材料的磁学性能

第九章材料的磁学性能磁性材料具有能量转换、存储等功能，被广泛应用于计算机、通讯自动化、电机、仪器仪表、航空航天、农业、生物以及医疗等技术领域，是重要的功能材料。磁性不仅是磁性材料的一种使用性能，而且是许多材料的重要物理参数。了解材料的磁性，不仅对于应用和发展磁性材料是必需的，而且对于研究材料结构、相变也是重要的，因此磁性分析方法已经成为研究材料特别是金属材料的重要手段之一。本章主要介绍材料磁性的本质、抗磁性、顺磁性及铁磁性的特点及其影响因素和磁性参数的测量与应用作。引言材料性能第九章材料的磁学性能第一节材料的基本磁学参量一、磁性1.磁极及其相互作用力磁体有两个磁极。两个距离为r，磁极强度分别为m1和m2的磁极间的相互作用力F为F=k（m1m2/r2）r0式中r0为r的矢量单位（有N极指向S极）；k为系数，k=1/（4πμ0），μ0=4π×10－7（H/m），为真空磁导率；m1和m2的单位为Wb。材料性能第九章材料的磁学性能§9.1材料的基本磁学参量2.磁矩(1)原子中电子的磁矩电子循轨运动，产生轨道磁矩μl，为矢量，与电子运动的轨道平面垂直，大小为μl＝[li(li+1)]1/2μB(Am2)式中:l为轨道角量子数，可取０，１，２，３……（n－１），分别代表s，p，d，f层的电子态，μB为玻尔磁子，是磁矩的最小单元，它等于μB＝eh/(4πm)(Am2)式中e和m分别为电子的电荷和质量，h为普朗克常数。电子自转产生自旋磁矩μS，方向平行于自旋轴，大小为μS=2[si(si+1)]1/2μB式中:s为自旋量子数,其值为1/2.§9.1材料的基本磁学参量材料性能第九章材料的磁学性能(2)原子、分子的磁矩原子（分子）磁矩是电子轨道磁矩和自旋磁矩的总和。3d过渡族金属和4f稀土金属及合金的原子磁矩为μJ=gJμB[J（J+1）]1/2式中：gJ=1+[J(J+1)+S(S+1)－L(L+1)]/[2J(J+1)]，gJ为朗的（lande）因子；J为原子总角量子数，可用洪德法则计算；S为原子总自旋量子数；L为原子总轨道量子数。原子磁矩在磁场中的投影值是量子化的，它仅能取μJ·H=gJmJμB式中：mJ为原子总角动量方向量子数或原子总磁量子数,它可取0、±1、±2、±3…±J，共2J+1个数值。§9.1材料的基本磁学性能材料性能第九章材料的磁学性能★洪德（Hund）法则对那些次层电子（s、p、D、f…等）未被填满电子的原子或离子，在基态下，其总角量子数J，总轨道量子数L和总自旋量子数S存在如下关系：(1)在未填满电子的那些次电子层内，在泡利原理允许的条件下总自旋量子数S和总轨道量子数L均取最大值；(2)次电子层填满不到一半时，原子总角量子数J=L－S；次电子层填满一半或一半以上，原子总角量子数J=L+S。根据洪德法则可计算基态原子或离子的磁矩。但是，洪德法则不能计算块体金属中原子或离子的磁矩。§9.1材料的基本磁学性能材料性能第九章材料的磁学性能★块体金属中的原子磁矩对于3d金属，在大块金属中，4s电子已公有化，3d层电子成为最外层电子。晶体中原子3d电子轨道磁矩被晶场固定，不随外磁场转动，它对原子磁矩无贡献。这种现象称为轨道“冻结”。3d金属原子磁矩主要由电子的自旋磁矩来贡献。4f金属则不同，它们的孤立离子磁矩与晶体中的离子磁矩几乎完全一致。因为在稀土金属晶体中4f电子壳层被外层的5s和5p电子壳层所屏蔽，晶场对4f电子轨道磁矩的作用甚弱或者没有作用。所以4f金属的电子轨道磁矩和自旋磁矩对原子都有贡献。§9.1材料的基本磁学性能材料性能第九章材料的磁学性能◆运动电子有磁矩，一般是轨道磁矩和自旋磁矩的矢量和。◆原子核磁矩是电子磁矩的1/1836.5。◆原子中一个次电子层被排满时，这个电子层的磁矩总和为零，它对原子磁矩没有贡献。◆当原子中的电子层均被排满，则原子没有磁矩。◆只有原子中存在着未被排满的电子层时，原子才具有磁矩。这种磁矩称为原子的固有磁矩。◆当原子结合成分子或形成晶体时，它们的外层电子磁矩要发生变化，所以分子磁矩并不是单个原子磁矩的总和。结论§9.1材料的基本磁学性能材料性能第九章材料的磁学性能二、磁化1.磁场与磁场强度磁场可由永久磁铁产生，也可由电流产生。一个每米有N匝线圈，通以电流电流强度为i(A)的无限长螺线管中央的磁场强度为H=Ni磁场强度H的单位为安·匝/米，也可简写成安/（A/m）。永久磁铁的磁极极强为m1时，在距离r远处产生的磁场可用单位极强（m2=1）在该处受到的作用力来定义H=F/m2=k（m1/r2）r0若m1为正极（N极），F的方向与H的方向相同；若m1为负极（S极），F的方向与H的方向相反。材料性能第九章材料的磁学性能§9.1材料的基本磁学性能2.磁化及磁化强度物质在磁场中原子磁矩产生有序排列，呈现出磁性的现象称为磁化。凡是能被磁场磁化的物质称为磁质或磁介质。物体磁化的程度可用所有原子固有磁矩μi矢量总和∑μi来表示。单位体积磁化后的磁矩称为磁化强度MM=∑μi/v式中：磁化强度M的单位为安/米（A/m）；v为物体体积。磁化强度与外加磁场强度和物质本身的磁化特性有关，即M=χHχ为磁化率（磁化系数），无量纲，它表征物质本身的磁化特性。有时用物质单位质量的磁矩表示磁化强度，称为质量磁化强度σσ=M/d式中：d物质的密度（kg/m2）；σ的单位为A·m2/kg。§9.1材料的基本磁学性能材料性能第九章材料的磁学性能3.磁感应强度任何物质被磁化时，由于内部原子磁矩的有序排列，除了外磁场外还要产生一个附加磁场。在物质内部，外磁场H和附加磁场H’的和乘以μ0称为磁感应强度B，单位为韦伯/米2（Wb/m2）。亦即，通过物质内部磁场中某点，垂直于磁场方向单位面积的磁力线数。它与磁场强度H的关系是B=μ0(H+H’)或B=μ0(H+M)B=μ0(1+χ)H=μ0μrH=μH式中μr为相对磁导率；μ为磁导率或导磁系数，它反应了磁感应强度B随外磁场H变化的比率（或速率）。§9.1材料的基本磁学性能材料性能第九章材料的磁学性能真空磁导率μ0与物质磁化强度M的乘积称为磁极化强度JJ=μ0MJ有时也称为内禀磁感应强度，其单位与磁感应强度相同。4.磁化曲线磁化强度M和磁感应强B度随外磁场H变化的曲线称为磁化曲线.有三种类型。§9.1材料的基本磁学性能材料性能第九章材料的磁学性能HM根据磁化曲线，可以把物质分为三类：使磁场减弱的物质称为抗磁性物质；使磁场略有增强的为顺磁性物质；使磁场强烈增加的为铁磁性物质。MH第二节材料的抗磁性与顺磁性一、材料抗磁性与顺磁性的物理本质材料性能第九章材料的磁学性能§9.2材料的抗磁性与顺磁性顺磁0M抗磁H1.抗磁性材料被磁化后，磁化矢量与外加磁场方向相反的称为抗磁性，χ0。材料的抗磁性来源于电子循轨运动时受外加磁场作用所产生的抗磁矩。电子循轨运动所产生的轨道磁矩为ml=0.5eωr2。式中：e为电子电荷；ω为电子循轨运动的角速度；r为轨道半径。电子循轨运动的受力状态如图。材料性能第九章材料的磁学性能§9.2材料的抗磁性与顺磁性电子循轨运动时要受到一个向心力FC，当电子受到垂直于轨道平面的磁场作用时，产生一个附加力ΔFc，ΔFc称为洛伦兹力，它等于μ0eH。当电子顺时针运动时，ΔFc与Fc的方向相同,使向心力增大。由ΔFc=mrω可知，向心力的增大必将导致ω增大Δω，m必将相应增大Δm，相反方向运动的电子同样也会增加Δm。附加磁矩Δm都与外加磁场的方向相反，故称为抗磁矩。一个电子的抗磁矩为：材料性能第九章材料的磁学性能§9.2材料的抗磁性与顺磁性式中负号表示Δm与H的方向相反。一个原子的抗磁矩为：式中ri为电子运动的轨道半径在垂直于磁场方向平面上的投影。任何材料在磁场作用下都要产生抗磁性。2.顺磁性材料被磁化后，磁化矢量与外加磁场方向相同的称为顺磁性，χ0。材料的顺磁性主要来源于原子（离子）的固有磁矩。若施加一定的外加磁场时，由于磁矩与磁场相互作用，磁矩具有较高的静磁能为了降低静磁能，磁矩必将改变与磁场之间的夹角，于是便产生了磁化。HH材料性能第九章材料的磁学性能§9.2材料的抗磁性与顺磁性无磁场弱磁场强磁场二、影响材料抗磁性与顺磁性的因素1.原子结构的影响磁场作用下电子的循轨运动要产生抗磁矩，而离子的固有磁矩则产生顺磁矩。自由电子所产生的抗磁矩远小于顺磁矩，故自由电子的主要贡献是顺磁性。材料属于哪种磁性，取决于哪种因素占主导地位。惰性气体，它们的原子磁矩为零，在外磁场作用下只能产生抗磁磁矩，是典型的抗磁性物质。非金属材料，当它们形成分子时，由于共价键的作用，使外层电子被填满，它们的分子就不具有固有磁矩。绝大多数非金属都是抗磁性物质，只有氧和石墨是顺磁性物质。材料性能第九章材料的磁学性能§9.2材料的抗磁性与顺磁性金属是由点阵的离子和自由电子所构成的，电子运动产生抗磁磁矩，离子和自由电子产生顺磁磁矩。自由电子所引起的顺磁性是比较小的，当内层电子未被填满，自旋磁矩未被抵消时，才可能产生较强的顺磁性。Cu、Ag、Au、Cd、Hg等，它们的离子所产生的抗磁性大于自由电子的顺磁性，因此是抗磁性的。碱金属都是顺磁性的。碱土金属（除Be外）也都是顺磁性的。稀土金属4f层和5d层没有填满，顺磁性较强，磁化率较大。Ti、V、Cr、Mn等过渡元素3d层未被填满，呈强烈的顺磁性或铁磁性。材料性能第九章材料的磁学性能§9.2材料的抗磁性与顺磁性2.温度的影响温度对抗磁性一般没有什么影响，但当金属熔化、凝固、同素异构转变以及形成化合物时，使抗磁磁化率发生变化。温度对顺磁性影响很大，顺磁物质原子的磁化率与温度的关系，一般通过居里定律来表示χ＝c/T式中c是居里常数，它等于nμB2/3k，这里n是单位体积里的原子数，k是玻耳兹曼常数；T是绝对温度，μB是原子磁矩。更适用的是居里—外斯定律χ＝C’/(T+Δ)式中C’是常数，Δ对某一种物质也是常数，其值可大于0和小于0。铁磁性物质在居里点以上是顺磁性的，其磁化率大致服从居里—外斯定律，这时的Δ为-θ，θ表示居里温度。材料性能第九章材料的磁学性能§9.2材料的抗磁性与顺磁性3.相变及组织转变的影响材料发生同素异构转变，由于晶格类型及原子间距发生了变化，会影响电子运动状态而导致磁化率的变化。例如，正方晶格的白锡转变为金刚石结构的灰锡时，磁化率明显变化。但影响的规律比较复杂。加工硬化使金属的原子间距增大而密度减小，从而使材料的抗磁性减弱。例如，当高度加工硬化时，铜可以由抗磁变为顺磁。退火与加工硬化的作用相反，能使铜的抗磁性重新得到恢复。材料性能第九章材料的磁学性能§9.2材料的抗磁性与顺磁性4.合金成分与组织的影响固溶体合金的磁化率因原子之间结合的改变而有较明显的变化。由弱磁化率的两种金属组成固溶体时，其磁化率和成份按接近于直线的平滑曲线变化，如Al-Cu合金的α固溶体等。由抗磁金属为溶剂，强顺磁金属（或铁磁金属）为溶质形成固溶体时，情况则比较复杂。当固溶体合金有序化时，由于溶剂、溶质原子呈现有规则的交替排列，使原子之间结合力随之改变，因而导致合金磁化率发生明显变化。中间相（金属化合物），其磁化率将发生突变。如，当Cu-Zn合金形成中间相Cu3Zn5（电子化合物γ-相）时，具有很高的抗磁磁化率，这是由于γ-相的相结构中自由电子数减少了，几乎无固有原子磁矩，所以是抗磁性的。两相合金，在两相区范围内，其磁化率随成分的变化呈直线关系。§9.2材料的抗磁性与顺磁性材料性能第九章材料的磁学性能三、抗磁与顺磁磁化率的测量及应用1.用磁称法测量磁化率由于抗磁与顺磁磁化率都很小，所以要用较灵敏测量方法，通常采用磁称法进行测量。材料性能第九章材料的磁学性能§9.2材料的抗磁性与顺磁性2.抗磁与顺磁分析的应用磁性分析在材料科学中有着广泛的应用，特别是对于金属材料，合金的磁化率取决于其成分、组织和结构状态。可以通过磁化率的变化来分析合金组织的变化，以及这些变化与温度和成分之间的关系。这对于研究有色金属及合金显得更为重要。材料性能第九章材料的磁学性能§9.2材料的抗磁性与顺磁性图9-7Al-C