材料物理性能5

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1、材料物理性能 第五章 材料的磁性能 主讲：胡木林 2006年11月 5.1 磁学现象及磁性 材料物理性能材料的磁性能 外磁场发生改变时，系统的能量也随之改变，这时就表 现出系统的宏观磁性。 在学童时代，我们都接触过磁现象：磁铁吸引铁片，同 极相斥、异极相吸，接触过磁铁的大头针用细线吊起会自 动南北指向，磁铁上的铁屑会形成毛刺并构成连线等等。 磁性是物质的基本属性之一。 磁性不只是一个宏观的物理量，而且与物质的微观结构 密切相关。它不仅取决于物质的原子结构，还取决于原子 间的相互作用键合情况、晶体结构。因此，研究磁性 是研究物质内部结构的重要方法之一。 磁学基本量 材料物理性能材料的磁性能 ?

2、环形电流在其运动中心处产生一个磁矩m(或称磁偶极矩) 一个环形电流的磁矩定义为： mIS= ? 式中：I为环形电流的强度，S为环流所包围的面积，m 的方向可用右手定则来确定。 ? 将磁矩m放入磁感应强度为B的磁场中，它将受到磁 场力的作用而产生转矩，其所受转矩为： TmB= ? ? ? 磁矩与外磁场的作用能称为静磁能。处于磁场中某方向 的磁矩所具有的静磁能为， Um B= ? ? i 材料物理性能材料的磁性能 ? 磁场在真空中的磁感应强度为B0，其磁场强度H与B0的 关系是， 00 BH= 式中，称为真空磁导率。 7 0 410/H m = ? 任何材料在外磁场作用下都会或大或小地显示出磁性，

3、 这种现象称为材料被磁化。 一个物体在外磁场中被磁化的程度，用单位体积内磁 矩多少来衡量，称之为磁化强度M， /Mm V= ? ? ? 将材料放入磁场强度为H的自由空间，材料中的磁感应 强度为， 0 BB B =+ 式中称为束缚电流的磁感应强度。 B 材料物理性能材料的磁性能 0 BM = () 0000r BHMHMH =+=+= ()1 rm MHH= 式中称为相对磁导率。 r 0r = 绝对磁导率为： 式中称为磁化率。 m 物质磁性分类： 材料物理性能材料的磁性能 根据物质的磁化率，可以把物质的磁性大致分为五类： ? 抗磁体 磁化率为很小的负数，大约在10-6数量级。它们在 磁场中受微弱

4、斥力。金属中约有一半简单金属是抗磁 体。根据与温度的关系，抗磁体又可分为：“经 典”抗磁体，它的 不随温度变化，如铜、银、金、汞、 锌等。?反常抗磁体，它的随温度变化，且其大小 是前者的10一100倍，如铋、镓、锑、锡、铟、铜一 锆合金中的 相等。 材料物理性能材料的磁性能 ? 顺磁体 磁化率 为正值，大约在10-310-6数量级。 根据与温度的关系可分为： 1) 正常顺磁体，其随温度变化符合lT关系， 如，金属铂、钯、奥氏体不锈钢、稀土金属等。 2)与温度无关的顺磁体，例如锂、钠、钾、铷 等金属。 材料物理性能材料的磁性能 在较弱的磁场作用下，就能产生很大的磁化强度。 ? 铁磁体 是很大的正

5、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。 铁磁体是我们要重点介绍的磁性物质。 材料物理性能材料的磁性能 这类磁体有些像铁磁体，但值没有铁磁体那 样大通常所说的磁铁矿、铁氧体等属于亚铁磁体。 ? 亚铁磁体 这类磁体的是小的正数，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，其行为像顺磁体。 ? 反铁磁体 具体材料有一Mn、铬，还有如氧化镍、氧化 锰等。 材料物理性能材料的磁性能 五类磁体的磁化曲线示意图 原子本征磁矩、抗磁性和顺磁性 材料物理性能材料的磁性能 材料的磁性

6、来源于原子磁矩。 原子磁矩包括：电子轨道磁矩、电子自旋磁矩和原子 核磁矩。 ? 电子轨道磁矩 电子绕原子核运动，犹如一环形电流，此环流也应 在其运动中心处产生磁矩，称为电子轨道磁矩。 设电子运动轨道的半径为 ，电子轨道运动的速度为， 电子的电量为 ，质量为。 r v e e m 运动轨道的周期为：2/r v 沿着圆形轨道的电流为： 2/2 eev I r vr = 运动轨道的周期为： e Lm vr= 材料物理性能材料的磁性能 因此，电子轨道磁矩为： 2 22 evevr mISr r = 2 e e mL m = 因此，电子轨道磁矩是量子化的。 0,1,2,.Lnn=? 电子轨道磁矩在外磁场

7、方向上的分量，满足量子化 条件： ()0, 1, 2,., ezlBl mmml= 为玻尔磁子。 24 9.273 10/ 2 B e e J T m = ? 材料物理性能材料的磁性能 实验和理论证明原子核磁矩很小，只有电子磁矩 的几千分之一，通常不考虑它对原子磁矩贡献。 电子除了做轨道运动还有自旋，因此具有自旋磁矩。 实验测定电子自旋磁矩在外磁场方向上的分量恰为一个 玻尔磁子： szB m= 原子中电子的轨道磁矩和电子的自旋磁矩构成了原子固 有磁矩，也称本征磁矩。 如果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 时原子本征磁矩为， 0m

8、= ? 电子自旋磁矩 材料物理性能材料的磁性能 理论研究证明，在外磁场作用下，一个电子的轨 道运动和自旋运动以及原子核的自旋运动都会发生变 化，产生一附加磁矩?m。 ? 抗磁性来源 电子的轨道运动产生一附加磁矩感生磁矩。 材料物理性能材料的磁性能 故可以说任何物质在外磁场作用下均应有抗磁性 效应。但只有原子的电子壳层完全填满了电子的物质， 抗磁性才能表现出来，否则抗磁性就被别的磁性掩盖 了。 凡是电子壳层被填满了的物质都属于抗磁性物质。 例如惰性气体；离子型固体，如氯化钠等；共价键的 碳、硅、锗、硫、磷等通过共有电子而填满了电子层， 故也属于抗磁性物质；大部分有机物质也属于抗磁性 物质。金属的

9、行为比较复杂，要具体分析，其中属于 抗磁性物质的有铋、铅、铜、银等。 材料物理性能材料的磁性能 ? 顺磁性来源 材料的顺磁性来源于原子的固有磁矩。 产生顺磁性的条件就是原子的固有磁矩不为零： 1) 具有奇数个电子的原子或点阵缺陷； 2) 内壳层未被填满的原子或离子金属中主要有 过渡族金属(d壳层没有填满电子)和稀土族金属(f 壳层没有填满电子)。 5.2 铁磁性和亚铁磁性材料的特性 材料物理性能材料的磁性能 铁磁性材料铁、钴、镍及其合金，稀土族元素镝以 及亚铁磁性材料铁氧体等都很容易磁化，在不很强的磁 场作用下，就可得到很大的磁化强度。 磁学特性与顺磁性、抗磁性物质不同，主要特点 表现在磁化曲

10、线和磁滞回线上。 磁化曲线 材料物理性能材料的磁性能 铁磁性物质的磁化曲线(MH或BH)是非线性的。 随磁化场的增加，磁化强 度M或磁感强度B开始时增加 较缓慢，然后迅速地增加，再 转而缓慢地增加，最后磁化至 饱和。 磁化至饱和后，磁化强度 不再随外磁场的增加而增加。 称为饱和磁化强度； 称为饱和磁感应强度。 s M s B 材料物理性能材料的磁性能 起始磁导率： i 它相当于磁化曲线起始部分的斜率。技术上规 定在0.10.001Oe磁场的磁导率为起始磁导率，它 是软磁材料的重要技术参量。 0 0 lim i H H B H = 最大磁导率： m 它是磁化曲线拐点处的斜率，它也是软磁材料的 重

11、要技术参量。 磁滞回线 材料物理性能材料的磁性能 将一个试样磁化至饱和，然后慢慢地减少H，则M也 将减小，这个过程叫退磁。 M不按照磁化曲线反方向进行，而是按另一条曲线改变。 r MM=当H减小到零， r BB= 当H为一反向磁场Hc， 0M=0B= 剩余磁化强度 r M 剩余磁感应强度 r B 矫顽力 c H 内禀矫顽力 Mc H 试样的磁化曲线形成一个封 闭曲线，称为滋滞回线。 磁滞回线所包围的面积表征磁化一周时所消耗的功，称 为磁滞损耗Q。QHdB= ? 磁晶各向异性和各向异性能 材料物理性能材料的磁性能 磁性各向异性在单晶体的不同晶向上，磁性能不同。 磁化功示意图 磁化功为了使铁磁体磁

12、化，要消耗一定的能，它在 数值上等于右图中阴影部分的面积。 沿不同方向的磁化功不同。反映 了磁化强度矢量()在不同方向 取向时的能量不同。 沿易磁化 轴时能量最低(通常取此能量为基 准)，沿难磁化轴时能量最高。 s M s M 磁化矢量沿不同晶轴方向的能 量差代表磁晶各向异性能，用 表示，磁晶各向异性能是磁化矢 量方向的函数。 k E 对于立方晶体， () 222222222 012k EKKK =+ 磁晶各向异性常数，同物质结构有关；而Ko代表主晶轴方向磁化能量，与变化 的磁化方向无关。一般情况，K2较小可忽略，把K1视为晶体各向异性能常数。 材料物理性能材料的磁性能 铁、镍、钴沿不同晶向的

13、磁化曲线 铁磁体的形状各向异性及退磁能 材料物理性能材料的磁性能 铁磁体在磁场中的能量为静磁能。它包括铁磁体与外 磁场的相互作用能和铁磁体在自身退磁场中的能量。后一 种静磁能常称为退磁能。 非取向的多晶体并不显示磁的各向异性，把它做成球 形则是各向同性的。 形状对磁性有重要影响。长片状试样，沿不同方向测得 的磁化曲线是不同的，其磁化行为是不同的，这种现象称 为形状各向异性。 铁磁体的形状各向异性 材料物理性能材料的磁性能 铁磁体的形状各向异性是由退磁场引起的。当铁 磁体表面出现磁极后，除在铁磁体周围空间产生磁场 外，在铁磁体的内部也产生磁场。这一磁场与铁磁体 的磁化强度方向相反，它起到退磁的作

14、用，因此称为 退磁场，如图所示。 铁磁体的退磁场 退磁场强度的表达式为， () d HNM CGS= () 0 () D BDM SI= 式中，N和D称为退磁因子。说 明退磁场与磁化强度成正比。 退磁因子的大小与铁磁体的形 状有关。 单位体积的退磁能可表示为， 磁致伸缩与磁弹性能 材料物理性能材料的磁性能 铁氧体在磁场中磁化，其形状和尺寸都会发生变化，这 种现象称为磁致伸缩。 设铁磁体原来的尺寸为，放在磁场中磁化时，其尺寸变 为，长度的相对变化为， 0 0 ll l = 0 l l 称为线磁致伸缩系数。 计算多晶体与磁化方向成角的磁 致伸缩系数公式， 材料物理性能材料的磁性能 在非取向的多晶体

15、材料中，其磁致伸缩是不同取向 的晶粒的磁致伸缩的平均值， 材料物理性能材料的磁性能 把铁磁物质和顺磁件物质的磁化情形做一比较，可以 很清楚地看出它们的差别。 5.3 磁性材料的自发磁化和技术磁化 从达些物质的原子磁矩来看，铁磁物质的原子磁矩和 相似元素的原子磁矩并无本质的差别。例如过渡族的快础 物质Fe，Co，Ni，与非铁磁性的Mn，Cr的原子内的3d层 电子都是没什填满的壳层，原子都有一定的磁矩。 怎样解释铁磁物质和顺磁物质的巨大差异呢？现在知 道，物质是否具有铁磁性，关键不在于组成物质的原子本 身所具有的磁矩的大小，而在于形成宏观物体后，原子之 间的相互作用的不同。 材料物理性能材料的磁性能 ? 自发磁化理论 铁磁性材料的磁性是自发产生的，所谓磁化过程(又称 感磁或充磁)只不过是把物质本身的磁性显示出来，而不 是由外界向物质提供磁性的过程。 ? 铁磁性产生的原因 实验证明，铁磁物质自发磁化的根源是原子(正离 子)磁矩。而且在原子磁矩中起主要作用的是电子自旋 磁矩。与原子顺磁性一样，在原子的电子壳层中存在 没有被电子填满的状态是产生铁磁性的必要条件。 材料物理性能材料的磁性能 根据量子力学理沦，物质内部相邻原子的电子之间 有一种来源于静电的交换作用