磁性材料和器件.

磁性材料和器件第八章：磁学基础及器件应用，基本的磁物理量和磁现象；软磁材料与变压器，硬磁材料与永磁体，直流马达；磁性材料在数据存储中的应用iS磁矩磁化强度BSMV磁感应强度000()(1)rBMHHHH711120:410(,,)SIHmWbAmNA0:1CGS1，磁介质基本公式MH第一节磁学基础0JM磁极化强度：磁化率CGS单位换算因子SI单位BG10-4BTHOe103/HAm-1MG103MAm-1磁矩emu1Am2麦克斯韦Mx10－8Wb442，磁学单位制3，磁测量振动样品磁强计（VSM）超导磁强计（SQUID）测量精度最高可到（10-10G）原理：约瑟夫逊效应心磁，脑磁大约在10－15～10－9T的量级02|cos()|JII7202.06710()GscmDc-SQUID霍尔磁强计（nT)HBIVnqd霍尔电压：原理：霍尔效应4，物质磁性（宏观表现）物质的磁性主要分为：铁磁，反铁磁，亚铁磁，抗磁，顺磁。例：Fe，Co，Ni，FeSi，NiFe,CoFe，SmCo,NdFeB铁磁磁化曲线051010磁有序都对应一个临界温度，铁磁和亚铁磁性消失的温度称为居里温度，使反铁磁性消失的点称为奈尔温度。居里温度cCTT居里－外斯定律亚铁磁磁化曲线例：各类铁氧体尖晶石结构：Fe3O4,MnFe2O4,CoFe2O4石榴石结构：A3Fe5O12,(A=Y,Sm,Gd,Dy,Ho,Er,Yb)磁铅石结构：BaFe12O19,PbFe12O19,SrFe12O19,钙钛矿结构：LaFeO3,Ms-T反铁磁磁化曲线例：一些过渡族元素的氧化物、卤化物、硫化物：FeO,MnO,NiO,CoO,Cr2O3,FeCl2,FeF2,MnF2,FeS,MnS顺磁351010磁化曲线例：过渡族元素、稀土元素和锕系元素金属：Mn,Cr,W,La,Nd,Pt,Pa,含有以上元素的化合物：MnSO4,FeCl3,FeSO4,Gd2O3,碱金属和碱土金属：Li,Na,K,Ru,Cs,Mg,Ca,Sr,Ba抗磁510来源：电子的回旋运动磁化曲线例：稀有气体：He,Ne.Ar,Kr,Xe多数非金属和少数金属：Si,Ge,S,P,Cu,Ag,Au,不含过渡族元素的离子晶体：NaCl,KBr,不含过渡族元素的共价键化合物：H2,CO2,CH4等几乎所有的有机化合物和生物组织（人体的组成元素中氧为顺磁性，其余为抗磁性）。M-H超顺磁性5微观机制Fe实际3d轨道上有电子7.88,4s轨道上只有0.12个不成对的为5－2.88＝2.12个3d层电子结构原子磁矩因为3d电子有巡游性，绕特定轨道运动的特性表现不明显，所以轨道磁矩对宏观磁矩的贡献很小，原子磁矩主要来自自旋磁矩Slater-paulingcurve原子饱和磁矩MBFe，Co，Ni的朗德因子g分别为1.93，1.92，1.8702BeegPgPm1,交换相互作用相邻原子磁矩间的直接相互作用纯量子力学效应()()rs**1212122112()()()()()exababEJrrVrrrdrdr磁相互作用121221121(1,2)()(),()()()(),()()2Sssssssss12211()()()()2Assss12211[()()()()]2Sababrrrr12211[()()()()]2Aababrrrr112122121212211()()()()()()21()()()()()()2ababababssrrrrssrrrr3122112214122112211()()()()()()()()21()()()()()()()()2ababababrrrrssssrrrrssss||iiEH**1212122112()()()()()exababEJrrVrrrdrdr0VexEEEE例：Fe,Co,Ni3d轨道不成对电子间的相互作用ijijijHJSS交换相互作用能为正，相邻自旋同向排列能量最低系统的磁哈密顿量(海森堡模型）交换相互作用能为负，相邻自旋反向排列能量较低阻挫2超交换相互作用例：铁氧体Fe3O4O2－八面体Fe3+（B）四面体Fe2+（A）反铁磁，亚铁磁多由超交换相互作用引起Fe2+可以被（MnNi等）代替O2－可以被S，Se代替超交换相互作用示意图3RKKY相互作用局域磁矩通过传导电子所产生的间接交换相互作用特点：振荡，长程，R较大时随衰减',(||)RKKYnmnmnmHJRRSS234cos2sin29(||)()2(2)(2)FFFFFkRkRJJREkRkR4偶极相互作用0334jijijjijijMeeMBr磁性材料中，格点j处的自旋在i格点产生的偶极场是'dijiijHHM体系的哈密顿量为分子磁体Mn12分子结构图Mn12分子磁体的M－H曲线能级图磁晶各项异性能磁晶各项异性：磁化曲线的形状和晶体的晶轴方向有关磁晶各项异性可能来源各向异性交换作用：自旋磁矩和轨道磁矩之间有相互作用，自旋方向的改变会改变轨道的取向，从而改变交换相互作用偶极相互作用22303(cos1/3)4MEr两个平行磁矩之间的相互作用能为磁晶各项异型能对于六角晶体2412sinsinKuuEKK对于体心立方晶体22221222222(coscoscoscoscoscos)coscoscosKEKK单轴晶体：只有一个易磁化轴的晶体K1，K2为立方磁体磁各向异性常数铁单晶（体心立方）易磁化轴是100,难磁化轴是111镍单晶（面心立方）易磁化轴是111,难磁化轴是100钴单晶(六角）易磁化轴是0001,难磁化轴是1010易轴100110111K1,K2关系K11K1-K2/90K1-4K2/9K1,0,K1-4K2/9Or0K1-K2/9晶体结构K1/Ku1(103Jcm-3)K2/Ku2(104ergcm-3)Fe立方48.112Ni立方-5.48-2.47Co六角412143Nd-Fe-B四方5000660坡莫合金立方0.70-1.7易轴条件磁畴和畴壁6，介观磁结构在铁磁，亚铁磁材料中，因为静磁能，磁畴是必然要出现的msexaUUUUU在磁性材料中决定磁畴结构的主要有静磁能Ums,磁壁中的交换能Uex和磁各向异性能Ua，磁弹性能。例：对于单轴晶体内180o畴壁222222(1cos)()ijexijijUASASASN222222()exNuASASaNaN单位面积畴壁中增加的总交换能在磁壁中主要考虑交换能Uex和磁各向异性能Ua相邻格点i,j之间，增加的交换能3111212cos()222KKNNNKaKaNKauaEiaN22122exKNKauuuASaN总能量密度单位面积上的磁晶各项异性能12KAuSa211121cos()1cos2sin22KiNUKKK12SANaaKexKuu12ASKa当时，能量密度取极小值此时在测量材料磁化曲线前可以通过交流退磁；热退磁等方法，使材料退磁。初始磁化曲线初始磁导率：零场附近的磁导率；第二节软磁和硬磁材料最大磁导率maximaxi1，主要磁性材料参数相对磁导率00rBH复数磁导率()()()i磁导率矫顽力HC：M=0时对应的磁场；磁滞回线（M－H，或者B－H回线）饱和磁化强度：Ms剩磁：H=0时对应的磁感应强度Br=u0Mr；磁损耗磁滞损耗：磁滞回线所包围的面积涡流损耗稳定性被磁化的非闭合磁体将在磁体两端产生磁荷，会在磁性体内部产生磁场，其方向和磁化强度方向相反，有减弱磁化的作用，我们称这一磁场为退磁场。若磁性体磁化是均匀的，则退磁场也是均匀的，可以表示为：如果磁性体内部磁化不均匀，还将产生体磁荷dHNMN仅与磁体形状有关，细长棒N～0，扁平盘N～1，球体N＝1/3退磁能：2,软磁材料（高磁导率材料）要求：快速响应外磁场变化，在很低的损耗下获得高磁通密度高磁导率（初始磁导率，最大磁导率），低矫顽力，低损耗，较高的饱和极化强度，低磁滞损耗，高电阻率，低磁致伸缩系数，低各向异性通常矫顽力在10-1~102Am-1的量级常见用途：电动机，发电机，变压器，继电器，磁记录常见软磁材料纯Fe结构：室温为体心立方（α铁），高温（1184K以上）为面心立方（γ铁），高压下为六角密排（ε铁）。铁中碳含量对μmax和Hc的影响C，Cu，Mn，Si，N，O，S等杂质含量的提高都会降低纯铁的软磁性能。主要是杂质作为畴壁的钉扎点，提高了磁畴翻转所需能量，其他类型的缺陷有类似作用。电工软铁（纯铁）一般用在继电器，小型发电机中提高软磁性能一般原则：增大晶粒，减少杂质，降低内应力合金合金化的好处：提高电阻，减少铁损；降低磁各向异性系数和磁致伸缩系数。合金化的不利之处：降低饱和磁通密度软磁合金按照新添加元素所处的位置可分为：替位式和填隙式固溶体合金前者的例子有硅钢和坡莫合金，后者如碳钢scsHM当畴壁运动是Hc的决定因素时当原子磁矩是Hc的决定因素时csKHM分子上的常数分别是磁致伸缩系数，内应力，畴壁宽度K为各向异性常数软磁材料的初始磁导率2siMaKb表征弹性应变的参数硅钢硅的质量分数在1.5%～4.5%掺硅的作用：增加最大磁导率，增加电阻率，降低矫顽力特点：最大磁导率和饱和磁感应强度较大，矫顽力和磁滞损耗较低，便宜用途：继电器，变压器，发电机，电动机的磁芯（大功率软磁材料）坡莫合金（FeNi合金）用途：磁屏蔽，磁头，继电器等45%～50%，具有1.6T的最大饱和磁极化强度。35%～40%，具有最高的电阻率，镍含量40%时，ρ=60μΩ.cm。坡莫合金：铁镍合金，镍量在35％～90％50%～65%，有最高的居里温度。70%～81%，具有最高的磁导率，矫完力可到0.5Am-1。性能与镍含量有很大关系纳米晶软磁材料，各项指标全面占优非金非晶材料处于亚稳态，其结构为长程无序，短程有序，无晶粒边界，位错，各向异性非晶磁性材料磁导率高，矫顽力低，电阻高，涡流损耗小。制备方法：气相急冷（冷底板气相沉积）；液相急冷（甩带）；缺陷导入（离子注入）等。非晶软磁分类：过渡金属（Fe，Co，Ni）－非金属（B，C，Si，P等）；过渡金属（Fe，Co，Ni）－金属（Ti,Zr,Nb,Ta等）；过渡金属（Fe，Co）－稀土（Gd，Tb，Dy，Nd等）；铁氧体（MO·Fe2O3：MnFe2O4，MgFe2O4…）晶系立方晶系铁氧体分类六方晶系统尖晶石型MFe2O4(M=Fe,Ni,Zn)石榴石型RFe2O12(R为稀土元素)钙钛矿型RFeO3(R为稀土元素)MFe12O19M＝Ba，Sr，Pb对称性低，各向异性强，硬磁材料对称性高，磁性最软电阻高，涡流损耗小，多用于高频（通讯用线圈1K～1M，高频变压器～300K，磁头等。尖晶石结构O2－八面体位四面体位以MnFe2O4为例：Mn2+占据八面体位，Fe3+一半占据四面体位，一半占据八面体位，Mn2+和Fe3+皆有磁矩，通过超交换相互作用，形成反平行的自旋（亚铁磁），八面体位和四面体位的Fe3+相互抵消，剩下Mn2+产生净磁矩。一个晶胞中有八个MFe2O4，有8个四面体位，16个八面体位如果正二价的无磁矩的金属例子（Zn2+）占据四面体位，Fe3+占据八面体位，则只有铁离子间的交换相互作用，结果为顺磁。要求：有高的矫顽力