磁性材料

磁性材料1.磁性和磁性材料的研究历史公元前2500年我国已有磁性指南——司南的记载，其开创了人类对磁学和磁性材料研究的先河；以磁科学进行研究的创始者当数吉尔伯特，后经安培、奥斯特、法拉第等人开创性的发现和发明，初步奠定了磁学科学的基础。从1900年到1930年，先后确立了金属电子论、顺磁性理论、分子磁场、磁畴概念、X射线衍射分析、原子磁矩、电子自旋、波动力学、铁磁性体理论金属电子量子论、电子显微镜等相关的的理论。从而形成了完整的磁学科学体系。在此后的20~30年间，出现了种类繁多的磁性材料。从1902年P.塞曼和H.A.洛伦兹获得诺贝尔奖，到1998年华裔的崔琦先生获诺贝尔物理学奖，至少有24次诺贝尔奖得主在磁学领域作出了杰出的贡献；我国的磁学前辈当数叶企孙（1924年从美国哈佛大学获博士学位回国，1952年院系调整，他离开清华大学到北京大学物理系任教授。北京大学磁学教研室成立后，他担任室主任，为新中国磁学研究队伍的组织和培养做出了重要贡献。）、施汝为院士（1931年在国内发表了第一篇磁学研究论文），现我国已有十余所高校、十几个研究所及几百个生产企业从事磁学研究、教学和生产。磁性和磁性材料的研究历史(1)加强磁性材料的基础研究和应用基础研究.(2)改造和完善现有的磁性材料,提高其磁性能,优化制备工艺,降低生产成本.(3)发展新型的磁性材料,特别是纳米磁性材料纳米磁性材料是纳米材料中最早进入工业化生产的功能材料,应用广泛,性能优异,特别是在信息存储、处理与传输中占据重要地位,其基础研究和应用开发正方兴未艾.(4)加强研究、生产、应用三方面的结合,不断开拓磁性材料新的应用领域并促使其发展.磁性材料的研究和发展将主要集中在以下几个方面:2.磁性材料分类按块体磁化率来划分:抗磁性材料顺磁性材料强磁性材料(铁磁性、亚铁磁性)(铁氧体材料、金属磁性材料)按功能分:软磁材料永磁材料压磁材料指磁化时能在磁场方向作机械伸长、缩短的材料。旋磁材料铁磁材料的共性，在甚高频乃至微波频率下才明显表现出来磁光材料材料在外加磁场作用下呈现光学各向异性使通过材料的光波偏振性质发生改变称为磁光效应AImunDefinitionofamagneticdipolemoment.3.磁学基础概念Amagneticdipolemomentinanexternalfieldexperiencesatorque.BAIBm磁学基础Amagneticdipolemomentputsoutamagneticfieldjustlikebarmagnet.ThefieldBdependsonµm.BrOPµmNSµm磁学基础Anorbittingelectronisequivalenttoamagneticdipolemomentorb.IA-eLrorb磁学基础Thespinmagneticmomentprecessesaboutanexternalmagneticfieldalongzandhasanaveragevalueofzalongz.zµspinBzSz磁学基础(a)Consideralongsolenoid.Withfreespaceasmediuminside,themagneticfieldisBo.(b)AmaterialmediuminsertedintothesolenoiddevelopsamagnetizationM.IIA(b)BIIBo(a)M磁学基础SurfacecurrentsSurfacecurrentsElementarycurrentloopsresultinsurfacecurrents.Thereisnointernalcurrentasadjacentcurrentsonneighboringloopsareinoppositedirections磁学基础ThefieldBinthematerialinsidethesolenoidisduetotheconductioncurrentIthroughthewiresandthemagnetizationcurrentImonthesurfaceofthemagnetizedmedium,orB=Bo+oM.IImBMI磁学基础SN永磁体F强烈吸引的物质：铁磁性（包括亚铁磁性）轻微吸引的物质：顺磁性，反铁磁性（弱磁性）轻微排斥的物质：反磁性强烈排斥的物质：完全反磁性（超导体）按物质对磁场的反应对其进行分类4.按磁化率分类在磁质中截取任一体积元，模拟它在没有外磁场作用时，分子的无规则热运动：由于分子的无规则热运动,分子的固有磁矩取向杂乱无章，宏观上不显磁性。接通电源，螺绕环的内的磁介质出现一恒定外磁场。磁介质分子的固有磁矩Pm在外磁场中受力矩M=Pm×B的作用而转向外磁场方向，使各分子的固有磁矩在一定程度上沿外磁场方向排列。磁介质内部任一处相邻的分子电流都是成对反向相互抵消的，结果就形成沿横截面边缘的圆电流I´使磁介质内的磁场加强了。这便是产生顺磁效应的机理。5.顺磁质顺磁质顺磁质分子的固有磁矩Pm不为零。在外磁场中，除外磁场引起的分子附加磁矩外，还有分子磁矩的转向排列效应。由于分子附加磁矩只及分子磁矩的10-5，转向排列效应将起主要作用，因此顺磁质磁化引起的附加磁矩的方向总是和外磁场相同。由转向排列引起的束缚电流I´所激起的附加磁场因与外磁场同向而产生了顺磁效应。µav=0andM=0oHMµav0andM=mH(b)(a)(a)InaparamagneticmaterialeachindividualatompossessesapermanentmagneticmomentbutduetothermalagitationthereisnoaveragemomentperatomandM=0.(b)Inthepresenceofanappliedfield,individualmagneticmomentstakealignmentsalongtheappliedfieldandMisfiniteandalongB.顺磁质LiquidoxygenStrongmagnetDewarNSAparamagneticmaterialplacedinanon-uniformmagneticfieldexperiencesaforcetowardsgreaterfields.Thisattractstheparamagneticmaterial(e.g.liquidoxygen)towardsapermanentmagnet.顺磁质6.抗磁质物质的抗磁性是一些物质的原子中电子磁矩互相抵消，合磁矩为零。但是当受到外加磁场作用时，电子轨道运动会发生变化，而且在与外加磁场的相反方向产生很小的合磁矩。这样表示物质磁性的磁化率便成为很小的负数(量)。磁化率是物质在外加磁场作用下的合磁矩(称为磁化强度)与磁场强度之比值，符号为κ。抗磁性产生的原因抗磁效应的机理:假设电子以角速度ωo绕原子核作半径为r圆周运动，由库仑定律和牛顿定律得其中:Z--原子序数，Ze--原子核的电荷量，-e--电子的电荷量，m--电子质量。解得加上外磁场B，电子受洛仑兹力F假设电子的轨道和外磁场垂直，F=-ev×B其中v为电子的速度。抗磁质抗磁质总之，△ω方向和外磁场方向总是相同。抗磁质MInamagnetizedregionofaferromagneticmaterialsuchasironallthemagneticmomentsarespontaneouslyalignedinthesamedirectionThereisastrongmagnetizationvectorMevenintheabsenceofanappliedfield.7.强磁质M=0InthisantiferromagneticBCCcrystal(Cr)themagneticmomentofthecenteratomiscancelledbythemagneticmomentsofthecorneratoms(aneighthofthecorneratombelongstotheunitcell).强磁质P315ABMIllustrationofmagneticorderinginaferrimagneticcrystal.AllA­atomshavetheirspinsalignedinonedirectionandallB­atomshavetheirspinsalignedintheoppositedirection.AsthemagneticmomentofanA­atomisgreaterthanthatofaB­atom,thereisnetmagnetization,M,inthecrystal.强磁质P3168.磁畴与磁滞回线磁畴(MagneticDomain)理论是用量子理论从微观上说明铁磁质的磁化机理。所谓磁畴，是指磁性材料内部的一个个小区域，每个区域内部包含大量原子，这些原子的磁矩都象一个个小磁铁那样整齐排列，但相邻的不同区域之间原子磁矩排列的方向不同，如图所示。各个磁畴之间的交界面称为磁畴壁。Schematicillustrationofmagneticdomainsinthegrainsofanumagnetizedpolycrystallineironsample.Verysmallgrainshavesingledomains.AgrainwithdomainsSmallgrainwithasingledomain磁畴与磁滞回线MsatMOabcdefMrHe-Hc-x-H+xH当铁磁质处于外磁场中时，那些自发磁化方向和外磁场方向成小角度的磁畴其体积随着外加磁场的增大而扩大并使磁畴的磁化方向进一步转向外磁场方向。另一些自发磁化方向和外磁场方向成大角度的磁畴其体积则逐渐缩小，这时铁磁质对外呈现宏观磁性。当外磁场增大时，上述效应相应增大，直到所有磁畴都沿外磁场排列达到饱和。磁畴与磁滞回线HaReversibleboundarymotionHbIrreversibleboundarymotionHcRotationofMMHMdSaturationofMMvs.Hbehaviorofapreviouslyunmagnetizedpolycrystallineironspecimen.AnexamplegrainintheunmagnetizedspecimenisthatatO.(a)Underverysmallfieldsthedomainboundarymotionisreversible.(b)Theboundarymotionsareirreversibleandoccurinsuddenjerks.(c)Nearlyallthegrainsaresingledomainswithsaturationmagnetizationsintheeasydirections.(d)Magnetizationsinindividualgrainshavetoberotatedtoalignwiththefield,H.(e)Whenthefieldisremovedthespecimenreturnsalongdtoe.(f)TodemagnetizethespecimenwehavetoapplyamagnetizingfieldofHcinthereversedirection.磁畴与磁滞回线(a)AtypicalMvs.Hhysterisiscurve(b)ThecorrespondingBvs.Hhyterisiscurve.Theshadedareainsidethehyterisisloopistheenergylossperunitvolumepercycle.BsatBdBrg-H-B-Bsat-Br(b)HMsatMOdMrefghH-H-M-Msat-Mr-HcH