材料物理第八章.ppt

《材料物理第八章.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《材料物理第八章.ppt（39页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。

1、8磁性物理磁性物理8.1概述概述（磁学基本量）（磁学基本量）磁性不只是一个宏观物理量，而且与物质的微观结构密切相关。它不仅取决于物质的原子结构，还取决于原子间的相互作用键合情况、晶体结构。因此，研究磁性是研究物质结构的重要方法之一。一个宏观磁体由许多有固有原子磁矩的原子组成。宏观磁体单位体积内原子磁矩矢量总和称为 磁化强度磁化强度：（A/m）1 1 当原子磁矩同向平行排列时，宏观磁体对外当原子磁矩同向平行排列时，宏观磁体对外显示的磁性最强。当原子磁矩紊乱排列时，宏观显示的磁性最强。当原子磁矩紊乱排列时，宏观磁体对外不显示磁性。磁体对外不显示磁性。根据电磁理论，通有电流的导体可以产生磁场。例如，

2、一个通有电流的无限长螺旋管线圈，在螺旋管中心处的 磁场强度为磁场强度为：（A/m）n是线圈匝数，L是线圈长度（m），I是电流强度（A）。2 2 在真空中产生磁场H时，在磁场空间就会有磁力线。单位面积上通过的磁力线被称为 磁感应强度磁感应强度B，B和H的关系为：是真空磁导率是真空磁导率。将磁性材料放入磁场空间时，B的大小取决于材料M和H的相互作用：为磁导率为磁导率，也可以定义相对磁导率相对磁导率 3 3 大的 表示材料有大的磁场增强作用。是磁性材料的一个重要参数。一般物质磁性强弱可由 磁化率磁化率来 表示。和 都反映了材料增强磁场的程度都反映了材料增强磁场的程度，它们之间的关系为：=+14 4

3、从应用的角度考虑，我们对具有大的磁感应强度B、大的磁化强度M的材料感兴趣，并追求大的相对磁导率 。8.2原子和离子的固有磁矩原子和离子的固有磁矩 物质的磁性来源于原子磁矩。材料的宏观磁性来源于原子磁矩，原子中每个电子都具有磁性。产生磁矩的原因有两个：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轨道磁矩。每个电子本身作自旋运动，产生一个沿旋转轴方向的自旋磁矩。5 5 在原子中，某些电子对的轨道磁矩相互抵消，自旋磁矩也可能相互对消。（例如，一个自旋向上的磁矩可以对消一个自旋向下的磁矩）。所以一个原子的净磁矩是所有电子磁矩相互作用的矢量和。该磁矩称为原子磁矩。（1）自由原子

4、的磁矩）自由原子的磁矩：原子的磁矩来源于电子和原子核，由于原子核的磁矩仅有电子磁矩的1/1836.5，所以原子磁矩主要来源于电子磁矩。电子磁矩由电子轨道磁矩和电子自旋磁矩组成。6 6 （2）铁氧体中的原子磁矩）铁氧体中的原子磁矩 认为轨道完全冻结，所以只考虑自旋磁矩。（3）金属及合金中的原子磁矩）金属及合金中的原子磁矩 要从能带理论角度解释材料的原子磁矩，可以用经验公式计算原子磁矩。8.3 物质的抗磁性和顺磁性物质的抗磁性和顺磁性 根据磁化率 的大小，物质大致可分为抗磁性、顺磁性、反磁性、铁磁性、亚铁磁性五大类。在五种不同的磁性物质中，铁磁性和亚铁磁性物质具有强磁性。7 7 抗磁性抗磁性：某些

5、物质受到外磁场H作用后，感生出和H相反的磁化强度，磁化率 0，这种物质称为抗磁性物质。一般抗磁性物质的磁化率绝对值很小，约10-410-6，并且和磁场、温度无关。抗磁性来源于将物质放入外磁场中时，穿过电子轨道运动回路的磁通会发生变化，为了抵抗该变化，在电子轨道回路要产生一个附加的感应电流。这一附加感应电流的磁矩方向和外磁场方向相反，因此抗磁性的磁化率 是负的。又因为磁化率绝对值非常小，所以抗磁性在物质的原子、离子或者分子固有磁矩为零时，才能观察出来。8 8 Au、Ag、Cu以及大多数有机物质在室温下是抗磁性物质，超导体一定是抗磁性物质。顺磁性顺磁性：某些物质受到外磁场H作用后，感生出和H相同的

6、磁化强度，磁化率 0，这种物质称为顺磁性物质。一般顺磁性物质的磁化率绝对值也很小，约10-210-5，组成顺磁性物质的原子有未满壳层的电子，因此有固有原子磁矩，但是原子受热扰动影响，原子磁矩的方向混乱分布，在任何方向都没有净磁矩，对外不显示磁性。而将材料放入9 9 外磁场中时，原子磁矩都有沿外磁场方向排列的趋势，感生出和外磁场方向一致的磁化强度M。所以磁化率 0。一般顺磁性物质的磁化强度随磁场变化的磁化曲线 MH是直线，磁化率 和温度的关系遵守 居里外斯定律。C居里常数 顺磁居里温度 1010 反磁性反磁性：在有些非铁磁性材料中，相邻原子或离子的磁矩成反方向平行排列，结果总磁矩为零，这种性质叫

7、反铁磁性。以上三种三种材料，对于磁性材料应用来说都视为是无磁性无磁性的，因为它们只有在外磁场存在下才被磁化，且磁化率很小磁化率很小。8.4铁磁性和亚铁磁性的磁结构铁磁性和亚铁磁性的磁结构 有些物质在放入外磁场中时，也感生出和H相同方向的磁化强度，磁化强度 0，但其数值很大，约10106。实验发现，这些物质的磁化曲线MH是非线性的复杂函数，反复磁化时出现磁滞现象，这种物质称铁磁性铁磁性物质。1111（有些金属材料在外磁场作用下产生很强的磁化强度，外磁场除去后仍保持相当大的永久磁性，这种磁性称为称为铁磁性铁磁性）。铁磁性物质的原子不仅有固有原子磁矩，而且原子磁矩分区间（磁畴）地自发平行取向。所以原

8、子磁矩非常容易朝外磁场方向排列，只要在很小的磁场下就可以感生出很大的磁化强度M。但是当温度高于某个临界值Tc（居里温度）时，材料的铁磁性将转变成顺磁性，这时磁化率 服从居里外斯定律。目前发现Fe、Co、Ni、Gd（钆g）等单质元素在室温下具有铁磁性。1212 铁磁性材料和亚铁磁性材料都有磁有序相变点，称为居里点居里点TcTc。当温度高于Tc时，呈顺磁性，当温度低于Tc时呈铁磁性或亚铁磁性，均为强磁性。强磁性的特点是其磁化率（=10105）远高于弱磁性的磁化率（=10-310-6）。其磁化曲线呈非线性，较易于达到磁饱和，磁化率随磁场而变，具有磁滞现象，具有磁畴。1313 强磁性的上述特征来源于其

9、自发磁化强磁性的上述特征来源于其自发磁化。在温度低于Tc时，铁磁物质中的原子磁矩自发平行，或自发地使能带中正负自旋的电子数不相等，故不加磁场时出现了不等于零的自发磁化强度Ms。亚磁铁物质常为化合物或合金，在Tc温度以下时，原子磁矩呈反铁磁性排列，即自发的反平行排列或其他类型的自旋排列，但是或由于原子磁矩大小不等，或由于排列方式的特殊性，它们的磁矩没有抵消为零。其未抵消的净磁矩便导1414 致了自发磁化强度。自发磁化常出现在大块强磁体内的微小区域中，称为称为磁畴磁畴。未加磁场而强磁体呈磁中性时，各磁畴中的自发磁化矢量Ms的分布使合成的总磁化强度为零。加入磁场后，磁畴重新调整，导致了强磁物质的磁化

10、及磁化曲线、磁滞回线等特征。类似于铁磁体，亚铁磁体在某一临界温度Tc以下具有自发磁化，也属于强磁性物质；易于达到磁饱和，具有磁滞现象；存在磁畴。在临界温度Tc以上，自发磁化消失。1515 亚铁磁性在宏观性能上与铁磁性类似，区别在于亚磁铁性材料的饱和磁化强度比铁磁性的低。可以看作是未抵消的反铁磁体。铁磁体和亚铁磁体的磁结构铁磁体和亚铁磁体的磁结构 铁磁体、亚铁磁体和反铁磁体的原子磁矩在空间的取向，都有长程有序的规律，通称为磁有序，这种磁有序叫做磁结构磁结构。从磁结构角度考虑，把亚铁磁体和反铁磁体作比较，它们均属磁有序物质。它们的磁有序转变温度分别称为居里点TC和奈尔点TN。在TC和TN1616

11、以上的温区呈顺磁性，在TC和TN以下处于磁有序状态。在反铁磁状态下，原子或电子磁矩的空间有序分布使磁矩相互抵消，宏观自发磁化强度为零，其磁化率仍保持很小的数值。亚铁磁体可以看作是未抵消的反铁磁体。因为在磁有序转变温度TC以下的温区，磁结构呈现反铁性排列，但磁矩只部分抵消，故具有不为零的自发磁化强度MS。1717 大多数重要的亚铁磁体是铁和其它金属的一些复合（双）氧化物，称为铁氧体铁氧体。其结构复杂，并含有多种元素。大量实验结果证实，亚铁磁体的磁性不同于铁磁体和反铁磁体。亚铁磁体虽属于强磁性物质，但其磁化率 （或磁性）没有铁磁体那么大；而反铁磁体的磁化率 是小的正数，属于弱磁性。磁性不同，反映亚

12、铁磁体的磁结构明显不同于铁磁体和反铁磁体的磁结构。1818 8.5铁磁性和亚铁磁性的铁磁性和亚铁磁性的“分子场分子场”理论理论 8.5.1铁磁性的铁磁性的“分子场分子场”理论理论（1）铁磁物质内部存在很强的“分子场”，它使原子磁矩同向平行排列，即自发磁化到饱和；（2）铁磁体的自发磁化分成若干磁畴（自发磁化到饱和的区域称为磁畴称为磁畴），由于磁体中各磁畴的磁化方向不一致，所以大块磁体对外不显示磁性。8.5.2亚铁磁性的亚铁磁性的“分子场分子场”理论理论（1）亚铁性磁材料在Tc以上时，常出现顺磁性；1919（2）在Tc以下时，磁矩空间分布与反铁磁类似，呈反平行或其他类型排列（如螺旋型），但相互未抵

13、消，宏观自发磁场强度不等于零。8.6铁磁体中的磁晶各向异性、磁致伸缩铁磁体中的磁晶各向异性、磁致伸缩 8.6.1磁晶各向异性磁晶各向异性 在单晶体的不同晶体学方向上，其光学、电学、热膨胀、力学和磁学性能都不同。这种特性特性称为称为晶体的各向异性晶体的各向异性。单晶体的磁性各向异性称为磁晶各向异性磁晶各向异性。2020 例如，铁的单晶 体的100、110和 111晶向的磁化曲 线是不同的，如图 8.13所示是Fe单晶在 不同的晶轴方向的磁 化曲线。铁磁体在磁 化时，外磁场对铁磁 体所做的功为：2121 显然，沿铁单晶体的100和111方向所消耗的磁化功明显不同。磁化功小的方向方向称为易磁化方向，

14、磁化功大的方向称为难磁化方向。磁晶各向异性能EK定义为饱和磁化强度矢量在铁磁体中取不同方向而改变的能量。很明显，磁晶各向异性能是磁化强度方向的函数。从这个角度考虑，磁晶各向异性能EK=f（1，2，3）是多元函数。对立方晶体，设1，2，3分别是磁化强度与立方晶体的三个晶轴的方向余弦，将它按泰2222 勒级数展开，并用晶体的对称性和三角函数的关系式演算，可得磁晶各向异性能EK为：式中K1，K2称为磁晶各向异性常数。当K2很小时，可以只用K1来描述立方晶体的磁晶各向异性能EK。对于铁来说，K1是正的，100是易磁化方向；对于镍来说，K1是负的，111是易磁化方向，100是难磁化方向。磁晶各向异性常数

15、K1，K2是衡量材料的磁各向异性大小的重要常数，它的大小与晶体的对称2323 性有关。晶体的对称性越低，它的K1+K2的数值越大。K1和K2主要决定于材料的成分。用自旋-轨道相互作用来解释磁晶各向异性的起源，其中心思想是，磁晶各向异性和晶体场与电子轨道运动的影响有关。一方面电子轨道磁矩产生的磁场对电子自旋运动作用，使轨道和自旋间存在耦合作用；另一方面电子轨道平面受晶体场作用能量合并被消除，这两方面的作用叠加在一起，就使得原子磁矩倾向于在晶体的某些方向上能量最低，而在另一些方向上能量高。原子2424 磁矩能量低的方向为易磁化方向，而能量高的方向为难磁化方向。在无外磁场作用的平衡状态下，原子磁矩倾

16、向于排列在易磁化方向上。一般因为稀土元素的轨道磁矩没有淬灭，所以轨道和自旋间存在的耦合作用很强，它的磁晶各向异性要大于过渡族元素，利用它的大磁晶各向异性，可以制备永磁材料。8.6.2退磁场能退磁场能 实验表明，磁性材料被磁化后，只要材料不是闭合形状或者无限长，材料内部的总磁场H将2525 小于外磁场He。这是因为非闭合的磁性材料被磁化后在其端面将会有正负磁荷出现，如图8.14所示。2626 这些磁荷将在材料内外产生一个退磁场Hd，Hd的方向在材料内部与He和M方向相反，其作用是削弱外磁场。退磁场越大，材料越不容易磁化。在磁路设计和磁性测量中，必须考虑退磁场的影响，尽量降低退磁场。8.6.3磁致

17、伸缩磁致伸缩 在磁场中磁化时，铁磁体的尺寸或体积发生变化的现象称为磁致伸缩称为磁致伸缩。当材料中存在内应力或外加应力时，磁致伸缩和应力相互作用，与此有关的能量称为磁弹性能。磁弹性能小的应力方向是易磁化方向。2727 8.7磁畴结构磁畴结构 磁畴形成的根本原因是为了降低退磁能（将铁磁体分成畴的动力）。决定磁畴结构的因素决定磁畴结构的因素有：退磁场能，磁晶各向异性能，磁弹性能以及磁体内部结构（尺寸、晶界、应力、掺杂、缺陷等）等。作业题作业题：1、解释强磁性来源于其自发磁化？2、铁磁性和亚铁磁性的分子场理论是什么？3、磁畴形成的根本原因是什么？决定磁畴结构的因素是什么？2828 磁性材料磁性材料 1

18、 简介简介 磁学把物质的磁性分抗磁性、顺磁性、铁磁性、亚铁磁性、反铁磁性等不同的磁性。而按原子的磁矩排列分为有序排列和无序排列。抗磁性和顺磁性物质为无序排列，其余的为有序排列。如按外磁场作用下物质磁行为的表现则可分为抗磁、弱磁、和强磁。抗磁性物质磁化率为-10-5 -10-8，顺磁性、反铁磁性、亚铁磁性、和铁磁性物质磁化率分别为10-310-6，10-310-5，1104，1106，因此抗磁性物质表现为抗磁，顺磁性物质表现为弱磁，亚铁磁性和铁磁性物质表现为强磁。2929 下面介绍的磁性材料是指常温下表现为强磁的亚铁磁性和铁磁性材料。按不同特点又可分为软磁，硬磁和铁氧体材料。而代表磁性材料性质的

19、基本参量是初始磁导率，最大磁导率，矫顽力，剩余磁感应强度，最大磁能积等。软磁材料软磁材料 所谓软磁材料就是矫顽力很低（小于0.8kA/m）的磁性材料。亦即当材料在磁场中被磁化，获得的磁性会很快全部或大部分丧失。3030 特点特点：矫顽力和磁滞损耗低；电阻率较高，磁通变化时产生的涡流损耗小；高的磁导率；高的饱和磁感应强度。1）软磁材料的特征）软磁材料的特征 磁导率磁导率：一般希望这个值越高越好 铁损铁损：是指铁磁性材料在交变磁场中反覆磁化所消耗的功率。铁损一般由磁滞损耗、涡流损耗和剩余损耗所组成。铁磁材料磁化时，出现磁滞现象，每磁化一周所消耗的能量正比于磁滞回线的面积，这种能量损失称为磁滞损耗。

20、3131 按照电磁感应定律，铁磁体在交变磁场中磁化，材料内的磁通量发生变化时，在磁通的周围会产生感应电动势，因为铁是导电物质，感应电动势在垂直于磁通方向的截面上感应出闭合的涡流电流。剩余磁耗包括驰豫损耗、畴壁共振损耗和自然共振损耗。饱和磁感应强度饱和磁感应强度：在磁化场足够强的情况下，软磁材料可能达到的最大磁感应强度 剩余磁感应强度剩余磁感应强度：软磁材料经一定强度的磁场磁化后，再将磁场强度减至零，此时材料内所剩的磁感应强度。3232 2）软磁材料的种类和应用）软磁材料的种类和应用 电工用纯铁电工用纯铁：是一种含碳量很低，含铁量99.95%以上的软钢。它属于高饱和材料，有较小的矫顽力，主要用于

21、制造电磁铁的铁芯和磁极，继电器的磁路和各种零件，制造扬声器的磁路，电话中的振动模等。Fe-Si，属于高饱和材料，主要用各种形式的发电机，电动机中和变压器等。45坡莫合金（45%Ni-55%Fe）：含镍量在3090的镍铁合金，是由Fe，Ni，Mo，Cr，Cu等元素组成。主要应用在电讯工业、仪表、电子计算机和控制系统等领域。3333 软磁铁氧体软磁铁氧体：软磁铁氧体是铁氧体材料中的一种，是一种容易磁化和退磁的铁氧体，其特点是起始的磁导率高，矫顽力小，损耗小，使用频率可达高频或超高频范围。软磁铁氧体是氧离子和金属离子组成的尖晶石结构的氧化物。常用的镍锌铁氧体和锰锌铁氧体。主要应用于录音，记录仪记录磁

22、头，变压器铁芯等在通讯广播电视和其他无线电技术中，例如收音机天线磁棒等。3434 3硬磁材料硬磁材料 硬磁材料是具有强的抗退磁能力和高的剩余磁感应强度的强磁材料，又称永磁材料。表征硬磁材料性能的主要参数是剩余磁感应强度、矫顽力和最大磁能积，三者越高，硬磁性材料越好。硬磁材料的种类和应用硬磁材料的种类和应用 铸造硬磁合金铸造硬磁合金；可变形硬磁合金；稀土硬磁合金；硬磁铁氧体；粘结磁体。如Al-Ni-Co，Al-Ni-Co-Ti等合金，是一种应用广泛、高磁能积、高矫顽力的合金，特点是质脆而硬，只能通过铸造成型和磨削加工成磁体。3535 可变形硬磁合金可变形硬磁合金：是指合金中包含了碳的磁钢，Fe-

23、Cr-Co,Fe-Co-V,Mn-Al-C等，这种材料可通过热冷塑性变形和机加工制作成丝、带及其他各种形状的永磁体。硬磁铁氧体硬磁铁氧体：包括钡铁氧体、锶铁氧体。它具有剩余磁通量小，矫顽力大，电阻率大，密度小，制造工艺简单等特性，是硬磁材料中价格最低的一类磁体。4 非晶态磁性合金非晶态磁性合金 非晶态合金是指内部原子排列不存在长程有序的合金。非晶态磁性合金指的是原子呈无长程有序排布并具有优异磁特性的合金。主要研究的是软磁材料。3636 非晶态磁性合金的关键技术是制备工艺，液态金属中的原子处于无序状态，只要将此无序的状态保留到固态，就可获得非晶态合金。在制备中，为防止合金有序过程的发生，往往在合

24、金中加入能阻止晶化的元素，通常加入B，Si，P，C等，其质量分数在0.2左右。非晶态合金的特性非晶态合金的特性：磁导率和矫顽力与铁镍合金基本相同，在某些情况下，其中一些指标优于铁镍合金。电阻率比一般软磁合金材料大，磁致收缩特性好，具有良好的抗腐蚀特性，机械抗拉强度好，韧性好，容易得到比铁镍合金还要薄的薄膜。3737 主要合金代表主要合金代表：高磁导率和高磁饱和感应型合金：由80的Fe，Co，Ni和20B，Si，P，C组成，它们的磁饱和值略低于取向硅钢片，但其铁芯损耗仅为硅钢片的的三分之一到五分之一。高磁导率合金主要是钴基合金和铁镍基合金，这类合金的磁导率和矫顽力可与坡莫合金媲美，而电阻率和硬度则优于坡莫合金。见下表：38383939