材料的磁学

主要内容材料的磁性概述材料的抗磁性与顺磁性理论材料的铁磁性理论材料的磁性能指标磁性材料的应用§1.材料的磁性1.1磁性的基本概念天然磁石：主要成分为Fe3O4,属于尖晶石结构的铁氧体，是永磁材料。公元前4世纪，中国发明了司南公元19世纪20年代，奥斯特发现电流能在周围空间产生磁场，即电流的磁效应。20世纪初，法国的外斯提出了著名的磁性物质的分子场假说，奠定了现代磁学的基础。一根通有I安培电流的无限长直导线，距导线轴线r处产生的磁场强度H为一、磁场强度H12HIIr在国际单位制中，H的单位为A/m表示材料在外磁场H的作用下在材料内部的磁通量密度。B的单位:T或Wb/m2B和H的关系为二、磁感应强度BBH式中μ是磁导率，是材料的本征参数。在真空中，磁感应强度为式中μ0为真空磁导率，其值:4π×10-7H/mHB00三、磁导率1.磁导率的物理意义：表示材料在单位磁场强度的外磁场作用下，材料内部的磁通量密度。是材料的特征常数。2.有两种表示方法：①绝对磁导率µ②相对磁导率µr=µ/µ03.相对磁导率μr定义：材料的磁导率μ与真空磁导率μ0之比。0rμr为无量纲的参数磁化率χ与相对磁导率之间的关系1r定义：在外磁场H的作用下，材料中因磁矩沿外场方向排列而使磁场强化的量度，其值等于单位体积材料中感应的磁矩大小，即四、磁化强度MmMV磁化强度M与磁场强度H及磁感应强度B有如下关系：00(1)()rrMHHBHHMM,B与H方向平行时，为标量，否则，为张量,r除了SI单位制以外，还有一种高斯（Gauss）单位制，当使用高斯单位制时，磁感应强度的表达式为这里，B的单位为高斯G，磁场强度H的单位为奥斯特Oe。磁性常数（真空磁导率）为1，单位是G/OeM是磁极密度，4πM是磁通线的密度。一、磁矩磁源于电：环形电流周围的磁场，符合右螺旋法则，其磁矩定义为：m–载流线圈的磁矩I-载流线圈通过的电流S-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ISnm1.2磁性的起源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。二、产生磁矩的原因材料的宏观磁性是组成材料的原子中电子的磁矩引起的。产生磁矩的原因有两个：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它比轨道磁矩大得多。原子中每一个电子都看成一个小磁体，具有永久的轨道磁矩和自旋磁矩。最基本磁矩：Bohr磁子（magneton）μB原子中每个电子的自旋磁矩为：±μB（+为自旋向上，-为自旋向下）軌道磁矩大小则为：miμB（mi为磁量子数）每个电子的自旋磁矩近似等于一个Bohr磁子224-BmA10x9.274meh三、最基本磁矩-玻尔磁子为原子中各电子磁矩总和原子中每个电子都可以看作是一个小磁体，具有永久的轨道磁矩和自旋磁矩。一个原子的净磁矩是所有电子磁矩的相互作用的矢量和，又称为本征磁矩或固有磁矩。电子对的轨道磁矩相互对消，自旋磁矩也可能相互对消，所以当原子电子层或次层完全填滿：磁矩为零如He,Ne,Ar以及某些离子材料。四、原子磁矩§2.物质的各类磁性磁介质的分类顺磁质—（-10-5）抗磁质—（-10-5-10-2）铁磁质：000材料的磁性取决于材料中原子和电子磁矩对外加磁场的响应，具体可分为：抗磁性、顺磁性、反磁性、铁磁性和亚铁磁性，其中前三种是弱磁性，后两种是强磁性001.抗磁性：没有固有原子磁矩2.顺磁性：有固有磁矩，没有相互作用3.铁磁性：有固有磁矩，直接交换相互作用4.反铁磁性：有磁矩，直接交换相互作用5.亚铁磁性：有磁矩，间接交换相互作用6.超顺磁性：磁性颗粒的磁晶各向异性与热激发的竞争每一种材料至少表现出其中一种磁性，这取决于材料的成分和结构。特点在外加磁场存在时，外磁场会使材料中电子的轨道运动发生变化，感应出很小的磁矩，其方向与外磁场方向相反，称其为抗磁性,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。§2.物质的各类磁性2.1抗磁性一、定义：原子的本征磁矩为零，外磁场作用使电子的轨道运动发生变化而引起的。二、特征：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。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-10-5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。如Bi,Cu,Ag,Au有些固体的原子具有本征磁矩；无外磁场作用时，材料中的原子磁矩无序排列，材料表现不出宏观磁性；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。2.2顺磁性一、定义：在此材料中，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，相对磁导率μr＞1，磁化率为正值。磁化率χ＞0，也很小，只有10-5～10-2。抗磁体和顺磁体对于磁性材料应用来说都视为无磁性。它们只有在外磁场存在下才被磁化，且磁化率极小。二、特征：有些磁性材料在外磁场作用下产生很强的磁化强度。外磁场除去后仍保持相当大的永久磁性，这种磁性称为铁磁性。具有铁磁性材料的磁化率高达106过渡金属铁、钴、镍和某些稀土金属如钆、钇、钐、铕等都具有铁磁性。此材料的磁化率可高达103，MH材料是否具有铁磁性取决于两个因素：(1)原子是否具有由未成对电子，即自旋磁矩贡献的净磁矩(本征磁矩)(2)原子在晶格中的排列方式2.3铁磁性铁、钴、镍等过渡元素都具有未成对的3d电子。分别具有4、3和2的净磁矩。铁、钴、镍金属在室温下具有自发磁化的倾向（交换作用）。形成相邻原子的磁矩都向一个方向排列的小区域，称为磁畴。Transitionalmetal-Unfilledd-,f-OrbitalsLeadtoLargeMagneticMoments!2.3铁磁性交换作用：铁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”J与晶格的原子间距有密切关系。当距离很大时，J接近于零。随着距离的减小，相互作用有所增加，J为正值，就呈现出铁磁性。当原子间距a与未被填满的电子壳层直径D之比大于3时，交换能为正值，当时，交换能为负值，为反铁磁性。交换能与铁磁性的关系居里点：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，因而自发磁化强度变为0，铁磁性消失。这一温度称为居里点TC。在居里点以上，材料表现为强顺磁性，其磁化率与温度的关系服从居里－外斯定律，=C/(T-Tc)式中C为居里常数依据原子的磁矩（有轨道磁矩和原子磁矩，统称为原子磁矩）结构，铁磁性分为两类：本征铁磁性材料：在某一宏观尺寸大小的范围内，原子磁矩的方向趋于一致，此范围称为磁畴（一般为1——2微米，每个磁畴可以看作是具有一定自发磁化强度的小永磁体），这种铁磁性称为完全铁磁性（Fe、Co、Ni）。大小不同的原子磁矩反平行排列，二者不能完全抵消，相对于外磁场表现出一定的磁化作用，称此种铁磁性为亚铁磁性（铁氧体）。反铁磁性：反铁磁性，由于交换作用，相邻晶胞中的单电子自旋反向排列，引起相邻磁矩反向排列，在铁电性材料中有反铁电性。顺磁性和铁磁性：两者都具有永久磁矩，有外电场时，前者表现出极弱的磁性，后者磁化强度大，当移去外磁场，则前者不表现出磁性，而后者则保留极强的磁性。在有些材料中，相邻原子或离子的磁矩呈反方向平行排列，结果总磁矩为零，叫反铁磁性。反铁磁性物质有某些金属如Mn，Cr等，某些陶瓷如MnO，NiO等以及某些铁氧体如ZnFe2O4等。以氧化锰(MnO)为例，它是离子型陶瓷材料，由Mn2+和O2-离子组成O2-离子没有净磁矩，因为其电子的自旋磁矩和轨道磁矩全都抵消了；Mn2+离子有未成对3d电子贡献的净磁矩在MnO晶体结构中，相邻Mn2+离子的磁矩都成反向平行排列，结果磁矩相互对消，整个固体材料的总磁矩为零2.4反铁磁性对于反铁磁性与亚铁磁性的晶体（如：NiO、FeF2、Fe3O4），其晶格结构是磁性离子与非磁性离子相互交叉排列。两个磁性离子被非磁性离子隔开，磁性离子间距很大，故自发磁化难以用d－d交换作用模型解释，此时磁性离子间的交换作用是以隔在中间的非磁性离子为媒介来实现的。——超交换作用2+25Mn:3s3d,0,5/2,25BBLSS2-226O:1s2s2p,0,0,0LSMn2+－O2-－Mn2+的耦合以180o为例：1.基态时磁性离子Mn2+不可能通过O2-发生相互作用，同时，Mn2+－O2-也无交换作用。例如：反铁磁性MnO2.处于激发态：O2-的一个激发态跃到近邻的Mn2+中去。最容易的是沿Mn2+方向具有伸展波函数的2p电子，使O2-→O1-（L＝1，S=1/2，μ≠0），同时，使一个Mn2+→Mn+。由于此时O1-的磁矩不为零，有一未配对电子，故可以与邻近的Mn2+的3d电子发生直接交换作用。讨论：•若磁性离子的3d电子数n≥5，则由2p激发到3d轨道的电子的自旋应与3d原有总自旋相反。A0导致反铁磁性，（MnO、FeO、CoO、NiO）A0导致铁磁性。•若磁性离子3d电子数n5，由2p激发到3d的电子应与原有自旋平行。A0，导致铁磁性，（VCl2、CrCl2、CrO2）A0，导致反铁磁性。2.5亚铁磁性指由次晶格之间反铁磁性耦合，宏观呈现强磁性有序物质的磁性。亚铁磁性条件：每一次晶格中必须有足够浓度的磁性离子，以使另一次晶格的自旋保持反平行排列。TTc时，亚铁磁性呈现与铁磁性相似的宏观磁性，但其自发磁化强度低。TTc时,呈顺磁性，但不服从居里－外斯定律。典型的亚铁磁性物质当属铁氧体，通常采用陶瓷烧结工艺制备。铁氧体是离子化合物，它的磁性来源于所含离子的磁性。尖晶石铁氧体2+3+248(MFeO)M2+=Co2+、Ni2+、Fe2+、Mn2+、Zn2+过渡元素。O2-半径大，晶格结构就以O2-作为密堆积，金属离子半径小，填充于密堆积的间隙中，尖晶石晶格结构的单胞中有两种间隙：􀂾四面体间隙（A位64个）：间隙小，填充较小尺寸的金属离子。􀂾八面体间隙（B位32个）：间隙大可填充较大尺寸的金属离子。2+3+248(MFeO)一个晶胞四面体八面体正型尖晶石铁氧体:ZnFe2O4,CdFe2O4X2+离子填充A位，Y3+离子填充B位ZnFe反型尖晶石铁氧体：3+2+3+4(Fe)[MFe]O混合尖晶石铁氧体分子磁矩：A、B两次晶格中磁性离子的自旋反平行耦合的磁矩。某些铁磁性或亚铁磁性微小单畴粒子系统受热扰动而呈现出的顺磁性。2.5超顺磁性如果磁性材料是一单畴颗粒的集合体，对于每一个颗粒而言，由于磁性原子或离子之间的交换作用很强，磁矩之间将平行取向，而且磁矩取向在由磁晶各向异性所决定的易磁化方向上，但是颗粒与颗粒之间由于易磁化方向不同，磁矩的取向也就不同。如果进一步减小颗粒的尺寸即体积，因为总的磁晶各向异性能正比于K1V（K1是磁晶各向异性常数），热扰动能正比于kT，颗粒体积减小到某一数值时，热扰动能将与总的磁晶各向异性能相当这样，颗粒内的磁矩方向就可能随着时间的推移，整体保持平行地在一个易磁化方向和另一个易磁化方向之间反复变化。从单畴颗粒集合体看，不同颗粒的磁矩取向每时每刻都在变换方向，这种磁性的特点和正常顺磁性的情况很相似，但是也不尽相同。在正常顺磁体中，每个原子或离子的磁矩只有几个玻尔磁子，但是对于直径5nm的特定球形颗粒集合体而言，每个颗粒可能包含了5000个以上的原子，颗粒的总磁矩有可能大于10000个玻尔磁子。所以把单畴颗粒集合体的这种