材料物理性能-_磁学性能

1第四章材料的磁学性能P1302本章内容材料的基本磁学性能物质的磁性及其物理本质磁畴及技术磁化磁性材料3I、材料的基本磁学性能磁性：磁性是物质放在不均匀的磁场中会受到磁力的作用。在相同的不均匀磁场中，由单位质量的物质所受到的磁力方向和强度，来确定物质磁性的强弱。任何物质都具有磁性，只是种类和强弱不同。磁化及磁介质：物质在磁场中受磁场的作用而表现出磁性的过程称为磁化。能够被磁化的物质叫做磁性物质或磁介质。磁场：如果将两个磁极靠近，在两个磁极之间产生作用力——同性相斥和异性相吸。磁极之间的作用力是在磁极周围空间传递的，这里存在着磁力作用的特殊物质，称之为磁场。磁场的强弱可以用假想的磁力线数量来表示，磁力线密的地方磁场强，磁力线疏的地方磁场弱。单位截面上穿过的磁力线数目称为磁通量密度。41.磁矩（P130）磁矩是描述载流线圈或微观粒子磁性的物理量，表征磁性物体磁性的大小，磁矩越大，磁性越强，即物体在磁场中受的力也越大。5J=Pm×B式中：J为矢量积，B为磁感应强度。在均匀磁场中，磁矩受到磁场作用的力矩J为：磁源于电：一个环形电流周围的磁场犹如一条形磁体的磁场，具有磁矩Pm，其大小为电流与封闭环形面积的乘积，其方向符合右螺旋法则。式中：m–载流线圈的磁矩；I–载流线圈通过的电流；ΔS–载流线圈的面积；n–载流线圈平面的法线方向上的单位矢量。Pm=nIS6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，完成磁化过程。为了描述物质的磁化状态和衡量其磁性强弱，引入磁化强度的概念，磁化强度M是单位体积的总磁矩：2.磁化强度（P130）磁化强度M是反映物质磁化状态（强度和方向）的物理量。M可正、可负，由磁体内磁矩矢量和的方向决定，因而磁化了的磁介质内部的磁感应强度B可能大于，也可能小于磁介质不存在时真空中的磁感应强度B0。VPMm73.磁化率（P131）为了确定材料的磁化强度M与外磁场强度H、温度T之间的关系，引入磁化率的概念。在给定的外界条件（T－常数），磁化率等于磁化强度M与磁场强度H之比。HM式中：χ为介质的磁化率，反映材料磁化的难易程度，无量纲，可正可负，是物质磁性分类的主要依据。84.磁感应强度和磁导率（P133）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的磁通量密度，称其为磁感应强度B，即在强度为H的磁场中被磁化后，物质内磁场强度的大小。在真空中，磁感应强度为：式中μ0为真空磁导率HB00mH/104709式中：μ为磁导率，是磁性材料最重要的物理量之一，反映了介质的特性，表示材料在单位磁场强度的外加磁场作用下，材料内部的磁通量密度。在磁介质中，磁感应强度与磁场强度的关系为：HHHMHBBB)1(00000'0)1(0HB10电学物理量(单位)磁学物理量(单位)电流强度I(A)磁通量Ф(Wb)电流密度J(A/m2)磁通密度B(Wb/m2)电场强度E(V/m)磁场强度H(A/m)电导率σ(Ω-1·m-1)磁导率μ(H/m)电偶极矩μ(C·m)磁矩Pm(Wb·m)极化强度P(C/m2)磁化强度M(Wb/m2)极化率α磁化率χ磁学与电学基本物理量的比较10rEPEJ1rHMHB11II、物质的磁性及其物理本质一、物质磁性的基础（P135）OrbitalSpin轨道磁矩自旋磁矩轨道磁矩电子围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磁矩，即轨道磁矩。自旋磁矩每个电子本身有自旋运动产生一个沿自旋轴方向的磁矩，即自旋磁矩。12►原子的磁距主要由电子的磁距组成，而电子的磁距又是其轨道磁矩和自旋磁矩的矢量和（原子固有磁距）。►原子是否具有磁矩，取决于其具体的电子壳层结构。如果原子中所有电子壳层都是填满的，由于形成一个球形对称的集体，则电子轨道磁矩和自旋磁矩各自相抵消，此时原子本征磁矩Pm=0。若有末被填满的电子壳层，这个壳层的电子总磁矩不为零，则原子就具有对外的永久磁矩。原子磁矩的确定原子固有磁矩的存在与否以及原子间的相互作用使物质表现出不同的磁性。13根据物质磁性的强弱和磁化率的正负，可将物质的磁性分为抗磁性、顺磁性、铁磁性、亚铁磁性和反铁磁性。二、磁性的分类对原先不存在宏观磁性的材料，施加一个从零逐渐增大的磁场，则对不同的材料可得到不同的M-H关系曲线，即基本磁化曲线。P132141.抗磁性（P132、P136）抗磁性的理解由于外磁场使电子的轨道运动发生变化而引起的，方向与外磁场相反的一种磁性。它是一种很弱的、非永久性的磁性，只有在外磁场存在时才能维持。抗磁性的形成原子磁矩取决于未填满壳层电子的轨道磁矩和自旋磁矩。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；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。这是由于电子的循轨运动在外磁场的作用下产生了抗磁磁矩△P的缘故。15电子产生抗磁矩的示意图（沿圆周箭头指电流方向）抗磁性物质的原子(离子)磁矩为零，当抗磁性物质放入外磁场中，电子受到洛伦兹力的作用产生一个附加向心力ΔK，从而使电子轨道改变，感生一个附加磁矩，其方向与外磁场方向相反。16所感应的磁矩很小，方向与外磁场相反，即磁化强度M为很小的负值，抗磁体在磁场中受微弱斥力。相对磁导率μr＜1，磁化率χ＜0（为负值）。在抗磁体内部的磁感应强度B比真空中的小。抗磁体的磁化率χ约为-10-6数量级。所有材料都有抗磁性。因为它很弱，只有当其它类型的磁性完全消失时才能被观察。凡是电子壳层被填满的物质都属于抗磁体，如惰性气体、离子型固体、共价键的C,Si,Ge,S,P等。抗磁性的特征172.顺磁性（P132、P138）顺磁性的理解受外磁场作用时，原子磁矩能通过旋转而沿外场方向择优取向，表现出宏观磁性，这种磁性称为顺磁性。顺磁性的形成顺磁体的原子或离子有原子固有磁矩（它是电子的轨道磁矩和自旋磁矩的矢量和)，其源于原子内未填满的电子壳层(如过渡元素的d层，稀土金属的f层)，或源于具有奇数个电子的原子。但无外磁场时，由于热振动的影响，其原子磁矩的取向是无序的，故总磁矩为零。18当有外磁场作用，则原子磁矩便排向外磁场的方向，总磁矩便大于零而表现为正向磁化。但在常温下，由于热运动的影响，原子磁矩难以有序化排列，故顺磁体的磁化十分困难，磁化率一般仅为10-6～10-3。顺磁物质磁化过程示意图19在顺磁体中，原子磁矩沿外磁场方向排列，磁场强度获得增强，磁化强度为正值，抗磁体在磁场中受微弱引力。相对磁导率μr＞1，磁化率为正值（χ＞0），也很小，只有10-6～10-3。顺磁体和抗磁体对于磁性材料应用来说都视为无磁性。顺磁体只有在外磁场存在下才被磁化，且磁化率极小。一般含有奇数个电子的原子或分子，电子未填满壳层的原子或离子，如过渡元素、稀土元素、钢系元素，还有铝铂等金属，都属于顺磁物质。顺磁性的特征203.铁磁性（P132、P142）铁磁性的理解抗磁和顺磁物质磁化率的绝对值都很小，因而都属于弱磁性物质。另有一类物质如Fe，Co，Ni，室温下磁化率可达103数量级，属于强磁性物质。这类物质的磁性称为铁磁性。铁磁性物质和顺磁性物质的主要差异在于：即使在较弱的磁场内，前者也可得到极高的磁化强度，而且当外磁场移去后，仍可保留极强的磁性。21铁磁性的形成铁磁性材料的磁性是自发产生的。自发磁化是铁磁物质的基本待征，也是铁磁物质和顺磁物质的区别所在。铁磁性的自发磁化是由于电子间的静电相互作用（即交换力）而产生的，当磁性物质内部相邻原子的电子交换积分为正时(A＞0)，相邻原子磁矩将同向平行排列，从而实现自发磁化。只有当原子核之间的距离Rab与参加交换作用的电子距核的距离(电子壳层半径)r之比大于3，交换积分才有可能为正。铁磁性产生的充分条件:(1)原子内部要有未填满的电子壳层;(2)Rab/r＞3（也不能太大）使A＞0。22交换积分A与Rab/r的关系（Rab-原子间距r-未填满的电子层半径）Rab/r＜3时，A＜0，原子磁距反平行排列，反铁磁性。Rab/r太大，原子核间距太大，电子云重叠少，电子间交换作用弱，顺磁性。23铁磁体的铁磁性只在某一温度以下才表现出来，超过这一温度，由于物质内部热骚动破坏电子自旋磁矩的平行取向，因而自发磁化强度降低，铁磁性消失。这一温度称为居里点Tc。在居里点以上，材料表现为顺磁性。铁磁性材料的居里温度244.反铁磁性和亚铁磁性（P132、P144）如果交换积分A＜0时，则原于磁矩取反向平行排列能量最低。如果相邻原子磁矩相等，由于原子磁矩反平行排列，原子磁矩相互抵消，自发磁化强度等于零。这样一种特性称为反铁磁性。亚铁磁性物质由磁矩大小不同的两种离子(或原子)组成，相同磁性的离子磁矩同向平行排列，而不同磁性的离子磁矩是反向平行排列。由于两种离子的磁矩不相等，反向平行的磁矩就不能恰好抵消，二者之差表现为宏观磁矩，这就是亚铁磁性。一般称为铁氧体的大部分铁系氧化物即为此。25顺磁性亚铁磁性反铁磁性铁磁性抗磁性：没有固有原子磁矩顺磁性：有固有磁矩，没有相互作用铁磁性：有固有磁矩，直接交换相互作用反铁磁性：有磁矩，直接交换相互作用亚铁磁性：有磁矩，间接交换相互作用26III、磁畴及技术磁化一、磁畴（P149）铁磁体在很弱的外加磁场作用下能显示出强磁性，这是由子物质内部存在着自发磁化的小区域—磁畴的缘故。未加磁场时铁磁体内部已经磁化到饱和状态的小区域称为磁畴。（磁性物质内部自发磁化方向相同的小区域）磁畴尺寸大约为10-9cm3，约有1015个原子。磁畴之间被畴壁隔开，畴壁实质是相邻磁畴之间的过渡层，在过渡层中，磁矩不是突然改变方向，而是逐渐的改变，因此过渡层有一定厚度，畴壁的厚度一般为10-5cm。27对未经外磁场磁化的(或处于退磁状态的)铁磁体，它们在宏观上并不显示磁性，这说明物质内部各部分的自发磁化强度的取向是杂乱的。因而物质的磁畴决不会是单畴，而是由许多小磁畴组成的。二、技术磁化（P154）技术磁化：在外磁场作用下，铁磁体从完全退磁状态磁化到饱和的内部变化过程。28铁磁体在外磁场中的磁化过程主要为畴壁的移动和磁畴内磁矩的转向。29将一未经磁化或退磁状态的铁磁体放入外磁场H中，其磁体内部的磁感应强度B随外磁场H的变化是非线形的，如果外磁场是交变磁场，则与电滞回线类似，可得磁滞回线。磁滞回线是磁性材料的主要特性三、磁滞回线（P134）BHBsBrHc30(1)饱和磁感应强度Bs。是指在指定温度下，用足够大的磁场强度磁化物质时，磁化曲线达到接近水平时（即不再随外磁场增大而明显增大）对于的B值。(2)剩余磁感应强度Br。铁磁物质磁化到饱和后，又将磁场强度下降到零时，铁磁物质中残留的磁感应强度称为剩余磁感应强度，简称剩磁。(3)矫顽场Hc。铁磁物质磁化到饱和后，由于磁滞现象，要使磁介质中磁感应强度B为零，必须有一定的反向磁场强度-H，该磁场强度称为矫顽力Hc。磁滞曲线的特征参数：31IV、磁性材料由于金属和合金磁性材料的电阻率低，损耗大，因而无法适用于高频。陶瓷质的磁性材料电阻率高，可以从商用频率到毫米波范围以多种形态得到应用，而且具有较高的高频磁导率，这是其他磁性材料难以比拟的。磁性陶瓷分为含铁的铁氧体陶瓷材料和不含铁的磁性陶瓷材料。321.铁氧体的磁性与结构以氧化铁（Fe2O3）为主要成分的强磁性氧化物叫做铁氧体。铁氧体磁性与铁磁性相同之处在于有自发磁化强度和磁畴，因此有时也被统称为铁磁性物质。铁氧体一般都是多种金属的氧化物复合而成，因此铁氧体磁性来自两种不同的磁矩。一种磁矩在一个方向相互排列整齐；另一种磁矩在相反的方向排列。这两种磁矩方向相反，大小不等，两个磁矩之差，就产生了自发磁化现象。因此铁氧体磁性又称亚铁磁性。从晶体结构分，目前已有尖晶石型、石榴石型、磁铅石型、钙钛矿型、钛铁矿型和钨青铜型等6种。33