lec12-材料的磁性能

材料的磁性能MagneticPropertiesofMaterials杜宇雷材料科学与工程学院Magnesia,ManisaGreeceTurkeyMt.OlympusTroyMagnesia,ManisaMagnesia,ManisaGreeceTurkeyMt.OlympusMt.OlympusTroyTroyHistory-----TheStonefromMagnesia-MagnetiteMagnetite(orlodestone):FeO·Fe2O3主要内容磁学基本量磁矩、磁感应强度、磁场强度、磁化强度、磁化率、静磁能材料磁性起源原子磁矩（电子轨道磁矩、电子自旋磁矩、原子核磁矩）物质的磁性分类抗磁性、顺磁性、铁磁性、亚铁磁性、反铁磁性磁矩条形磁铁和环形电流的磁矩磁矩在磁场中将受到磁场力的作用而产生力矩m=IST=mXB磁矩与外加磁场的作用能称为静磁能.U=-m·B磁化强度：指材料内部单位体积的磁矩矢量和，用M表示。M=Σm/V等等，都具有磁矩行星或分子、电子、载流回路物理学原理：任何带电体的运动都必然在周围的空间产生磁场。物质的磁性无处不在（1）物质的各种形态，无论是固态、液态、气态、等离子态、超高密度态和反物质态都会具有磁性；（2）物质的各个层次，无论是原子、原子核、基本粒子等都会具有磁性。（3）无限广袤的宇宙，无论是各个天体，还是星际空间都存在着或强或弱的磁场。例如：地球磁场强度约为240A/m，太阳的普遍磁场强度约为80A/m，而中子星的磁场强度高达1013-1014A/m。磁场强度与磁感应强度磁场强度(magneticfieldstrength)空间某处磁场的大小，用H表示。磁感应强度(magneticinduction):又称为磁通密度（magneticfluxdensity），描述磁场强弱和方向的基本物理量。ExternalfieldInternalfield磁导率：磁化曲线上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。磁化率物质在磁场中被磁化的程度与磁化场的磁场强度有关.磁学基本量及其单位材料磁性起源磁及磁现象的根源是电荷的运动。轨道磁矩自旋磁矩原子磁矩应该是构成原子的所有基本粒子磁矩的叠加。但是实际上原子核磁矩要比电子磁矩小三个数量级，在一般情况下可以忽略不计。因此，原子磁矩主要来源于原子核外电子的自旋磁矩与轨道磁矩。如果原子中所有起作用的磁矩全部抵消，则原子的固有磁矩为零。但在外磁场作用下仍具有感生磁矩，并产生抗磁性。如果如果原子中所有起作用的磁没有完全抵消，则原子的固有磁矩不为零，那么原子就具有磁偶极子的性质。原子内电子的运动便构成了物质的载磁子。尽管宏观物质的磁性是多种多样的，但这些磁性都来源于这种载磁子。这便是物质磁性来源的同一性。量子力学的分析：在填满电子的壳层中，总轨道磁矩和总自旋磁矩均为零.原子磁矩实际上来源于未填满壳层中的电子.材料磁性分类----依据磁化率划分mrm抗磁体顺磁体铁磁体材料磁性分类抗磁性顺磁性铁磁性亚铁磁性反铁磁性抗磁性某些物质当它们受到外磁场H作用后，感生出与H方向相反的磁化强度，其磁化率＜0，这种磁性称为抗磁性。表现出磁化率小于零的物质称为抗磁性物质。抗磁性物质有:惰性气体、许多有机化合物、若干金属(如Bi、Zn、Ag和Mg等)、非金属(如Si、P和S等)。原子、分子或离子具有不等于零的磁矩，并在外磁场作用下沿轴向排列时便产生顺磁性。顺磁性物质的磁化率χ为正值，数值亦很小，约为10-3-10-6，所以是一种弱磁性。顺磁性也可以分为三类：顺磁性（1）郎之万（Langevin）顺磁性包括O2和N2气体、三价Pt和Pd、稀土元素，许多金属盐以及居里温度以上的铁磁性和亚铁磁性物质。这些物质的原子磁矩可自由地进行热振动，它们的χ值与温度有关，并服从居里（Curie）定律：χ=C/T或者居里-外斯（Curie-Weiss）定律：χ=C/（T+θ）χ-1~T的关系图T(K)θχ斜率C居里（Curie）定律居里-外斯（Curie-Weiss）(2)泡利（Pauli）顺磁性典型代表物为碱金属，它们的磁化率相对较前一种为低，并且其值几乎不随温度变化。（3）超顺磁性在常态下为铁磁性的物质，当呈现为极微细的粒子时则表现为超顺磁性。此时粒子的自发极化本身作热运动，产生郎之万磁性行为，初始磁化率随温度降低而升高。铁磁性（ferromagnetism）其磁化率是很大的正数.铁磁性物质的原子磁矩的排列为方向一致的整齐排列，随着温度的升高，这种排列受热扰动的影响而愈加紊乱，同时物质的自发磁化强度也愈来愈小。当温度上升到某一定值TC(居里温度)时，自发磁化消失，物质由铁磁型转变为顺磁性。大部分强磁性金属和合金属于这种磁性。MS0TCTQ型铁磁性原子磁矩排列方式及其磁化率与温度的关系居里温度一般地，磁性材料具有一个临界温度Tc，称为居里温度。在这个温度以上，由于高温下原子的剧烈热运动，原子磁矩的排列是混乱无序的。在此温度以下，原子磁矩排列整齐，产生自发磁化，物体变成铁磁性的。利用磁性材料存在居里温度的特点，可以开发出很多控制元件。亚铁磁性（Ferrimagnetism）在亚铁磁性物质中，金属原子所占据的点阵格点可分为两种或两种以上的亚点阵。同一种亚点阵上的原子磁矩皆互相平行排列，但不同亚点阵间存在着原子磁矩的反平行排列。由于磁矩反平行排列的亚点阵上原子磁矩的数量和（或）大小各不相同，因而相加的结果仍表现为不等于零的自发磁化强度MS。某些铁氧体属于这一类磁性。反铁磁性反铁磁性物质的原子磁矩具有完全相互抵消的有序排列，因而自发磁化强度为零。但在外磁场作用下仍具有相当于强顺磁性物质的磁化率（χ为10-3-10-6），所以这类磁性为弱磁性。随着温度升高，磁矩完全抵消的有序排列受到越来越大的破环，因而磁化率χ值也随之上升。当温度上升到Tn(反铁磁居里温度或称为奈耳温度)时，χ值达到最大；超过Tn,有序排列完全破环，而成为混乱排列并转化为顺磁性。原子磁矩排列为互相平行而大小和数量相等的两组。MnO、NiO及FeS等化合物具有这种磁性。磁性除与电子结构有关外，还决定于晶体结构。实践证明，处于不同原子间的、未被填满壳层上的电子发生特殊的相互作用。这种相互作用称为“交换”作用。这是因为在晶体内，参与这种相互作用的电子已不再局限于原来的原子，而是“公有化”了。原子间好像在交换电子，故称为“交换”作用。而由这种“交换”作用所产生的“交换能”A与晶格的原子间距有密切关系。当距离很大时，A接近于零。随着距离的减小，相互作用有所增加。由于近邻原子共用电子（交换电子）所引起的静电作用，及交换作用可以影响物质的磁性。电子交换作用铁氧体磁性材料具有亚铁磁性（Ferrimagnetism）,其中金属离子具有几种不同的亚点阵晶格，因相邻的亚点阵晶格相距太远，因此在其格点的金属离子之间不能直接发生交换作用，但可以通过位于它们之间的氧原子间接发生交换作用，或称超交换作用（Superexchange）。当A大于零时，交换作用使得相邻原子磁矩平行排列，产生铁磁性（ferromagnetism）。当A小于零时，交换作用使得相邻原子磁矩反平行排列，产生反铁磁性（Antiferromagnetism）。当原子间距离足够大时，A值很小时，交换作用已不足于克服热运动的干扰，使得原子磁矩随机取向排列，于是产生顺磁性（Paramagnetism）在强磁性物质中，原子间的交换作用使得原子磁矩保持有秩序地排列，即产生所谓自发磁化。原子磁矩方向排列规律一致的自发磁化区域叫做磁畴。该区域的磁化强度称为自发磁化强度，它也是宏观物质的极限磁化强度，即饱和磁化强度，通常用符号Ms表示。强磁性物质的磁化率χ值是很大的正值，并且易于在外磁场作用下达到饱和磁化。强磁性——铁磁性和亚铁磁性TCorTnferromagneticanti-ferromagneticferrimagneticT=0Kparamagnetic温度效应对于铁磁材料和反铁磁材料，温度的影响是在原本完善的有序地或者反平行的自旋排列中引入了无序化。对铁磁材料，结果造成χ随温度升高而迅速减小；对于反铁磁材料，这导致反平行有序化的减弱，即增加了“无序”电子自旋的数目，因而增加了χ值。温度对磁化率的影响