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1、材料的磁性能,目 录,1、磁性的起源 2、材料对磁场的响应 3、影响磁性的因素 4、磁性材料的应用 5、电磁屏蔽,1、磁性的起源,运动的电荷产生磁矩,力矩,1、磁性的起源,轨道磁矩和自旋磁矩的大小为同一数量级,1、磁性的起源,当电子填满某一电子壳层时，各电子的轨道运动和自旋取向就占据了所有可能方向，形成一个球形对称集合，这样电子自身具有的动量矩和磁矩必然相互抵消，因而，凡是占满电子的壳层，其总动量矩和总磁矩都为零。,占满电子的壳层对原子磁矩无贡献,1、磁性的起源,大多数自转方向不同的电子，虽然电子的磁矩不能抵消，导致整个原子具有一定的总磁矩。但原子磁矩之间没有相互作用，它们是混乱排列的，所以整
2、个物体没有磁性。少数物质(如Fe、Co、Ni），由于“交换交换相互作用”的机理，原子磁矩整齐地排列起来，整个物体具有磁性。,无交换相互作用,有交换相互作用,1、磁性的起源,磁畴：每个区域内部包含大量原子，这些原子的磁矩都像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,1、磁性的起源,产生磁畴的原因 根据热力学平衡原理，稳定的磁状态一定与铁磁体内总自由能为极小状态相对应。 晶体内有如下能量： 化学键 各种晶体缺陷（点缺陷、线缺陷、面缺陷、体缺陷）的畸变能 热振动 磁能（由磁矩产生）,1、磁性的起源,磁光效应：线偏振光透过放置磁场中的物质，沿着磁场方向传播时，光的偏振面发生
3、旋转的现象。 对磁畴进行可视化,1、磁性的起源,铁电畴,在一个小区域内，各晶胞的自发极化方向都相同，这个小区域称为铁电畴，两畴之间的界壁称为畴壁。,回 顾,回 顾,力电耦合,力电耦合效应：应力会畴壁移动改变畴构型,回 顾,如果对材料施加磁场，材料内部的能量平衡关系将被打破，为了构建新的平衡，在各种晶体缺陷无法演变的情况下，磁畴必须做出响应。磁畴翻转、磁畴畴壁迁移。,1、磁性的起源,磁畴壁在迁移的过程中，第二相粒子，位错等缺陷会降低其迁移速度。,1、磁性的起源,介电常数：介质在外加电场时会产生感应电荷而削弱电场，原外加电场（真空中）与介质中的电场比值即为相对介电常数(relative permi
4、ttivity或dielectric constant),外形相同，材质不同，放在相同的电场中，表面聚集感应电荷数量是否一样？,回 顾,感应电荷越多，表示介电常数越大。,外形相同，材质不同，放在相同的电场中，表面聚集的电荷数量是否一样？,回 顾,2、材料对磁场的响应,磁化强度(M)：材料内部单位体积的磁矩矢量和，单位A/m,磁场强度(H)：空间某处磁场的大小，单位A/m,磁化率()：反映物质磁化的难易程度。M H 理论研究常用,磁感应器度(B)：材料内部的磁通量密度。单位：T或Wb/m2。,磁导率()：磁性材料被磁化的难易程度。B=H 工程技术常用,2、材料对磁场的响应,材料的磁场= ,2、材
5、料对磁场的响应,外磁场,感应磁场,2、材料对磁场的响应,铁磁性Ferromagnetic 其特征是组成这些物质的原子具有恒定的与外磁场无关的磁矩。原子间有交互作用，原子磁矩互相平行排列，呈饱和磁化的状态。常见的铁磁性金属有：Fe、Ni、Co。 自然状态下，普通的钢铁材料处于地球磁场中，所以也是带有磁性的，只是比较微弱。,初始状态即是有序排列,2、材料对磁场的响应,亚铁磁性Ferrimagnetic 其特征是组成这些物质的原子具有恒定的与外磁场无关的磁矩。原子间有交互作用，原子磁矩互相平行排列，但是有正向，也有逆向。正向逆向. 也天然具有一定的磁性。常见的亚铁磁性物质有：尖晶石型晶体、石榴石型晶
6、体等几种结构类型的铁氧体，稀土钴金属之间的化合物和一些过渡金属。 如果外部磁场足够大，则有可能完全翻转到一个方向。,初始状态即是有序排列。但是有正向、也有逆向。,2、材料对磁场的响应,顺磁性Paramagnetic 其特征是组成这些物质的原子具有恒定的与外磁场无关的磁矩 。 0， 感应磁场与外磁场H方向相同；磁化率在 10-310-6 。 属于这类物质的金属有：La、Pr,初始状态即是无序排列。在外场作用下沿外场方向翻转。,2、材料对磁场的响应,抗磁性Diamagnetic 0，M与H方向相反 ； 磁化率 很小，-10-5 -10-6 。 属于这类物质的金属有：Bi、Zn、Cu、Ag、Au、M
7、g。,初始状态即是无序排列。在外场作用下沿外场负方向翻转。,2、材料对磁场的响应,2、材料对磁场的响应,磁化过程 类比于材料材料力学性能。可恢复的变形叫弹性变形，不可恢复的叫塑性变形。 在磁场作用下，虽然样品的长度没有明显变化，但是样品内部的磁畴却发生了翻转、磁畴壁也发生了迁移。,2、材料对磁场的响应,磁化过程 如果外部磁场强度较小，变化后的磁畴结果可在外场卸载后复原。 如果外部磁畴过大，则外场卸载后，材料内部的磁畴变化将保留下来。,回 顾,弹性滞后效应指的是材料在弹性范围内受某一不变载荷作用，其弹性变形随时间缓缓增长的现象。在去除载荷后，不能立即恢复而需要经过一段足够时间之后才能逐渐恢复原状
8、。,回 顾,弹性滞后环面积: 表示被金属不可逆方式吸收的能量 （即内耗）大小,回 顾,2、材料对磁场的响应,2、材料对磁场的响应,磁滞回线 当H减小到零时，MMr，称为剩磁，表示材料在无外磁场时仍保持了一定程度的磁化。如果要使M0，则必须加上一反向磁场Hc，Hc称为矫顽力。 磁滞现象与磁滞回线说明磁化有不可逆过程，磁滞回线所包围的面积表征一个磁化周期内，以热的形式所消耗的功。,2、材料对磁场的响应,磁滞回线 磁滞现象的本质是磁畴壁在运动中受到阻力。 其阻力由位错、第二相颗粒引起。,2、材料对磁场的响应,2、材料对磁场的响应,软磁材料 I、在磁场作用下非常容易磁化； II、取消磁场后很容易退磁化
9、 III、较小的矫顽力和较低磁滞损耗。也就是磁滞回线围成的面积较小。,2、材料对磁场的响应,软磁材料 由于软磁材料磁滞损耗小，适合用在交变磁场中，如变压器铁芯、继电器、电动机转子、定子都是用软件磁性材料制成。 常见的软磁材料有：铁、坡莫合金、硅钢片、铁铝合金、铁镍合金等。,变压器 磁性传感器,2、材料对磁场的响应,软磁材料 要求软磁材料的电阻率比较高。因为使用中除上述磁滞能量损失之外，还可能因磁场变化在磁性材料中产生电流（涡流）而造成能量损失。因此常用固溶体合金（如铁硅、铁镍合金）和陶瓷铁氧体（铁氧体是一种具有铁磁性的金属氧化物。）作软磁材料。,磁屏蔽器件,2、材料对磁场的响应,硬磁材料 I、
10、具有较大的矫顽力，典型值Hc104106A/m； II、剩磁很大； III、充磁后不易退磁。 IV、高的稳定性 对外加干扰磁场和温度、震动等环境因素变化的高稳定性。,3、影响材料磁性能的因素,晶体结构会带来各向异性 如果晶粒取向随机分布，宏观来看是各向同性,3、影响材料磁性能的因素,3、影响磁性的因素,居里温度 TC 铁磁性物质的特征是组成这些物质的原子具有恒定的与外磁场无关的磁矩。原子间有交互作用，原子磁矩互相平行排列，呈饱和磁化的状态。,3、影响磁性的因素,居里温度 TC 居里温度，原子热运动超过了原子磁矩取向一致的作用，而变为混乱状态，呈顺磁性。 温度降低后，又会具有铁磁性。,3、影响磁
11、性的因素,内应力 磁致伸缩：在磁场的作用下，磁性材料会有发生细微的长度变化。机械能磁能。,3、影响磁性的因素,内应力 磁致伸缩的逆效应表现为，材料内部存在内应力时，会改变材料的磁畴结构。,3、影响磁性的因素,提高磁性材料性能的措施 高温退火组织均匀 消除内应力,真空热处理防止材料在热处理中氧化、在热处理中帮助去除杂质，特别是气态杂质。 磁场成型：将永磁粉末，在磁场中压制或成型（挤压、注塑）制成粘结体，或再经适当温度烧结成永磁体磁畴沿外场分布磁性织构。,4、磁性材料的应用,4、磁性材料的应用,隐形飞机F117 涂特殊的磁性材料吸波材料,电磁武器电磁炮 螺线管产生的磁场对 炮弹产生巨大推动力,4、
12、磁性材料的应用,磁制冷（磁热效应） 理想气体，在绝热情况下，对外做功，温度会降低。 如果在绝热情况下，施加外磁场，也就是输入磁功，温度？ 升高。 撤去外磁场，温度？ 降低。,4、磁性材料的应用,磁制冷（磁热效应） 从机理上说，固体磁性物质在受磁场作用磁化时，系统的磁有序度加强（磁熵减小），体系能量增加，温度增加；再将其去磁，则磁有序度下降（磁熵增大），体系能量降低，温度降低，非绝热情况下，表现为吸热。,4、磁性材料的应用,磁制冷（磁热效应） 1933年杰克实现了制冷。从此，在极低温领域（16K范围）磁制冷发挥了很大作用。现在低温磁制冷技术比较成熟。美国、日本、法国均研制出多种低温磁制冷冰箱，为
13、各种科学研究创造极低温条件。例如用于卫星、宇宙飞船等航天器的参数检测和数处理系统中，磁制冷还用在氦液化制冷机上。,4、磁性材料的应用,磁制冷（磁热效应）,氟利昂的缺点： I、破坏臭氧 II、熔点为-158. 低于该温度，氟利昂为固体，无法继续工作。 （液氮-196 ）,4、磁性材料的应用,霍尔效应：当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑 兹力的作用，向内侧偏移，在半导体薄片A、B方向 的端面之间建立起霍尔电势。,A,B,C,D,霍尔转速传感器,在被测转速的转轴上安装一个齿盘，也可选取机械系统中的一个齿轮，将线性型霍尔器件及磁路系统靠近齿盘。齿盘的转动使磁路的磁阻随气隙的改变而周期性地变化，霍尔器件输
14、出的微小脉冲信号经隔直、放大、整形后可以确定被测物的转速。,S,N,霍尔器件,磁铁,4、磁性材料的应用,4、磁性材料的应用,4、磁性材料的应用,4、磁性材料的应用,4、磁性材料的应用,磁性液体磁流体 把磁性的粉末和某种液体采用特殊方法混合成的。,4、磁性材料的应用,磁性液体磁流体,I、磁性氧化物超微粒的制备：一般是以磁铁矿等铁氧化物为主体，由金属盐类水溶液通过共沉淀制成超微粒。 II、超微粒的分散：将氧化物借助于界面活性剂（甘油三油酸等）溶入在碳氢化合物（油类）中。,4、磁性材料的应用,磁性液体磁流体,I、磁性 II、粘性。当施加外磁场时，粘度增加； III、磁压力。在外场作用下，液体内的磁场
15、重新分布，产生压力。,4、磁性材料的应用,磁性液体磁流体 磁性液体密封原理：磁性液体在非均匀磁场中将聚集于磁场梯度最大处，因此利用外磁场可将磁性液体约束在密封部位形成磁性液体“O”型环，具有无泄露、无磨损、自润滑、寿命长等特点。,1986年1月28日，美国“挑战者”号航天飞机在第10次发射升空后，因助推火箭发生事故凌空爆炸，舱内7名宇航员全部遇难。 著名物理学家费曼组织调查，发现燃料箱泄漏的原因是塑料密封圈老化。,4、磁性材料的应用,磁性液体磁流体,4、磁性材料的应用,磁致伸缩位移传感器,5、电磁屏蔽,各种电子设备产生的不同频率和能量的电磁波充斥着我们的生活空间，进而形成了一种继水污染、大气污
16、染、噪音污染之后的新型污染电磁辐射污染。,5、电磁屏蔽,电磁屏蔽的必要性： 影响人体健康 影响精密设备的工作 电磁泄密,5、电磁屏蔽,屏蔽是用导电或导磁材料将需要防护区域封闭起来，以抑制和控制电场、磁场和电磁波由一个区域对另一个区域的感应和辐射；屏蔽技术用来抑制电磁噪声沿着空间的传播，即切断电磁波辐射（和场耦合）的传输途径。,5、电磁屏蔽,5、电磁屏蔽,5、电磁屏蔽,5、电磁屏蔽,5、电磁屏蔽, 磁场屏蔽-低频磁场,5、电磁屏蔽, 磁场屏蔽-低频磁场,磁导率越高、截面积越大，则磁路的磁阻越小，屏蔽效果越好。 用铁磁材料作的屏蔽罩，在垂直磁力线方向不应开口或有缝隙。因为若缝隙垂直于磁力线，则会切断磁力线，使磁阻增大，屏蔽效果变差。,5、电磁屏蔽, 磁场屏蔽-高频磁场 利用电磁感应现象在屏蔽体表面所产生的涡流的反磁场来达到屏蔽的目的，即利用了涡流反向磁场对
