第九章 材料的磁学性能(8学时)

第九章材料的磁学性能第一节基本磁学性能第二节抗磁性与顺磁性第三节铁磁性与反铁磁性本章主要对材料磁性的本质、抗磁性、顺磁性以及铁磁性的特点及影响因素进行简要介绍。---------------《材料性能学》----------------•••磁性是最早发现一切物质的基本属性之一。–公元前3世纪《吕氏春秋》记载：“慈石招铁，或引之也”；–司马迁《史记》记载：黄帝在作战中使用了指南车；–公园11世纪沈括《梦溪笔谈》记载：磁石南北指向、磁偏角；–公园12世纪初朱或《萍洲可谈》记载：罗盘的使用。磁性是磁性材料的一种使用性能。–磁体间的力（吸引或排斥）；–电磁感应；–能量转换、存储或改变能量状态。磁性状态及磁性强弱与物质结构密切相关。–材料电子结构、原子结构、晶体结构等的研究。磁铁电磁铁指南针中国古代四大发明之一-司南第一节基本磁学性能一、材料的磁性物质的磁性的根源是材料内部电子的循轨和自旋运动，或者说，是电流。所有物质都是由原子构成的，而原子由原子核及核外电子构成。带有负电荷的电子在原子核周围作轨道运动和自旋运动。近代原子论发现电子带核原子结构模型轨道原子结构模型电子云模型无论轨道运动还是自旋运动都会产生磁矩。原子核，由于带电，其运动也会产生磁矩，只是其磁矩很小，例如，氢核质子产生的磁矩仅为电子产生最小磁矩的1／658左右。物质磁性的主要根源是电子的运动。磁矩磁偶极子的概念是讨论磁性材料的核心问题。磁体的最小基元是小圆形电流（“分子电流”）一个小圆形电流所形成的磁场。因此一个小圆形电流可称作一个磁偶极子。一个电偶极子有它的电矩。一个磁偶极子(小圆形电流)有它的磁矩。任何一个封闭的电流都具有磁矩m。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IΔS：SIm在均匀磁场中，磁矩受到磁场作用的力矩JJmB磁矩在磁场中所受的力xdBFmdx所以，磁矩是表征磁性物体磁性大小的物理量。磁矩愈大，磁性愈强，即物体在磁场中所受的力也大。磁矩只与物体本身有关，与外磁场无关。1)轨道磁矩：由电子循轨运动产生的磁矩，以ml表示，ml为矢量，它垂直于电子运动的轨道平面，其大小为1liiBmllm式中:l为轨道角量子数，可取0，1，2，3,…，(n-1)，分别代表s,p,d,f层的电子态，mB为玻尔磁子，mB=9.27×10-24Am2，是磁矩的最小单元。2)自旋磁矩：电子自旋运动产生的磁矩，以ms表示，其方向平行于自旋轴，其大小为21SiiBmSSm式中:Si为自旋量子数，其值为1/2。运动电子的磁矩，一般是轨道磁矩和自旋磁矩的矢量和。3)原子的磁矩由原子的结构决定原子中的一个次电子层被排满时，这个电子层的磁矩总和为零原子中的电子层均被排满时，原子没有磁矩只有原子中存在未被排满的电子层时，原子才具有磁矩，这种磁矩称为原子的固有磁矩如原子序数为26的Fe原子，电子层分布为↑↓↑↑↑↑未抵消自旋数：4根据洪特法则，电子在3d层中应尽可能填充到不同轨道，并且它们的自旋尽量在同方向上(平行自旋)。因此，铁原子3d次电子层中，5个轨道中有4个只有1个电子，而且这些电子的自旋方向平行，因此铁原子的固有磁矩是4个电子磁矩的总和。4)分子磁矩当原子结合成分子时，它们的外层电子磁矩要发生变化，所以分子磁矩并不是单个原子磁矩的总和。一个分子中的电子的轨道运动产生的轨道磁矩和电子自旋产生的自旋磁矩的总和就构成分子的分子磁矩。二、材料的磁化磁化：物质在磁场中由于受磁场的作用会改变磁场的强度，即都呈现出一定的磁性的现象。线圈法coil支杆法/触头法prods磁化方法磁介质：能被磁场磁化的物质。抗磁质顺磁质铁磁质磁介质内部总磁场加强。O、石墨、所有碱金属、碱土金属(Be除外)、Ti、V、Cr、Mn等磁介质内部总磁场削弱。惰性气体、Cu、Ag、Au、Hg、Cd等强磁性物质，是特殊的顺磁质。主要为Fe、Co、NitHHH磁场强度的单位是A/m(安/米).磁化强度M：1iMmV磁化强度的单位是A/m(安/米)。mi为原子固有磁矩。磁场强度H：当磁介质在磁场强度为H的外加磁场中被磁化时，会产生一个附加磁场H’，此时总磁场强度Ht为两部分的矢量和磁化强度表征磁介质本身的磁化程度。在外磁场的作用下，在磁介质内任取一个体积单元，要求这个体积单元在微观上要足够大，即包含足够数量的磁偶极子，但在宏观上要足够小，即能表征该处的磁化强度。磁化强度的物理意义：单位体积的磁矩。HM当物体在外加磁场中被磁化时，物体所在空间的总磁场强度Ht=H+M，根据Ht=H+H’，得到：磁化强度不仅与外加磁场有关，还与物质本身的磁化特性有关。磁化率χ：表征物质本身的磁化特性，量纲为1，其值可正、可负。MH磁感应强度B(磁通密度)：通过磁场中某点，垂直于磁场方向单位面积的磁力线数，单位为T(特斯拉)，它与磁场强度H的关系是：式中:μ0为真空磁导率，它等于4π×10-7H/m(享/米)，μr为相对磁导率；μ为磁导率或导磁系数，单位与μ0相同，反应了磁感应强度B随外磁场H变化的速率。000()(1)rBHMHHH磁感应强度也被称为磁通量密度或磁通密度。磁感强度大表示磁感强；磁感强度小，表示磁感弱。在国际单位制（SI）中，磁感应强度的单位是特斯拉（T）。在高斯单位制中，磁感应强度的单位是高斯(Gs)，1T=10KGs等于10的四次方高斯。由于历史的原因，与电场强度E对应的描述磁场的基本物理量被称为磁感应强度B，而另一辅助量却被称为磁场强度H，名实不符，容易混淆。通常所谓磁场，均指的是B。•尼古拉·特斯拉（NikolaTesla，1856年－1943年），1856年7月10日出生，是世界知名的发明家、物理学家、机械工程师和电机工程师。塞尔维亚血统的他出生在克罗地亚（后并入奥地利帝国）。特斯拉被认为是历史上一位重要的发明家。他在19世纪末和20世纪初对电和磁性做出了杰出贡献。他的专利和理论工作形式依据现代交变电流电力（AC）的系统，包括多相电力分配系统和AC马达，帮助了他带起第二次工业革命。磁导率•在电磁学中，磁导率是一种材料对一个外加磁场线性反应的磁化程度。磁导率通常用希腊字母μ来表示。•在国际单位制单位中，磁导率的单位是亨利每米（H/m），或牛顿每安培的平方（N/A2）。常数值μ0为磁场常数或真空磁导率，并有明确定义值=4π×10−7N/A2。•相对磁导率，有时候被定义为符号μr，是特殊介质的磁导率和真空磁导率μ0的比值：μr=μ/μ0•以相对磁导率的形式，磁化率为：χm=μr-1•χm，一个无量纲的量，有时候被称为容积或大小系数，为了使其和χp(magneticmass或特性系数）和χM（molar或molarmass系数）区分开。•一个好的磁芯必须有高的磁导率。•μ合金是一种镍-铁合金（75%镍，15%铁，外加铜和钼），并有非常高的磁导率。•磁导率最高的材料是钴基非晶态磁性合金，其高频退火磁导率为1,000,000（直流磁导率最大值（µ））。氢退火的（纯铁-N5级）可达到160,000（µ）的磁导率，但相对很昂贵。新材料渗透能是一种有待开发利用的新型可再生能源，河流淡水和与海洋咸水之间有一定的盐浓度差，因此当两者在河流入海口相汇时，淡水与海水间会存在渗透压。渗透能发电机的工作原理就是在淡水和咸水之间安装半透膜，利用渗透作用对半透膜施加的压力推动涡轮转动发电。然而，根据当前技术，每平方米半透膜的发电功率仅有３瓦，尚不能投入广泛使用中。法国国家科研中心研究人员设计出一种全新的实验装置，它由一层绝缘的防水膜和一支外部直径为几十纳米的硼氮纳米管组成。研究人员让纳米管穿过薄膜，并在纳米管两端插上电极。研究人员将淡水和咸水置于薄膜两侧，测出穿过纳米管的电流强度比当前其他技术效率高１０００倍。研究人员认为，这是因为硼氮纳米管表面附有大量负电荷，能够吸引咸水中的阳离子。硼氮纳米管薄膜可以让渗透能高效转化为电能微观之美掺杂了锌的氧化锡材料表面氧化锌纳米线附着在聚合物微型球粒上二氧化钛纳米管层在被暴露于氧化腐蚀溶液之后的效果高压下锆钛酸铅铁电材料电场的变化纳米材料习题•1.试说明磁化强度与附加磁场强度的一致性。第二节抗磁性与顺磁性根据材料被磁化后对磁场所产生的影响，可以把材料分为3类：抗磁性材料：材料被磁化后，磁化矢量与外加磁场方向相反，χ0，使磁场减弱的物质；顺磁性材料：材料被磁化后，磁化矢量与外加磁场方向相同的，χ0，使磁场略有增强的材料；铁磁性材料：材料被磁化后，磁化矢量与外加磁场方向相同的，χ0，使磁场强烈增加的材料。抗磁、顺磁和铁磁物质的磁化曲线分类——按磁化率的大小和方向：抗磁性材料、顺磁性材料、铁磁性材料(铁磁性、反铁磁性、亚铁磁性)抗磁性材料•当磁化强度M为负时，介质表现为抗磁性。抗磁性物质的磁化率一般为-10-5。这种物质的原子或离子的电子结构是闭层的，正、反旋转的电子数目相等，不产生磁矩。周期表在中前18个元素主要表现为抗磁性，并且在磁性陶瓷材料中，构成了几乎所有的阴离子，如O2-，F-，CL-，S2-，CO32-，N3-，OH-等，在这些阴离子中，电子填满壳层，自旋磁矩平衡。顺磁性材料•在具有未成对电子的原子、分子或离子中，由于存在未成对电子的轨道运动和自旋运动而具有磁矩，这种性质称为顺磁性，具有顺磁性的物质称为顺磁体。•顺磁体的主要特征是：不论外加磁场是否存在，原子内部存在永久磁矩。•顺磁体宏观无磁性，在外磁场作用下，磁矩可以规则取向，物质显示极弱的磁性。顺磁体的磁化强度为正，且M严格与外磁场H成正比。•顺磁体的磁化率小，一般为10-5。含有奇数个电子的原子或电子未填满壳层的原子或离子，如过渡族元素、稀土元素及铝铂等金属，都属于顺磁性物质。铁磁性材料•即使无外加磁场，磁矩也按同一方向整齐排列，这种性质称为铁磁性，具有铁磁性的物质称为铁磁体。•铁磁体在室温下磁化率可达103数量级，属于强磁性物质，如铁、钴、镍等。•即使在较弱的磁场内，铁磁体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。反铁磁性材料•磁矩的排列并不只在一个方向发生，如果在一个晶面上的排列方向与其在相邻的另一晶面上的排列方向完全相反，这种物质称为反铁磁体。•在反铁磁体中，由于磁矩相互抵消，所以不产生自发磁化，也不产生吸引力。在反铁磁体的磁矩排列中，如磁矩的大小不相同没有完全抵消时，磁矩不为零，这种物质称为亚铁磁性，即通常所说的磁铁矿、铁氧体等。铁磁性材料亚铁磁性材料顺铁性材料反铁磁性材料抗铁磁性材料HM五种磁体的磁化曲线示意图一、材料抗磁性与顺磁性的物理本质1.抗磁性形成抗磁磁矩Δm的示意图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电子循轨运动所产生的轨道磁矩为20.5lmer电子作循轨运动时受到的向心力Fc2cFmr受到垂直于轨道平面的磁场作用所产生的附加向心力ΔFc0cFeH无论电子顺时针运动还是逆时针运动，所产生的附加磁矩△m都与外加磁场的方向相反，故称为抗磁矩。一个电子在外加磁场H的作用下，产生的的抗磁矩为2204leerHmm式中，负号表示△ml与H的方向相反;分母me为电子质量反磁性m=-10-5~-10-6磁场反磁性m=-10-5~-10-6磁场一个原子常有z个电子，每个电子都要产生抗磁矩，由于电子的轨道半径不同，故一个原子的抗磁矩为22014zatiieHmrm式中:ri为电子运动的轨道半径在垂直于磁场方向平面上的投影任何材料在磁场作用下都要产生抗磁性.因抗磁性而导致磁悬浮的热解碳2．顺磁性顺磁性物质主要源于原子内部存在永久(固有)磁矩。在没有外加磁场时，原子的固有磁矩呈无序状态，宏观上无磁性；当施加一定的弱外加磁场，由于磁矩与磁场的相互作用，磁矩具有较高的静磁能，产生磁化；随着磁场增强磁化不断增强，使原子磁矩与外加磁场方向一致。顺磁磁化过程示意图(a)无磁场(b)弱磁场(c)强磁场静磁能：原子磁矩与外加磁场的相互作用能(a)(b)(c)为了