第六章 材料磁性能优秀PPT.ppt
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1、第六章 材料磁性能第一页,本课件共有34页第六章第六章 材料磁性能材料磁性能6.1 磁学基本量及磁性分类磁学基本量及磁性分类6.2 铁磁性和亚铁磁性材料的特性铁磁性和亚铁磁性材料的特性6.3 磁性材料的自发磁化和技术磁化磁性材料的自发磁化和技术磁化第二页,本课件共有34页6.1 磁性基本量及磁性分类1.磁学基本量:磁学基本量:1)磁场强度磁场强度H:一根通有:一根通有I安培安培(A)直流电的无限长直导线,在距导线轴线直流电的无限长直导线,在距导线轴线r米米(m)处产生的磁场强度:处产生的磁场强度:2)磁偶极矩磁偶极矩m:环形电流在其运动中心处产生一个磁矩(或称磁偶极矩:环形电流在其运动中心处产
2、生一个磁矩(或称磁偶极矩):3)磁感应强度磁感应强度B:材料在磁场强度为: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,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,称其为磁感应强度称其为磁感应强度B。单位:特斯拉(。单位:特斯拉(T),或韦伯),或韦伯/米米2(Wb/m2),或(,或(VS/m2)式中:式中:u为磁导率为磁导率,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,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。在真空中料内部的磁通量密度。在真空中 0为真空磁导率为真空磁导率,0=410-7(H/m)(
3、A/m)(A m2)第三页,本课件共有34页6.1 磁性基本量及磁性分类1.磁学基本量:磁学基本量:4)相对磁导率相对磁导率r:5)磁化率磁化率X:6)磁化强度磁化强度M:当当M,B与与H相互平行时,相互平行时,X和和r为标量,否则,它们为多阶张量为标量,否则,它们为多阶张量。磁感应强度还可写成:磁感应强度还可写成: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;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
4、转轴方向的轨道磁矩;(2)电子绕自身的旋转轴运动,产生自电子绕自身的旋转轴运动,产生自旋旋磁矩,它比轨道磁矩要大得多。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 矩和自矩和自旋旋磁矩。磁矩。第四页,本课件共有34页 1)H(A/m)-E(V/m):导致极化的外部驱动力的量度;导致极化的外部驱动力的量度;2)B(VS/m2)-P(C/m2):材料对外部作用场的响应的量度;:材料对外部作用场的响应的量度;3)X()()-Xe 无量纲,描述材料对外部作用场的响应;无量纲,描述材料对外部作用场的响应;4)
5、0-0 建立材料的相应参数和尺度参比量建立材料的相应参数和尺度参比量2.磁性参数与介电参数的比较磁性参数与介电参数的比较第五页,本课件共有34页6.1 磁性基本量及磁性分类 例:将例:将Al磁化到磁感应强度与地球的磁感应强度相磁化到磁感应强度与地球的磁感应强度相同同(6 10-5T),Al的磁化率的磁化率X=16.510-6),求施加的),求施加的外部磁场强度。外部磁场强度。第六页,本课件共有34页6.1 磁性基本量及磁性分类3.物质的磁性分类: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,将材料分为与强度,将材料分为5类:类:与外
6、部无响应(基本):与外部无响应(基本):抗磁性抗磁性 顺磁性顺磁性 X 1 反铁磁性反铁磁性 与外部磁场有强烈的相互作用:与外部磁场有强烈的相互作用:铁磁性铁磁性 X1 亚铁磁性亚铁磁性 第七页,本课件共有34页6.1 磁性基本量及磁性分类4.抗磁性抗磁性/顺磁性顺磁性 1)抗磁体:内部磁场)抗磁体:内部磁场M与外部磁场与外部磁场H的方向相反(的方向相反(X1,在较低的温度下,铁磁物质中相邻原子磁偶极矩之间的交换作在较低的温度下,铁磁物质中相邻原子磁偶极矩之间的交换作用,其强度可以克服热起伏的影响,结果没有外部磁场的作用下,相邻的用,其强度可以克服热起伏的影响,结果没有外部磁场的作用下,相邻的
7、偶极子也彼此整齐的排列。偶极子也彼此整齐的排列。例:纯铁例:纯铁-B0=10-6T时,其磁化强度时,其磁化强度M=104A/m FeSO4(顺磁性),顺磁性),B0=10-6T时,其磁化强度时,其磁化强度M=0.001A/m 具有铁磁性的物质满足以下条件:具有铁磁性的物质满足以下条件:1)内层电子未填滿,内层电子未填滿,2)未填满的电子层有较小的轨道半径未填满的电子层有较小的轨道半径 3)未填满的电子层的电子能带很窄未填满的电子层的电子能带很窄 上述条件在上述条件在Fe,Co,Ni的的 3d能带及稀土金属的能带及稀土金属的4f得到满足:得到满足:第十页,本课件共有34页6.2 铁磁性和亚铁磁性
8、材料的特性1.铁磁性铁磁性居里温度居里温度 对于所有的磁性材料来说,并不是在任何温度下都具有磁性。一般地,磁性材对于所有的磁性材料来说,并不是在任何温度下都具有磁性。一般地,磁性材料具有一个临界温度料具有一个临界温度Tc,在这个温度以上,由于高温下原子的剧烈热运动,原子,在这个温度以上,由于高温下原子的剧烈热运动,原子磁矩的排列是混乱无序的。在此温度以下,原子磁矩排列整齐,产生自发磁化,磁矩的排列是混乱无序的。在此温度以下,原子磁矩排列整齐,产生自发磁化,物体变成铁磁性的。物体变成铁磁性的。居里温度是指材料可以在铁磁体和顺磁体之间改变的温度。低于居里温度时居里温度是指材料可以在铁磁体和顺磁体之
9、间改变的温度。低于居里温度时该物质成为铁磁体,此时和材料有关的磁场很难改变。当温度高于居里温度时该物质成为铁磁体,此时和材料有关的磁场很难改变。当温度高于居里温度时,该物质成为顺磁体,磁体的磁场很容易随周围磁场的改变而改变。这时该物质成为顺磁体,磁体的磁场很容易随周围磁场的改变而改变。这时的磁敏感度约为的磁敏感度约为10的负的负6次方。次方。第十一页,本课件共有34页6.2 铁磁性和亚铁磁性材料的特性2.磁化曲线磁化曲线特征:特征:非线性的,非线性的,Ms:饱和磁化强度;饱和磁化强度;Bs:饱和磁感应强度饱和磁感应强度 (1)起始磁导率(起始磁导率(ui):磁化曲线起始部分的斜率磁化曲线起始部
10、分的斜率.(2)最大磁导率(最大磁导率(um):磁化曲线拐点磁化曲线拐点k处的处的斜率斜率 第十二页,本课件共有34页6.2 铁磁性和亚铁磁性材料的特性3.磁滞回线磁滞回线 当当H下降时,下降时,B-C-D-E Mr:剩余磁化强度剩余磁化强度 Br:剩余磁感应强度剩余磁感应强度 Hc:矫顽力矫顽力得封闭曲线:得封闭曲线:EFG-B (1)退磁过程中退磁过程中M的变化落后于的变化落后于H的变化的变化-磁滞现象;磁滞现象;(2)试样的磁化曲线形成一个封闭曲线试样的磁化曲线形成一个封闭曲线-磁滞回线。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,称为磁滞损耗磁滞回线所包围的面积表征磁化一周
11、时所消耗的功,称为磁滞损耗Q 第十三页,本课件共有34页6.2 铁磁性和亚铁磁性材料的特性4.磁晶各向异性和各向异性能磁晶各向异性和各向异性能 1)磁性的各向异性:在单晶体的不同晶向上,磁性能是不同的。磁性的各向异性:在单晶体的不同晶向上,磁性能是不同的。磁化功:使铁磁体磁化消耗的能量。磁化功:使铁磁体磁化消耗的能量。磁晶各向异性能:磁化强度矢量沿不同晶轴方向的能量差。磁晶各向异性能:磁化强度矢量沿不同晶轴方向的能量差。2)对于)对于 Fe,Ni,Co 第十四页,本课件共有34页6.2 铁磁性和亚铁磁性材料的特性4.磁晶各向异性和各向异性能磁晶各向异性和各向异性能 3)对于立方晶系:设对于立方
12、晶系:设,分别为磁化强度分别为磁化强度M与三个晶轴方向的余弦,即与三个晶轴方向的余弦,即 有:有:Ek:磁晶各向异性能磁晶各向异性能 K0:主晶轴方向磁化能量,与变化的磁化方向无关。:主晶轴方向磁化能量,与变化的磁化方向无关。K1,K2:磁晶各向异性常数,由原子结构决定。一般情况下,:磁晶各向异性常数,由原子结构决定。一般情况下,K2可以忽略。可以忽略。第十五页,本课件共有34页6.2 铁磁性和亚铁磁性材料的特性5.铁磁体的形状各向异性及退磁能铁磁体的形状各向异性及退磁能 1)形状各向异性:对一定形状的材料,沿不同方向测得的磁化曲线是不同的。形状各向异性:对一定形状的材料,沿不同方向测得的磁化
13、曲线是不同的。2)静磁能:铁磁体在磁场中的能量。包括铁磁体与外磁场)静磁能:铁磁体在磁场中的能量。包括铁磁体与外磁场 的作用和铁磁体在自身退磁场中的能量。的作用和铁磁体在自身退磁场中的能量。3)退磁场:形状各向异性是由退磁场引起的。)退磁场:形状各向异性是由退磁场引起的。退磁场强度:退磁场强度:退磁场强度与磁化强度成正比,退磁场强度与磁化强度成正比,负号表示退磁场的方向与磁化强度的方向相反。负号表示退磁场的方向与磁化强度的方向相反。D为退磁场因子,与形状有关。为退磁场因子,与形状有关。第十六页,本课件共有34页6.2 铁磁性和亚铁磁性材料的特性5.磁致收缩与磁弹性能磁致收缩与磁弹性能 1)磁致
14、收缩:铁磁体在磁场中磁化,形状与尺寸都会发生变化。磁致收缩:铁磁体在磁场中磁化,形状与尺寸都会发生变化。特性:(特性:(1)与磁场强度有关)与磁场强度有关 (2)与磁化方向成角度时,有:)与磁化方向成角度时,有:(3)各向异性各向异性 2)磁弹性能:磁化时材料变化尺寸受限制,产生应力,从而产生弹性能,物体内部的缺陷,杂质都可)磁弹性能:磁化时材料变化尺寸受限制,产生应力,从而产生弹性能,物体内部的缺陷,杂质都可能增加其磁弹性能。能增加其磁弹性能。第十七页,本课件共有34页6.3 磁性材料的自发磁发和技术磁发1.自发磁发理论自发磁发理论 1)铁磁性产生的原因:铁磁性产生的原因:(a)自发磁化的根
15、源是原子磁矩,而且起主导作用的是电子的自旋磁矩。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。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。原子之间的相互键合作用是否对形成铁磁有利。原子形成分子原子形成分子-电子云相互重叠,电子相互交换位置电子云相互重叠,电子相互交换位置-交换能(交换能(Eex)-使相邻原使相邻原子内子内d层未抵消的自旋磁矩同向排列。层未抵消的自旋磁矩同向排列。A:交换积分常数,交换积分常数,为相邻的两个电子自旋磁矩的夹角为相邻的两个电子自旋磁矩
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