土木专业建筑学磁性材料一随堂讲义

第二章磁性功能材料本章主要内容磁学理论简介——物质的磁性、磁性的基本物理量磁性材料——软磁材料、永磁材料磁性材料的基本性能与应用著名大学，研究所，公司磁性材料——具有较强磁性的材料。工业上最早应用的磁性材料:软铁、硅钢片、铁氧体等。二十世纪六十年代:非晶态、纳米晶软磁材料、稀土永磁材材料计算机及声像记录用大容量存储装置如磁盘、磁带；电工产品：变压器、电机，以及通讯、无线电、电器、各种电子装置第一节铁磁学基础1.1物质的磁性（一）磁矩磁性的来源（二）基本磁参量（三）物质磁性分类（四）磁化曲线磁滞回线（五）磁晶各向异性（六）磁致伸缩1.2磁化过程与技术磁参量1.3磁性材料分类(一)磁矩一个圆电流的磁矩定义为：i：电流强度S：圆电流回线包围的面积。其方向可以用右手定则来确定1.1物质的磁性iSM物质分子原子原子核核外电子原子磁矩主要来源于电子磁矩物质磁性具有普遍性电子的轨道磁矩电子的自旋磁矩原子磁矩物质磁性原子磁矩＝Σ物质表现何种磁性原子磁矩间相互作用外加磁场的作用第一节铁磁学基础1.1物质的磁性（一）磁矩磁性的来源（二）基本磁参量（三）物质磁性分类（四）磁化曲线磁滞回线（五）磁晶各向异性（六）磁致伸缩1.2磁化过程与技术磁参量1.3磁性材料分类NiH20/rrkmHl（二）基本磁性参量磁场强度(H)：磁化强度(M，σ):磁感应强度(B):电流强度为i的电流在一个每米有N匝线圈的无限长螺旋管轴线中央产生的磁场强度H为：距离永磁体r处的磁场强度H为：m1为磁极的磁极强度，；r0是r的矢量单位；单位体积磁性材料内原子磁矩的矢量和物质在外磁场H作用下，其内部原子磁矩的有序排列还将产生一个附加磁场。在磁性材料内部外磁场与附加磁场的和。在真空中：在磁性材料中：HB0)(0MHBHB磁化强度与外磁场的关系：HMHB/0HB/HM/00/rr：相对磁导率绝对磁导率：：真空磁导率；第一节铁磁学基础1.1物质的磁性（一）磁矩磁性的来源（二）基本磁参量（三）物质磁性分类（四）磁化曲线磁滞回线（五）磁晶各向异性（六）磁致伸缩1.2磁化过程与技术磁参量1.3磁性材料分类(三）物质磁性的分类物质磁性分类顺磁性铁磁性抗磁性与外加磁场的关系反铁磁性亚铁磁性抗磁性物质的磁结构及磁化率随温度的变化⑴抗磁性χ：－（10-5–10-6）抗磁性：磁化率小于零，在外磁场的作用下产生一个与外磁场方向相反且很小的附加磁场，其值和温度无关。抗磁性物质：He，Ne，Ar，H2，N2，C，Si，Ge等顺磁性物质的磁结构及磁化率随温度的变化（2）顺磁性χ：10-4-10-5原子磁矩的方向是紊乱的；在外加磁场作用下趋于沿外场方向排列，使磁质沿外场方向产生一定强度的附加磁场。磁化率虽小，但大于零。磁化强度随温度的升高而下降。顺磁金属主要有Mo，Al，Pt，Sn等。顺磁性：（3）反铁磁性χ：10-2-10-4反铁磁性物质的磁结构及磁化率随温度的变化Cr、Mn以及含有Cr、Mn的一些合金是反铁磁性的。磁化率和温度的关系在涅耳点(TN)有一转折。在TN点以下为反铁磁性,χ随温度升高而升高。在TN以上，χ随温度升高而下降，表现如顺磁性行为。反铁磁性物质中有A、B两个次晶格，其原子磁矩反平行排列，且大小相等，自发磁化强度相互抵消，总磁矩为零。反铁磁性：铁磁性物质的磁结构及磁化率随温度的变化(4)铁磁性χ：102-106在不大的磁化场下，该物质有较高的磁化强度，并达到饱和状态；磁化率随磁场非线性变化；饱和磁化强度随温度升高而下降，并在一定温度Tc（居里温度）下，铁磁性消失，变成顺磁性。铁磁性：铁磁性物质：①Fe、Co、Ni等纯金属。某些稀土元素如Gd（钆gá）等②含Fe、Co、Ni的合金及化合物；③某些过渡元素组成的合金。亚铁磁性物质的磁结构及磁化率随温度的变化（5）亚铁磁性χ：102–106也有两个次晶格，其自发磁化的磁矩方向相反，但大小不等，总的磁矩为两反平行排列磁矩的和，不为零。大量使用的铁氧体亚铁磁性：物质磁性分类顺磁性被磁化后，磁化场方向与外场方向相同，χ：102–106铁磁性被磁化后，磁化场方向与外场方向相同，χ：10-4-10-5被磁化后，磁化场方向与外场方向相反，χ：－（10-5–10-6）抗磁性与外加磁场的关系反铁磁性被磁化后，磁化场方向与外场方向相同，χ：10-2-10-4亚铁磁性被磁化后，磁化场方向与外场方向相同，χ：102-106弱磁性强磁性磁性材料——具有较强磁性的材料。第一节铁磁学基础1.1物质的磁性（一）物质的磁性磁矩（二）基本磁参量（三）物质磁性分类（四）磁化曲线磁滞回线（五）磁晶各向异性（六）磁致伸缩1.2磁化过程与技术磁参量1.3磁性材料分类磁化曲线：磁感应强度B或磁化强度M与磁场强度H之间的非线性关系的曲线。（四）磁化曲线和磁滞回线H,A/mM,kA/mMs1000200048铁磁性材料的磁化曲线磁滞现象：当强磁性材料达到磁饱和状态后，如果减小磁化场H，介质的磁化强度M（或磁感应强度B）并不沿着起始磁化曲线减小，M（或B）的变化滞后于H的变化。这种现象叫磁滞。（a）抗磁；（b）顺磁反铁磁抗磁、顺磁或反铁磁材料无磁滞现象，M绝对值低，随H增加，抗磁性物质的M为负值。第一节铁磁学基础1.1物质的磁性（一）物质的磁性磁矩（二）基本磁参量（三）物质磁性分类（四）磁化曲线磁滞回线（五）磁晶各向异性（六）磁致伸缩1.2磁化过程与技术磁参量1.3磁性材料分类磁性材料在不同方向上具有不同磁性能的特性。磁晶各向异性，单晶体的磁性各向异性称为磁晶各向异性单晶体的易磁化和难磁化方向（五）磁晶各向异性第一节铁磁学基础1.1物质的磁性（一）物质的磁性磁矩（二）基本磁参量（三）物质磁性分类（四）磁化曲线磁滞回线（五）磁晶各向异性（六）磁致伸缩1.2磁化过程与技术磁参量1.3磁性材料分类磁性材料磁化过程中发生沿磁化方向伸长(或缩短)，在垂直磁化方向上缩短(或伸长)的现象它是一种可逆的弹性变形。材料磁致伸缩的相对大小用磁致伸缩系数λ表示，即：λ=Δl/l式中，Δl和l分别表示磁场方向的绝对伸长与原长。当磁场强度足够高，磁致伸缩趋于稳定时，磁致伸缩系数λ称为饱和磁致伸缩系数，用λs表示。对于3d金属及合金:λs约为10-5—10-6。（五）磁致伸缩第一节铁磁学基础1.1物质的磁性（一）物质的磁性磁矩（二）基本磁参量（三）物质磁性分类（四）磁化曲线磁滞回线（五）磁晶各向异性（六）磁致伸缩1.2磁化过程与技术磁参量1.3磁性材料分类第一节铁磁学基础1.1物质的磁性1.2磁化过程与技术磁参量（一）磁畴结构（二）磁畴移动与磁化过程，反磁化过程（三）铁磁体中的磁自由能（四）磁性材料的技术磁参量（五）磁性材料的稳定性1.3磁性材料分类1.2磁化过程与技术磁参量抗磁性物质的磁结构及磁化率随温度的变化顺磁性物质的磁结构及磁化率随温度的变化反铁磁性物质的磁结构及磁化率随温度的变化(一)磁畴结构理论和实验均已证明，在居里温度以下，在没有外磁场的作用下，铁磁性材料内部分成若干个小区域，在每个小区域内原子磁矩自发的磁化饱和，即原子磁矩平行排列。每一个磁矩取向一致的自发磁化区域就叫做一个磁畴。实际材料中的筹结构，受到材料的尺寸，晶界，应力，参杂和缺陷等的影响，因而情况比较复杂1.通常情况下磁畴尺寸？宽度10-3cm，体积10-9cm3,1014原子2.软磁性物质在通常情况下不显示磁性？磁畴结构磁畴畴壁（磁畴壁）103原子布洛赫畴壁布洛赫(Bloch)磁畴壁畴壁两侧的原子磁矩的旋转平面与畴壁平面平行奈尔畴壁奈耳（Neel）磁畴壁畴壁内原子磁矩的旋转平面与两磁畴的磁矩在同一平面平行于界面（3）混合磁畴壁第一节铁磁学基础1.1物质的磁性1.2磁化过程与技术磁参量（一）磁畴结构（二）磁畴移动与磁化过程，反磁化过程（三）铁磁体中的磁自由能（四）磁性材料的技术磁参量（五）磁性材料的稳定性1.3磁性材料分类磁化过程：磁性材料在外磁场作用下由宏观的无磁状态转变为有磁状态的过程。磁化是通过磁畴的运动来实现的。（二）磁畴移动与磁化过程，反磁化过程各磁畴内部的磁矩平行或反平行于外加磁场，不受这一磁场的力矩。而畴壁附近的磁矩方向发生改变，使畴壁产生横向移动。受外磁场作用时，畴内整齐排列在易磁化方向上原子磁矩一致地偏离易磁化方向而向外磁场方向转动。外场愈强，材料的磁晶各向异性愈弱，则磁矩就愈偏向外场方向。畴内磁化方向转动畴壁移动运动方式在增大磁化场时,畴壁移动和磁畴转动示意图图(a)表示一块铁磁体在磁化场H=0时的畴结构，它表示各个自发磁化区的磁化矢量(用矢号表示)相互抵消，总体上磁化强度为零；图(b)、（c）和（d）表示在外磁场H逐渐增大时的畴结构，在图的下边用斜向上方的矢号表示H的方向和大小；图(b)示明在较弱外磁场H=H1时畴壁位移的情况：和外场方向接近的畴长大，和外场方向相反或方向相差较多的畴缩小。图(c)表示在H=H2时畴壁位移完了时的情况，此时在整个试样中不存在畴璧，合并成一个磁畴，但其磁化方向和外场H不一致。图(d)表示在更高的外场H3作用下，磁畴的磁化矢量转到与外场的方向一致，此时达到饱和磁化。（三）磁化曲线磁化过程四阶段：（1）OA阶段，M随H呈线性地缓慢增长，可逆畴壁移动过程。（2）AB阶段，M随H急剧增长，不可逆畴壁移动过程（3）BC阶段，M的增长趋于缓慢。磁畴的磁化矢量已转到最接近于H方向的晶体易磁化方向，M的增长主要靠可逆转动过程来实现。（4）CD阶段，趋近饱和过程或称平行过程。磁化曲线极平缓地趋近于水平线而达到饱和状态。反磁化过程退磁曲线和磁滞回线在磁滞回线上，由C点的磁化状态到C’点的磁化状态，称为反磁化过程。与反磁化过程相对应的BH曲线称为反磁化曲线。反磁化过程第一节铁磁学基础1.1物质的磁性1.2磁化过程与技术磁参量（一）磁畴结构（二）磁畴移动与磁化过程，反磁化过程（三）铁磁体中的磁自由能（四）磁性材料的技术磁参量（五）磁性材料的稳定性1.3磁性材料分类（三）铁磁体中的磁自由能交换能静磁能退磁场能磁晶各向异性能磁弹性能⑴交换能：交换能属于近邻原子间的静电相互作用能。它比其它各项磁自由能大102-104数量级。它使强磁性物质相邻原子磁矩有序排列，即自发磁化。其他各项磁自由能不改变其自发磁化的本质，而仅改变其磁畴结构。在3d金属如Fe，Co，Ni，中，当3d电子云重叠时，相邻的3d电子存在交换作用。交换能Eex与两个电子自旋磁矩的取向有关，表达为cos22AEexσ是以普朗克常数为单位的电子自旋角动量。Φ为相邻原子3d电子自旋磁矩的夹角，A为交换积分常数。在平衡状态，相邻原子3d电子自旋磁矩的夹角遵循能量最小原理。为什么铁磁性材料中会出现磁畴呢？⑵静磁能：强磁性物质的磁化强度与外磁场的相互作用能称为静磁能cosMHEHM—磁化强度；H—外磁场；θ—M和H的夹角（3）磁晶的各向异性能EK从晶体的易磁化方向转到难磁化方向所需做的功叫磁晶各向异性能EK对于不同的晶体结构有不同的表达式。立方晶体：)100()(WWEUVWK（4）磁弹性能Eσ当铁磁体内存在内应力或有外应力作用时，磁致伸缩与应力发生相互作用，与此相关的能量称为磁弹性能。（5）退磁场能退磁场在开路状态下，一个有限大小的样品被外磁场磁化时，在它的两端将产生一个磁场。该磁场的方向与磁体的M方向相反，并使磁体产生退磁倾向，叫做退磁场Hd。退磁场能：物质的磁化强度和其自身的退磁场的相互作用能称为退磁场能。NMHdN称为退磁因子，与铁磁体的形状有关沿长轴磁化的细长样品，N≈0，短粗的样品，N则很大宏观磁体内磁畴？？交换能磁晶各向异性能退磁场能第一节铁磁学基础1.1物质的磁性1.2磁化过程与技术磁参量（一）磁畴结构（二）磁畴移动与磁化过程，反磁化过程（三）铁磁体中的磁自由能（四）磁性材料的技术磁参量（五）磁性材料的稳定性1.3磁性材料分类(四）磁性材料的技术磁参量技术磁参量MS:饱和磁化强度Tc：居里温度Hc：矫顽