第四章 材料的磁学.ppt

《第四章 材料的磁学.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第四章 材料的磁学.ppt（83页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、 在真空中在真空中：每个电子的自旋磁矩近似等于一个每个电子的自旋磁矩近似等于一个Bohr磁子。磁子。动画动画 以上以上五种磁性类型的原子磁距分布特点五种磁性类型的原子磁距分布特点磁化强度磁化强度M和磁场强度和磁场强度H之间的关系之间的关系抗磁性物质抗磁性物质：Bi、Zn、Ag、Mg等金属，等金属，Si、P、S等非金属，等非金属，许多有机高聚物及惰性气体；许多有机高聚物及惰性气体；顺磁性物质：顺磁性物质：Al、Pt、La等，稀土金属、铁族元素的盐类；等，稀土金属、铁族元素的盐类；铁磁性物质：铁磁性物质：Fe、Co、Ni、Y、Dy等等反铁磁性物质：反铁磁性物质：Mn、Cr，部分铁氧体如，部分铁氧体

2、如ZnFe2O4，和某些，和某些化合物化合物MnO、CoO、FeF2等。等。亚铁磁性物质：亚铁磁性物质：尖晶石型晶体、石榴石型晶体等几种结构类尖晶石型晶体、石榴石型晶体等几种结构类型的铁氧体。型的铁氧体。不同磁性物不同磁性物质质磁性的异同点磁性的异同点磁特性磁特性抗磁性抗磁性顺顺磁性磁性反反铁铁磁性磁性铁铁磁性磁性亚铁亚铁磁性磁性原子磁矩JJ=0J 0J 0J 0J 0相对磁导率r11111磁化率-10-5-10-610-410-510-210-4102106102106交换积分常数A0约0-+-磁化曲线线性线性线性非线性非线性饱和磁化场HS/Am-1无限大101010101021051021

3、05磁性强弱弱弱弱强强 磁化功：磁化功：物体磁化，改变其磁化强度，需要做功。第一项是第一项是真空中的磁场能量密度真空中的磁场能量密度，第二项是，第二项是使单位体积磁使单位体积磁性体磁化所做的功性体磁化所做的功。该式告诉我们：在绝热该式告诉我们：在绝热 等容等容 过程中，过程中，磁化功的等于磁体内能的增加。磁化功的等于磁体内能的增加。M 该式告诉我们：等温、等容过程中，磁场做的磁化等温、等容过程中，磁场做的磁化功等于体系自由能的增加。功等于体系自由能的增加。只是等容过程，可以得出：如果能从理论上给出自由能的如果能从理论上给出自由能的表达式表达式 ，则可获得，则可获得一定温度下的一定温度下的 M-

4、H 关系式关系式。自由能自由能考虑到：于是：此时，吉布斯函数是温度、压力和磁场的函数。知道了知道了G,即可求出磁化强度。即可求出磁化强度。吉布斯函数（也称热力学势）吉布斯函数（也称热力学势）统计物理中的配分函数（状态和）是系统微观状态的总体反映，由它可以导出宏观量：结合前面的结果，可以给出：是某一微观态的能量，是与这一状态相应的简并度。小结：小结：通过量子力学求出原子系统在外磁场中的能量本通过量子力学求出原子系统在外磁场中的能量本征值及相应的简并度后，即可计算其磁化强度征值及相应的简并度后，即可计算其磁化强度。配分函数配分函数 Z动画动画几个重要的物理参量：几个重要的物理参量：Ms、Tc、Hc

5、、Mr、Br、r等等2.存在磁性转变的特征温度存在磁性转变的特征温度居里温度居里温度，温度低于居里温度，温度低于居里温度3.时呈铁磁性，高于居里温度时表现为顺磁性，其磁化率温度时呈铁磁性，高于居里温度时表现为顺磁性，其磁化率温度4.关系服从居里关系服从居里-外斯定律。外斯定律。饱和磁化强度饱和磁化强度M MS S等于每个磁畴中原来的磁化强度，该值很等于每个磁畴中原来的磁化强度，该值很大，这就是铁磁质磁性大，这就是铁磁质磁性 r r大的原因。大的原因。磁滞现象是由于掺杂和内应力等的作用，当撤掉外磁场时磁滞现象是由于掺杂和内应力等的作用，当撤掉外磁场时磁畴的畴壁很难恢复到原来的形状，而表现出来磁畴

6、的畴壁很难恢复到原来的形状，而表现出来。任何铁磁体和亚铁磁体，在温任何铁磁体和亚铁磁体，在温度低于居里温度度低于居里温度Tc时，都是时，都是磁磁畴畴组成的。组成的。磁畴磁畴是自发磁化到饱和是自发磁化到饱和（即其中的磁矩均朝一个方向（即其中的磁矩均朝一个方向排列）的小区域。排列）的小区域。相邻磁畴之间的界线叫相邻磁畴之间的界线叫磁畴壁磁畴壁 磁畴壁磁畴壁是一个有一定厚度是一个有一定厚度的过渡层，在过渡层中磁矩方的过渡层，在过渡层中磁矩方向逐渐改变。向逐渐改变。磁畴：磁畴：磁畴：磁畴：铁磁质中由于原子的强烈作用，在铁磁质中形成磁场 很强的小区域。磁畴的体积约为 10-12 m3 。既然磁畴内部的磁

7、矩排列是整齐的，那么在磁畴壁处原既然磁畴内部的磁矩排列是整齐的，那么在磁畴壁处原子磁矩又是怎样排列的呢？子磁矩又是怎样排列的呢？在畴壁的一侧，原子磁矩指向某个方向，假设在畴壁的在畴壁的一侧，原子磁矩指向某个方向，假设在畴壁的另一侧原子磁矩方向相反。另一侧原子磁矩方向相反。在畴壁内部，原子磁矩必须在畴壁内部，原子磁矩必须成某种形式的过渡状态成某种形式的过渡状态。畴壁由很多层原子组成畴壁由很多层原子组成。为了实。为了实现磁矩的转向，从一侧开始，每现磁矩的转向，从一侧开始，每一层原子的磁矩都相对于磁畴中一层原子的磁矩都相对于磁畴中的磁矩方向偏转了一个角度，并的磁矩方向偏转了一个角度，并且每一层的原子

8、磁矩偏转角度逐且每一层的原子磁矩偏转角度逐渐增大，到另一侧时，磁矩已经渐增大，到另一侧时，磁矩已经完全转到和这一侧磁畴的磁矩相完全转到和这一侧磁畴的磁矩相同的方向。同的方向。磁畴的转向磁畴的转向 在无外磁场时，各磁畴排列杂乱无章，铁磁质不显在无外磁场时，各磁畴排列杂乱无章，铁磁质不显磁性；磁性；在外磁场中，各磁畴沿外场转向，介质内部的磁场在外磁场中，各磁畴沿外场转向，介质内部的磁场迅速增加，在铁磁质充磁过程中伴随着发声、发热。迅速增加，在铁磁质充磁过程中伴随着发声、发热。磁化曲线与磁畴的关系磁化曲线与磁畴的关系H H增加，磁域界移增加，磁域界移动动，磁域逐，磁域逐渐渐改改变变，磁矩方向，磁矩方

9、向转转向，向，渐与渐与磁磁场场平行，平行，单单一磁域（一磁域（饱饱和磁化）和磁化）磁滞回线与磁畴的关系磁滞回线与磁畴的关系动画动画动画动画4.3.3 铁磁材料的相互作用能铁磁材料的相互作用能o铁磁性材料内存在的相互作用能量，直接影响铁磁性材料内存在的相互作用能量，直接影响到铁磁材料中磁畴的形成及其具体结构图形。到铁磁材料中磁畴的形成及其具体结构图形。o五种相互作用能五种相互作用能：交换能交换能Fex 磁晶各向异性能磁晶各向异性能Fk 磁弹性能磁弹性能F 退磁场能退磁场能Fd 外磁场能外磁场能FHo动态磁滞回线：动态磁滞回线：材料在交变磁场作用下被反复材料在交变磁场作用下被反复磁化形成的磁滞回线

10、。磁化形成的磁滞回线。o静态磁滞回线：静态磁滞回线：材料在静态磁场作用下形成的材料在静态磁场作用下形成的磁滞回线。磁滞回线。在在动态磁化过程动态磁化过程中，材料样品内的磁损耗中，材料样品内的磁损耗除了具有除了具有静态磁化时磁滞损耗静态磁化时磁滞损耗外，还有外，还有涡流损涡流损耗耗和和剩余损耗剩余损耗。o复数磁导率复数磁导率外加交变磁场：外加交变磁场：材料内磁感应强度：材料内磁感应强度：若令若令复数磁导率：复数磁导率：B落后于落后于H的相位差，称为损耗角。的相位差，称为损耗角。弹性磁导率弹性磁导率，相当于静态磁化的磁导率。相当于静态磁化的磁导率。粘滞性磁导率粘滞性磁导率，与磁能损耗成正比。与磁能

11、损耗成正比。磁能的储存磁能的储存磁能的损耗磁能的损耗动态动态磁化过程磁化过程品质因子品质因子Q：能量的储存与能量的损耗之比值：能量的储存与能量的损耗之比值动画动画一般指在一般指在弱交变磁场中弱交变磁场中的复数磁导率的复数磁导率 中中 和和 随随频率频率f变化的关系。变化的关系。它的磁性与铁磁性的它的磁性与铁磁性的相同点：相同点：具有自发磁化强度和磁畴。具有自发磁化强度和磁畴。它的磁性与铁磁性的它的磁性与铁磁性的不同之处：不同之处：铁氧体一般是多种金属的氧化物复合而成。铁氧体一般是多种金属的氧化物复合而成。铁氧体磁性铁氧体磁性来自两种磁矩来自两种磁矩（亚铁磁性）（亚铁磁性）一种磁矩在相反方向排列

12、一种磁矩在相反方向排列一种磁矩在一个方向相互排列整齐一种磁矩在一个方向相互排列整齐o硬磁材料的特点：硬磁材料的特点：矫顽力矫顽力Hc大、剩磁大、剩磁Br大、最大磁能积大、最大磁能积(BH)max大大o软磁材料的特点：软磁材料的特点：矫顽力矫顽力Hc小、磁导率小、磁导率高、饱和磁感应强度高、饱和磁感应强度Bs大、大、磁损耗磁损耗tan低、电阻率低、电阻率高、截止频率高、截止频率fc高。高。o矩磁性材料的特点：矩磁性材料的特点：磁滞回线近似为矩形、表征其矩形度的剩磁比磁滞回线近似为矩形、表征其矩形度的剩磁比Br/Bm大、大、矫顽力矫顽力Hc小、磁损耗小、磁损耗tan小、开关系数小、开关系数Sw小。小。剩磁感应强度剩磁感应强度Br很高很高，接近于饱和磁感应强度，接近于饱和磁感应强度Bs，即，即Br/Bs=0.8以上，以上，(BH)max比较高，可以得到高的读比较高，可以得到高的读“1”信号和低的读信号和低的读“0”磁噪声；磁噪声；矫顽力低，矫顽力低，可以降低存取可以降低存取“1”和和“0”磁噪声的功磁噪声的功率，因而降低温度。率，因而降低温度。信噪比和抗干扰比高信噪比和抗干扰比高，对环境和温度稳定性好等。，对环境和温度稳定性好等。