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刘欣2011.09.26第二章磁学性能第一节磁性基本量及磁性分类1.磁学基本量:1)磁场强度H:一根通有I安培(A)直流电的无限长直导线,在距导线轴线r米(m)处产生的磁场强度:2)磁偶极矩p:环形电流在其运动中心处产生一个磁矩(或称磁偶极矩):3)磁感应强度B:材料在磁场强度为H的外加磁场作用下,会在材料内部产生一定的的磁通量密度,称其为磁感应强度B。单位:特斯拉(T),或韦伯/米2(Wb/m2),或(VS/m2)式中:μ为磁导率,是材料的本征参数,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。在真空中μ0为真空磁导率,μ0=4п×10-7(H/m)rIH2(A/m)ISpHB(A•m2)HB00一、磁学基本量:4)相对磁导率μr:5)磁化率X:6)磁化强度M:单位体积内磁矩之和。当M,B与H相互平行时,X和μr为标量,否则,它们为多阶张量。磁感应强度还可写成:0r1ruHMMHHHHHHBr000000)1(第一节磁性基本量及磁性分类1)H(A/m)---E(V/m):导致极化的外部驱动力的量度;2)M(VS/m2)----P(C/m2):材料对外部作用场的响应的量度;3)χ()-----------χe无量纲,描述材料对外部作用场的响应;4)μ0--------------ε0建立材料的相应参数和尺度参比量磁性参数与介电参数的比较《材料物理性能》——磁学性能p例:将Al磁化到磁感应强度与地球的磁感应强度相同(6×10-5T),Al的磁化率X=16.5×10-6,求施加的外部磁场强度。第一节磁性基本量及磁性分类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(1)电子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轨道磁矩;(2)电子绕自身的旋转轴运动,产生自旋磁矩,它比轨道磁矩要大得多。因此可以把原子中每个电子都看作一个小磁体,具有永久轨道磁矩和自旋磁矩。《材料物理性能》——磁学性能第一节磁性基本量及磁性分类二、物质的磁性分类:根据固体中电子与外部磁场之间交互作用的性质与强度,将材料分为5类:与外部无响应(基本):抗磁性顺磁性X≤1反铁磁性与外部磁场有强烈的相互作用:铁磁性X≥1亚铁磁性第一节磁性基本量及磁性分类1.抗磁体内部磁场M与外部磁场H的方向相反(X0,10-6),它们在磁场中受微弱的斥力。可分为:“经典”抗磁体:X与T无关Cu,Ag,Au,Hg,Zn“反常”抗磁体:X与T有关Bi,Ga,In,Zr-Cu(其X是前者的10~100倍)注:电子绕原子核的轨道旋转对物质的抗磁性有贡献,电子的自旋可能对顺磁性有贡献。第一节磁性基本量及磁性分类2.顺磁体磁化率X为正值,约为10-3~10-6,它们在磁场中受微弱的引力。可分为:正常顺磁体:X∝1/TPt,钯,奥氏体不锈钢,稀土金属X与温度无关的顺磁体:Li,Na,K,Rb第一节磁性基本量及磁性分类3.铁磁体X1,在较弱的磁场作用下,就能产生很大的磁化强度,且M或B与外磁场强度H呈非线性关系变化。例:纯铁B0=10-6T时,其磁化强度M=104A/mFeSO4(顺磁性),B0=10-6T时,其磁化强度M=0.001A/m居里温度Tc第一节磁性基本量及磁性分类第一节磁性基本量及磁性分类4.亚铁磁体X1,类似于铁磁体,但X没有铁磁体那么大。如磁铁矿、铁氧体等。5.反铁磁体X0,是小的正数,在温度低于某温度时,它的磁化率随温度升高而增大,高于这个温度,其行为象顺磁体,如氧化镍、氧化锰等。《材料物理性能》——磁学性能图2.1五类磁体的磁化曲线示意图三、磁化曲线和磁滞回线1.磁化曲线特征:非线性的Ms:饱和磁化强度;Bs:饱和磁感应强度(1)起始磁导率(ui):磁化曲线起始部分的斜率。(2)最大磁导率(um):磁化曲线拐点k处的斜率第一节磁性基本量及磁性分类2.磁滞回线当H下降时,B---C---D---EMr(C):剩余磁化强度Br:剩余磁感应强度Hc(D):矫顽力得封闭曲线:E—F—G--B(1)退磁过程中M的变化落后于H的变化-磁滞现象;(2)试样的磁化曲线形成一个封闭曲线---磁滞回线。磁滞回线所包围的面积表征磁化一周时所消耗的功,称为磁滞损耗Q。三、磁化曲线和磁滞回线一切物质磁性的根源,来自原子磁性原子磁矩有三个来源:☼电子轨道磁矩;☼电子自旋磁矩;☼原子核磁矩。原子核磁矩值很小,一般可忽略不计。第二节抗磁性和顺磁性《材料物理性能》——磁学性能电子的轨道磁矩:电子绕原子核运动,犹如一环形电流,此环流也应在其运动中心处产生磁矩,称为电子轨道磁矩。玻尔磁子4Behllmcivre2310.927104BehJTmc一、原子本征磁矩电子的自旋磁矩:电子除了做轨道运动还有自旋,因此具有自旋磁矩。原子中电子的轨道磁矩和电子的自旋磁矩构成了原子固有磁矩,也称本征磁矩。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,此时原子本征磁矩为零。22sBehssmc一、原子本征磁矩二、抗磁性NSFM抗磁性材料《材料物理性能》——磁学性能电磁感应普遍存在由于电磁感应磁场中运动电子轨道发生变化,产生抗磁性:普遍存在;值很小,通常被掩盖物质的抗磁性《材料物理性能》——磁学性能Δm总是与外加磁场方相反。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。二、抗磁性《材料物理性能》——磁学性能故可以说任何物质在外磁场作用下均应有抗磁性效应。但只有原子的电子壳层完全填满了电子的物质,抗磁性才能表现出来,否则抗磁性就被别的磁性掩盖了。凡是电子壳层被填满了的物质都属于抗磁性物质。例如惰性气体;离子型固体,如氯化钠等;共价键的碳、硅、锗、硫、磷等通过共有电子而填满了电子层,故也属于抗磁性物质;大部分有机物质也属于抗磁性物质。金属的行为比较复杂,要具体分析,其中属于抗磁性物质的有铋、铅、铜、银等。二、抗磁性《材料物理性能》——磁学性能三、顺磁性材料的顺磁性来源于原子的固有磁矩。产生顺磁性的条件就是原子的固有磁矩不为零:1)具有奇数个电子的原子或点阵缺陷;2)内壳层未被填满的原子或离子——金属中主要有过渡族金属(d壳层没有填满电子)和稀土族金属(f壳层没有填满电子)。《材料物理性能》——磁学性能µav=0andM=0oHMµav0andM=mH(b)(a)顺磁性材料三、顺磁性《材料物理性能》——磁学性能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、锕系元素,还有铝铂等金属,都属于顺磁物质。三、顺磁性《材料物理性能》——磁学性能顺磁体磁化率为抗磁性物质磁化率的1~10-3倍,因此抗磁性被掩盖。少数顺磁体的磁化率遵循居里定律:多数顺磁体的磁化率遵循居里-外斯定律:对铁磁体而言,TTc,△=-Tc三、顺磁性CT'CT《材料物理性能》——磁学性能四、金属的抗磁性和顺磁性金属的抗磁性和顺磁性来源于原子磁性:电子的轨道磁矩,自旋磁矩(1)正离子的抗磁性和顺磁性去除自由电子后,剩余电子绕核运动。抗磁性:外磁场作用下,电子在轨道回路产生一个附加的感应电流,从而产生和外磁场方向相反的轨道磁矩。次电子层填满了电子的物质,才能表现出抗磁性效应。《材料物理性能》——磁学性能顺磁性:来源于原子的固有磁矩(不为零)。——电子轨道磁矩和电子自旋磁矩的矢量和。条件:具有奇数个电子的原子或点阵缺陷;内壳层未被填满的原子或离子。过渡族金属(d壳层没有填满电子)和稀土族金属(f壳层没有填满电子)顺磁性物质达到磁饱和是很困难的。四、金属的抗磁性和顺磁性《材料物理性能》——磁学性能(2)自由电子的顺磁性和抗磁性顺磁性——来源于电子的自旋磁矩抗磁性——自由电子在垂直于磁场方向的平面内的运动因受洛伦兹力而做圆周运动,产生的磁矩同外磁场方向相反。四、金属的抗磁性和顺磁性《材料物理性能》——磁学性能抗磁性金属Cu、Ag、Au、Zn、Cd、Hg等金属于抗磁体;非金属中除了氧和石墨外均属于抗磁体。顺磁性金属所有的碱金属(Li、Na、K等)和除Be外的碱土金属都属于顺磁体。过渡族金属在高温都属于顺磁体。《材料物理性能》——磁学性能五、影响金属抗磁性与顺磁性的因素1.温度的影响温度对抗磁性没有什么影响(除非发生相变)。温度对顺磁性影响很大0-CTT顺磁性物质的磁化机理----磁场克服原子和分子热运动的干扰,使原子磁矩排向磁场方向的结果(固有磁矩从无序→有序)所以随T↑顺磁磁化率下降,甚至铁磁性在居里温度以上变为顺磁,铁磁磁化受阻(磁阻效应)。五、影响金属抗磁性与顺磁性的因素金属熔化、凝固时由于原子密度或电子轨道发生变化,抗磁性与顺磁性将发生变化。熔化时抗磁体的磁化率绝对值一般减小。铊减小,而锗、金、银增大。白锡熔化时转变为抗磁体。锰加热时发生同素异构转变。•相变改变了物质的结构所以改变了磁性,例如:Fe铁磁→顺磁《材料物理性能》——磁学性能2.塑性变形的影响加工硬化使原子间距↑,密度↓,磁化阻力减小,使抗磁性减小。例如:Cu抗磁→(高度加工硬化)顺磁顺磁→(退火)抗磁。《材料物理性能》——磁学性能晶粒细化引起点阵畸变从而影响磁化率,一般令金属的抗磁性减弱。例如Bi、Sb、Se、Te等。可以设想在熔化、加工硬化、晶粒细化时,金属晶体趋于非晶化,因而导致了类似的变化。3.晶粒细化的影响《材料物理性能》——磁学性能4.合金成分的影响当今高磁性材料发展中最突出的钕-铁-硼磁性合,固溶体:顺-顺,顺-抗,铁-顺,抗-抗,铁-抗,铁-铁等,磁化率较溶质和溶剂有明显的变化。化合物:决定于结构、轨道电子和自由电子数的变化。《材料物理性能》——磁学性能第三节铁磁性的物理本质铁磁性主要起因是在这类物质内部形成许多自发磁化的小区域——磁畴。每个磁畴大约有1015个原子。现代铁磁性理论包括自发磁化理论和磁畴理论两部分。20世纪初由罗津格和外斯提出“分子场”理论。外斯假设:1.分子场→原子磁矩同向排列→自发磁化2.居里点以下→磁畴→外磁场作用下体现宏观磁化强度《材料物理性能》——磁学性能分子场理论的作用:成功地说明了铁磁物质和反铁磁物质的自发磁化原因及其与温度的关系,以及高温顺磁性的规律。分子场的本质:实验证明,分子场不是磁场,而是静电性质的场,它起源于相邻原子中电子的交换作用,导致了磁有序。《材料物理性能》——磁学性能一、铁磁性产生的原因(自发磁化理论)《材料物理性能》——磁学性能(a)自发磁化的根源是原子磁矩,而且起主导作用的是电子的自旋磁矩。在电子壳层存在没有被电子填满的状态是产生铁磁性的必要条件。(b)原子之间的相互键合作用是否对形成铁磁有利。原子形成分子→电子云相互重叠,电子相互交换位置→交换能(Eex)→使相邻原子内d层未抵消的自旋磁矩同向排列。A:交换积分常数,φ为相邻的两个电子自旋磁矩的夹角cosAEex交换积分A:A0时,相邻原子磁矩同向排列,从而实现自发磁化,产生铁磁性。只有当Rab/r3时,A才为正。r为参加交换作用的电子距核的距离(电子壳层的半径)铁磁性产生的条件:(1)原子内部要有未填满的电子壳层(本征磁矩不为0)(2)Rab/r3,使交换积分A为正。(一定的晶体结构)《材料物理性能》——磁学性能二、反铁磁性和亚铁磁性:所有偶极子指向相同的方向-----铁磁性但有其它特殊的情况:方向交替变化的偶极子具有相同的大小:反铁磁性如果相反方向交替排列的两种偶极子大小不同:亚铁磁性图2.2相邻磁偶极子之间的3种相对取向有关系《材料物理性能》——磁学性能《材料物理性能》——磁学性能a)反铁磁性的物质: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。纯金属:α-Mn,CrMXn的化合物,M:过渡金属原子;X:电负性原子(O,S,Fe,F),n=1或2.例:MnO,CuO,Ni
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