饱合磁感应强度剩磁接近于饱合磁感应强度 具有高磁导率、高电阻率具有高磁导率、高电阻率 由由Fe2O3和其他二价的金属氧化物和其他二价的金属氧化物（如（如NiO，ZnO等等）粉末混合烧结而成粉末混合烧结而成。(Mn、Mg)Fe2O4、CoFe2O4 可作磁性记忆元件可作磁性记忆元件4.4.铁磁性理论铁磁性理论4.3 4.3 铁磁材料分类铁磁材料分类4.4.铁磁性理论铁磁性理论4.3 4.3 铁磁材料分类铁磁材料分类