材料物理性能5(120)

第四章材料的磁性能主讲：胡木林2016年10月《材料物理性能》§4.1磁学现象及磁性《材料物理性能》——材料的磁性能外磁场发生改变时，系统的能量也随之改变，这时就表现出系统的宏观磁性。在学童时代，我们都接触过磁现象：磁铁吸引铁片，同极相斥、异极相吸，接触过磁铁的大头针用细线吊起会自动南北指向，磁铁上的铁屑会形成毛刺并构成连线等等。磁性是物质的基本属性之一。磁性不只是一个宏观的物理量，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内部结构的重要方法之一。磁学基本量《材料物理性能》——材料的磁性能环形电流在其运动中心处产生一个磁矩m(或称磁偶极矩)一个环形电流的磁矩定义为：mIS式中：I为环形电流的强度，S为环流所包围的面积，m的方向可用右手定则来确定。将磁矩m放入磁感应强度为B的磁场中，它将受到磁场力的作用而产生转矩，其所受转矩为：TmB磁矩与外磁场的作用能称为静磁能。处于磁场中某方向的磁矩所具有的静磁能为，UmB《材料物理性能》——材料的磁性能磁场在真空中的磁感应强度为B0，其磁场强度H与B0的关系是，00BH式中，称为真空磁导率。70410/Hm任何材料在外磁场作用下都会或大或小地显示出磁性，这种现象称为材料被磁化。一个物体在外磁场中被磁化的程度，用单位体积内磁矩多少来衡量，称之为磁化强度M，/MmV将材料放入磁场强度为H的自由空间，材料中的磁感应强度为，0BBB式中称为束缚电流的磁感应强度。B《材料物理性能》——材料的磁性能0BM0000rBHMHMH1rmMHH式中称为相对磁导率。r0r绝对磁导率为：式中称为磁化率。m物质磁性分类：《材料物理性能》——材料的磁性能根据物质的磁化率，可以把物质的磁性大致分为五类：抗磁体磁化率为很小的负数，大约在10-6数量级。它们在磁场中受微弱斥力。金属中约有一半简单金属是抗磁体。根据与温度的关系，抗磁体又可分为：①“经典”抗磁体，它的不随温度变化，如铜、银、金、汞、锌等。反常抗磁体，它的随温度变化，且其大小是前者的10一100倍，如铋、镓、锑、锡、铟、铜一锆合金中的相等。《材料物理性能》——材料的磁性能顺磁体磁化率为正值，大约在10-3～10-6数量级。根据与温度的关系可分为：1)正常顺磁体，其随温度变化符合l／T关系，如，金属铂、钯、奥氏体不锈钢、稀土金属等。2)与温度无关的顺磁体，例如锂、钠、钾、铷等金属。《材料物理性能》——材料的磁性能在较弱的磁场作用下，就能产生很大的磁化强度。铁磁体是很大的正数，且与外磁场呈非线性关系变化。具体金属有铁、钴、镍等。铁磁体在温度高于某临界温度后变成顺磁体。此临界温度称为居里温度或居里点，常用Tc表示。铁磁体是我们要重点介绍的磁性物质。《材料物理性能》——材料的磁性能这类磁体有些像铁磁体，但值没有铁磁体那样大通常所说的磁铁矿、铁氧体等属于亚铁磁体。亚铁磁体这类磁体的是小的正数，在温度低于某温度时，它的磁化率同磁场的取向有关；高于这个温度，其行为像顺磁体。反铁磁体具体材料有一Mn、铬，还有如氧化镍、氧化锰等。《材料物理性能》——材料的磁性能五类磁体的磁化曲线示意图11§4-2材料抗磁性和顺磁性的物理本质•材料的磁性来源于原子的磁性（或分子的磁性）。•原子磁性包括：1.电子轨道磁矩；2.电子自旋磁矩；3.原子核磁矩。其中原子核磁矩很小，只有电子磁矩的几千分之一，可以忽略。一、电子磁矩•由于电子绕核运动，相当于一环形电流，比在其运动中心处产生磁矩，磁矩的大小为：•该磁矩的方向垂直于电子运动轨迹平面，并符合右手螺旋法则。它在外磁场方向上的投影，即电子轨道磁矩在外磁场方向上的分量，满足量子化条件：12电子运动轨迹的半径。电子绕核运动角速度；；电子运动的轨道角动量式中--r----L:L2merm2mer)2(esip22e。一致的为正，反之为负外磁场方向方向，一般取与其符号决定于电子自旋或磁子：的分量恰好为一个波尔在外磁场方向上实验测定电子自旋磁矩旋磁矩，另外，电子自旋具有自。为电子质量，位。式中它是电子磁矩的最小单。），理论计算得：波尔磁子（外磁场方向；电子状态的磁量子数，Zm.AT.J10273.9p2hmT.J10273.92memagnetornBohr-Zm)l,,2,1,0m(mp2124Bsz124BBllBllz13•为了确定材料是顺磁性还是抗磁性，要把它放入外磁场中观察其磁性表现。根据理论研究，材料磁性要从以下四个方面讨论：1.点阵节点上正离子抗磁性；2.正离子的顺磁性；3.自由电子的抗磁性；4.自由电子的顺磁性。上述四种磁性可能单独存在，也可能共同存在，综合考虑那个因素影响最大，从而确定其磁性性质及其变化规律。1415二、正离子的抗磁性•正离子是指去掉自由电子后的原子，即由原子核及其绕核运动的剩余电子构成。0llllBppLp2mLep的作用：有一力矩磁矩方向相反。外加磁场对与电子磁矩：160llBpdtLdpL，即的力矩在磁矩的变化率等于作用角动量道由动量矩定理，电子轨）（为拉莫运动。进动，这种旋进运动称轴的产生绕磁场此力矩使角动量00BL2meLB2medtLdHL。是电子进动周期：动所产生的电流是：那么一个电子作拉莫进进动的频率为：由上述两式可知，拉莫也成立。故上式对均绕磁场同步旋转，与磁矩由于角动量2TTm2Be2eT1ei2meBPB2medtPdppLL02L0Ll0lll1718加磁场方向相反。附加磁矩方向正好和外）（：进动产生的附加磁矩为轨道面积为：径的均方值为：电子轨道进动的轨道半2202e2222yx4mBesipsyx19•若材料中每单位体积有N个原子、每个原子又有Z个内层电子，则由于进动而产生的磁化强度为：2j2j2j2j2j2j2jz1j2j2j02z1j2j2j02jz1jr32yxr31zyx)yx(4mNeHH')yx(4mBNesiN'H称的，则的，电子分布是球形对如果电子壳层都是填满其磁化率为：与外加磁场方向相反，”号表示磁化强度方向式中“20。很小，约为。等，与温度、磁场无关、、上式表明：为真空磁导率。为电子质量，为离子实中的电子数，数，为单位体积中的正离子值，为电子轨道半径的均方式中：则可得：抗抗抗6202202z1j2j0210rNZmZNrr6mZNer6mNe21•上述推导表明，抗磁性来源于电子轨道运动，故可以说任何物质在外磁场作用下均应有抗磁性效应。•但只有次电子层填满了电子的物质，抗磁性才能表现出来；否则抗磁性就被别的磁性掩盖了。•抗磁性物质有：1.惰性气体、离子型固体（NaCl）、Na+、Cl-2.共价键的C、Si、Ge、S、P3.大部分有机物质4.金属中的Bi、Pb、Cu、Ag等。22三、正离子的顺磁性•正原子的顺磁性来源于原子的固有磁矩。•原子的固有磁矩就是电子轨道磁矩和电子自旋磁矩的矢量和，又称本征磁矩，Pm。•如果原子中所有电子壳层都是填满的，由于形成一个球形对称的集体，则电子轨道磁矩和自旋磁矩各自相抵消，Pm=0，不产生顺磁性。•因此，产生顺磁性的条件就是：Pm≠0。在如下情况下，Pm≠0：1.具有奇数个电子的原子或点阵缺陷；2.内壳层未被填满的原子或离子。如过渡族金属（d壳层没有填满电子）和稀土金属（f壳层未填满电子）。•在B0=0时，由于原子的热运动，各原子的磁矩倾向于混乱分布，此时原子的动能Ek∝kT。对外表现出宏观磁特性H’=0。•当加上外加磁场时，外磁场要使原子磁矩Pm与B0的夹角θ减小。使原子磁矩转向外加磁场方向。•当外磁场逐渐增加到使能量U=-PmB0cosθ的减少能补偿热运动能量时，原子磁矩就一致排列了。此时有kT=PmB0。23m0PkTB•计算可得20℃时，使顺磁物质达到饱和磁化强度所需要的磁场约为8×1010A.m-1。目前人们所获得的恒磁场约为4.8×108A.m-1，通常只有1.2×108A.m-1。所以室温下磁化很弱。•若在1K温度下，例如GdSO4的B0≈24×104A.m-1，便达到磁饱和状态。•可以认为：顺磁物质的磁化就是磁场克服原子或分子热运动的干扰，使原子磁矩转向磁场方向的结果。24•常见的顺磁物质有：•（1）氧、Pt、钯、Re、（Fe、Co、Ni）的盐类；•（2）铁磁材料在相当高的温度（居里点以上）；•（3）Li、Na、Ti、K、Al、V。•顺磁性物质原子的磁化率和温度有很强烈的依赖关系，一般可用居里定律表示：•上述定律只适用于部分顺磁性物质；而另外一些物质，特别是过渡族金属元素、相当多的固溶体，则满足居里—万斯定律：253kTPnTCH'H2m0。于或小于是常数，不同物质可大对于某一物质来说也为常数；这里0C'T'C•铁磁性物质在居里点以上温度时，其顺磁性表现为服从居里—万斯定律，此时Δ=-θ。（θ为居里温度）•顺磁性物质的磁化率χ顺=1~103χ抗。所以在顺磁性物质中，抗磁性被掩盖了。•一般，顺磁、抗磁物质的磁化率与H无关，而且磁化过程是可逆的。262019/10/227四、自由电子的顺磁性和抗磁性1、顺磁性•自由电子的顺磁性来源于电子的自旋磁矩，在外磁场H作用下，自由电子的自选磁矩转到外磁场方向，因而显现顺磁性。2019/10/228•由于EF与温度关系不大，所以χ与T关系也不大，可表示为泡利磁化率：2、抗磁性•朗道指出：自由电子在磁场中除了表现为顺磁性外，同时亦具有抗磁性。•因为自由电子在外磁场方向的分运动保持不变，而在垂直于磁场方向的平面内，自由电子的运动因受到洛仑兹力而作圆周运动，从而产生一个同外加磁场H方向相反的磁场，表现出抗磁性。基本上为一常数。，泡利0F2B02EN329•因此，对于一种金属或物质，其磁性的表现，必须从以上各个方面综合考虑，看哪个因素是主要因素。的顺磁磁化率为：主要表现为顺磁性，总响，自由电子所以，去掉抗磁性的影理论计算可得：泡利抗31F2B0EN30某些元素的磁性分析元素磁性碱金属与碱土金属过渡、稀土金属Cu、Au、Ag、Zn惰性气体非金属三价金属Al、Se、La离子χ抗∨×∨主要∨主要∨离子χ顺×∨主要×××∨自由电子χ顺（χ抗）∨主要∨∨××∨结论顺磁性顺→铁磁性抗磁性抗磁性抗磁性顺磁性§4.3铁磁性和亚铁磁性材料的特性《材料物理性能》——材料的磁性能铁磁性材料铁、钴、镍及其合金，稀土族元素镝以及亚铁磁性材料铁氧体等都很容易磁化，在不很强的磁场作用下，就可得到很大的磁化强度。磁学特性与顺磁性、抗磁性物质不同，主要特点表现在磁化曲线和磁滞回线上。磁化曲线《材料物理性能》——材料的磁性能铁磁性物质的磁化曲线(M—H或B—H)是非线性的。随磁化场的增加，磁化强度M或磁感强度B开始时增加较缓慢，然后迅速地增加，再转而缓慢地增加，最后磁化至饱和。磁化至饱和后，磁化强度不再随外磁场的增加而增加。称为饱和磁化强度；称为饱和磁感应强度。sMsB《材料物理性能》——材料的磁性能起始磁导率：i它相当于磁化曲线起始部分的斜率。技术上规定在0.1～0.001Oe磁场的磁导率为起始磁导率，它是软磁材料的重要技术参量。00limiHHBH最大磁导率：m它是磁化曲线拐点处的斜率，它也是软磁材料的重要技术参量。磁滞回线《材料物理性能》——材料的磁性能将一个试样磁化至饱和，然后慢慢地减少H，则M也将减小，这个过程叫退磁。M不按照磁化曲线反方向进行，而是按另一条曲线改变。rMM当H减小到零，rBB当H为一反向磁场Hc，0M0B—剩余磁化强度rM—剩余磁感应强度rB