磁性材料・第一章(陈宝军)川大

磁性材料磁性材料MagneticMaterialsMagneticMaterials四川大学材料学院四川大学材料学院陈宝军陈宝军2课程提纲课程提纲绪论1.磁学基本理论、物质的磁性2.各类磁性材料①软磁材料②硬磁材料③信息记录材料④磁致电阻材料⑤磁致伸缩材料⑥超导磁性材料⑦磁性液体3一、两个基本命题一、两个基本命题二、物质的五种磁性二、物质的五种磁性三、基本磁学量三、基本磁学量四、物质磁性的起源四、物质磁性的起源五、铁磁性材料概述五、铁磁性材料概述第一章第一章磁学基本理论与物质的磁性磁学基本理论与物质的磁性4第一章第一章磁学基本理论与物质的磁性磁学基本理论与物质的磁性•命题一：磁及磁现象的根源是电流（电荷的运动）•命题二：所有物质都是磁性体1.1两个基本命题5命题一：磁及磁现象的根源是电流（电荷的运动）z所有物质都是由原于构成的，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。电子运动因原子核不同及电子所处的轨道不同而异。z无论轨道运动还是自旋运动都会产生磁矩。即使原子核，由于带电，其运动也会产生磁矩，只是其磁矩很小。例如，氢核质子所产生的磁矩仅为电子产生昀小磁矩的1/658左右。6z与物质磁矩磁矩相关联的各种现象称为磁现象。z因此，物质磁性及磁现象的主要根源是电子的运动。z尽管不存在与单位电荷量相当的磁荷磁荷，但存在昀基本的单位磁矩。7命题二：所有物质都是磁性体zz什么称为磁性什么称为磁性??z一种说法是，由于外加磁场作用，物质中的状态发生变化，产生新的磁场现象称为磁性；z另一种说法是，无论何种物质，置于磁场之中都会或多或少地带磁，或者某种物质，即使没有外部磁场，也会自发地带磁，称这种性质为磁性。8z这两种说法本质上是相同的，即所有物质的原子都具有磁矩。z既然所有原子都具有磁矩，由原子构成的物质都具有磁性，因此“所有物质都是磁性体”的命题自然成立。91.2物质的五种磁性①①抗磁性抗磁性②②顺磁性顺磁性③③反铁磁性反铁磁性④④铁磁性铁磁性⑤⑤亚铁磁性亚铁磁性10原子的磁性原子的磁性电子磁性电子磁性原子磁性原子磁性原子磁性的强弱原子磁性的强弱玻尔磁子玻尔磁子核磁子核磁子BμNμ磁矩单位：磁矩单位：AA··mm2224219.2710AmB−=×⋅μ27215.0510AmN−=×⋅μ11原子的磁性原子的磁性电子磁矩电子磁矩自旋磁矩自旋磁矩轨道磁矩轨道磁矩12原子的磁性原子的磁性两类原子两类原子非磁性原子非磁性原子磁性原子磁性原子整个原子中的电子磁矩总和电子磁矩总和为零剩余磁矩（净磁矩）剩余磁矩（净磁矩）131.抗磁性抗磁性((反磁性反磁性))z为什么只有铁等少数物质会受永磁体强烈的吸引，而像水、铜、铝等大多数物质则不会？这些物质也可以称作磁性体吗？回答是：这些物质称为反磁性体。z因为，构成这些物质的原子的电子群的运动方向是不同的。各个电子产生磁矩的方向不同，相互抵消，致使磁各个电子产生磁矩的方向不同，相互抵消，致使磁矩变小，物质磁性变弱，而不显示磁性或几乎不显示磁矩变小，物质磁性变弱，而不显示磁性或几乎不显示磁性。性。z如氦、氩、氖等惰性气体就不显示磁性；而水、铜、银、金、锌等则几乎不显示磁性。14z但是，当外部存在强磁场时，上述相互抵消的电子运动被诱发，产生与外磁场相反的磁性。若将这些物质比作线圈，当其接近永磁体时，线圈中会有抵消永磁体磁场的电流流过，与永磁体的N极靠近，线圈显示N极，其间有斥力作用，相互排斥，这些物质就称为反磁性体(抗磁性)。自然界中有一大类物质属于抗磁性物质。15①惰性气体，如He，Ne，Ar，Kr，Xe等；②碱金属离子，如Li+，Na+，K+，Rb+，Cs+等；③氟族离子，如F－，Cl－，Br－，I－，等；④不含过渡族元素的离子晶体，如NaCl，KBr等；⑤不含过渡族元素的共价键化合物，如H2，CO2等；⑥某些非金属，如Si，P，S等；⑦几乎所有的有机化合和生物组织。抗磁性物质主要包括以下几类：162.顺磁性在0K以上的温度，物质中的原子受热振动，原子磁体的磁矩方向呈紊乱状态。对永磁体的反应也很弱，温度越高，紊乱程度越大，反应变得更小，称这种物质为顺磁性体。17183.反铁磁性如果相邻原子磁矩的方向反平行反平行，同样会相互抵消，当与永磁体靠近时，反应也很小，称这种物质为反铁磁性体。19z铁族元素的某些氧化物，硫化物以及卤素化合物如FeO，FeS，FeF2，FeF3，CoO，CoS，CoF2，NiO，MnO，Cr2O3等属于反铁磁物质。z在晶格结构上，这类物质属于离子型晶体，具有磁矩的金属离子被非金属离子所包围，因而磁性离子的间距较远。z在微观磁结构上，它们和铁磁性物质同属于磁有序物质。20z与铁磁性物质不同的是，反铁磁性物质中的相邻离子磁矩是反平行排列的并且大小相等，因而互相抵消，不产生自发磁化。只有在外磁场中才出现微弱的沿外磁场方向的合磁矩。所以这类物质是一类弱磁性物质，χ值约为10-2～10-5。214.铁磁性z相邻原子磁矩相互同向平行，原子磁矩耐热振动的能力很强，在一定温度之下保持平行排列。因此，磁矩不是相互抵消，而是相互加强，从而产生很强的磁性，如金属态的铁中，保持平行的作用力很强，就称铁磁性很强。z除铁之外，钴、镍等金属也显示强磁性，这类物质称为铁磁性体。225.亚铁磁性z相邻原子磁矩尽管反向平行，若二者磁矩大小不同，也会产生与铁磁性相类似的磁性，称此类物质为亚铁磁性体。一般称作铁氧体的大部分铁系氧化物就属于此。z习惯上统称铁磁性体和亚铁磁性体为磁性材料，这与命题二并不矛盾。严格地讲，所有物质，包括我们的身体、空气、木材、水等都是磁性体。只是实际上，作为产生磁现象而被利用的磁性材料，以磁性强的铁磁体和亚铁磁体为主而已。23物质的五种磁性①①抗磁性抗磁性②②顺磁性顺磁性③③反铁磁性反铁磁性④④铁磁性铁磁性⑤⑤亚铁磁性亚铁磁性弱磁性弱磁性强磁性强磁性（（磁性材料磁性材料））241.磁矩μm1.3基本磁学量永磁体总是同时出现偶数个磁极磁极251.磁矩μm磁体无限小时，体系定义为磁偶极子磁偶极子磁偶极矩：磁偶极矩：方向：方向：--mm→→+m+m单位：单位：WbWb··mmmm=jl261.磁矩μmNNSSiSmμS磁偶极子环形电流271.磁矩μm磁矩：磁矩：方向：方向：面元法线方向面元法线方向单位：单位：AA··mm22mi=SμiSmμS0mmμ=jμ710410Hmμπ−−=×⋅物理意义：物理意义：表征磁偶极子磁性强弱与方向282.磁化强度M磁极化强度：磁极化强度：-2(Wbm)mV=⋅Δ∑jJ物理意义：物理意义：表征磁体被磁化的方向与强度描述宏观磁体磁性强弱程度描述宏观磁体磁性强弱程度单位体积单位体积的磁体内，所有磁偶极矩或磁矩的的磁体内，所有磁偶极矩或磁矩的矢量和矢量和，，分别为：分别为：磁磁化化强强度：度：-1(Am)mV=⋅Δ∑Mμ0mmμ=jμ0μ=JΜ292.磁化强度M单位质量单位质量磁体内具有的磁矩矢量和磁体内具有的磁矩矢量和比磁化强度比磁化强度σσ21(Amkg)mVρρ−==⋅⋅Δ∑Mμσ303.磁场强度H与磁感应强度B电流生磁电流生磁①①电流观点电流观点ddI=×FlB表征磁场强弱和方向表征磁场强弱和方向磁场的强弱和方向用磁感应强度B表征电流元电流元在磁场中受到的力（服从安培定律）运动点电荷运动点电荷受到的磁场力（服从洛仑兹力公式）定义定义q=×fvB313.磁场强度H与磁感应强度B磁场的安培环路定理0dLBlIμ⋅=∑∫当有磁介质存在000dLBlIIμμ′⋅=+∑∑∫传导电流分子电流323.磁场强度H与磁感应强度BdLMlI′⋅=∑∫000dLBlIIμμ′⋅=+∑∑∫000ddLLBlIMlμμ⋅=+⋅∑∫∫00()dLBMlIμ−⋅=∑∫333.磁场强度H与磁感应强度B00()dLBMlIμ−⋅=∑∫令0BHMμ=−称H为磁场强度磁场强度（矢量）0dLHlI⋅=∑∫343.磁场强度H与磁感应强度B电流的等效磁荷生磁电流的等效磁荷生磁②②磁荷观点磁荷观点123014mmqqFrrπμ=⋅定义磁场强度矢量磁场强度矢量表征磁场强弱和方向表征磁场强弱和方向两个点磁荷间的作用力服从磁场的库仑定律mFHq=353.磁场强度H与磁感应强度BdmSJSq⋅=−∫∫01dmSHSqμ⋅=∑∫∫01ddSSHSJSμ⋅=−⋅∫∫∫∫0()d0SHJSμ+⋅=∫∫363.磁场强度H与磁感应强度B0()d0SHJSμ+⋅=∫∫令0BHJμ=+称B为磁感应强度磁感应强度（矢量）d0SBS⋅=∫∫373.磁场强度H与磁感应强度B电流观点与磁荷观点(I)等效性(II)都只有一个是表征磁场的物理量，有明确的物理意义；而另一个则是辅助物理量，是两个有意义物理量的组合，无明确的物理意义。384.磁化率χ与磁导率μ磁体置于外磁场中磁化强度磁体置于外磁场中磁化强度MM将发生变化将发生变化磁化率磁化率,MMHHχχ==称为磁体的磁化率称为磁体的磁化率χ394.磁化率χ与磁导率μ绝对磁导率：绝对磁导率：磁导率磁导率0BHMμ=−000()()(1)BHMHHHμμχχμ=+=+=+相对磁导率：相对磁导率：0(1)BHμχμ==+01rμμχμ==+40磁学的单位制在磁学中一直沿用着两种单位制国际单位制高斯单位制41磁学的单位制国际单位制法文：Systèmeinternationald'unités(SI)英文：InternationalSystemofUnits1960年，第十一届国际计量大会国际计量大会命名7个基本单位2个辅助单位导出单位42磁学的单位制导出单位用基本单位基本单位表示具有专门名称专门名称用辅助单位辅助单位表示国际单位制43磁学的单位制国际单位制在电磁学中的形式为MKSAMKSA有理制有理制44磁学的单位制高斯单位制基本单位：厘米、克、秒量度电学量：CGSE单位制（或e.s.u）量度磁学量：CGSM单位制（或e.m.u）混合单位制45磁学的单位制高斯单位制这里B的单位是高斯(G)，H的单位是奥斯特(Oe)。4BHMπ=+46磁学的单位制高斯单位制•这种单位制曾在物理学中被长期使用，影响很深。直到现在某些国外杂志仍然采用这种单位制。•特别是，由于这种单位制非常适合讨论与介质极化有关的问题。•大小合适47磁学的单位制两种单位制在磁学中应用时的差别SI单位制：凡涉及力、力矩、能量等公式需要引入磁场者都应用磁感应强度磁感应强度B。当涉及H与其他物理量的相互使用时，要使用μ0H。CGSM单位制：在所有与真空磁场有关的公式中都必须使用以奥斯特为单位的磁场强度磁场强度H。真空磁导率μ0为1，H和B0在数值上相等。48磁学的单位制主要磁学量在两种单位制中的单位SICGS单位名称单位符号单位名称单位符号磁场强度H安培/米A/m奥斯特Oe磁感应强度B特斯拉T高斯Gs磁化强度M安培/米A/m高斯Gs磁极化强度J特斯拉T高斯Gs磁极强度qm韦伯Wb电磁单位磁通量Φ韦伯Wb麦克斯韦Mx磁学量符号491.4.0.1.4.0.原子核外电子的排布原子核外电子的排布1.4.1.1.4.1.弱磁性弱磁性①①抗磁性抗磁性②②顺磁性顺磁性③③反铁磁性反铁磁性④④完全反磁性完全反磁性1.4.2.1.4.2.强磁性强磁性1.4物质磁性的起源501.4.2.1.4.2.强磁性强磁性①①铁磁性铁磁性②②亚铁磁性亚铁磁性③③磁有序的成因磁有序的成因i.i.交换相互作用交换相互作用ii.ii.超交换相互作用超交换相互作用④④磁畴与静磁能磁畴与静磁能1.4物质磁性的起源511.4物质磁性的起源物质放入磁场中会表现出不同的磁学特性，称此为物质的磁性。物质显示的磁性可分成如图1-8，1-9所示的几大类：强磁性（铁磁性、亚铁磁性）、弱磁性（顺磁性、反铁磁性）、反磁性。5253•物质的磁性来源于核外电子系统的“轨道磁矩轨道磁矩”和“自旋自旋磁矩磁矩”，综合称之为“原子磁矩原子磁矩”。•一般说来，材料的铁磁性应用较多，随着新磁性材料的开发，反铁磁性金属的重要性日渐显露。另外，磁—光、磁—热相互作用等方面的应用也不