第三章材料的磁性

-1-引言-2-极光-3-司南（春秋战国）磁学与磁性材料的发展公元前4世纪Fe3O4磁性记载（中国）公元前3世纪最早的指南针发明（中国）《吕氏春秋.精通篇》云：”慈石召铁，或引之也。”-4-公元1600年，英国的吉尔伯特发表了世界上第一部磁学专著论磁石。吉尔伯特磁学与磁性材料的发展北宋.沈括《梦溪笔谈》魏.管辂《管氏地理指蒙》以磁石磨针锋，则能指南；然常微偏东，不全南也。水浮多荡摇，指爪及碗唇上皆可为之，运转尤速，但坚滑易坠，不若缕悬为最善。其法：取新纩中独茧缕，以芥子许腊缀于针腰，无风处悬之，则针常指南。其中有磨而指北者。予家指南、北者皆有之。磁石之指南，犹柏之指西，莫可原其理。磁者母之道，针者铁之戕，母子之性，以是感以是通，受戕之性，以是复以是完，体轻而径，所指必端，应一气之所，召土曷中而方曷，偏较轩辕之纪，尚在星虚丁癸之躔，惟岁差之法，随黄道而占之，见成象之昭然。磁石受太阳之气而成，磁石孕二百年而成，铁虽成于磁，然非太阳之气不生，则火实为石之母，南离属太阳，真火针之指南北，顾母而恋其子也。-5-法拉第安培韦伯麦克斯韦赫兹外斯磁性物质的分子场假说，奠定了现代磁学的基础。磁学与磁性材料的发展-6-磁学与磁性材料的发展-7-发电机和电动机等电气化设备，是以磁场的作用和磁性材料为基础进行能量转换的。磁性材料的应用-8-电子工业中的应用。磁性材料的应用-9-磁性材料的应用-10-磁性材料的应用-11-磁性材料的应用-12-磁性材料的应用-13-在高能加速器和粒子检测器中以及高温等离子体装置中，都需要使用强磁场。磁性材料的应用-14-在生物学和医学方面，利用弱生物磁性和极微弱生物磁场的变化进行生理和病理方面的研究以及疾病的诊断。核磁共振(MRI)又叫核磁共振成像技术。磁性材料的应用基本原理：是将人体置于特殊的磁场中,用无线电射频脉冲激发人体内氢原子核,引起氢原子核共振,并吸收能量。在停止射频脉冲后氢原子核按特定频率发出射电信号,并将吸收的能量释放出来,被体外的接受器收录,经电子计算机处理获得图像,这就叫做核磁共振成像。-15-军事工业中的应用。铁氧体雷达波吸收材料用于F117隐身战机磁性材料的应用-16-磁学基本概念自发磁化和磁畴磁性的种类磁性材料的种类本章纲要磁性材料的应用磁性在材料研究中应用-17-电流(或运动电荷)磁场磁学的基本概念磁学现象的两个基本命题：(1)磁及磁现象的根源是电流，或者说是电荷的运动。(2)所有的物质都是磁性体。（磁的自发性）（电流的磁效应和变化磁场的电效应)-18-磁场强度：指空间某处磁场的大小，符号H，单位:(A/m)。磁学的基本概念磁感应强度：磁感应强度B的定义是：B=μ0(H+M)，其中H和M分别是磁场强度和磁化强度，μ0为真空导磁率。又称为磁通密度，单位是特斯拉(T),或韦伯·米-2。磁化强度：指材料内部单位体积的磁矩矢量和，符号M，单位:(A/m)。磁化率：物体在磁场中被磁化的程度与磁化场的强度有关，其关系为M=χH，χ即为磁化率。-19-rIH21820年，奥斯特发现电流能在周围空间产生磁场，一根通有I安培(A)直流电的无限长直导线，在距导线轴线r米(m)处产生的磁场强度H（magneticfieldstrength）为:在国际单位制中，单位为安培/米(A/m)。磁感应强度材料在磁场强度为H的外加磁场(直流、交变或脉冲磁场)作用下，会在材料内部产生一定磁通量密度，称其为磁感应强度B(magneticfluxdensity)。B和H是既有大小、又有方向的向量。即在强度为H的磁场被磁化后，物质内磁场强度的大小。单位为特斯拉(T)或韦伯/米2(Wb/m2)。-20-磁导率的定义是μ=B/H，是磁化曲线上任意一点上B和H的比值。磁导率实际上代表了磁性材料被磁化的容易程度，或者说是材料对外部磁场的灵敏程度。真空中：磁学的基本概念µv—真空中的磁导率，或叫做磁常数。µv=4π×10-7NA-2(或亨利·米-1，H·m-1)B=µv·H介质中：µr—介质的相对磁导率，μ=µr·µv—介质的磁导率。B=µr·µv·H=µ·H-21-磁导率单位磁场中材料的磁感应强度大小。材料在磁场中的磁化的难易程度。-22-磁学的基本概念m：磁化率magneticsusceptibilityHm：磁化强度magnetization-23-磁矩：将磁极强度为qm、相距为L的磁极对置于磁场强度H中，为达到与磁场平行，该磁极对要受到磁场力F的作用，在转矩T=LqmHsin的作用下，发生旋转,该式中的系数qmL定义为磁矩。-qmHqmHSN磁学的基本概念偶极子：构成质点的正负电荷沿电场方向在有限范围内短程移动，形成一个偶极子。电偶极矩：=ql+q-qlEH磁偶：具有磁矩的磁极对Mi=qmL-24-磁矩任何一个封闭的电流都具有磁矩m;磁矩(magneticmoment)是表示磁体本质的一个物理量。其方向与环形电流法线的方向一致;其大小为电流与封闭环形的面积的乘积IΔS。在均匀磁场中，磁矩受到磁场作用的力矩JJ＝m×B式中，J为矢量积，B为磁感应强度，其单位为222mWbmsVmAmNmJB其中Wb(韦伯)是磁通量的单位。-25-为了求得磁矩在磁场中所受的力，对一维情况可以写出dxdBmFx/静磁能在均匀磁场中，磁矩受到磁场作用的力矩J试图使得磁矩m处于位能较低的方向。磁矩与外加磁场的作用能称为静磁能。U＝－m·B此式为分析磁体相互作用、以及在磁场中所处状态是否稳定的依据。-26-在一外磁场H中放入一磁介质，磁介质受外磁场作用，处于磁化状态，则磁介质内部的磁感强度B将发生变化：HB式中μ为介质的绝对磁导率，μ只与介质有关。HMHMHB)(000式中M称为磁化强度（intensityofmagnetization），它表征物质被磁化的程度。磁化强度对于一般磁介质，无外加磁场时，其内部各磁矩的取向不一，宏观无磁性。但在外磁场作用下，各磁矩有规则地取向，使磁介质宏观显示磁性，这就叫磁化。-27-磁化强度的物理意义是单位体积的磁矩。设体积元△V内磁矩的矢量和为m则磁化强度M为磁化强度VmMm的单位为A·m2，V的单位为m3，因而磁化强度M的单位为A·m-1，即与H的单位一致。HMHB)(0MH100r介质的相对磁导率HMr11r介质的磁化率HM-28-仅与磁介质性质有关。它反映材料磁化的能力，没有单位，为一纯数。可正、可负，决定于材料的不同磁性类别介质的磁化率常见材料在室温时的磁化率材料名称磁化率材料名称磁化率氧化铝-1.81×10-5锌-1.56×10-5铜-0.96×10-5铝2.07×10-5金-3.44×10-5铬3.13×10-4水银-2.85×10-5钠8.48×10-6硅-0.41×10-5钛1.81×10-4银-2.38×10-5锆1.09×10-4-29-磁性的种类五类磁体的磁化曲线示意图磁化率为甚小的负数，大约在10-6数量级。磁化率为正值，约为l0-3~10-6磁化率是很大的正数，且与外磁场呈非线性关系变化。类似于铁磁体，但磁化率没有铁磁体那样大在温度低于某温度时，其磁化率同磁场的取向有关；高于这个温度，其行为像顺磁体。-30-磁性的种类•抗磁性(diamagnetism)m0–Hg、Cu、Ag、Pb–金刚石、MgO、NaCl–绝大多数高分子材料•顺磁性(paramagnetism)m0–含有非零角动量原子(例如过渡金属)的材料。mT-1(居里定理)–一些非过渡金属(例如Al)。m与T无关磁场撤去后磁效应消失μr略小于1，χm=-10-4~-10-8μr略大于1，χ=10-3~10-6-31-•铁磁性(ferromagnetism)–在不太强的磁场中，就可以磁化到饱和状态。–铁磁居里温度ferromagneticCurietemperature磁性的种类μr很大约102~104；χm为正值，很大；M与H呈非线性关系-32-磁性的种类•反铁磁性(antiferromagnetism)–在外电场作用下，相邻磁矩反向排列。–Mn、Cr•铁氧体磁性(ferrimagnetism)–不同的磁矩反平行排列时，在一个方向呈现出净磁矩。–代表：磁铁矿Fe3O4铁磁性反铁磁性铁氧体磁性-33-反铁磁性(MnO)-34-思考题为什么材料会表现出不同的磁性？在晶体中，轨道与轨道、轨道与自旋、自旋与自旋的直接或间接的相互作用以及这些磁矩对外磁场响应的特性就构成了各种不同的磁性物质。物质中产生磁场的方式通常有三种：-35-磁性的来源——磁偶极子magneticdipolesThespinoftheelectronproducesamagneticfieldwithadirectiondependentonthequantumnumbermsElectronsorbitingaroundthenucleuscreateamagneticfieldaroundtheatom.-36-材料的磁性主要来源于电子的轨道磁矩和自旋磁矩。材料中原子核的磁矩很小，通常可以略去不计。磁性的来源——磁偶极子-37-组成宏观物质的原子有两类：磁性的来源——磁偶极子1、原子中的电子数为偶数，即电子成对地存在于原子中。这些成对电子的自旋磁矩和轨道磁矩方向相反而互相抵消，使原子中的电子总磁矩为零，整个原子就好像没有磁矩一样，习惯上称他们为非磁原子。2、原子中的电子数为奇数，或者虽为偶数但其磁矩由于一些特殊原因而没有完全抵消使原子中电子的总磁矩(有时叫净磁矩，剩余磁矩)不为零，带有电子剩余磁矩的原子称作磁性原子。-38-电子轨道磁矩电子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。设r为电子运动轨道的半径，L为电子运动的轨道角动量，ω为电子绕核运动的角速度，电子的电量为e，质量为m。该磁矩的方向垂直于电子运动轨迹平面，并符合右手螺旋定则。-39-电子轨道磁矩在外磁场方向上的分量，满足量子化条件：电子轨道磁矩ml为电子运动状态的磁量子数，下角z表示外磁场方向；μB为玻尔磁子(Bohrmagneton)，是电子磁矩的最小单位，其值为e、h、me分别为电子电量、普朗克(Planck)常量和电子质量。-40-自旋磁矩每个电子本身作自旋运动，产生一个沿自旋轴方向的自旋磁矩（electronicspinmagneticmoment）。因此可以把原子中每个电子都看作一个小磁体，具有永久的轨道磁矩和自旋磁矩。实验测定电子自旋磁矩在外磁场方向上的分量恰为一个玻尔磁子：BezP其符号决定于电子自旋方向。-41-原子是否具有磁矩，取决于其具体的电子壳层结构。若有未被填满的电子壳层，其电子的自旋磁矩未被完全抵消(方向相反的磁矩可互相抵消)，则原子就具有永久磁矩。原子本征磁矩而根据洪德法则，3d壳层的电子应尽可能填充不同的轨道，其自旋应尽量在向一个平行方向上。2s22p63s23p63d64s2铁原子的电子层分布3d壳层的5个轨道中除了1个轨道填有2个自旋相反的电子外，其余4个轨道均只有1个电子，且这4个电子的自旋方向互相平行，使总的电子自旋磁矩为4μB。-42-抗磁性对于电子壳层已填满的原子，虽然其轨道磁矩和自旋磁矩的总和为零，但这仅是在无外磁场的情况下。无外磁场221rePe电子循轨运动产生轨道磁矩电子受向心力K＝mrω2当有外磁场作用时，即使对于那种总磁矩为零的原子也会显示出磁矩来。-43-电子的循轨运动在外磁场