第三章 材料的磁学性能.ppt

材料物理性能 第三章材料的磁学性能 安徽工业大学材料学院 2020年2月25日 第一讲 PhysicalPropertiesofMaterials 一 磁性材料概论二 主要磁性材料简介三 铁磁性的物理本质四 磁晶各向异性与磁致伸缩五 磁畴结构与技术磁化六 铁氧体与磁性测量七 纳米磁性 自旋电子学简介 本章要点 磁性的起源OriginofMagnetism 物质的磁性 环型电流的磁矩 磁矩 电流强度 回路所围面积 电子的磁矩电子磁矩由电子的轨道磁矩和自旋磁矩组成物质的磁性不是由电子的轨道磁矩引起 而是主要由自旋磁矩引起孤立原子的磁矩决定于原子的结构某些元素具有各层都充满电子的原子结构 其电子磁矩相互抵消 因而不显磁性 物质磁性的本质 原子的磁性 原子构成晶体后 过渡族元素铁族3d 钯族4d 铂族5d 锕族6d壳层未满 由于晶场作用使电子的轨道角动量动结 F电子影响较小 电子轨道磁矩 l l l 1 1 2 B电子自旋磁矩 s S S 1 1 2 B 电子 轨道 自旋 磁矩 原子核的磁矩 材料的磁学性能 物质的磁性磁性的基本量 磁矩 磁化强度M 磁化率 磁导率 抗磁性与顺磁性 弱磁性 铁磁性 强磁性 磁滞回线 自发磁化 磁畴与技术磁化 磁性材料及应用 磁性的基本量及单位MagneticTerminology Units 磁矩磁矩是表示磁体本质的一个物理量 任何一个封闭的电流都具有磁矩 I S 其方向与环形电流法线的方向一致 其大小为电流与封闭环形的面积的乘积I S 电子磁矩 由电子的轨道磁矩和自旋磁矩组成 一 磁矩 磁化强度M 单位体积内的磁矩矢量和 单位体积的总磁矩M 安 米 M是描述磁质被磁化后其磁性强弱的一个物理量 称为磁化率或磁化系数 反映物质磁化的难易程度 无量纲 磁性的基本量及单位 二 磁化强度M 三 磁场强度H和磁感应强度B DefinitionsofThreeMagneticVectors HMagneticfield 磁场强度MMagnetization 磁化强度BMagneticinduction 磁感应强度 TwoUnits CGS centimeter gram second fictitiousmagneticpolesSI SI systmeinternationale currentsources B mo H M Tesla T B H 4pM CGS 四 磁化率 和磁导率 反映物质磁化的难易程度 磁化率 c MagneticSusceptibility M H 无量纲 thesameforS I andcgsunits 磁导率 磁感应强度 B 特斯拉 磁场强度 H 安 米 磁化强度 M 安 米 物质磁化后的总磁场为B B 0 1 HB H B H H TwoUnits 磁性的分类 弱磁性 1 抗磁性 是甚小的负常数 约 10 6数量级 M与H反向 2 顺磁性 是正常数 约10 3 10 6数量级 3 反铁磁性 为甚小的正常数 强磁性4 铁磁体 为很大的正变数 约在10 106数量级 5 亚铁磁体 与铁磁体相似 但 值较小 如磁铁矿 Fe3O4 ClassesofMagneticMaterials 抗磁性定义 当材料被磁化后 磁化矢量与外加磁场的方向相反时 固体表现为抗磁性 抗磁性物质的抗磁性一般很微弱 磁化率 是甚小的负常数 M与H反向 一般约为 10 6数量级 抗磁性是电子电子的循轨运动在外加磁场作用下的结果 任何金属都具有抗磁性 金属中有一半是抗磁金属 Cu Ag Au Hg Zn Bi等 因抗磁性大于电子的顺磁性 抗磁性 磁性的分类 运动电子在外磁场作用下 受电磁感应而表现出的特性 所有物质都具有抗磁性 但只有满壳层电子的原子才能表现出抗磁性来 H i i M FeFe M 附加磁矩 原子抗磁矩 抗磁性 顺磁性 顺磁性定义 当材料被磁化后 磁化矢量与外加磁场的方向相同时 固体表现为顺磁性 顺磁性物质的磁化率一般很小 室温下约为10 3 10 6数量级 原子内部存在固有磁矩 离子有未填满的电子壳层 如过渡元素 稀土元素 3d 金属Ti V 4d 金属铌Nb 锆Zr 钼Mo 钯Pd 5d 金属 Hf Ta W 铂Pt 自由电子的顺磁性大于离子的抗磁性 如 碱金属和碱土金属离子虽然是填满的壳层 但Li Na K Mg Al是顺磁性金属 顺磁性物质的磁化率与温度的关系服从居里 外斯定律 磁性的分类 铁磁性 铁磁性有一类物质如Fe Co Ni 室温下磁化率可达10 106数量级 这类物质的磁性称为铁磁性铁磁性物质即使在较弱的磁场内 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 有剩磁 各类磁性物质的 曲线示于下图 磁性的分类 铁磁性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 铁磁性消失 这一温度称为居里点其磁化率与温度的关系服从居里一外斯定律 铁磁性 磁性的分类 Fe Fe 910 Fe Fe 1401 铁在高温时顺磁磁化率的变化 强顺磁性过渡族金属Pd溶于Cu Ag Au中情况 反铁磁性 反铁磁性反铁磁性物质大都是非金属化合物 如MnO 不论在什么温度下 都不能观察到反铁磁性物质的任何自发磁化现象 因此其宏观特性是顺磁性的 磁性的分类 反铁磁性 亚铁磁性体 相邻原子磁体反平行 磁矩大小不同 产生与铁磁性相类似的磁性 一般称为铁氧体的大部分铁系氧化物即为此 磁性材料 铁磁性与亚铁磁性的统称 亚铁磁性体 磁性的分类 1 抗磁性 是甚小的负常数 约 10 6数量级 M与H反向 金属中有一半是抗磁体 Cu Ag Au Hg Zn等 2 顺磁体 是正常数 约10 3 10 6数量级 铂 钯 奥氏体不锈钢 Li Na K等 3 反铁磁体 为甚小的正常数 如 锰 铬 氧化镍 氧化锰等4 铁磁体 为很大的正变数 约在10 106数量级 5 亚铁磁体 与铁磁体相似 但 值较小 如磁铁矿 Fe3O4