固体的磁性

第十一章固体的磁性战国时期，出现了用天然磁石琢制的“司南”，它的样子象一只勺，底圆，可以在平滑的底盘上自由旋转，当它静止时，勺柄指的就是南方。西东北南指南鱼北宋初指南鱼的制法如下：用薄铁片裁成鱼形，置放在炭火中烧红，首尾对准地球磁场方向，然后用水迅速将它冷却即成。人类对磁性的认识和应用有着悠久的历史。磁性材料应用广泛例如：磁盘磁带电动机自然界磁性生物材料----磁感应晶胞本次课程的主要问题:磁性是否具有普遍性?固有磁矩如何产生?顺磁,抗磁的来源?磁性是物质一种比较少见的只在少数地方得到应用的现象呢？还是一种存在非常普遍应用非常广泛的现象呢？答案是：磁性是物质的基本属性，就像物质具有质量和电性一样。换句更简单的话说就是：一切物质都具有磁性。二、物质磁性的起源：原子有哪几中运动方式？现代科学认为物质的磁性来源于组成物质中原子的磁性1原子中电子的轨道磁矩2电子的自旋磁矩3原子核的核磁矩载流闭合回路小线圈存在磁矩：磁矩：单位：A∙m2磁矩反应了载流线圈产生磁场的大小，可以把它引用到物质的微观系统中去。Aμim电子的轨道运动相当于一个恒定的电流回路，必有一个磁矩（轨道磁矩），自旋也会产生磁矩（自旋磁矩）。磁矩)1(......,3,2,1,0,101.9,106.1,)1()1(43119nllKgmmCeellllmehiieeiiBiiem轨道角动量量子数，电子的质量，电子的电荷，轨道磁矩自旋角动量量子数,)1(2)1(2iiiBiiBsssssmeh自旋磁矩原子的总磁矩应是按照原子结构和量子力学规律将原子中各个电子的轨道磁矩和自旋磁矩相加起来的合磁矩.注:原子核自旋磁矩仅是电子磁矩的1/1836.5,忽略不计.原子总磁矩电子的填充方式对磁矩的影响：因此，大多数元素的原子都存在固有磁矩。这些原子也成为磁性原子。当原子中某一电子层完全被电子填满时，该电子层的电子云在空间的分布呈球形对称，这时其电子循轨磁矩和自旋磁矩都互相抵消，即该层电子磁矩对原子磁矩没有贡献。因此惰性元素没有固有磁矩。为什么通常情况下无磁性表现？大多数元素的原子存在原子的固有磁距.物体的磁性,取决于原子磁矩的取向.在无外磁场作用时,各原子磁矩的取向是紊乱的,物质不呈现宏观性;而当其受外磁场作用时,则原子呈取向性分布,物质呈现宏观的磁性.物质内部原子、分子中的每个电子参与两种运动，一是轨道运动，即电子绕原子核的旋转运动，其运动会形成一个电流，进而会产生一个磁矩，称为轨道磁矩；二是电子的自旋运动，相应地也会产生一个磁矩，称为自旋磁矩。一个分子中所有电子的各种磁矩之总和构成这个分子的固有磁矩Pm，称为分子磁矩，这个分子固有磁矩可以看成是由一个等效的圆形分子电流i产生的。总之：一类是分子中各电子的磁矩不完全抵消而整个分子具有一定的固有磁矩，一类是分子中各电子的磁矩，完全相互抵消而整个分子不具有固有磁矩BBB0总磁感强度附加磁感强度外加磁感强度根据磁化后介质内部的磁场与附加磁场和外磁场的关系：三、磁性物质的分类：可分为五种。一、抗磁质：附加磁化强度与外磁场相反。实例：惰性气体、许多有机化合物、某些金属（Bi、Zn、Ag、Mg）、非金属（如：Si、P、S）对于电子壳层被填满的物质，原子磁矩为零。在外磁场作用下，电子运动将产生一个附加的运动（由电磁感应定律而定），感生出与H反向的磁矩。抗磁质的几点说明：任何物质都具有抗磁的本性。物质具有抗磁的本性并不是一定会呈现出抗磁性，而只有当物质的这种抗磁因素超过其顺磁因素时，物质才呈现抗磁性，才称为抗磁质。随外磁场的增加，附加的抗磁磁矩增强，抗磁磁化强度增大。二、顺磁质结构特点：原子中具有未填满电子的电子层，形成原子的固有磁矩。在磁场作用下，原子磁矩转向H方向，感生出与H一致的M。如：稀土金属和铁族元素的盐。顺磁质磁化强度随外磁场的增大而增大，但很难达到磁饱和，只有当温度趋近热力学零度时，才能使顺磁物质的原子磁矩沿外磁场呈完全规则取向。顺磁质的几点说明：金属的顺磁性与抗磁性价电子……固有磁矩….顺磁性正离子抗磁性？顺磁性？三、铁磁性内部原子磁矩按磁畴自发平行取向，有宏观磁性,只要在很小的磁场作用下就能磁化到饱和。其χf0（约为10～106）当TTp时，铁磁性转变为顺磁性，服从居里－外斯定律。f1TcTPTTTC，居里－外斯定律，居里定律PPPTTCTC实例：3d金属Fe，Co，Ni，4f金属铽、铒、铥、钬等以及很多合金与化合物。铁磁性材料加入小的磁场，可以获得大的磁场强度。拟解决的问题铁磁性材料的基本特征和基本参数自发磁化理论技术磁化理论影响铁磁性的因素一、铁磁性材料的基本特征和基本参数磁化率Magneticsusceptibility居里温度couriertemperature磁各向异性magneticanisotropy磁致伸缩效应magnetostriction磁滞现象magnetic-lag单晶铁磁质磁化时，沿不同方向磁化所产生的磁化强度不同，即沿不同方向上磁化的难易程度不同。沿铁磁体的难、易磁化轴磁化时所需要的磁化能的大小是不同的。在易磁化方向需要的磁化能最小，而难磁化方向需要的磁化能最大。这种同磁化方向有关的能量称为磁各向异性能。磁各向异性铁磁性材料的基本特征之一磁各向异性能定义为磁化矢量沿不同晶轴方向的能量差。立方晶体的磁各向异性能Ek的数学表达式：式中K0,K1,K2---磁各向异性常数α，β，γ表示磁化矢量与三个晶轴夹角余弦W100=Ek100=K0W110=Ek110=K0+1/4K1W111=Ek110=K0+1/3K1+1/27K2在三个晶向上磁化功的差别，取决于K值。K值反映了磁晶各向异性能的大小。一、磁致伸缩现象与磁致伸缩系数1、定义：铁磁晶体在外磁场中磁化时，其形状与体积发生变化，这种现象叫磁致伸缩。a、磁致伸缩的三种表现：线磁致伸缩体积磁致伸缩：铁磁体被磁化时其体积大小的相对变化。纵向磁致伸缩：沿磁场方向尺寸大小的相对变化。横向磁致伸缩：垂直于磁场方向尺寸大小的相对变化。磁致伸缩磁致伸缩系数磁致伸缩的大小与外磁场的大小有关：在外磁场H达到饱和磁化场时，纵向磁致伸缩为一确定值，——饱和磁致伸缩系数。sa、各种材料的是一定的，但不同的材料其是不同的。b、，正磁致伸缩：沿H方向伸长，沿垂直于H方向缩短。如：Fe，负磁致伸缩：沿H方向缩短，沿垂直于H方向伸长。如：Niss0s0s3610~10几点说明：室温下单晶体在不同晶轴方向不同，说明单晶体的磁致伸缩具有各向异性：;也说明磁致伸缩与磁晶各向异性相关联。对于多晶体，磁致伸缩是各晶粒磁致伸缩系数的平均值]111[]100[与T的关系：随T的不同而变化，是温度的函数关系：ssT→Tc时，磁致伸缩消失即。0Fe单晶的曲线)(T磁致伸缩的逆效应是应变影响磁化——铁磁体的压磁现象。当强磁体受到外力作用时，除像一般固体那样要产生弹性形变外，还会产生磁致伸缩性形变。后者是由于应力使磁畴结构和磁化状态发生变化，进一步引起磁畴的形变，称为力致伸缩，又称磁弹性效应。由于磁致伸缩材料在磁场作用下，其长度发生变化，可发生位移而做功或在交变磁场作用可发生反复伸张与缩短，从而产生振动或声波，这种材料可将电磁能(或电磁信息)转换成机械能或声能(或机械位移信息或声信息)，相反也可以将机械能(或机械位移与信息)转换成电磁能(或电磁信息)，他是重要的能量与信息转换功能材料。制造低频大功率水声发射换能器的关键材料是超磁致伸缩材料。海军中的声纳磁化曲线铁磁性材料的基本特征之三随急剧增加随缓慢增加，趋于饱和随着逐渐增加磁滞现象(magnetichysteresis)无外磁场作用时，如果铁磁体对外不显示磁性，即M=0，这时铁磁体所处的状态称为退磁状态。M纵坐标H横坐标坐标系中原点O表示退磁状态。用Mr表示剩余磁化强度；使铁磁体剩余磁化强度全部消失时所必须施加的反向磁场称为矫顽力，常用Hc表示。cHcHMHMsMrO饱和磁化强度用Ms表示。基本磁化曲线，通常不是直线，铁磁体的磁化率m不是常量，是磁场强度H的函数。铁磁性材料的基本特征之四随着磁场强度的变化，铁磁体的磁状态沿着一闭合曲线变化，此闭合曲线就称为磁滞回线Hysteresisloop。磁滞回线所围成的面积为铁磁铁所消耗的能量，称为磁滞损耗。这个损耗通常以热的形式释放。参量B与H间的关系也表现为类似的闭合曲线。铁磁体磁化过程的这种不可逆性，称为磁滞现象。BHHc-Hc起始导磁率最大导磁率铁磁材料具有不同形状的磁滞回线，具有不同的应用。1.软磁材料：如硅钢、坡莫合金(一种铁镍合金)、锰锌铁氧体和镍锌铁氧体等。BHHc-Hc特点：易磁化、易退磁(起始磁化率大)，饱和磁感应强度大，矫顽力(Hc)小，磁滞回线的面积窄而长，损耗小(HdB面积小)。作变压器，还用于继电器、电机、以及各种高频电磁元件的磁芯、磁棒。2.作永久磁铁的硬磁材料：碳钢、铝镍钴、稀土钴、钕铁硼和钡铁氧体等。矫顽力大(102Am-1)剩磁大，磁滞回线的面积大，损耗大BHHc-Hc还用于磁电式电表中的永磁铁，耳机中的永久磁铁，永磁扬声器。3.作存储记忆元件的矩磁材料:三氧化二铁或二氧化铬粉层、坡莫合金薄膜和锂锰铁氧体等。Br=Bs，Hc不大，磁滞回线是矩形。当正脉冲产生，HHc使磁芯呈+B态，负脉冲产生，H–Hc使磁芯呈–B态，可作为二进制的两个态。计算机硬盘和软盘，录音、录像磁带等。BHHc-Hc就拿硬盘为例，主要半磁性材料为磁盘部分。当磁盘旋转时，磁头若保持在一个位置上，则每个磁头都会在磁盘表面划出一个圆形轨迹，这些圆形轨迹就叫做磁道，它基本上是一个有间隙的磁路。在写入过程中，计算机将信息转化成电流，传送到磁头周围的线圈，线圈中的电流使磁头磁化。被磁化的磁头具有的磁场又会对磁道上的介质进行磁化。由于电流大小不同，磁头具有的磁场会产生变化，对磁性介质的磁化作用也会产生变化，也就记录下了不同的数据。随着磁头和磁盘的运动，大量的信息也就被记录到了磁盘当中。而读出过程就是沿着写入过程的相反方向运行，利用磁性介质的磁场对磁头产生磁通变化，进而在线圈中产生大小不同的电流，作为电信号被计算机所采集。4.磁屏蔽用软磁材料（如坡莫合金）做成的闭合空腔，由于空腔的磁导率比外界大得多，绝大部分磁感线从空腔壁内通过，而不会有外磁场进入腔内，达到磁屏蔽的目的。把磁导率不同的磁介质放在磁场中，在介质交界面上磁场会发生突变，磁感应强度大小和方向都要发生变化而引起磁感线折射。这时磁感线对界面法线的偏离很大，产生强烈的收缩。BBHc是表征材料在磁化后保持磁化状态的能力。通常以Hc划分软磁、永磁、半永磁材料：之间～介于mAmAmABB/1010/108~108/108~10853532CCHH:软磁:硬磁:半硬磁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)磁滞回线的第二特性为退磁曲线（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。BHHc-Hc二、铁磁材料的自发磁化1907年Weiss在分子场理论的假设中，最早提出磁畴的假说；而磁畴结构的理论是Landon—Lifshits在1935年考虑了静磁能的相互作用后而首先提出的。磁畴理论已成为现代磁化理论的主要理论基础。自发磁化理论外斯铁磁性分子场理论原子磁矩在分子场作用下自发平行取向，自发磁化按区域分布，各自发磁化区域称为磁畴交换作用理论解释了外斯分子场的起源，归结为量子力学中相邻原子中电子的交换作用的结果。得到了物质呈现铁磁性的2个条件铁磁性分子场理论（外斯分子场理论）分子场假设铁磁性物质在一定温度范围内(从0K到居里点)存在与外加磁场无关的自发磁化，导致自发磁化的某种作用力假设为铁磁性物质内存在着分子场。这个分子