第1章磁学与磁性材料基础知识.

1第一章磁学基础知识★静磁现象★材料的磁化★磁性与磁性材料的分类磁矩磁化强度M磁场强度H和磁感应强度B磁化率和磁导率退磁场静磁能磁化曲线磁滞回线物质的磁性分类磁性材料分类21.1静磁现象电荷周围存在电场，可以用电力线来表示电荷之间存在相互作用122qqFkr那么磁场呢？是否有和电场相似的性质呢？▼磁场3磁极和电流周围都存在磁场，磁场可以用磁力线表示：磁力线特点：从N极出发，进入与其最邻近的S极，并形成闭合回路；通常呈直线或曲线，不存在呈直角拐弯的磁力线；任意二条同向磁力线之间相互排斥，因此不存在相交的磁力线；4如果一个小磁体能够用无限小的电流回路来表示，我们就称为磁偶极子。用磁偶极矩jm表示：▼磁偶极子和磁矩与磁偶极子等效的平面回路的电流和回路面积的乘积定义为磁矩，用µm表示：jm=mlµm=i·Si+m-mliSµm磁偶极矩和磁矩具有相同的物理意义，存在关系：jm=µ0µm，µo=4π×10-7H·m-1，真空磁导率m为磁极强度5▼磁化强度M定义单位体积磁体内磁偶极子具有的磁偶极矩矢量和称为磁极化强度，用Jm表示；单位体积磁体内磁偶极子具有的磁矩矢量和称为磁化强度，用M表示。2mmjJWbmV1mMAmVJm和M亦有如下关系：Jm=µ0M6磁化强度可以看成是磁偶极子的集合磁化强度又可以看成是闭合电流环的集合7▼磁场强度H和磁感应强度B磁场中的磁极会受到力的作用，表示为：F=mH，m为磁极强度定义磁场强度H：单位强度的磁场等于单位磁极受到1牛顿的力。在更多场合，确定场效应的量是磁感应强度B（磁通密度）。在SI单位制中，B的定义为：B＝µo（H＋M）TorWb•m28应用中常用电流来产生磁场，有以下三种形式：无限长载流直导线的磁场强度H＝I/2pr载流环行线圈圆心的磁场强度H＝I/2r无限长载流螺线管的磁场强度H＝nI各种物理量之间的关系？9磁化强度M和磁场强度H存在如下关系：M＝cH或c＝M/Hc称为磁体的磁化率，表征磁体磁性强弱的参量。由此B=0(H+cH)0(1+c)H定义＝（1＋c）为相对磁导率，即＝B/0H。磁导率是表征磁体的磁性、导磁性及磁化难易程度的磁学量。▼磁化率和磁导率10在不同的磁化条件下，磁导率被分为以下四种：(1)起始磁导率：(2)最大磁导率：(3)增量磁导率：(4)可逆磁导率：001limiHBHmax0max1BH01BH0limrevHBHmaxiH0B11▼退磁场材料被磁化时，两端的自由磁极会产生与磁化反方向的磁场，即退磁场dHNM，N为退磁因子仅与材料形状有关只有具有高对称性的简单体可以求出N的大小：球形体N=1/3细长圆柱体N=1/2无限大平板N=1MHd12旋转椭球形状样品的磁化是均匀的，我们选取坐标系与椭球的主轴重合，则退磁场的三个分量可以表示为：()()()dxxxdyyydzzzHNMHNMHNM1xyzNNN++在CGS单位值中4abcNNNp++13旋转椭球的极限情况：13abcabcNNN1,20abcabcNNN,01abcabcNNN14▼静磁能磁场中的磁体受到力的作用，力矩为：sinsinLFlmlH具有的能量密度为：0cosHFMHHF=mHF=mHl高能量态HF=mHF=mH+m-m低能量态15显然，磁性体在磁化过程中，也将受到自身退磁场的作用，产生退磁场能，它是在磁化强度逐步增加的过程中外界做功逐步积累起来的，单位体积内000ddJMdddFHJHM对于均匀材料制成的磁体，容易得出;20001d2MdFNMMNMN是磁化方向的退磁因子。对于非球形样品，沿不同方向磁化时退磁场能大小不同，这种由形状造成的退磁场能随磁化方向的变化，通常也称形状各向异性能。退磁能的存在是自发磁化后的强磁体出现磁畴的主要原因。16()()()()20220202/14/16/1zdyxddMFMMFMF+薄圆板片：细长圆柱体：球体：()()++++++　　　对椭球体：1212220zyxzzyyxxdzzyyxxdNNNMNMNMNFkMNjMNiMNH适用条件：磁体内部均匀一致，磁化均匀。171.2.材料的磁化表示磁场强度H与所感生的B或M之间的关系O点：H＝0、B＝0、M＝0，磁中性或原始退磁状态OA段：近似线性，起始磁化阶段AB段：较陡峭，表明急剧磁化HHm时，二曲线基本重合。HHm后，M逐渐趋于一定值MS（饱和磁化强度），而B则仍不断增大(原因?)由B－H（M－H）曲线可求出μ或χ▼磁化曲线18磁化曲线是反映材料特性的基本曲线，从中可以得到标志材料的参量：饱和磁化强度Ms、起始磁化率ca和最大磁化率cm。sMMs可以理解为该温度下的自发磁化强度M0抗磁性物质磁化曲线顺磁性物质磁化曲线19▼磁滞回线Br，Mr表示剩磁M=0时的矫顽力，称为内禀矫顽力B=0时的矫顽力，称为磁感矫顽力矫顽力是表征材料在磁化以后保持磁化状态的能力将BHC80~800Am-1的材料为软磁材料；将BHC8103~8105Am-1的材料称为硬磁材料；介于1~2104Am-1之间的为半硬磁材料20不同的回线形状反映了不同的磁性质，有着不同的应用。21退磁曲线退磁曲线上每一点的B和H的乘积(BH)为磁能积，表征永磁材料中能量大小的物理量。(BH)的最大值为最大磁能积(BH)max2200,0maxmax01lim1()aHHBHBH从磁感应强度——磁场曲线上得到：起始磁导率最大磁导率0()BMH+23矫顽力Hc是表征材料在磁化后保持磁化状态的能力。H从正的最大到负的最大，再回到正的最大时，B—H或M—H形成一封闭的曲线——磁滞回线。（磁材的重要特性之一)磁滞回线的第二象限为退磁曲线（依据此考察硬磁材料性能）,(BH)为磁能积，表征永磁材料中能量大小。(BH)max是永磁的重要特性参数之一。24退磁场对样品磁性能的影响是明显的：有退磁场是曲线倾斜所有材料性能表给出的磁导率等数值都是针对有效磁场的数值，材料性能的实际测量中必须尽量克服退磁场的影响。252627为了方便研究物质磁性的起因，我们可以按其在磁场中的表现把物质进行分类，例如依据磁化率的正负、大小及其与温度的关系来进行分类，分类是否科学取决于是否反映了内在磁性机理上的不同。随着研究的深入，分类也在不断完善和细化，到上个世纪70年代为止，在晶状固体里，共发现了五种主要类型的磁结构物质，它们的形成机理和宏观特征各不相同，对它们的成功解释形成了今天的磁性物理学核心内容。上世纪70年代以后，随着非晶材料和纳米材料的兴起，又发现了一些新的磁性类型，对它们的研究尚在深化之中，课程只做初步介绍。一.物质的磁性分类1.3磁性和磁性材料分类28按磁化率的大小，可将物质磁性分为五个种类：★抗磁性普遍性且绝对值也很小★顺磁性遵守居里-外斯定律：★反铁磁性存在奈尔温度★铁磁性绝对值很大，存在★亚铁磁性绝对值比铁磁体稍低，但磁结构却不同0dc0PPCTTcNT0fcCT0mc▼物质的磁性分类29这是19世纪后半叶就已经发现并研究的一类弱磁性。它的最基本特征是磁化率为负值且绝对值很小，c0，c1显示抗磁质在外磁场中产生的磁化强度与磁场反向，在不均匀的磁场中被推向磁场减小的方向，所以又称逆磁性。典型抗磁性物质的磁化率是常数，不随温度、磁场而变化。有少数的反常。深入研究发现，典型抗磁性是轨道电子在外磁场中受到电磁作用而产生的，因而所有物质都具有的一定的抗磁性，但只是在构成原子（离子）或分子的磁距为零，不存在其它磁性的物质中，才会在外磁场中显示出这种抗磁性。在外场中显示抗磁性的物质称作抗磁性物质。除了轨道电子的抗磁性外，传导电子也具有一定的抗磁性，并造成反常。1.抗磁性（Diamagnetism)30抗磁性物质的抗磁性是一些物质的原子中电子磁矩互相抵消，合磁矩为零。但是当受到外加磁场作用时，电子轨道运动会发生变化，而且在与外加磁场的相反方向产生很小的合磁矩。这样表示物质磁性的磁化率便成为很小的负数(量)。31自然界中很多物质都是抗磁性物质：周期表中三分之一的元素、绝大多数的有机材料和生物材料都是抗磁性物质。包括：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：水；反常抗磁性物质：Bi,Ga,Zn,Pb,磁化率与磁场、温度有关。广义地说，超导体也是一种抗磁性物质，c=-1，它的机理完全不同，不在我们讨论之内。32见冯索夫斯基《现代磁学》(1953)p74一些抗磁性金属在20℃时的分子磁化率（CGS单位）：6(10)6(10)33这是19世纪后半叶就已经发现并研究的另一类弱磁性。它的最基本特征是磁化率为正值且数值很小，0c1。顺磁性物质的磁化率是温度的函数，服从居里定律或居里-外斯（Curie-Waiss)定律。CTc=ppCCTTTTcc+或：C称作居里常数，Tp称作居里顺磁温度服从居里-外斯定律的物质都是在某一个温度之上才显示顺磁性，这个温度之下，表现为其它性质。典型顺磁性物质的基本特点是含有具有未满壳层的原子（或离子），具有一定的磁矩，是无规分布的原子磁矩在外磁场中的取向产生了顺磁性。此外，传导电子也具有一定的顺磁性。2.顺磁性（Paramagnetism）34顺磁性顺磁性cm=10-6~10-3磁场磁矩的排列与磁性的关系35顺磁性物质也很多，常见的顺磁性物质：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包含有奇数个电子的原子或分子：HCl,NO,有机化合物中的自由基少数含有偶数个电子的化合物：O2,有机物中的双自由基等36反铁磁性是1936年首先由法国科学家Neel从理论上预言、1938年发现，1949年被中子实验证实的，它的基本特征是存在一个磁性转变温度，在此点磁化率温度关系出现峰值。3.反铁磁性（Antiferromagnetism)弱磁！37（见应用磁学P9）文献中也常绘成磁化率倒数和温度关系：()TK1c铁磁性CT低温下表现为反铁磁性的物质，超过磁性转变温度（一般称作Neel温度）后变为顺磁性的，其磁化率温度关系服从居里-外斯定律：注意与铁磁性的区别！=pCTTc+磁化率表现复杂TpTpTC38反铁磁物质主要是一些过渡族元素的氧化物、卤化物、硫化物，如：FeO,MnO,NiO,CoO,Cr2O3,FeCl2,FeF2,MnF2,FeS,MnS右图是1938年测到的MnO磁化率温度曲线，它是被发现的第一个反铁磁物质，转变温度122K。39该表取自Kittel书2005中文版p236，从中看出反铁磁物质的转变温度一般较低，只能在低温下才观察到反铁磁性。Tp40这是人类最早发现并利用的强磁性，它的主要特征是：1.c0，磁化率数值很大2.磁化率数值是温度和磁场的函数；3.存在磁性转变的特征温度——居里温度TC，温度低于居里温度时呈铁磁性，高于居里温度时表现为顺磁性，其磁化率温度关系服从居里-外斯定律。4.在居里温度附近出现比热等性质的反常。5.磁化强度M和磁场H之间不是单值函数，存在磁滞效应。构成这类物质的原子也有一定的磁矩，但宏观表现却完全不同于顺磁性，解释铁磁性的成因已成为对人类智力的最大挑战，虽然经过近100年的努力已经有了比较成功的理论，但仍有很多问题有待后人去解决。pCTTc4.铁磁性（Ferromagnetism)41即使无外加磁场，磁矩也按同一方向整齐排列，这种性质称为铁磁性，具有铁磁性的物质称为铁磁体。铁磁体在室温