磁学性能

1.磁化现象与磁化强度磁化：物质在磁场中受磁场的作用呈现一定磁性的现象。物质在磁场中被磁化，它所占据的空间磁场强度是否变化（为什么？）第三章材料的磁学性能不同的物质所引起的磁场变化不同，如空气会使磁场略有增强，而铁会使磁场强烈增强（磁铁吸引铁块），铜则会使磁场减弱（微弱排斥）。第1节材料的磁化及有关参数磁介质（或磁质）：能被磁场磁化的物质。实际上，所有的物质都是磁介质。磁化强度：磁介质内磁矩矢量和与ΔV之比。物质磁化理论有两种观点：分子电流观点和等效磁荷观点。●分子电流观点：物质中的每个分子中都存在环形电流（分子中原子、离子核外电子循规、自旋运动，核子自旋运动)，每个环形电流都将产生磁场。无外磁场时，各分子环流取向杂乱无章，作用抵消，不显磁性；施加外磁场后，分子电流的磁矩在磁场场作用下趋于定向排列，而呈现出宏观磁性。磁化强度(M)：磁介质磁化单位体积产生的总磁矩（单位体积内环电流磁矩矢量和∑Pm/V）。衡量物质的磁化强弱和状态（强度和方向）。●等效磁荷观点：把材料的磁分子看成磁偶极子，末磁化时各磁偶极子取向呈无序状态，其偶极矩的矢量和为0，不显磁性；当施加外磁场后，偶极子受外磁场作用而转向外场方向，使材料呈现宏观磁性。磁极化强度（J）：单位体积的磁偶极矩的矢量和（∑jm/V）。材料内一个磁矩为Pm的电流环可看成是一个偶极矩为jm＝μ0Pm的磁偶极子，故有：J＝μ0Mμ0－真空磁导率（）。研究材料磁性的最基本的任务是确定材料的磁化强度M与外磁场强度H和温度T的关系，在一定温度下，定义：M＝χHχ称为物质的磁化率，即单位外磁场强度下材料的磁化强度。它的大小反映了物质磁化的难易程度，是材料的一个重要的磁参数。同时，它也是物质磁性分类的主要依据。基本磁化曲线：不同磁介质其磁化曲线不同，曲线上任意一点都对应着材料的某种磁化状态，它与坐标原点连线的斜率即表示材料在该磁场下的磁化率。磁化率三种表示形式：χV表示单位体积的磁化率，χA表示每摩尔的磁化率，χg表示单位质量（每克）的磁化率。根据磁化率符号和大小，可把磁介质分为五类。2.磁化率与物质磁性的分类M铁磁性材料亚铁磁性材料顺磁性材料反铁磁性材料抗磁性材料H02.磁化率与物质磁性的分类1）抗磁体χ为甚小负常数，约在10-6数量级，即M与H方向相反，在磁场中使磁场稍减弱，受微弱斥力，约有一半的简单金属是抗磁体。分为：(1)“经典”抗磁体，χ不随T变化，如铜、银、金、汞、锌等。(2)反常抗磁体，χ随T变化，为前者10～100倍，如铋、镓、锑、锡等。2）顺磁体χ为正常数，约为10－3～10－6数量级，即M与H方向相同，在磁场中使磁场稍增强，受微弱引力，分为：（l）正常顺磁体，χ随T变化，且符合与T反比关系，如铂、钯、奥氏体不锈钢、稀土金属等。（2）χ与T无关的顺磁体，如锂、钠、钾、铷等。3）反铁磁体χ是甚小的正常数，当T高于某个温度时（尼尔温度TN），转换为顺磁体，T－χ曲线？如α－Mn、铬、氧化镍、氧化锰等。4）铁磁体χ为很大的正变数，约在10～106数量级，且不大的H就能产生很大的M，在磁场中被强烈磁化，受强大的吸力，如铁、钴、镍等。其M－H、χ－H曲线？5）亚铁磁体类似铁磁体，但χ值没有铁磁体大，如磁铁矿（Fe3O4）等。3.磁导率磁感应强度（B）：通过磁场中某点，垂直于磁场方向单位面积的磁力线数。单位：特斯拉。在真空中：－真空磁导率。磁场中有磁介质时（非真空）：磁介质被磁化，使该处的磁场发生变化，则，总磁感应强度：称为附加磁场强度，其值等于磁化强度M。令称为相对磁导率，无纲量。称为介质的磁导率（绝对磁导率），反应磁感应强度随外磁场的变化速率，单位与相同，为亨/米。其大小与磁介质和外加磁场强度有关。1）磁化曲线对原先不存在宏观磁性的材料，施加一由0逐渐增大的磁场，所得到的M-H曲线，即材料磁化强度随外磁场变化的曲线。铁磁性材料的磁化曲线：M、B、μ随H变化曲线。微弱H阶段：B、M随H的增大缓慢增加，M与H近似呈直线关系，磁化可逆。H继续增大：B、M随H急剧增加，μ增加很快并出现极大值，即达到最大磁导率μmax，过程不可逆（去掉H后，仍保持部分磁化）。H再进一步增大：B、M随H增加变缓，磁化进行越来越困难，当H达到Hs时，μ逐渐趋近于μ0，M达到饱和值Ms。Ms称为饱和磁化强度，对应的磁感应强度称为饱和磁感应强度Bs。H＞Hs时，M不变，B继续缓慢增大。所有铁磁性材料的磁化曲线都有以上规律，只是各阶段区间、Ms大小及上升的陡度不同。铁磁性材料从完全退磁状态到饱和之前的磁化过程称为技术磁化。起始磁导率μi：H=0时的磁导率。4.铁磁性材料的磁化曲线和磁滞回线4.铁磁性材料的磁化曲线和磁滞回线2）铁磁性材料的磁滞回线：铁磁性材料从饱和磁化状态逐渐降低H时，M不再沿原来的基本磁化曲线降低，而是降低的慢得多，当H降至0时，M≠0，而保留一定的值Mr，Mr称为剩余磁化强度，这种现象称为剩磁现象。要使M降至0，必须施加一反向磁场－Hc，Hc称为磁矫顽力。继续增加反向磁场至－Hs，磁化强度达到－Ms。从－Ms改为正向磁场，随H的增加，M沿另一曲线逐渐增大至Ms。可见，整个过程中M的变化总是落后于H的变化，这种现象称为磁滞效应。由于磁滞效应的存在，磁化一周，得到一关于原点对称的闭合曲线，称为磁滞回线。是铁磁性材料的重要特征之一。磁滞现象表明，铁磁性材料的磁化过程存在着不可逆过程，磁化过程要消耗能量。磁滞回线包围的面积相当于磁化一周所产生的损耗，称为磁滞损耗。3）铁磁性材料的退磁：磁滞回线的起点不是饱和点，而在饱和点以下时，H减小时，Mr和Hc减小，即磁滞回线变得短而窄，若施加的交变磁场幅值H趋于0时，则回线将成为趋于坐标原点的螺线，直至交变磁场的H＝0，铁磁体将完全退磁。4）铁磁性参数、软磁材料与硬磁材料铁磁性参数主要包括μ、Mr、Hc、Ms，它们的大小决定了其磁滞回线的形状，主要取决于材料的化学组成与相组成，同时与材料的组织结构有关，即与制备工艺有关。不同铁磁性材料，磁滞回线的形状不同，据此将铁磁性材料分为软磁材料和硬磁（永磁）材料。软磁材料：磁滞回线瘦长，μ高、Ms高、Hc小、Mr低，如变压器铁芯，常用材料如工业纯铁、硅铁、铁镍合金、铁钴合金等。硬磁（永磁）材料：磁滞回线短粗，μ低、Hc与Mr高，常用材料如铁氧体、铝镍、稀土钴、稀土镍合金等，80年代发展的Nd-Fe-B系合金。Mr/Ms接近于1的矩形回线材料即矩磁材料是理想的磁记录材料。4.铁磁性材料的磁化曲线和磁滞回线1.原子的磁性1）材料磁性产生的本源任何物质由原子组成，原子又有带正电的原子核（核子）和带负电的电子构成。核子和电子本身都在做自旋运动，电子又沿一定轨道绕核子做循规运动。它们的这些运动形成闭合电流，从而产生磁矩。材料磁性的本源是：材料内部电子的循轨运动和自旋运动。核子自旋运动哪？（约为电子磁矩的1/2000）2）电子磁矩轨道磁矩：电子循规运动（绕核子在s、p、d、f等轨道运动）产生的磁矩。大小：I与闭合环面积S的乘积。方向:垂直于电子运动的轨迹平面，符合右手定则。自旋磁矩：电子自旋运动产生的磁矩，方向平行于自旋轴。电子磁矩：轨道磁矩和自旋磁矩的矢量和。原子核自旋产生的磁矩很小（重，速度很低），约为电子磁矩的1/2000，一般可忽略。第2节物质的磁性及其物理本质1.原子的磁性3）原子、分子磁矩理论证明，原子中电子层被排满的壳层中总磁矩为0，只有原子中存在未被排满的电子层时，未排满的电子层中总磁矩不为0，原子才有磁矩，叫固有磁矩。原因：因排满时，在每一亚轨道上都有一对电子，它们自旋和循规运动的方向相反，成对电子的磁矩抵消；电子层未被填满时，根据洪特法则，电子尽量占据不同的亚轨道，且单电子间自旋、循规方向相同，电子磁矩不被抵消。如Fe：在3d轨道上未排满，只有6个电子（），3d的5个亚轨道上，有4个只有一个电子，故Fe原子的固有磁矩是这4个电子磁矩的总和。原子结合成分子时，外层电子磁矩发生变化，故分子磁矩不等于单个原子磁矩之和。2.物质的抗磁性如前所述，电子壳层已填满的原子总磁矩为0，但这只是在无外H的情况下，在外H作用下，即使对于总磁矩为0的原子，也会产生磁矩。这是由于电子的循规运动在外H作用下都会产生抗磁矩(不管循规运动的方向是绕H轴向顺时针还是逆时针),即产生的附加磁矩总是与外H方向相反。为什么？取两个轨道平面与H方向垂直而循规方向相反的电子为例：电子循规运动所产生的轨道磁矩：，同时必然受一向心力，在磁场中运动，磁场还要对其产生一附加力△K（方向符合左手定则）。设H方向由下向上：电流方向顺时针（电子逆时针）时：K与△K方向相同，等于向心力增加，根据，m和r不变，故ω增大，使Pl增大，即产生的附加磁矩△P的方向与外H方向相反。电流方向顺时针（电子逆时针）时：K与△K方向相反，等于向心力减小，根据，m和r不变，故ω减小，使Pl减小，也等于产生的附加磁矩△P的方向与外H方向相反。★即不管电子循轨运动方向是顺时针还是逆时针，在外H中产生的附加磁矩方向总是与H方向相反，这就是物质产生抗磁性的原因。显然，物质的抗磁性不是电子循轨、自旋本身产生的，而是在外H中电子循规运动产生的附加磁矩产生的，所以抗磁磁化是可逆的，且△P与H成正比。但抗磁体的磁化率很小。对于一个原子，有多个电子，具有不同的轨道半径，且轨道平面不一定与H方向垂直。产生的抗磁磁矩：思考：为什么说所有的物质都是磁介质？物质中为什么会产生抗磁性？为什么说任何物质在磁场中都要产生抗磁性？（不是说任何物质都是抗磁体，电子壳层未被填满的物质不是抗磁体）。2.物质的抗磁性3.物质的顺磁性来源：原子（离子）的固有磁矩。无外H时：由于热运动的影响，固有磁矩取向无序，宏观上无磁性。外H作用下：固有磁矩与H作用，有较高的静磁能，为降低静磁能，固有磁矩改变与H的夹角，趋于排向外H方向，表现为正向磁化。在常温和H不是很高的情况下，M与H成正比，磁化要克服热运动的干扰，磁矩难以有序排列，故顺磁化进行十分困难，磁化率较小。常温下顺磁体达到饱和磁化所需的H非常大，技术上难以达到，但温度降至接近0K时，就容易了。根据顺磁磁化率与温度的关系，可把顺磁体分为三类：正常顺磁体：磁化率随温度升高而降低的顺磁体。符合居里定律：或居里－外斯定律：磁化率与温度无关的顺磁体：如碱金属，其顺磁性是由价电子产生的。存在反铁磁体转变的顺磁体：在居里点或称尼尔点TN以上，与正常顺磁体一样符合居里－外斯定律；在TN以下呈反铁磁性，随温度降低，磁化率降低，T→0时，磁化率趋近于一常数，在TN温度磁化率最大。4.金属的抗磁性与顺磁性金属由点阵离子和自由电子构成，其磁性取决于：正离子的抗磁性：源于其电子的循规运动正离子的顺磁性：源于原子的固有磁矩自由电子的抗磁性：源于自由电子的运动自由电子的顺磁性：源于电子的自旋磁矩自由电子的顺磁性大于其抗磁性，所以表现为顺磁性。金属的磁性是离子磁性和自由电子磁性的综合结果。5.抗磁性、顺磁性的影响因素1）原子结构（会解释不同物质具有不同磁性的原因。）材料内部既存在产生抗磁性的因素，也存在产生顺磁性的因素，属哪种磁性的材料取决于哪种因素占主导地位。●惰性气体：固有磁矩为0，只有电子循规运动产生抗磁性的本源，所以是典型的抗磁性物质。●非金属：虽有固有磁矩，但由于它们形成分子时，基本上以共价键结合，共价电子对的磁矩相互抵消，所以它们是抗磁性物质；只有氧和石墨是顺磁性物质。●金属：只有内层电子未被填满时，才产生较强的顺磁性（自由电子对顺磁性的贡献较小)。a.Cu、Ag、Au、Zn、Cd、Hg等，离子产生的抗磁性大于自由电子产生的顺磁性，属抗磁体。b.碱金属、碱土金属（除Be外）：自由电子产生的顺磁性强，占主导地位，表现为顺磁性。c.稀土金属：表现为较强的顺磁性（磁化率较大)，且遵从居里－外斯定律。因它们4f、5d电子壳层未被填满，存在固有磁矩。d.过渡族元素：具有强烈的顺磁性，因它们存在未填满电子的d、f层，形成了晶体离子的固有磁矩。且其中有些存在铁磁转变（如Fe、Co、Ni），有些存在反铁磁转变（如Cr