材料的磁性能21

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1、第五章 材料的磁性能,根据记载的“司南”模型,公元前4世纪，中国发明了司南。后来，出现了指南针。 公元前3世纪，战国时期，中这样记载：“先王立司南以端朝夕”。中记载：“郑人取玉，必载司南，为其不惑也”。 公元1世纪，东汉，王充在中写道：“司南之杓，投之于地，其柢指南”。 公元11世纪，北宋，沈括在中提到了指南针的制造方法：“方家以磁石磨针锋，则能指南水浮多荡摇，指抓及碗唇上皆可为之，运转尤速，但坚滑易坠，不若缕悬之最善。”同时，他还发现了磁偏角，即：地球的磁极和地理的南北极不完全重合。,磁性材料发展简历,公元17世纪，英国的吉尔伯特发表了世界上第一部磁学专著。 公元18世纪，瑞典科学家在磁学著

2、作中对磁性材料的磁化作了大胆的描绘。 公元19世纪，近代物理学大发展，电流的磁效应、电磁感应等相继被发现和研究，同时磁性材料的理论出现，涌现出了象法拉第、安培、韦伯、高斯、奥斯特、麦克丝韦、赫兹等大批现代电磁学大师。 20世纪初，法国的外斯提出了著名的磁性物质的分子场假说，奠定了现代磁学的基础。,磁性材料发展简历,1 磁性的基本概念及基本量,一磁性的基本概念 1 磁化 2 磁介质,二 磁学基本量,1 磁矩（磁偶极矩） 2 磁矩在外磁场中的转矩： 3 磁矩在外磁场中的静磁能： 4 磁化强度： 5 磁感应强度： 6 磁化系数与磁导率：,三 物质的磁性分类,四 原子的本征磁矩 抗磁性 顺磁性,1 原

3、子的本征磁矩 1）电子的轨道磁矩,2）电子的自旋磁矩,3）原子核磁矩,4）原子固有磁矩,洪德准则,在元素周期表中，过渡族金属元素包括铁族(即3d壳层)、钯族(4d壳层)、铂族(56壳层)和锕族(6d壳层)等。其中铁族元素的磁性最强，应用广泛，研究这类磁体的磁性意义重大。这些过渡族金属元素的磁行为特点是d壳层上的磁性电子对磁矩作贡献，但d壳层上的电子受外界环境因素影响大，存在轨道角动量“冻结”现象，计算的离子磁矩要比实验值大。这是因为计算式是在自由原子状态下获得的，不受周围其它原子的相互作用时，由原子自身的总动量矩所产生的磁矩。而实际测得的磁矩，并不是单个自由原子或自由离子的磁矩，往往小于计算值

4、。,2 固体的抗磁性 抗磁性是所有物质的一种本性。无论是价电子或芯电子的运动所引起的电流在外磁场作用下都会产生与外磁场方向相反的磁矩。,1）芯电子的抗磁性（半经典理论） 每个芯电子都有自己的运动轨道，在外磁场作用下，电子轨道绕H进动，进动角频率为，称为Lamor进动。由于轨道面绕磁场进动，使电子的运动速度有一个变化v，电子轨道磁矩增加 ，但方向与磁场相反，使总的电子轨道磁矩减小，表现出抗磁性。,2 固体的抗磁性 2）自由电子的抗磁性（量子理论） 朗道抗磁性,3 固体的顺磁性,引起固体顺磁性的原因： 固体中存在具有固有磁矩的顺磁离子 固体中自由电子的自旋磁矩 固体中存在束缚于缺陷或杂质上的单个电

5、子的自旋磁矩 1）固有磁矩的计算（ppt第12页） 2）洪德定则及顺磁离子（ppt第12-15页） 3）顺磁离子的磁化率（郎之万顺磁磁化率）,3 固体的顺磁性,4）自由电子的顺磁性 自由电子的自旋磁矩在外磁场下的转向引起的顺磁性。也称泡利顺磁性,小结,抗磁体最本质的特征：固体中所有原子的固有磁矩为零。 顺磁体最本质的特征：材料内部含有浓度可观的因不满电子壳层而具有固有磁矩的离子（顺磁离子）。顺磁磁化率依赖于温度。 大多数金属都是顺磁体。这是由于金属中有大量自由电子，每个电子有两个自旋态，有其自旋磁矩。在无外磁场时，电子在这两个自旋态的概率相等，总体上表现出没有磁矩。在外磁场中，自旋磁矩方向与外

6、磁场平行的状态被电子占据的概率增大，因而总磁矩与外磁场方向一致。在外磁场中自由电子的轨道发生改变产生相应的总抗磁磁矩，但其值为总顺磁磁矩的三分之一。因此，金属自由电子气的净磁矩是顺磁的，与由顺磁离子引起的顺磁性不同，金属的磁化率与温度无关。,2 铁磁性和亚铁磁性材料的特征,一 磁化曲线 起始磁导率 最大磁导率,(M),二 磁滞回线 饱和磁化强度 剩余磁化强度 矫顽力,三 铁磁状态的能量,1 静磁能,2 退磁场与退磁能,N为退磁因子，与铁磁体形状有关，总的来说铁磁体形状越粗短，N越大。,有限几何尺寸的磁性体，在外磁场中被磁化，磁体的表面将产生磁极，使磁体内部存在与磁化强度M方向相反的一种磁场Hd

7、，起着退磁化的作用，称为退磁场。,简单几何体的退磁因子,3 交换能,A：相邻原子间的交换积分。Si Sj为相邻原子的自旋角动量算符,4 磁晶各向异性能 显然沿铁磁体的难、易磁化轴磁化时所需要的磁化能的大小是不同的。在易磁化方向需要的磁化能最小，而难磁化方向需要的磁化能最大。这种同磁化方向有关的能量称为磁各向异性能。 磁各向异性能定义为饱和磁化强度矢量在铁磁体中取不同方向而改变的能量。磁晶各向异性能与磁化强度矢量在晶体中相对晶轴的取向有关。 5 形状各向异性能,6 磁致伸缩与磁弹性能,磁致伸缩系数 正磁致伸缩 Fe 负磁致伸缩 Ni, Co 饱和线磁致伸缩系数 为常数 磁弹性能,3 铁磁材料的自

8、发磁化与技术磁化,一 铁磁材料的自发磁化理论 1 铁磁性产生的原因 1）铁磁性分子场理论： 1907年由外斯提出 2）直接交换作用：1928年 弗伦克尔提出 海森堡证明,自发磁化理论,外斯铁磁性分子场理论 原子磁矩在分子场作用下自发平行取向，自发磁化按区域分布，各自发磁化区域称为磁畴,交换作用理论 解释了外斯分子场的起源，归结为量子力学中相邻原子中电子的交换作用的结果。 得到了物质呈现铁磁性的2个条件,铁磁性分子场理论（外斯分子场理论）,分子场假设 铁磁性物质在一定温度范围内(从0K到居里点)存在与外加磁场无关的自发磁化，导致自发磁化的某种作用力假设为铁磁性物质内存在着分子场。这个分子场的大小

9、达到109Am-1的数量级，原子磁矩在分子场作用下，自发地平行一致取向。所以，克服热运动的无序效应不是由于外磁场而是分子场所引起的。 磁畴假设 自发磁化是按区域分布的，各个自发磁化区域你为磁踌。在无外磁场时，磁畴都是自发磁化到饱和，但各磁畴自发磁化的方向有一定分布使宏观磁体的总磁矩等于零。,直接交换作用,磁性分子场理论，成功地解释了铁磁体内存在自发磁化及其依赖于温度的关系。但是，外斯分子场的起源，分子场理论本身并未解决。只有到量子力学建立后，才能真正解决这个长期未获解决的理论问题。1928年，弗伦克尔最先提出铁磁体内的自发磁化是起源于电子间的特殊相互作用，这种相互作用使电子自旋平行取向；与此同

10、时，海森堡证明，分子场是量子力学交换相互作用的结果。这种交换相互作用不再是经典的，纯属量子效应。从此，人们认识到：铁磁性自发磁化起源于电子间的静电交换相互作用。,单电子系统,多电子系统,氢分子及 反铁磁体A0,2 铁磁性的条件,原子固有磁矩不为零： 电子壳层未被填满 交换积分A0：原子波函数在核附近的数值应该很小，这意味着两个近邻原子的“电子云”在中间区域有可能重达很多。近邻原子间距R(即晶格常数a)应适当地大于电子的轨道平均半径。,3 反铁磁性和亚铁磁性,1）反铁磁性：A0，相邻原子磁矩反向排列，大小相等 2）亚铁磁性：A0，相邻异类离子磁矩反向排列，大小不等，二者之差表现为宏观磁矩,居里温

11、度 奈尔温度 居里温度,反铁磁体MnO的原子磁矩排列,亚铁磁体Fe3O4（反尖晶石结构）的原子磁矩排列,32个O2-，16个Al3+（B位，氧八面体中心），8个Mg2+（A位，氧四面体中心）。 8个Fe3+ 占A位，剩余8个Fe3+ 和8个Fe2+ 占B位，A位与B位处的原子磁矩反向平行排列。,4 磁畴,1）概念 2）形成磁畴的根本原因 根据热力学平衡原理：稳定的磁状态与铁磁体内总自由能为极小状态相对应 退磁场能要求最小是形成磁畴的根本原因。 减少退磁能是分畴的基本本动力。,根据现代理论，铁磁质相邻原子的电子之间存在很强的“交换耦合作用”，使得在无外磁场作用时，电子自旋磁矩能在小区域内自发地平

12、行排列，形成自发磁化达到饱和状态的微小区域。这些区域称为“磁畴”,多晶磁畴结构示意图,磁畴形貌,铁,硅铁,钴,磁畴起因,铁磁体自发磁化 表面出现磁极 出现退磁场 分畴,减小Ed,畴壁能增加,抑制,3）磁畴壁 两相邻磁畴之间的过渡区域，有一定的厚度，内部的原子磁矩逐渐转向。 分类 能量 结构,畴壁中磁矩转向的情况,磁畴壁的分类,180 壁与 90 壁 布洛赫壁与奈耳壁,畴壁的能量,交换能 磁晶各向异性能,畴壁能与壁厚的关系,4）杂质对畴壁的影响,杂质对畴壁的吸引作用,铁磁体自发磁化的根源是什么？ 形成铁磁体的条件有哪些？ 什么是磁畴？磁畴壁有何特点？ 试画出铁磁体、亚铁磁体及反铁磁体相邻磁矩排列

13、状况的示意图。,复习提问,二 铁磁性材料的技术磁化,1 磁化曲线,(M),2 技术磁化的微观机制,(M),畴壁的可逆迁移区,畴壁的不可逆迁移区,磁畴的旋转区,铁磁性材料的技术磁化是磁畴及畴壁在外磁场作用下的微观行为的宏观表现。,磁畴壁向哪里迁移呢？为什么向这个方向迁移呢？,磁畴壁迁移的实质又是什么呢？,磁畴壁的可逆迁移与不可逆迁移如何解释？,1）磁畴壁的迁移,问题1：磁畴壁迁移的方向,磁畴壁迁移的方向：向磁畴2迁移,原因：向这个方向移动，可以降低体系的能量，使体系趋于稳定。,解答：为减小体系的能量，畴壁向静磁能较大的那个磁畴迁移，使静磁能较小的磁畴增大，铁磁材料沿外磁场方向的磁化强度逐渐增大。

14、,问题1：磁畴壁迁移的方向,问题2：磁畴壁的可逆迁移与不可逆迁移,1）内应力理论,可逆,不可逆,2）杂质理论,问题3：磁畴壁迁移的实质,磁畴壁迁移的实质：壁内原子磁矩的逐渐转向,A,A,2）磁畴的旋转,外磁场继续增大，磁畴内的磁矩将发生旋转，沿磁场方向的磁化强度将增大，直至饱和。,SMSE,结论：,铁磁性材料的技术磁化是磁畴及磁畴壁在外磁场中的微观行为的宏观反映； 不是外磁场使铁磁性材料的原子磁矩增大了，而是使原子磁矩发生了一致的取向，使得沿外磁场方向的磁化强度分量增大； 其机制主要是磁畴壁的迁移与磁畴的旋转。,3 磁畴壁位移阻力,内应力 杂质 4 磁滞理论 当铁磁性材料磁化到饱和后，饱和磁化

15、强度Ms的方向，一般不与晶体的易磁化方向重合的。当取消外磁场之后，就要发生磁畴的旋转，其磁化方向转向晶体的易磁化方向(与外磁场最近的)。此时材料的磁化强度在外磁场方向的投影就是所谓的剩磁Ms 。消除剩磁，必须加反向磁场，以推动磁畴壁的反向迁移。这就是磁滞回线个退磁曲线那一段形成的原因。,5 影响合金铁磁性及亚铁磁性的因素,组织不敏感的参量：与自发磁化有关的参量 组织敏感的参量：与技术磁化有关的参量 1）温度 在低于居里温度的条件下。各类铁磁和亚铁磁性均随温度升高而有所下降。直到居里点温度附近，有一个急剧下降。 铁磁性与温度的关系 亚铁磁性与温度的关系 多相铁磁体与温度的关系,多相铁磁体与温度的

16、关系,热磁曲线,2）加工硬化与再结晶退火,3）合金元素,a)形成固溶体 b)形成化合物或中间相 c)形成多相合金,a) 形成固溶体：,置换式固溶体，如硅钢， 坡莫合金 间隙式固溶体，磁性比置换固溶体差，如碳钢 以铁为例，除钴以外，绝大多数合金元素都将降低饱和磁化强度。 铁磁体中有非铁磁组元，TC降低（Fe-V，Ni-W除外） 铁磁性金属+顺磁性或抗磁性金属，MS降低 铁磁性金属+过渡族金属，规律不同 铁磁性金属+铁磁性金属，磁性变化复杂,硅钢,Fe(wFe=3580%)-Ni 合金，fcc结构,坡莫合金(permalloy),碳钢,合金元素对Fe的饱和磁化强度的影响,顺磁或抗磁性金属元素对Ni磁矩的影响,两种铁磁性金属组成的置换固溶体,b)形成化合物或中间相,铁磁金属与顺磁或抗磁金属组成的化合物或中间相： MS降低，呈顺磁性（Fe7Mo6，FeZn7 ， Fe3Cu， FeSb2， NiAl，CoAl） 铁磁金属与非金属组成的化合物： 呈亚铁磁性（ Fe3O4， FeSi2， FeS等）或 弱铁磁性（Fe3C，Fe4N）,