磁性材料-第1章-物质磁性概述

第一章磁性概述第一节基本磁学量第二节磁性材料分类第三节强磁材料的宏观磁性第一节基本磁学量BasicPhysicalQuantityofMagnetism一、磁矩m(MagneticMoment)永磁体总是同时出现偶数个磁极当磁体无限小时，体系定义为元磁偶极子：指强度相等，极性相反并且其距离无限接近的一对“磁荷”磁偶极矩：方向：-m指向+m单位：Wb∙m+m-mlmjml安培提出了磁偶极子与电流回路元在磁性上的相当性原理，并根据它认为宏观物质的磁性起源于“分子电流”假说，磁矩：单位：A∙m2071410mmojHm－miA二者的物理意义：表征磁偶极子磁性强弱与方向单位体积的磁体内,所有磁偶极子的jm或磁矩μm的矢量和，分别为：磁极化强度：21()nmiimjJWbmV磁化强度：1)nmii=1M=(AmV0mJM二、磁化强度M（Magnetization）说明：描述宏观磁体磁性强弱程度的物理量1、磁场强度H(magneticintensity)：(静磁学定义)为单位点磁荷在该处所受的磁场力的大小，方向与正磁荷在该处所受磁场力方向一致。123014,,mmFHFkrkmr其中三、磁场强度H与磁感应强度B物理意义：均为描述空间任意一点的磁场参量（矢量）计算磁偶极子产生的磁场强度：2204rrrHdrFmdrkdrmrkmmrrHHrH1H2H1r2rr-m+ml12coslrr22coslrr磁位势：12010222220022300444414144.coscoscoscosmmmmrrmlmllrrrjjrrr22003300coscos1442cossin1144mmrmmrHjjeerrrrjjeerr30302cos14sin14mrmjHrjHrH沿r方向及使θ角增加方向的分量计算：303021041904,H,HomromjHrjHr：在从－m到＋m的位移矢量延长线上：在l的中垂面上实际应用中，往往用电流产生磁场，并规定H的单位在SI制中：用1A的电流通过直导线，在距离导线r=1/2π米处，磁场强度即为1A/m。常见的几种电流产生磁场的形式为：（1）、无限长载流直导线：方向是切于与导线垂直的且以导线为轴的圆周rIH2（2）、直流环形线圈圆心：r为环形圆圈半径，方向由右手螺旋法则确定。rIH2（3）、无限长直流螺线管：n：单位长度的线圈匝数，方向沿螺线管的轴线方向nIH2、磁感应强度B(magneticfluxdensity):预备知识：SI(MKSA)单位制和Gauss(CGS)单位制A、SI单位制：主要磁学量都用电流的磁效应来定义，其中磁感应强度B为主导量（凡涉及到与其他物理量的相互作用，都必须使用B）dFIdlB磁感应强度B的定义可由安培公式得出：根据安培环路定理可定义磁场强度H：0BHMH为导出量，仅用于计算传导电流所产生的磁场，不能代表磁场强度与外界发生作用B、Guass单位制（绝对电磁单位制）：早年使用的单位制，所有的磁学量都是通过磁偶极子的概念建立起来的其中磁化强度M被定义为：()iiMml单位：Guass磁场强度H被定义为：FHm单位：Oe引入磁感应强度B，使之满足如下关系：4BHM在Guass单位制中，M和H都有明确的物理意义，是基本物理量，而B只是一个导出量磁体置于外磁场中磁化强度M将发生变化（磁化）HMHM，其中称为磁体的磁化率(susceptibility)，是单位磁场强度H在磁体内感生的M，表征磁体磁化难易程度的物理量HHHBM)HB0001)((令：磁导率(permeability)=（1＋)=B/0H（相对磁导率，表征磁体磁性、导磁性及磁化难易程度）四、磁化率与磁导率磁导率的不同表达形式（不同磁化条件）：（1）起始磁导率i：磁中性状态下磁导率的极限值001iHBlimH弱磁场下使用的磁体（2）最大磁导率max：材料磁化过程中的最大值01maxmaxBH（3）复数磁导率：磁体在交变磁场中磁化'i动态磁化中经常遇到（4）增量磁导率Δ：在稳恒磁场H0作用下，叠加一个较小的交变磁场01BH交变磁感应强度的峰值交变磁场强度的峰值（5）可逆磁导率rev：交变磁场趋于0时，Δ的极限值lim0Hrev（6）微分磁导率diff：起始磁化曲线上任意一点的斜率01diffdBdHNOTE：所有磁导率都是磁场强度H的函数第二节物质按磁性分类ClassificationofMagneticMaterials为了方便研究物质磁性的起因，我们可以按其在磁场中的表现把物质进行分类，例如依据磁化率的正负、大小及其与温度的关系来进行分类，分类是否科学取决于是否反映了内在磁性机理上的不同。随着研究的深入，分类也在不断完善和细化，到上个世纪70年代为止，在晶状固体里，共发现了五种主要类型的磁结构物质，它们的形成机理和宏观特征各不相同，对它们的成功解释形成了今天的磁性物理学核心内容。上世纪70年代以后，随着非晶材料和纳米材料的兴起，又发现了一些新的磁性类型，对它们的研究尚在深化之中。一.物质磁性的分类这是19世纪后半叶就已经发现并研究的一类弱磁性。它的最基本特征是磁化率为负值且绝对值很小，0，1显示抗磁质在外磁场中产生的磁化强度和磁场反向，在不均匀的磁场中被推向磁场减小的方向，所以又称逆磁性。典型抗磁性物质的磁化率是常数，不随温度、磁场而变化。有少数的反常。深入研究发现，典型抗磁性是轨道电子在外磁场中受到电磁作用而产生的，因而所有物质都具有的一定的抗磁性，但只是在构成原子（离子）或分子的磁距为零，不存在其它磁性的物质中，才会在外磁场中显示出这种抗磁性。在外场中显示抗磁性的物质称作抗磁性物质。除了轨道电子的抗磁性外，传导电子也具有一定的抗磁性，并造成反常。1.抗磁性（Diamagnetism)自然界中很多物质都是抗磁性物质：周期表中三分之一的元素、绝大多数的有机材料和生物材料都是抗磁性物质。包括：稀有气体：He,Ne.Ar,Kr,Xe多数非金属和少数金属：Si,Ge,S,P,Cu,Ag,Au,不含过渡族元素的离子晶体：NaCl,KBr,不含过渡族元素的共价键化合物：H2,CO2,CH4等几乎所有的有机化合物和生物组织：水；反常抗磁性物质：Bi,Ga,Zn,Pb,磁化率与磁场、温度有关。广义地说，超导体也是一种抗磁性物质，=-1，它的机理完全不同，不在我们讨论之内。-1.9-7.2-19.4-28.0-43见姜书p25CGS单位制克分子磁化率它们的电子壳层都是满壳层，所以原子磁矩为零。在CGS单位制下，抗磁磁化率的典型值是10-6cm3·mol-1。统一换成体积磁化率的数值，量级是10-6。换成SI单位制下应乘以4π，量级在10-5。Kittel书数据（2002）ρn0.20540.0971.5120.180.431.7739.950.853.0983.801.033.78131.31.24密度原子量体积磁化率×10-6见冯索夫斯基《现代磁学》(1953)p74一些抗磁性金属在20℃时的克分子磁化率（CGS单位）：6(10)6(10)这是19世纪后半叶就已经发现并研究的另一类弱磁性。它的最基本特征是磁化率为正值且数值很小，01。顺磁性物质的磁化率是温度的函数，服从居里定律或居里-外斯（Curie-Waiss)定律。CT=ppCCTTTT或：C称作居里常数，Tp称作居里顺磁温度服从居里-外斯定律的物质都是在某一个温度之上才显示顺磁性，这个温度之下，表现为其它性质。典型顺磁性物质的基本特点是含有具有未满壳层的原子（或离子），具有一定的磁矩，是无规分布的原子磁矩在外磁场中的取向产生了顺磁性。此外，传导电子也具有一定的顺磁性。2.顺磁性（Paramagnetism）顺磁性物质也很多，常见的顺磁性物质：过渡族元素、稀土元素和锕系元素金属：Mn,Cr,W,La,Nd,Pt,Pa,含有以上元素的化合物：MnSO4,FeCl3,FeSO4,Gd2O3,碱金属和碱土金属：Li,Na,K,Ru,Cs,Mg,Ca,Sr,Ba包含有奇数个电子的原子或分子：HCl,NO,有机化合物中的自由基少数含有偶数个电子的化合物：O2,有机物中的双自由基等这是人类最早发现并利用的强磁性，它的主要特征是：1.0，磁化率数值很大，2.磁化率数值是温度和磁场的函数；3.存在磁性转变的特征温度——居里温度TC，温度低于居里温度时呈铁磁性，高于居里温度时表现为顺磁性，其磁化率温度关系服从居里-外斯定律。4.在居里温度附近出现比热等性质的反常。5.磁化强度M和磁场H之间不是单值函数，存在磁滞效应。构成这类物质的原子也有一定的磁矩，但宏观表现却完全不同于顺磁性，解释铁磁性的成因已成为对人类智力的最大挑战，虽然经过近100年的努力已经有了比较成功的理论，但仍有很多问题有待后人去解决。pCTT0510103.铁磁性（Ferromagnetism)表现为铁磁性的元素物质只有以下几种：一些过渡族元素和稀土元素金属：但以上面元素为主构成的铁磁性合金和化合物是很多的，它们构成了磁性材料的主体，在技术上有着重要作用，例如：Fe-Ni,Fe-Si,Fe-Co,AlNiCo,CrO2,EuO,GdCl3,室温以上，只有4种元素是铁磁性的。见Kittel固体物理学8版p227，姜书p52也有此数据，稍有差别。反铁磁性是1936年首先由法国科学家Neel从理论上预言、1938年发现，1949年被中子实验证实的，它的基本特征是存在一个磁性转变温度，在此点磁化率温度关系出现峰值。4.反铁磁性（Antiferromagnetism)弱磁！（见应用磁学P9）文献中也常绘成磁化率倒数和温度关系：()TK1铁磁性CT低温下表现为反铁磁性的物质，超过磁性转变温度（一般称作Neel温度）后变为顺磁性的，其磁化率温度关系服从居里-外斯定律：注意与铁磁性的区别！=pCTT磁化率表现复杂TpTpTC反铁磁物质主要是一些过渡族元素的氧化物、卤化物、硫化物，如：FeO,MnO,NiO,CoO,Cr2O3,FeCl2,FeF2,MnF2,FeS,MnS右图是1938年测到的MnO磁化率温度曲线，它是被发现的第一个反铁磁物质，转变温度122K。该表取自Kittel书2005中文版p236，从中看出反铁磁物质的转变温度一般较低，只能在低温下才观察到反铁磁性。Tp人类最早发现和利用的强磁性物质天然磁石Fe3O4就是亚铁磁性物质，上世纪30～40年代开始在此基础上人工合成了一些具有亚铁磁性的氧化物，但其宏观磁性质和铁磁物质相似，很长时间以来，人们并未意识到它的特殊性，1948年Neel在反铁磁理论的基础上创建了亚铁磁性理论后，人们才认识到这类物质的特殊性，在磁结构的本质上它和反铁磁物质相似，但宏观表现上却更接近于铁磁物质。对这类材料的研究和利用克服了金属铁磁材料电阻率低的缺点，极大地推动了磁性材料在高频和微波领域中的应用，成为今日磁性材料用于信息技术的主体。强磁！5.亚铁磁性（Ferrimagnetism)磁化率倒数和温度关系饱和磁化强度温度关系亚铁磁物质的磁化率和磁化强度一般比铁磁物质低，但其电阻率一般要高的多。铁磁性和亚铁磁性的宏观区别亚铁磁物质主要是一些人工合成的含过渡族元素和稀土元素的某些特定结构的氧化物，例如：尖晶石结构：Fe3O4,MnFe2O4,CoFe2O4石榴石结构：A3Fe5O12,(A=Y,Sm,Gd,Dy,Ho,Er,Yb)磁铅石结构