材料的磁性能1.

材料物理性能郑兴华[e-mail]第三章材料的磁性能NS永久磁铁电磁铁磁体周围的磁场磁性无处不在罗盘同性相斥，异性相吸磁性液体在磁场中显示磁力线分布的图形宇航员头盔的密封是纳米磁性材料的最早重要应用之一----磁性液体序号电子设备名称磁性元件数(件/每台设备)设备所用磁性材料(Kg/台)1电子计算机21~250.2~2.02打印机5~60.2~0.43移动电话3~50.02~0.034显示器5~70.05~1.05复印机3~40.06~1.06CTV7~80.9~1.27DVD、VCD5~80.4~1.08燃油汽车30~702~59电动汽车30~705~1010空调机、洗衣机2~30.5~3.0磁性元件和材料在电子设备中作用材料为什么有如此广泛的用途?材料具有重要的磁性能本章主要内容★材料磁性概述★磁性材料中的基本磁现象★自发磁化理论★磁性材料的磁化磁畴、技术磁化、动态磁化等★主要的铁磁性材料★测量及应用与人类文明的进步在世界上中国是最早发现磁现象与磁石的文明古国；公元前一千多年前中国史书已有磁的论述；公元前300年中国汉代已用天然磁石(Fe3O4)做指南针；公元11世纪，北宋，沈括在梦溪笔谈中提到了指南针的制造方法：“方家以磁石磨针锋，则能指南......水浮多荡摇，指抓及碗唇上皆可为之，运转尤速，但坚滑易坠，不若缕悬之最善。”同时，他还发现了磁偏角，即：地球的磁极和地理的南北极不完全重合。材料磁性概述公元前3世纪，战国时期，《韩非子》中这样记载：“先王立司南以端朝夕”。《鬼谷子》中记载：“郑人取玉，必载司南，为其不惑也”。公元1600年英国出版W.Gilbert(1544-1603)“论磁体”巨著，系统论述静地相互作规律，和磁与电的关系，和磁学形成；公元18世纪，瑞典科学家在磁学著作中对磁性材料的磁化作了大胆的描绘。公元19世纪，近代物理学大发展，电流的磁效应、电磁感应等相继被发现和研究，同时磁性材料的理论出现，涌现出了象法拉第、安培、韦伯、高斯、奥斯特、麦克丝韦、赫兹等大批现代电磁学大师。20世纪初，法国的外斯提出了著名的磁性物质的分子场假说，奠定了现代磁学的基础，在顺磁性理论、分子磁场、波动力学、铁磁性理论等相关理论和各种分析手段的基础上，形成了完整的磁学体系。材料磁性概述磁源于电：环形电流周围的磁场，符合右螺旋法则，其磁矩定义为：m–载流线圈的磁矩I-载流线圈通过的电流S-载流线圈的面积n-载流线圈平面的法线方向上的单位矢量ISnm磁矩应用中常用电流来产生磁场，有以下三种形式：无限长载流直导线的磁场强度H＝I/2pr载流环行线圈圆心的磁场强度H＝I/2r无限长载流螺线管的磁场强度H＝nIIdlHct如果一个小磁体能够用无限小的电流回路来表示，我们就称为磁偶极子。用磁偶极矩jm表示：磁偶极子和磁矩与磁偶极子等效的平面回路的电流和回路面积的乘积定义为磁矩——表征磁性物体磁性大小的物理量，用µm表示：jm=mlµm=i·Ai+m-ml磁偶极矩和磁矩具有相同的物理意义，存在关系：jm=µ0µm，µo=4π×10-7H·m-1，真空磁导率磁性基本概念磁化强度M单位体积磁体内磁偶极子的磁偶极矩矢量和称为磁极化强度Jm；单位体积磁体磁体内磁偶极子的磁矩矢量和称为磁化强度M2mmjJWbmV1mMAmVJm和M亦有如下关系：Jm=µ0MWb·m-2A·m-1磁化强度可以看成是磁偶极子的集合磁化强度又可以看成是闭合电流环的集合磁场强度H和磁感应强度B磁场中的磁极会受到力的作用，表示为：F=mH，m为磁极强度定义磁场强度H：单位强度的磁场等于1Wb强度的磁极受到1牛顿的力，磁场强度为A·m-1。在更多场合，确定场效应的量是磁感应强度B。在SI单位制中：B＝µo（H＋M）H——磁场强度；M——磁化强度HooBHBµo=4π×10-7H·m-1，真空磁导率HBBBoor磁化强度M和磁场强度H存在如下关系：M＝cH，c称为磁体的磁化率。B=0(H+cH)0(1+c)H定义r＝（1＋c）为相对磁导率，即r＝B/0H磁导率表示单位磁场中材料的磁感应强度大小，也是表征磁体的磁性、导磁性及磁化难易程度的磁学量。磁化率和磁导率磁学参数及单位静磁能（MagnetostaticEnergy）Workdoneperunitvolumeduringmagnetization21volBBHdBEororBHE22122volooBHE221)air(22volHBE21volEnergydensityofamagneticfieldMagnetostaticenergydensityinfreespaceMagnetostaticenergyinalinearmagneticmedium材料的磁性起源怎样可以产生磁性？磁场？导线通电、封闭的导线－封闭电流产生磁矩,材料内部的磁性也是源于材料内部电子的循轨和自旋运动。原子核+26K(n=1)L(n=2)M(n=3)N(n=4)1s12p62s23p63s23d64s2Fe的电子壳层和电子轨道IA-eLrorb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。▼电子轨道磁矩ivm=iSre2lepmr电子轨道运动产生的轨道磁矩和动量矩方向相反22()22leeiSrrpp2lepmr2lleepm轨道磁矩轨道动量矩▼电子自旋磁矩()sBH()1spss+S≡1/2，pS=(3/2)自旋在磁场方向的分量()12ssHpm(ms只可能等于1/2)实验表明：()()sHsHeepmsseepm2(1)sBss+（S≡1/2，）3SB自旋角动量未成对的电子才有贡献()1spss+S≡1/2，pS=(3/2)()12ssHpm(ms只可能等于1/2)µB波尔磁子，9.27×10-24A·m2磁矩自旋磁矩－电子自旋时产生顺磁矩。轨道磁矩－轨道电子循轨运动时产生的抗磁矩。电子磁矩－轨道磁矩和自旋磁矩之和。固有磁矩－只有原子中存在未被排满的电子层时，电子磁矩之和不为零，原子才具有磁矩，为原子的固有磁矩）材料的磁化通常，在无外加磁场时，材料中固有磁矩的矢量和为零，宏观上材料无磁性。材料在外加磁场H中时，使它所在的空间的磁场发生变化（H↑或、H↓），产生一个附加磁场H’，材料本身呈现出磁性，这种现象叫磁化这时其所处的总磁场强度为两部分的矢量和。单位A/m。HHH+总χ=μr-1χ—磁化率（单位体积），可正可负，表征物质本身的磁化特性。MH)1(0xHMH'磁性材料分类按材料磁化情况，将材料分为:抗磁性材料-----使磁场减弱顺磁性材料-----使磁场略有增强铁磁性材料------使磁场强烈增强—铁磁性材料—亚铁磁性材料—反铁磁性材料NSFM抗磁性材料物质的抗磁性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。形成抗磁磁距的示意图Δm总是与外加磁场方相反，为什么?抗磁性µav=0andM=0oHMµav0andM=cmH(b)(a)顺磁性材料磁化曲线通常把B－H曲线orM-H曲线称为磁化曲线顺磁材料与抗磁材料的磁化曲线c0,~10-3-10-6c0,,~10-6抗磁、顺磁性材料磁化曲线特点：—线性；—磁化可逆性；—斜率很小（M-H)H(A/m）M(A/m)顺磁性O抗磁性c=-1，TTc典型的磁性材料顺磁性原子(or离子)的固有磁矩无序→有序通常顺磁磁化进行的很困难，为什么?（原子热运动造成的阻力）影响材料抗磁性与顺磁性的因素1.原子结构的影响核轨道电子自由电子贡献：循轨运动抗磁距〈〈顺磁矩电子自旋抗磁矩(轨道磁矩)（较小）顺磁矩(自旋磁矩)固有磁矩(1)惰性气体，固有磁矩为0，在外磁场中只能产生抗磁矩，是典型的抗磁性材料。(2)绝大多数非金属元素。由于共价键作用，使外层电子被填满，大多数是抗磁性材料，只有氧和石墨是顺磁性材料。(3)金属元素。离子+自由电子。只有轨道未被填满，自旋磁矩未被抵消时，才可能产生较强的顺磁性。金属元素例如：Cu，Ag，Au，Cd，Hg等，抗磁性顺磁性，抗磁性材料。碱金属、碱土金属(除Be外)顺磁性－自旋电子（＋自由电子）顺磁性的贡献。稀土金属顺磁性较强，磁化率较大－贡献来源于自旋磁矩。Ti，V，Cr，Mn等过渡元素，强烈顺磁性，有些合金成为铁磁性。影响材料抗磁性与顺磁性的因素2.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，原因?影响材料抗磁性与顺磁性的因素0T-TCx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）。影响材料抗磁性与顺磁性的因素3.相变及组织转变的影响相变改变了物质的结构所以改变了磁性，例如：Fe铁磁→顺磁→抗磁居里温度（奥氏体）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。影响材料抗磁性与顺磁性的因素4.合金成分与组织的影响(待补充)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。抗磁性与顺磁性材料特性磁性材料器件及应用汽车领域永磁起动电机传感器无刷直流电机计算机领域光驱存储器打印机消费类电子产品领域微型马达扬声器耳机麦克风电器领域便携式电动工具电机家用电器电机工业自动化领域磁耦合器伺服电机工业产品领域磁分离器磁起重设备什么材料有如此广泛的用途?具有独特的磁性能铁磁性材料？55材料的磁化★铁磁材料磁化磁化曲线★磁性材料中的基本磁现象★磁性材料的磁化磁畴、技术磁化、动态磁化等★自发磁化理论56磁化曲线通常把B－H曲线orM-H曲线称为磁化曲线顺磁材料与抗磁材料的磁化曲线c0,~10-3-10-6c0,,~10-6抗磁、顺磁性材料磁化曲线特点：—线性；—磁化可逆性；—斜率很小（M-H)H(A/m）M(A/m)顺磁性O抗磁性c=-1，TTc铁磁性材料的磁化曲线特点:复杂1）可逆磁化阶段B、M→随H缓慢线性上升,磁化可逆；2）不可逆磁化阶段B、M→随H快速增大,μ出现极大值μm，磁化不可逆，非线性3）饱和磁化阶段B、H→Hs→μ0，M→Ms.B→Bs.4）顺磁磁化阶段铁磁性材料的磁化曲线132458max0max1BH01BH0limrevH(1)起始磁导率(2)增量磁导率(3)微分磁导率(4)最大磁导率磁导率001limiHBHBHmaxi0B/0H磁化曲线比较抗磁性c0,c-10-6c=-1，TTc超导体顺磁性：c0，c10-6-10-3铁磁性：c0，c103-106HM抗磁性MHc-------物质的磁化率H铁磁性顺磁性超导体60材料沿不同方向磁化的难易程度不同易磁化轴[100]难磁化轴[111]磁各向异性铁单晶磁化曲线61软磁铁氧体的磁化曲线与磁导率曲线62冷轧取向硅钢片的磁化曲线与磁导率曲线63Mn-Zn铁氧体的磁化曲线与磁导率曲线铁磁性B随H变化规律①oab同磁化曲线；②减小H,B沿bc减小,当H=0时,B=Br(剩余磁感应强度)这就是铁磁金属的剩磁现象；③cd想去掉剩磁需加反向磁场.H=-Hc,B=0.Hc为去掉剩磁的临界外磁场,称为矫顽力.cd曲线也称为退磁曲线，从此曲线可得出考核永磁材料的重要参数。④继续在反方向增加H