材料物理基础-材料的磁学

材料物理基础宋晔南京理工大学化工学院磁性是物质的基本属性，应用领域很广，如1）电气化：发电用的发电机和动力用的电动机内磁钢2）信息化：磁记录器和磁存储器3）高能加速器和粒子检测器：需要使用强磁场4）原子核和基本粒子的微观物理学研究：产生磁场的装置5）生物学和医学：生物体为弱磁体，各组织和器官的弱磁性有所不同，疾病诊断6）地球科学研究和应用：研究地磁场的起源和演化。7）天文学的研究和航天新技术：目前已知的最强磁场（脉冲星即中子星的磁场高达108-109T）和最低磁场（星系际磁场低到10-13T）均存在于天文学的研究中。南京理工大学化工学院4材料的磁学4.1材料的磁性4.2材料的抗磁性和顺磁性理论4.3材料的铁磁性理论4.4材料的磁性能指标南京理工大学化工学院4材料的磁学引言早在春秋时代的《管子》、战国时代的《吕氏春秋》中就有关于“慈石”和“慈石召铁”的记载。公元前四世纪我国史册就有关于天然磁石(Fe3O4)的记载。公元前三世纪中国使用磁石制成司南，即世界上最早的制南针。国外关于磁性的记载始见于公元前6世纪希腊人台利斯（Thales）的著作。南京理工大学化工学院对磁性现象的深入理解是从丹麦物理学家奥斯特（Oersted）1820年发现电流的磁效应开始的。一根通有I安培(A)直流电的无限长直导线，在距导线轴线r米(m)处产生的磁场强度H为：2IHr在国际单位制中，H的单位为安培/米(A/m)南京理工大学化工学院法国物理学家安培（Ampere）提出“分子电流”是物质磁性起源的假说。1831年英国物理学家法拉第（Faraday）发现电磁感应定律——对磁与电的内在联系有更深入的认识对磁性体本身内在规律的研究始于19世纪末。法国物理学家居里（Curie）发现铁磁性存在的临界温度（居里温度）→指出抗磁性和顺磁性的存在→居里抗磁性定律和居里顺磁性定律南京理工大学化工学院朗之万(Langevin)将经典统计理论应用于具有固定原子磁距的系统→居里定律，对顺磁性作了唯象解释。外斯(Weiss)在朗之万理论基础上→两个假说：分子场假说和磁畴假说→发展成研究物质铁磁性的两大分支。原子具有一定大小磁距的假设在经典物理学中是无法接受的。因为范列温(VanLeeuwen)已经证明：从经典力学出发的统计物理学不可能得出存在平均磁距的结论。原子具有磁距的结论是在量子力学的基础上建立起来的。原子物理学的量子理论证明：过渡元素的原子具有一定大小的固定磁距(既来自电子的轨道运动，也来自电子的自旋。)南京理工大学化工学院关于物质磁性惟一来源于磁矩的观点，统称为《磁矩学说》，或称为《磁偶极矩学说》。他的一个很明确的结论是不存在磁单极。1931年狄拉克从理论上论证了磁单极子存在的可能性。但至今还未曾从实验上发现磁单极子。南京理工大学化工学院磁性现象是带电粒子的量子效应，磁性是一切物质的基本属性之一。磁性是磁性材料的重要物理参数。按照现代科学的观点，所有物质(从微小的微观粒子到宏观物质，以至于宇宙天体)无论其处于什么样的状态(气态、液态、固态)，也无论处于怎样的温度、压力下，都显现某种磁性状态。南京理工大学化工学院磁性材料的研究和制备始于20世纪初。100多年来取得了显著进步：1905年研制出硅钢（Si-Fe合金）1920年坡莫合金（Fe-Ni）1932年铝镍钴永磁合金1935年尖晶石型软磁铁氧体1952年磁铅石型永磁铁氧体1953年矩磁铁氧体（用于计算机）1956年石榴石型稀土铁氧体1966年SmCo5永磁合金1977年Sm2Co17永磁合金1983年Nd2Fe14B永磁化合物近年来在非晶态磁性、薄膜磁性和纳米材料磁性的研究中也取得重要进展。南京理工大学化工学院基本磁性参数磁矩与磁偶极矩(1)回路电流的磁矩电流为i安培的回路电流，其包围的面积为S(m2)，则：μm＝iS，μm方向符合右手定则，单位是A·m2。(2)磁偶极子的磁偶极矩一个磁性强弱能够用无限小的回路电流所表示的小磁体定义为磁偶极子。设磁偶极子每端的磁荷强度为P(Wb)，两极间距为l(cm)，磁偶极矩为:jm=Pl单位为Wb·mjm=μ0μmμ0为真空磁导率，μ0＝4π·10-7亨利／米(H／m)南京理工大学化工学院磁化强度与磁极化强度单位体积物质内所具有的磁矩矢量和称为磁化强度M，单位体积物质内所具有的磁偶极矩矢量和称为磁极化强度J，它们都是描述宏观物质磁性强弱的物理量。A/mmMV2Wb/mmjJV0JM南京理工大学化工学院磁场与磁场强度磁场是导体中的电流或永磁体在其周围所产生的作用，稳恒电流产生的磁场与永磁体周围的磁场为直流磁场，交变电流产生的磁场为交流磁场。磁场强度H是描述磁极周围空间或电流周围空间任一点磁场作用大小的物理量，单位是(A／m)2IHr载流直导线外任意点的磁场强度H南京理工大学化工学院长载流螺线管中心线上任意点P的磁场强度H式中，n是单位长度上线圈的匝数。无限长螺线管的中心部的磁场强度：12(coscos)2nIHHnI南京理工大学化工学院磁感应强度磁感应强度B是指物质内单位面积中通过的磁力线数，是描述磁极周围任一点磁场力大小或磁极周围磁场效应的物理量。0000()mBHMHMHJB的单位是特斯拉(Tesla)(T)或韦伯/米2(Wb／m2)南京理工大学化工学院磁化率与磁导率磁化率χ是指单位磁场强度H在单位磁体中所感生出的磁化强度M大小的物理量。它是表明物质被磁化能力的大小和性质的物理量。MH这里χ是体积磁化率，无量纲单位。χ大，物质容易被磁化，χ小物质难被磁化。正、负值反应材料的磁性类别。南京理工大学化工学院磁导率μ是指单位磁场强度H在物质中所感生出的磁感应强度B大小的物理量。00()(1)(H/m)HMBHH定义相对磁导率：无量纲单位。1r绝对磁导率：0r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，材料内部的磁通量密度。南京理工大学化工学院材料磁性的微观机理通常把线度小至原子的小磁体称为磁偶极子，它可等效为环绕电路流动的电荷。诸如：电子绕原子核的运动、电子的自旋以及旋转的带正电的原子核，都是磁偶极子。jm=μ0μm磁偶极矩和磁距的关系南京理工大学化工学院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每个电子本身作自旋运动，产生一个沿自旋轴方向的自旋磁距，它比轨道磁矩大得多物质由原子组成，在原子系统中，原子核和电子分别是带正电荷与负电荷的带电粒子，它们的运动将产生磁距。但原子核的磁距很小，仅为电子磁距的1／1836.5，可忽略。所以原子的磁矩主要由电子运动产生。产生磁矩的原因有：南京理工大学化工学院按照量子力学理论，轨道电子的运动状态应以波函数表示，其中n,l,m,s是表征状态的四个量子数。,,,()nlmsr空间量子数自旋量子数空间量子数的物理意义：1）n=1,2,3,…,称为主量子数，决定电子的能量。对于氢原子，电子能量为4222nmeEn2h(1)lPll2）l=0,1,2,…,n-1，称为轨道角动量量子数（轨道量子数），决定轨道角动量的绝对值：南京理工大学化工学院3）m=0,±1,±2,…,±l，称为磁量子数。决定电子的轨道角动量Pl在空间任意指定方向（如外磁场方向H）的投影值()lHPm电子的轨道角动量在空间的取向是量子化的玻尔磁子，是磁距或磁偶极距的基本单位2Beem1934242311.6021106.62561019.27310(Am)29.1095341023.1416B电子的轨道磁矩为：(1)2leellm南京理工大学化工学院电子的自旋磁距：电子不仅绕核做轨道运动，而且自旋运动，电子自旋角动量由自旋量子数s决定的，自旋角动量的绝对值是：(1)sPss实验证明电子具有自旋磁距：斯特恩和盖拉赫所做的使原子束在不均匀磁场中偏转的实验。实验表明：与自旋角动量相联系的自旋磁矩在外磁场方向上的投影刚好等于一个玻尔磁子。南京理工大学化工学院原子是否具有磁矩，取决于其电子壳层结构。若有未被填满的电子壳层，其电子的自旋磁矩未被完全抵消(方向相反的磁矩可互相抵消)，则原子就具有永久磁矩。例如铁原子的电子层分布：1s22s22p63s23p63d64s2，除3d壳层外各层均被电子填满(其自旋磁矩相互抵消)而根据洪特规则，3d壳层的电子应尽可能填充不同的轨道，其自旋应尽量在同一个平行方向上。因此3d壳层的5个轨道中除了1个轨道填有2个自旋相反的电子外，其余4个轨道均只有1个电子，且这4个电子的自旋方向互相平行，使总的电子自旋磁矩为4μB。南京理工大学化工学院而诸如锌等某些元素，具有各壳层都充满电子的原子结构，其电子磁矩互相抵消，因此不显磁性。元素周期表南京理工大学化工学院材料磁性的分类抗磁性(Diamagnetism)：磁化强度M成为很小的负值，相对磁导率比1略小一点，磁化率χ0(│χ│~10-5数量级)。典型抗磁性物质的磁化率χ不随温度而变。大部分的绝缘体和一部分简单金属材料的磁性取决于材料中原子和电子磁矩对外加磁场的响应，具体可分为抗磁性、顺磁性、反铁磁性、铁磁性和亚铁磁性，常用的磁性材料是强磁性的。弱磁性强磁性南京理工大学化工学院顺磁性（Paramagnetism）磁化率χ0，│χ│很小，10-5~10-2数量级。多数顺磁性物质的磁化率χ随温度升高而下降。它与温度T成反比关系，遵从居里定律。大部分金属1/T南京理工大学化工学院铁磁性(Ferromagnetism)特点:（1）χ0，且数值很大，10-1~106数量级（2）χ不但随T和H而变化，而且与磁化历史有关（3）存在磁性变化的临界温度（居里温度）。当温度低于居里温度时，呈铁磁性；当温度高于居里温度时，呈顺磁性。南京理工大学化工学院反铁磁性(antiferromagnetism)χ0，10-5~10-3数量级，有些类似顺磁性。与顺磁性的最主要区别：在χ-T曲线上χ出现极大值。极大值所对应的温度为一临界温度（奈尔温度），当T低于奈尔温度时，为反铁磁性的磁有序结构（晶格中近邻离子磁距反平行）；当T高于奈尔温度时，变为顺磁性。南京理工大学化工学院亚铁磁性(ferrimagnetism)其宏观磁性与铁磁性相同，只是磁化率χ的数量级稍低一些，100~103数量级。其内部磁结构却与反铁磁性的相同，但相反排列的磁距不等量。所以，亚铁磁性是未抵消的反铁磁性结构的铁磁性。磁化曲线南京理工大学化工学院材料磁性的热力学关系磁性材料在磁场作用下构成一个热力学系统,对于可逆状态变化过程，根据热力学第一定律的微分形式和热力学第二定律dEdQdAdQdST有dETdSdA而0dAHdMPdV磁化功机械功南京理工大学化工学院磁性体的热力学关系式为0dETdSHdMPdV若不考虑磁性材料的体积变化时，上式可写为00MTEETdSdEHdMdTdMHdMTM亦即011MTEEdSdTHdMTTTM南京理工大学化工学院由此可得：011MMTTSETTTSEHMTM将以上两式分别对M和T做偏微商002111SEMTTMTSEHEHTMTTMTTM南京理工大学化工学院SSMTTM利用，可得：0TMEHHTMT最后得到：0MMEHTdSdTTdMTT这是磁性材料磁化效应的热力学基本方程。南京理工大学化工学院材