第三章磁性能

1第三章磁性能3.1磁性基本概念与表征参量磁化：物质在磁场中，由于受磁场作用而呈现一定磁性的现象；磁介质：能被磁化的物质；磁化后使外磁场减弱的物质，抗磁质：Cu、Ag、Au、Zn磁化后使外磁场略有增强的物质，顺磁质：Pt、Pd、奥氏体不锈钢、碱金属、Al磁化后使外磁场急剧增强的物质，铁磁质：Fe、Ni、Co、（Gd）表征参量：H：磁场强度M：磁化强度，单位体积内的磁矩；M=χmHχm为磁化率（系数）B：磁感应强度，通过磁场中某点、垂直于磁场方向单位面积的磁力线数，反应外加磁场H和磁介质磁化后M的综合作用效应；B=μ0（H+M）=μ0（1+χm）H=μ0μrH=μHμ0：真空磁导率μr：相对磁导率μ：绝对（真实）磁导率VmM/2磁介质的分类与特征：1．抗磁体：磁化率χm0，大约在10-6数量级。它们在磁场中受微弱斥力。根据χm与温度的关系，抗磁体又可分为：①“经典”抗磁体，它的χm不随温度变化，如铜、银、金、汞、锌等。②反常抗磁体，它的χm随温度变化，且其大小是前者的10~100倍,如铋、镓、锑、锡、铟等。2．顺磁体：磁化率χm0，约为10-6~10-3。它在磁场中受微弱吸力。根据χm与温度的关系，可分为：①正常顺磁体，其χm随温度变化符合χm∝1/T关系。金属铂、钯、奥氏体不锈钢、稀土金属等；②χm与温度无关的顺磁体，例如锂、钠、钾、铷等金属（反常顺磁体）。33、铁磁体：在较弱的磁场作用下，就能产生很大的磁化强度。χm是很大的正数，且与外磁场呈非线性关系变化。具体金属有铁、钴、镍等。铁磁体在温度高于某临界温度后变成顺磁体。此临界温度称为居里温度或居里点，常用Tc表示。4．亚铁磁体：与铁磁体类似，但χm值没有铁磁体那样大：如磁铁矿(Fe3O4)、铁氧体等属于亚铁磁体。5．反铁磁体：χm是小的正数，在温度低于某温度时，它的磁化率同磁场的取向有关；高于这个温度（TN：尼尔点），其行为象顺磁体。具体材料有α-Mn、铬，还有如氧化镍、氧化锰等。45磁介质的磁化过程实质上是内部原子磁矩的取向过程，原子磁矩包括电子轨道磁矩、电子自旋磁矩、原子核磁矩；电子的循轨运动（公转）可以看成是一个闭合的环形电流，由此产生的磁矩称为轨道磁矩，垂直于电子运动的轨道平面；在外加磁场上的分量为：mez=mlμB（ml=0、+1、+2、…+l）电子绕自身的轴旋转，产生一个自旋磁矩，其方向平行于自旋轴；在外加磁场上的分量为：msz=+μB原子核磁矩约为电子磁矩的1/2000，可忽略；电子轨道磁矩与电子自旋磁矩之和构成原子的固有磁矩：原子本征磁矩如原子中所有电子壳层都是填满的，由于形成一个球形对称的集体，则电子轨道磁矩和自旋磁矩各自相抵消，此时原子本征磁矩m＝06抗磁性及产生原因：金属被磁化后，磁化矢量与外加磁场的方向相反，原因在于电子的循轨运动受外加磁场作用产生的抗磁矩（与外加磁场方向相反），故抗磁不是自由电子的轨道磁矩和自旋磁矩本身所产生，而是在外加磁场作用下电子的绕核运动所产生的附加磁矩所产生的任何金属在磁场作用下都要产生抗磁性；抗磁金属的磁化率很小，约为10-5~10-6数量级，并且与磁场强弱和温度无关。7顺磁性及产生原因：主要来源于原子(离子)的固有磁矩，在没有外加磁场时，原子的固有磁矩呈无序状态分布，在宏观上并不呈现出磁性；若施加一定的外磁场时，由于磁矩与磁场相互作用，磁矩具有较高的静磁能。所谓静磁能是指原子磁矩与外加磁场的相互作用能用EH表示，其大小等于：为了降低静磁能，磁矩改变与磁场之间的夹角(变小），于是便产生了磁化；随着磁场的增强，磁矩的矢量和在磁场方向上的投影不断地增大，磁化不断地增强。在常温下，要使原子磁矩转向磁场方向，除了要克服磁矩间相互作用所产生的无序倾向之外，还必须克服由原子热运动所造成的严重干扰，故顺磁磁化困难。8自由电子在磁场的作用下同时产生抗磁矩和顺磁矩，不过它所产生的抗磁矩远小于顺磁矩，故自由电子的主要贡献是顺磁性；产生顺磁性的（必要）条件：A：具有奇数个电子的原子或点阵缺陷；B：内壳层未被填满的原子或离子：过渡族元素、稀土金属9根据金属离子核外电子层结构不同，分为以下两类：1）电子壳层已全部被填满，即固有磁矩为零。在外加磁场的作用下由核外电子的循轨运动产生抗磁矩，抗磁矩的强弱取决于核外电子的数量。如果离子部分总的抗磁矩大于自由电子的顺磁矩，则金属为抗磁金属，如铜、金和银等。锑、铋和铅等金属也属于这种情况，所不同的是它们的自由电子向共价键过渡，因而呈现出异常大的抗磁性。非金属中除了氧和石墨外，都属于抗磁体并且它们的磁化率与惰性气体相近。以Si、S、P以及许多有机化合物为例，它们基本上以共价键结合，由于共价电子对的磁矩相互抵消，因而这些物质均成为抗磁体。碱金属和碱土金属（除Be外），它们的离子也是填满的电子结构，但它们的自由电子所产生的顺磁性大于离子部分的抗磁性，呈现顺磁性，如铝、镁、锂、钠和钾等。102）离子有未被填满的电子层，即离子具有较强的固有磁矩。在外磁场的作用下，这些固有磁矩所产生的顺磁矩远大于核外电子循轨运动所产生的抗磁矩。具有这种离子的金属都有较强的顺磁性，它们属于强顺磁性金属。如3d—金属中钒等；4d—金属中的铌、锆、钼5d—金属中的铪、钽、钨和铂等从元素周期表来看：每一周期前面的元素都是顺磁的，后面一些元素多为抗磁的；过渡族元素除Fe、Ni、Co（Gd）外，几乎都具有较强的顺磁性。113.2抗磁、顺磁的影响因素1、温度随温度升高，原子热运动加剧，原子磁矩无序度增加，磁矩趋向一致困难，使顺磁磁化过程困难，降低顺磁磁化率；（锂、钠、钾、铷等金属，顺磁性由价电子产生，χm与温度无关：异常）对一般顺磁质，其磁化率随温度的变化服从居里定律：χm=C/T强顺磁金属，如铁磁性金属成顺磁态，则磁化率随温度变化遵循居里—外斯定律：χm=C/（T-θ）反铁磁性物质各有一个特定的温度TN（尼尔点）：当TTN时：随温度升高，磁化率下降；当TTN时：随温度升高，磁化率升高12原子或离子的抗磁磁化率与温度无关，或者随温度变化发生微弱的改变。但当金属熔化、凝固以及发生同素异构转变时，抗磁磁化率将发生突变。132、同素异构转变：由于晶格类型及原子间距发生变化，从而影响电子运动状态，导致磁导率的变化；白锡（正方结构）是很弱的顺磁体，不但在熔化时转变为抗磁体，而且在低温发生同素异构转变，成为灰锡（金刚石结构）的同时也成为抗磁体。这是因为原子间距变化引起自由电子减少和结合电子增多，从而导致金属性的损失，顺磁性下降、抗磁性增加。14α-Fe在A2点(居里点：768℃)以上变为顺磁状态，在910℃和1410℃发生α--γ和γ--δ转变时顺磁磁化率发生突变：γ-Fe的磁化率比顺磁的α-Fe和δ-Fe的都低，且γ-Fe的磁化率几乎与温度无关，而α-Fe和δ-Fe的磁化率在温度升高时急剧下降，且δ-Fe和的磁化率曲线处于α-Fe的延长线上（点阵结构的相同性）。153、加工硬化：范性形变使铜和锌的抗磁性减小，经高度加工硬化后的铜变为顺磁体，但退火可以返回其抗磁性质。一般认为这是因为加工硬化时原子间距增大、密度减小所引起抗磁性减弱。4、晶粒细化可以使Bi，Sb，Sc，Te的抗磁性降低，而Se和Te在高度细化时甚至成为顺磁体。显然，无论是加工硬化还是晶粒细化都引起点阵畸变从而影响磁化率，它们影响的趋势和熔化一样使抗磁性降低。165、合金化的影响：合金化对抗磁或顺磁磁化率的影响比较复杂当Cu，Ag，Al，Au等低磁化率金属形成固溶体时。其磁化率以平滑的曲线随成分变化，但不成直线，表明形成固溶体时结合键发生了变化。如果将强顺磁的过渡族金属(如Pd)溶入抗磁金属Cu，Ag，Au中，固溶体磁性发生复杂变化：在30％Pd以下使合金〔固溶体)抗磁性增强，只有在Pd的浓度更高时，磁化率才变为正值并急剧上升到Pd所固有的高顺磁值。外推开始曲线到100％Pd表明，进入固溶体的Pd在30％以下是抗磁性的；这是由于d—电子壳层被自由电子所填满，离子的固有磁矩降低至零，抗磁性增大；超过30%后，由于Pd的顺磁性离子增多，抗磁性减弱。Pd的同族元素Ni和Pt溶入Cu中也使自己的磁化率减小，但保持微弱的顺磁性。Cr和Mn与Pd有显著的不同，它们溶入Cu中使固溶体的磁化率急剧地增高，以致于它们在固溶体中的顺磁性大于其本身处于纯金属状态的顺磁性，Mn的固溶体的顺磁磁化率甚至大于纯锰。17在低价的抗磁金属中加入铁磁金属(Fe，Co，Ni)时，合金的磁化率急剧增高，甚至低浓度的固溶体就能转变为顺磁体，这种顺磁体的磁化率将随温度升高而降低。18合金固溶体有序化时：由于溶质、溶剂原子间呈现有规则的交替排列，使原子间的结合力随之改变，导致原子间距发生变化，从而磁性发生变化（CuAu抗磁性减弱，Cu3Au、Cu3Pd、Cu3Pt抗磁性增强)合金形成中间相和化合物相：由于生成了共价键和化学键，从而影响自由电子的顺磁性，使其出现抗磁特征（出现极值）；193.3抗磁、顺磁测量与应用一、测量方法：磁秤法（磁天平法，P371）试样2放置在磁极的间隙中，由于磁场是不均匀的，当试样被磁化之后将沿着x方向受到一个作用力F，如为顺磁，则F向下，抗磁则向上。F的大小取决于磁性的强弱：试样置于天平的一端，而另一端则悬挂着一个铁芯，铁芯置于线圈中。测量时，调整线圈通过的电流使其产生对铁芯的吸力与F相等，即达到平衡状态。通过电流值的大小确定出F，便可求得磁化率。20二、应用测定Al—Cu的固溶度曲线由于铜是抗磁性金属，它所产生的抗磁矩部分地抵消了铝所产生的顺磁矩。形成CuAl2时，每一个铜原子影响两个铝原子，因此随着CuAl2相数量的增多合金的磁化率曲线降低得比较缓慢。不同成分的合金经不同温度淬火后，凡是与bm平行的线段，均对应于两相混合物组织。213.4铁磁性铁磁质具有很高的磁导率、磁滞现象和特定的居里温度，同时还具有磁晶各向异性和磁致伸缩效应、形状各向异性一、磁化曲线与磁滞回线μa：起始磁导率μm：最大磁导率Hc：矫顽力Mr、Br：剩磁磁能积：磁滞损耗Q：磁滞回线所包围的面积表征磁化一周时所消耗的功22二、磁晶各向异性及各向异性能磁晶各向异性：沿铁磁晶体（单晶体）的各个晶向磁化的难易程度不同；磁晶各向异性能：由于磁晶各向异性所引起的附加自由能△F（等于磁化功）；对称性越差、各向异性常数较大。23三、形状各向异性与退磁能铁磁体的磁化强度与铁磁体的几何形状有关，棒状试样磁化强度低于环状试样磁化强度；原因：棒状试样磁化后在其两端产生了磁极，该磁极除了在棒状试样的周围产生了磁场，在试样内部产生一个由N---S的磁场Hd，与试样磁化强度的方向相反，减弱了外磁场对试样的磁化作用，退磁场；Hd=（-NM）N：退磁因子，与铁磁体的形状、尺寸有关；圆棒越粗短、退磁因子越大，退磁作用越强，样品越难磁化；退磁场与铁磁体的相互作用能成为退磁能：Ed=1/2NM22425四、磁致伸缩与磁弹性能铁磁体在磁场中磁化，其形状和尺寸都会发生变化(伸长或缩短），这种现象称为磁致伸缩；λ＞0时，表示沿磁场方向的尺寸伸长，称为正磁致伸缩；Feλ＜0时，表示沿磁场方向的尺寸缩短，称为负磁致伸缩;Ni/Co。磁致伸缩效应是由于原子磁矩有序排列时，电子间的相互作用导致原子间距的自发调整而引起；随着外磁场的增强，铁磁体的磁化强度增强，这时随之增大，当H=Hs时，磁化强度达到饱和，M=Ms（饱和磁化强度）λ=λs（饱和磁致伸缩系数）磁弹性能：材料磁化过程中由于磁致伸缩受到约束，材料内部产生应力，因而存在弹性能00lll00lll00lll00lll00lll26273.5自发磁化与技术磁化理论一、自发磁化及铁磁性判据自发磁化：在未加外磁场时，铁磁金属内部的自旋磁矩已经自发地排向了同一方向；1、磁畴：指在未加磁场时铁磁金属内部自发磁化到磁饱和态的微小区域；（体积：10-15m3；宽度：10-5~10-6m）畴壁：相邻磁畴间的界面，宽约10-7m形成磁畴时引起磁畴尺寸的伸长或缩短的现象，自发磁致伸缩；282930磁畴的形