《材料的磁性教材》由会员分享，可在线阅读，更多相关《材料的磁性教材（78页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、材 料 的 磁 性,材料物理性能,物质磁性的研究是固体物理的一个重要领域，也是工业应用方面引起广泛兴趣的课题。磁性现象是带电粒子的量子效应，磁性是一切物质的基本属性之一。,“磁”来源于“电”。由物理学可知，一个环形电流周围的磁场，犹如一条形磁铁的磁场，其方向符合右螺旋法则，如图3.1所示。磁矩定义为 M = ISn 式中，M为载流线圈的磁矩；n为线圈平面的法线方向上的单位矢量；S为线圈的面积；I为线圈通过的电流。在磁性材料中存在磁矩。磁矩可看做由北极和南极组成的小磁棒，其方向由南指北，如图3.2所示。,3. 2 磁性基本概念,3. 2. 1 磁矩,磁矩在磁场中受到磁场对它的力矩作用时，将沿磁场
2、方向取向，以降低系统静磁能。,一般认为任意短的磁铁都存在两个磁极，磁铁两端具有数量相等符号相反的极强。当一个磁铁长度为l，端面的极强为m时，该磁铁的磁矩定义为 M = ml,磁场强度H：如果磁场是由长度为l，电流为I的圆柱状线圈(N匝)产生的，对于磁场强度，不考虑材料介质特性，仅由电流决定，则 H = NI/l H的单位为安/米(A/m) 。 磁感应强度B：表示材料在外磁场H的作用下在材料内部的磁通量密度，对于磁感应强度，则考虑介质特性，由介质和电流共同决定。B的单位为特斯拉(T)或Wb/m2。 B和H都是磁场向量，不仅有大小，而且有方向。,3. 2. 2 磁场强度、磁感应强度、磁化强度及其关
3、系,磁场强度和磁感应强度的关系为 B = H 式中，为磁导率，是材料的特性常数，表示材料在单位磁场强度的外磁场作用下，材料内部的磁通量密度(见图3.3(b)。的单位为亨/米(H/m)。,在真空中(见图3.3(a)，磁感应强度为 B0 = 0H 式中，0为真空磁导率，它是一个普适常数，其值为410-7 H/m。,描述固体材料磁性的参数有相对磁导率r，磁化强度M和磁化率。 相对磁导率r是材料的磁导率与真空磁导率0之比。,单位体积的磁矩称为磁化强度，用M表示，即M为在外磁场日的作用下，材料中因磁矩沿外场方向排列而使磁场强化的量度。M的大小与外磁场强度成正比： M=H 称为磁化率，也是无量纲参数。,上
4、述磁学量的单位，目前经常用国际单位制(SI)和高斯单位制(CGS)两种，容易引起混淆，为此在表3.2中列出了两种单位制中部分磁学量的换算关系。,材料的宏观磁性来源于原子磁矩。原子中每个电子都具有磁矩。产生磁矩的原因有两个：电子围绕原子核的轨道运动，产生一个非常小的磁场，形成一个沿旋转轴方向的轨道磁矩；每个电子本身自旋运动，产生一个沿自旋轴方向的自旋磁矩。 自旋磁矩有两个方向：一个向上，一个向下。因此，可以将原子中每个电子都看做一个小磁体。它具有永久的轨道磁矩和自旋磁矩。所以对于每个原子来说所具有的总磁矩称为元磁矩。,3. 2. 3 磁矩的起源,则根据磁矩的定义，电子的循轨运动相当一个闭合电流。
5、 = ISn,式中，e是电子的电荷；是电子循轨运动的角速度；r是轨道半径。 依据玻尔理论可知,则得,联立上两式，并取主量子数n=1，得出的磁矩可用B表示，这个最小的磁矩称为玻尔(Bohr)磁子,式中，e为电子电量；h为普朗克常量；m为电子质量。 B的数值为9.2710-24 Am2。量子力学证明原子中每个电子的自旋磁矩为,式中，s为自旋量子数，它仅能取1/2。,自旋磁矩在磁场中的投影值为+ B或- B(“+”号为自旋向上，“-”号为自旋向下)。轨道磁矩的大小为,式中，l是角量子数。,所有物质不论处于什么状态都显示或强或弱的磁性。根据物质磁化率，可以把物质的磁性大致分为五类。 根据各类磁体其磁化
6、强度与磁场强度的关系，可作出其磁化曲线。图3.5为它们的磁化曲线示意图。,3. 2. 4 物质的磁性分类,1. 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： (1) “经典”抗磁体，它的不随温度变化，如铜、银、金、汞、锌等； (2) 反常抗磁体，它的随温度变化，且其大小是前者的10100倍，如铋、镓、锑、锡、铟、铜-锆合金中的相等。,2. 顺磁体 磁化率为正值，约为10-3 10-6。它在磁场中受微弱吸力。又根据与温度的关系可分为： (1) 正常顺磁体，其随温度变化，与温度成反比。金属铂、钯、奥氏体
7、不锈钢、稀土金属等属于此类。 (2) 与温度无关的顺磁体，例如锂、钠、钾、铷等。,抗磁性也称逆磁性或反磁性。物质为什么会有抗磁性呢? 是由手电子的循轨运动在外磁场的作用下产生了抗磁磁矩所造成的，而不是电子的轨道磁矩和自旋磁矩产生的。 可以证明，在外加磁场的作用下，电子的循轨运动产生一个附加磁矩 ，其方向总是和外加磁场的方向相反，因而产生了抗磁性。,3. 3 抗磁性与顺磁性,抗磁性的特征是l。,3. 3. 1 抗磁性,为此，取两个电子，设其循轨运动的平面与磁场H的方向垂直，而与循轨运动的方向相反，图3.6所示。,对于一个电子产生的,可用公式表示,式(3.12)、(3.13)中的负号表示的方向与外
8、加磁场H的方向相反。还可看到，的大小和外加磁场强度成正比，这说明抗磁物质的磁化是可逆的，当外加磁场去除之后抗磁磁矩即消失。 对于1mol原子的磁矩应等于aNA，这里NA是阿伏加德罗常数。显然其磁化率为,对于一个原子来说，常常是有n个电子，这些电子又分布在不同的壳层上，它们有不同的轨道半径，故一个原子的抗磁磁矩为,既然抗磁性是由电子在轨道运动中产生的，而任何物质都存在电子的轨道运动，故可以说任何物质在外加磁场的作用下都要产生抗磁性。 但应注意，并不能说任何物质都是抗磁性物质，这是因为原子在外磁场作用下除了产生抗磁磁矩之外，还由轨道和自旋磁矩产生顺磁磁矩。在这种情况下只有那些抗磁性大于顺磁性的物质
9、才成为抗磁性的物质。 其中典型的抗磁性物质就是惰性气体，例如He，它的外层电子有两个，电子的磁矩平常是相互抵消的，故原子的磁矩为零，在外加磁场的作用下产生2的抗磁磁矩，所以它是典型的抗磁性物质。,顺磁物质的单个原子是有磁矩的，原子的磁矩在外磁场的作用下产生顺磁。对于金属来说，当点阵离子的顺磁矩和自由电子的顺磁矩大于外加磁场下产生的抗磁磁矩时，即表现为顺磁物质。,3. 3. 2 顺磁性,但是由于热振动的影响，在无外加磁场时其原子磁矩的取向是无序的，也就是磁矩沿着所有可能的方向分布着，如图3.7(a)所示。图中箭头是指磁矩的方向，此时物质的总磁矩为零。,假如将物质放在磁场中，原子磁矩便排向磁场方向
10、，总磁矩大于零，即表现为正向磁化，如图3.7(b)所示。 应当指出，当温度约为室温或室温以上范围时，顺磁物质的原子或分子热运动产生无序的倾向是很大的，所以进行磁化十分困难，故室温下磁化很微弱。,在室温下，使顺磁物质达到饱和磁化程度所需要的磁场 经计算约为81010 A/m，这在技术上是很难达到的。但是如果把测量温度降低到接近绝对零度，达到磁饱和就容易得多了。 例如顺磁体GdSO4在1K时，磁场强度只要有24104 A/m，便达到磁饱和状态，如图3.7(c)所示。可以认为，顺磁物质的磁化是磁场克服原子或分子热运动的干扰，使原子磁矩排向磁场方向的结果。,大多数物质都属于顺磁性物质，如室温下的稀土金
11、属，居里点以上的铁、钴、镍，还有锂、钠、钾、钛、铝、钒等均属于顺磁性物质。,顺磁物质原子的磁化率和温度有很强烈的依赖关系，一般通过居里定律来表示,此外，过渡族金属的盐也表现为顺磁性。,式中，C是居里常数，C=NB2/3k，这里N是1mol原子的原子数，k是玻耳兹曼常数；T是绝对温度。应当说，只有部分顺磁性物质能准确地符合这个定律，而过渡族金属元素居里定律实际上是不适用的，它们的原子磁化率和温度的关系要用居里-外斯定律表达,式中，C是常数；对于某一种物质来说也是常数，不同的物质可大于零或小于零。,对铁磁物质来说居里点(居里温度)以上是顺磁的，其磁化率大致服从居里-外斯定律，这时的为-，表示居里温
12、度，此时磁化强度M和磁场强度H保持着线性关系。 应当指出，抗磁磁化率和顺磁磁化率一般和磁场的强弱无关，而且磁化过程是可逆的。顺磁陛物质的磁化率是抗磁性物质磁化率的1 1000倍，所以在顺磁性物质中抗磁性被掩盖了。,某些金属(例如Cu)的3d电子层已填满，4s电子为自由电子，这时材料的磁性主要由自由电子产生。自由电子的磁性来源于电子的自旋磁矩，在外磁场作用下，自由电子的自旋磁矩转到外磁场方向，因而显示顺磁性。,3. 3. 3 自由电子的顺磁性和抗磁性,设单位体积金属中有N个自由电子。在0K温度，按照费米统计，这些电子分布在N/2个能级上。每个能级上有两个自旋方向相反的电子，电子的总自旋磁矩等于零
13、或几乎等于零。电子具有的最高能量为EF(0)，图3.8所示。,自由电子的顺磁磁化率,自由电子的顺磁磁化率与温度关系不大(因为EF(0)与温度关系不大)，基本上是一常数。,自由电子的顺磁性，又称泡利顺磁性，可以从能级密度Z(E)与能量E的关系图得到说明，如图3.9所示。,假设自由电子处于基态，自由电子填满费米能以下各能级，图中阴影线部分的面积恰好表示填充的数目。 没有外磁场时，自旋相反的两种自由电子数目相等，那么总自旋磁矩为零。当有外磁场B0时，自旋磁矩B平行于外磁场的自由电子有附加势能 -BB0，能量降低了；而自旋磁矩同磁场方向相反的电子的附加能量为+BB0，能量升高了。,在费米能级EF附近，
14、有一部分磁矩本来同磁场反平行的电子，变到同磁场平行的方向，直到两种磁矩取向的电子最高能量相等。这样就必然改变电子的填充状态，原来虚线上的电子自旋磁矩将反转方向，由反平行转为平行于外磁场方向，从而增加了平行自旋电子数，结果显示了顺磁性。,铁磁性金属材料铁、钴、镍及其合金，以及稀土族元素钆、镝等都很容易磁化，在不很强的磁场作用下，就可得到很大的磁化强度。 如纯铁B0 = 10-6 T时，其磁化强度M = 104 A/m，而顺磁性的硫酸亚铁在10-6 T下，其磁化强度仅有10-3 A/m。并且磁学特性与顺磁性、抗磁性材料不同，主要特点表现在磁化曲线和磁滞回线上。,3. 4 铁磁性材料的特性,随磁化场
15、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。Ms称为饱和磁化强度，Bs称为饱和磁感应强度。磁化至饱和后，磁化强度不再随外磁场的增加而增加,3. 4. 1 磁化曲线,铁磁性物质的磁化曲线(M-H或B-H)是非线性的。如图3.10中OKB曲线所示,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。但M并不按照磁化曲线反方向进行，而是按另一条曲线改变，如图3.10中的BC段所示。,减小到零时，M=Mr(或Br = 4Mr)。Mr、Br分别称为剩余磁化强度、剩余磁感强度(简称剩磁)。如果要使M=0(或B=0)，则必须加上一个反向
16、磁场以，称为矫顽力。通常把曲线上的CD段称为退磁曲线。从这里可以看出，退磁过程中M的变化落后于H的变化，这种现象称为磁滞现象。,当反向H继续增加时，最后又可以达到反向饱和，即可达到图3.10中的E点。如再沿正方向增加H，则又得到另一半曲线EFGB。从图上可以看出，当H从+Hm变到-Hm再变到+Hm试样的磁化曲线形成一个封闭曲线，称为磁滞回线。 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。,在磁化曲线起始部分的磁导率为起始磁导率，其定义为,在磁化曲线的拐点处K的斜率m为最大磁导率。,1外斯假说 1907年法国科学家外斯系统地提出了铁磁性假说，其主要内容有： 铁磁物质内部存在很强的“分子场”，在“分子场”的作用下，原子磁矩趋于同向平行排列，即自发磁化至饱和，称为自发磁化； 铁磁体自发磁化分成若干个小区域(这种自发磁化至饱和的小区域称为磁畴)，由于各个区域(磁畴)的磁化方向各不相同，其磁性彼此相互抵消，所以
