材料结构与性能(第六章磁学性能)

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1、第三章 材料的磁学性能,材料的磁性 磁化： 条件、行为、材料化学成分、组织结构、机制 磁性物理量： 磁化率、磁导率、磁致伸缩、磁致损耗、剩磁、矫顽力 ,3-1 磁性基本概念和物理量 一、磁性基本物理量 1、磁场 任何磁极和运动电荷或电流都能在其周围产生磁场，磁场的特性是能使其中的磁介质磁化，对在其中运动的电荷或载流导体产生作用力并对它们作功,磁铁产生磁场,运动电荷（电流）产生磁场,3、磁场强度 表征磁场大小的矢量 通电螺线管中，匝数N、电流I、长度l，则产生的磁场强度为H，单位 A/m,4、磁化强度 磁化：任何物质（或磁介质）将其置于磁场中，都会表现出一定的磁特性，并对该处的磁场产生影响。磁介

2、质可以根据其磁化特性进行分类。 磁化率，无量纲,5、磁通量 通过给定曲面的磁力线总数。单位：韦伯,3-2 材料磁性的物理本质 一、物质的磁性 安培假说：物质的磁性起源于其内部的环电流（分子电流），环电流形成了物质的基元磁铁 原子磁矩：环电流包括电子的自旋运动、循轨运动、核自旋运动 1、磁矩,环电流磁矩：,带电粒子，只要做循轨运动或自旋运动，均可等效为环电流，产生磁矩,I 电流强度； S 环电流所围面积,2、电子的磁矩 1）电子的循轨磁矩,角动量（动量矩）： 磁矩：,根据量子力学，电子的轨道角动量的能量是量子化：,因此，电子的轨道磁矩：,玻尔磁子 电子约化质量 电子质量 离子实质量 ,轨道磁矩在

3、外场方向Z上的分量：,ml 轨道磁量子数（空间量子数），共2l+1个,轨道磁矩,2）电子的自旋磁矩,电子自旋角动量（自旋动量矩）： 电子自旋磁矩： 电子自旋磁矩在外场方向Z上的分量：, 自旋量子数,ms = 1/2 自旋磁量子数,3）核磁矩 核磁矩是由核内质子产生的磁矩，由于质子的质量为电子质量的1836.5倍。所以，核磁矩 n 远小于玻尔磁子。核磁矩通常被忽略。,自旋磁矩,4）原子的总磁矩 原子的总磁矩 ，由原子核外未被电子填满的壳层上的所有电子的总轨道磁矩和总自旋磁矩 组成， 等于 和 在 反方向的投影之和而不等于 和 的矢量之和，即,由各电子的磁矩（或角动量）组合成原子的总磁矩（或总角动

4、量），主要有两种耦合方式： 原子序数在32以下，为L-S 耦合，即 或 原子序数在82以上，为 j - j 耦合，即 或 原子序数在3282之间，为两种混合耦合方式,3d 过渡族金属、 4f 稀土金属及其合金主要为 L-S 耦合,二、物质的磁化特性及磁介质分类,1、抗磁性（diamagnetic） ，10-610-4数量级，与H、T无关的常数 2、顺磁性（paramagnetic） ，10-510-2数量级，与H无关 与T相关 3、铁磁性（ferromagnetic） ， 101106数量级，与H呈非线性关系 与T相关 4、亚铁磁性（ferrimagnetic） ，100103数量级 5、反铁

5、磁性（antiferromagnetic）,三、顺磁性及其物理本质 主要由各原子或离子实的磁矩 和各自由电子的自旋磁矩 在外磁场中的取向过程造成,原子或离子实磁矩的顺磁性：,H,磁场H中的磁位能： T 温度下磁矩数量： +d之间的磁矩数量： 、H方向磁矩分量之和： 原子的顺磁磁化率：,自由电子的顺磁性：,自由电子的自旋磁矩 ，在外磁场作用下取向所引起 无外磁场时，电子自旋方向随机分布，宏观上不显示自旋引起的磁性 有外磁场时，为降低体系磁位能，部分自旋反平行外磁场的磁矩将转到平行外磁场方向,自由电子引起的顺磁磁化率：,自旋反转引起磁位能降低和电子跃迁至高能级而引起的系统能量增高，两者达到平衡,原

6、子或离子实的抗磁性 受到原子核束缚的电子在作循轨运动时，因受到外磁场劳伦兹力 的作用而产生附加磁矩 的结果 总是与外磁场 H 的方向相反，从而产生抗磁性,N 单位体积中原子（离子）数 Z 每个原子（离子）的电子数 第 i 个电子循轨运动的平均半径 0 真空磁导率 m、e 电子的质量、电量,四、抗磁性及其物理本质 源自电子（束缚电子、自由电子）的运动，在外磁场作用下，受到劳伦兹力的作用而产生附加磁矩,自由电子的抗磁性 源于自由电子因受到劳伦兹力的作用，而在垂直于外磁场的平面内作定向的环绕运动所产生的附加磁矩，该附加磁矩也总是反平行于外磁场 自由电子的抗磁磁化率： 自由电子的总磁化率：,所有物质在

7、外磁场作用下均产生抗磁性，但因抗磁磁化率数值较小，只有当构成物质的原子或离子的总磁矩为零或接近于零时，这种抗磁性才易被发现（或易于显现），其它情况下则极易被顺磁性和铁磁性掩盖 抗磁磁化率基本上不受温度影响，而顺磁磁化率与温度有关 自由电子既可产生顺磁性，又能产生抗磁性，综合作用的结果，自由电子对物质磁性的贡献是顺磁性,五、铁磁性及其物理本质 物质中相邻原子或离子的磁矩，由于相互作用而在某些区域中大致按同一方向排列，当所施加的磁场强度增大时，这些区域的合磁矩定向排列程度会随之增加到某一极限值的现象 永久磁矩，来源于电子自旋 净磁矩，无外场条件下（如图） 磁畴，晶体中自旋取向相同的区域,铁磁材料中

8、，无外磁场条件下，原子磁矩的定向排列,反铁磁性（实例）：,反铁磁MnO中，自旋磁矩的反向平行排列,反铁磁MnO中： Mn2+离子存在净磁矩 O2+离子的净磁矩为零 整个晶体的净磁矩为零,亚铁磁性（实例）：,立方铁氧体Fe3O4（天然磁石）的分子式表示为：Fe2+O2-(Fe3+)2 (O2-)3 O2-的净磁矩为零 Fe2+的净磁矩为4B Fe3+的净磁矩为5B 整个晶体存在净磁矩（如表）,亚铁磁Fe3O4中，Fe2+和Fe3+的自旋磁矩的排列,1、铁磁质的磁化特性 1）磁化曲线和磁位能,第一阶段：磁化强度随外磁场缓慢增加；撤除外磁场，磁化强度恢复为原始值（可逆磁化） 第二阶段：磁化强度随外磁

9、场快速增加；去除外磁场，磁化强度不能完全恢复至原始状态（不可逆磁化或有剩磁） 第三阶段：磁化强度又随外磁场缓慢增加并趋于饱和状态,磁位能：,静态磁化曲线,磁滞：指铁磁材料的磁性状态变化时，磁化强度滞后于磁场强度，它的磁通密度B与磁场强度 H之间呈现磁滞回线关系 剩磁Br：磁滞回线中，外磁场 减小为零时，铁磁质所具有的磁感应强度 矫顽力Hc：为使剩磁降低为零而施加的反向外磁场强度 磁致损耗：铁磁材料在磁化过程中由磁滞现象引起的能量损耗。经一次循环，磁滞损耗等于磁滞回线的面积,动态磁化曲线（磁滞回线）,硬磁、软磁材料,(BH)max 最大磁能积 1 MGOe = 106 gauss-oersted

10、 1 MGOe = 7.96 kJ/m3,硬磁材料性能,软磁材料性能,2）磁各向异性和磁各向异性能 磁各向异性：外磁场对铁磁单晶体的磁化，在不同的晶向上，磁化的难易程度各不相同。容易磁化的晶向为易磁化方向，而难磁化的晶向为难磁化方向,磁化功：磁化过程中，外磁场对磁介质所作的功，代表外磁场在此过程中消耗的能量,磁各向异性能：沿不同晶向磁化而增加的体系内能，其大小可用沿不同晶向的磁化功表征。沿难磁化方向磁化，体系内能增加较多；而沿易磁化方向磁化，内能增加较少,磁化曲线、磁化强度坐标轴和饱和磁化强度三条线围成的面积代表磁化功的大小,3）磁致伸缩与磁弹性能 磁致伸缩：指磁介质被磁化时，其尺寸和形状发生

11、改变的现象,磁弹性能：磁介质磁化时，当磁致伸缩受到应变阻力，磁化功中必须额外增加一部分用于克服这种应变阻力，所额外增加的部分以磁弹性能形式进入磁介质体系的内能中。磁致伸缩易于增加体系的磁弹性能,磁致伸缩系数：,4）几何退磁因子与退磁能 形状各向异性：磁介质磁化的难易程度收到外部几何形状影响的现象,退磁场Hd：铁磁介质被磁化时，其内部会出现退磁场，用以阻碍外磁场对它的磁化,3个样品长径比：,退磁能Ed：退磁场与铁磁质的相互作用能,N 形状退磁因子,2、铁磁质自发磁化的机理（铁磁质的自发磁化理论） 1）Wiss 铁磁性假说 分子场假说：铁磁质内部存在很强的分子场，在该分子场的作用下，原子磁矩趋向于

12、同方向平行排列 磁畴假说：铁磁质内分布有若干原子磁矩同向平行排列的小区域（磁畴），各磁畴的磁化方向随机分布，彼此抵消，整体对外不显磁性 尽管Wiss理论并未揭示分子场的本质，但基本上正确描述了铁磁质的内部形态 铁磁质由磁畴组成，而磁畴是因某种场力作用，使原子磁矩同方向平行排列、磁化达到饱和状态的小区域 在无外磁场时，铁磁质内已自发磁化形成磁畴，只不过是因为方向紊乱而对外不显示磁性而已 如果把原子磁矩比作个体，磁畴比作团体，则顺磁质磁化是原子磁矩的个体行为，而铁磁质是磁畴的团体行为,2）自发磁化的条件 自发磁化：铁磁质不依靠外磁场（或仅依靠其内磁场），形成若干饱和磁化小区域（磁畴）的现象,原子结

13、构条件（必要）： 原子（或离子）总磁矩 ，即存在未被抵消的轨道、自旋磁矩，特别是,例如：在元素周期表中，第四周期副族，其3d亚层均未被电子填充满。理论上它们均有可能构成铁磁质，但实际上只有Fe、Co、Ni才具有铁磁性,晶体结构条件（充分）： 原子磁矩同方向平行排列的“分子场”,实际上是晶体内相邻原子间电子自旋的交换作用，与其相对应的能量为交换能：, 自旋角动量， 两自旋角动量夹角 A 交换积分常数，取决于电子运动状态的波函数和两原子间距,A 0时， = 0，两电子自旋磁矩同向平行排列 A 0时， = ，两电子自旋磁矩反向平行排列,原子间距能够决定A 的正、负或趋于 0 决定磁性,3）磁畴结构及

14、其成因 磁畴： 铁磁质内部自发磁化至饱和状态（原子磁矩同向平行排列）的小区域，自发磁化的结果 磁畴结构（磁畴组态）：磁畴的形态、尺寸、取向、畴壁类型、畴壁厚度及其组成形式 磁畴结构 a）主畴：一般都为大而长的片状或棱柱状，通常沿晶体易磁化方向； 副畴：多为短而小的三角形，不保证都出现在易磁化方向 b）磁畴壁：相邻磁畴之间、自旋磁矩改变方向的过渡区 c）相邻磁畴通过主畴、副畴和磁畴壁组合形成自己封闭的磁回路 d）磁畴的尺度通常小于晶粒，畴壁不能穿越晶界, 决定磁畴结构的因素 交换能最低：倾向于让所有自旋磁矩同方向平行排列，形成磁单畴 退磁能最低：倾向于让所有磁畴均形成封闭磁回路 磁弹性能最低：倾

15、向于形成多数量、小尺寸、多方向、应变自恰的磁畴结构 磁各向异性能最低：倾向于让所有磁化方向均处于易磁化晶向,磁畴结构一定是使体系总的能量处于最低状态, 磁畴壁结构及决定因素 布洛赫（Blooh）壁：畴壁内所有自旋磁矩变向的转轴垂直于壁面 奈耳（Neel）壁： 畴壁内所有自旋磁矩变向的转轴平行于壁面 交换能：畴壁越厚，交换能越低 磁各向异性能：畴壁越薄，磁各向异性能越低,最后的畴壁厚度一定使体系总畴壁能最低,布洛赫畴壁,阶段：M 随H 的增加而缓慢增加，去除外磁场后，无剩磁；在铁磁质内部，磁化通过畴壁的可逆迁移（畴壁内磁矩转向）使其内部与外磁场 成锐角的畴区面积发生变化 阶段： M随H 的增加而呈线性快速增加， 去除后有剩磁，此时，由于外磁场 较大，磁畴壁在迁移过程中克服了某些位垒，从而造成磁畴壁的不可逆迁移；在铁磁质内，与外磁场成锐角的畴区面积进一步扩大，有可能形成单畴 阶段：随H 的增加，M又缓慢增加并趋于饱和；在铁磁质内部，整个单畴磁化方向向外磁场 方向旋转来进一步使 增加,3、铁磁质的技术磁化 1）磁化过程中磁畴结构的变化规律,2）磁畴壁迁移的阻力 不均匀的应力场 畴壁能主要由交换能、磁各向异性能、一定量的磁弹性能构成，局部应力区造成畴壁能随迁移位置变化而起伏的现象,应力区使畴壁能增加 畴壁内的弹性应变与该区域的应力状态不一致，应力区相当于能量起