材料物理性能5b 第四章材料的磁性能.ppt
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1、第四章 材料的磁性能主讲:胡木林2010年3月材料物理性能5.1 磁学现象及磁性 材料物理性能材料的磁性能 外磁场发生改变时,系统的能量也随之改变,这时就表现出系统的宏观磁性。在学童时代,我们都接触过磁现象:磁铁吸引铁片,同极相斥、异极相吸,接触过磁铁的大头针用细线吊起会自动南北指向,磁铁上的铁屑会形成毛刺并构成连线等等。磁性是物质的基本属性之一。磁性不只是一个宏观的物理量,而且与物质的微观结构密切相关。它不仅取决于物质的原子结构,还取决于原子间的相互作用键合情况、晶体结构。因此,研究磁性是研究物质内部结构的重要方法之一。磁学基本量 材料物理性能材料的磁性能 环形电流在其运动中心处产生一个磁矩
2、m(或称磁偶极矩)一个环形电流的磁矩定义为:式中:I为环形电流的强度,S为环流所包围的面积,m的方向可用右手定则来确定。将磁矩m放入磁感应强度为B的磁场中,它将受到磁场力的作用而产生转矩,其所受转矩为:磁矩与外磁场的作用能称为静磁能。处于磁场中某方向的磁矩所具有的静磁能为,材料物理性能材料的磁性能 磁场在真空中的磁感应强度为B0,其磁场强度H与B0的关系是,式中 ,称为真空磁导率。任何材料在外磁场作用下都会或大或小地显示出磁性,这种现象称为材料被磁化。一个物体在外磁场中被磁化的程度,用单位体积内磁矩多少来衡量,称之为磁化强度M,将材料放入磁场强度为H的自由空间,材料中的磁感应强度为,式中 称为
3、束缚电流的磁感应强度。材料物理性能材料的磁性能式中 称为相对磁导率。绝对磁导率为:式中 称为磁化率。物质磁性分类:材料物理性能材料的磁性能根据物质的磁化率,可以把物质的磁性大致分为五类:抗磁体磁化率 为很小的负数,大约在10-6数量级。它们在磁场中受微弱斥力。金属中约有一半简单金属是抗磁体。根据 与温度的关系,抗磁体又可分为:“经典”抗磁体,它的 不随温度变化,如铜、银、金、汞、锌等。反常抗磁体,它的 随温度变化,且其大小是前者的10一100倍,如铋、镓、锑、锡、铟、铜一锆合金中的 相等。材料物理性能材料的磁性能 顺磁体磁化率 为正值,大约在10-3 10-6数量级。根据 与温度的关系可分为:
4、1)正常顺磁体,其 随温度变化符合 lT关系,如,金属铂、钯、奥氏体不锈钢、稀土金属等。2)与温度无关的顺磁体,例如锂、钠、钾、铷等金属。材料物理性能材料的磁性能在较弱的磁场作用下,就能产生很大的磁化强度。铁磁体 是很大的正数,且与外磁场呈非线性关系变化。具体金属有铁、钴、镍等。铁磁体在温度高于某临界温度后变成顺磁体。此临界温度称为居里温度或居里点,常用Tc表示。铁磁体是我们要重点介绍的磁性物质。材料物理性能材料的磁性能 这类磁体有些像铁磁体,但 值没有铁磁体那样大通常所说的磁铁矿、铁氧体等属于亚铁磁体。亚铁磁体 这类磁体的 是小的正数,在温度低于某温度时,它的磁化率同磁场的取向有关;高于这个
5、温度,其行为像顺磁体。反铁磁体 具体材料有一Mn、铬,还有如氧化镍、氧化锰等。材料物理性能材料的磁性能五类磁体的磁化曲线示意图原子本征磁矩、抗磁性和顺磁性 材料物理性能材料的磁性能 材料的磁性来源于原子磁矩。原子磁矩包括:电子轨道磁矩、电子自旋磁矩和原子核磁矩。电子轨道磁矩 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。设电子运动轨道的半径为 ,电子轨道运动的速度为 ,电子的电量为 ,质量为 。运动轨道的周期为:沿着圆形轨道的电流为:运动轨道的周期为:材料物理性能材料的磁性能因此,电子轨道磁矩为:因此,电子轨道磁矩是量子化的。电子轨道磁矩在外磁场方向上的
6、分量,满足量子化条件:为玻尔磁子。材料物理性能材料的磁性能 实验和理论证明原子核磁矩很小,只有电子磁矩的几千分之一,通常不考虑它对原子磁矩贡献。电子除了做轨道运动还有自旋,因此具有自旋磁矩。实验测定电子自旋磁矩在外磁场方向上的分量恰为一个玻尔磁子: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,电子自旋磁矩材料物理性能材料的磁性能p 原子的磁矩 材料物理性能材料的磁性能p 原子的磁矩材料物理性能材料的磁性能p 原子的磁矩 材料物理性能材料的磁性能p 原子的
7、磁矩 材料物理性能材料的磁性能p 原子的磁矩 材料物理性能材料的磁性能材料物理性能材料的磁性能材料物理性能材料的磁性能材料物理性能材料的磁性能 材料物理性能材料的磁性能 实验和理论证明原子核磁矩很小,只有电子磁矩的几千分之一,通常不考虑它对原子磁矩贡献。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,p 原子的磁矩材料物理性能材料的磁性能p 宏观物质的磁性材料物理性能材料的磁性能材料物理性能材料的磁性能材料物理性能材料的磁性能材料物理性能材料的磁性能材料物
8、理性能材料的磁性能 材料物理性能材料的磁性能 理论研究证明,在外磁场作用下,一个电子的轨道运动和自旋运动以及原子核的自旋运动都会发生变化,产生一附加磁矩m。q 抗磁性来源电子的轨道运动产生一附加磁矩感生磁矩。材料物理性能材料的磁性能 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
9、属于抗磁性物质的有铋、铅、铜、银等。材料物理性能材料的磁性能q 顺磁性来源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)。5.2 铁磁性和亚铁磁性材料的特性 材料物理性能材料的磁性能 铁磁性材料铁、钴、镍及其合金,稀土族元素镝以及亚铁磁性材料铁氧体等都很容易磁化,在不很强的磁场作用下,就可得到很大的磁化强度。磁学特性与顺磁性、抗磁性物质不同,主要特点表现在磁化曲线和磁滞回线上。磁化曲线 材料物理性能材料的磁性能铁磁性物质的
10、磁化曲线(MH或BH)是非线性的。随磁化场的增加,磁化强度M或磁感强度B开始时增加较缓慢,然后迅速地增加,再转而缓慢地增加,最后磁化至饱和。磁化至饱和后,磁化强度不再随外磁场的增加而增加。称为饱和磁化强度;称为饱和磁感应强度。材料物理性能材料的磁性能起始磁导率 :它相当于磁化曲线起始部分的斜率。技术上规定在0.10.001Oe磁场的磁导率为起始磁导率,它是软磁材料的重要技术参量。最大磁导率 :它是磁化曲线拐点处的斜率,它也是软磁材料的重要技术参量。磁滞回线 材料物理性能材料的磁性能 将一个试样磁化至饱和,然后慢慢地减少H,则M也将减小,这个过程叫退磁。M不按照磁化曲线反方向进行,而是按另一条曲
11、线改变。当H减小到零,当H为一反向磁场Hc,剩余磁化强度剩余磁感应强度矫顽力内禀矫顽力试样的磁化曲线形成一个封闭曲线,称为滋滞回线。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。磁晶各向异性和各向异性能 材料物理性能材料的磁性能磁性各向异性在单晶体的不同晶向上,磁性能不同。磁化功示意图磁化功为了使铁磁体磁化,要消耗一定的能,它在数值上等于右图中阴影部分的面积。沿不同方向的磁化功不同。反映了磁化强度矢量()在不同方向取向时的能量不同。沿易磁化轴时能量最低(通常取此能量为基准),沿难磁化轴时能量最高。磁化矢量沿不同晶轴方向的能量差代表磁晶各向异性能,用 表示,磁晶各向异性能是磁化矢
12、量方向的函数。对于立方晶体,磁晶各向异性常数,同物质结构有关;而Ko代表主晶轴方向磁化能量,与变化的磁化方向无关。一般情况,K2较小可忽略,把K1视为晶体各向异性能常数。材料物理性能材料的磁性能铁、镍、钴沿不同晶向的磁化曲线铁磁体的形状各向异性及退磁能 材料物理性能材料的磁性能 铁磁体在磁场中的能量为静磁能。它包括铁磁体与外磁场的相互作用能和铁磁体在自身退磁场中的能量。后一种静磁能常称为退磁能。非取向的多晶体并不显示磁的各向异性,把它做成球形则是各向同性的。形状对磁性有重要影响。长片状试样,沿不同方向测得的磁化曲线是不同的,其磁化行为是不同的,这种现象称为形状各向异性。铁磁体的形状各向异性 材
13、料物理性能材料的磁性能 铁磁体的形状各向异性是由退磁场引起的。当铁磁体表面出现磁极后,除在铁磁体周围空间产生磁场外,在铁磁体的内部也产生磁场。这一磁场与铁磁体的磁化强度方向相反,它起到退磁的作用,因此称为退磁场,如图所示。铁磁体的退磁场退磁场强度的表达式为,式中,N和D称为退磁因子。说明退磁场与磁化强度成正比。退磁因子的大小与铁磁体的形状有关。单位体积的退磁能可表示为,磁致伸缩与磁弹性能 材料物理性能材料的磁性能 铁氧体在磁场中磁化,其形状和尺寸都会发生变化,这种现象称为磁致伸缩。设铁磁体原来的尺寸为 ,放在磁场中磁化时,其尺寸变为 ,长度的相对变化为,称为线磁致伸缩系数。计算多晶体与磁化方向
14、成 角的磁致伸缩系数公式,材料物理性能材料的磁性能 在非取向的多晶体材料中,其磁致伸缩是不同取向的晶粒的磁致伸缩的平均值,材料物理性能材料的磁性能 把铁磁物质和顺磁件物质的磁化情形做一比较,可以很清楚地看出它们的差别。5.3 磁性材料的自发磁化和技术磁化 从达些物质的原子磁矩来看,铁磁物质的原子磁矩和相似元素的原子磁矩并无本质的差别。例如过渡族的快础物质Fe,Co,Ni,与非铁磁性的Mn,Cr的原子内的3d层电子都是没什填满的壳层,原子都有一定的磁矩。怎样解释铁磁物质和顺磁物质的巨大差异呢?现在知道,物质是否具有铁磁性,关键不在于组成物质的原子本身所具有的磁矩的大小,而在于形成宏观物体后,原子
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