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1、材料物理性能,教 师:陈国钦联系电话:13895774009电子邮件:办公地址:哈尔滨工业大学 科学园C3栋505,第六章 材料磁性能,6.1 磁学基本量及磁性分类6.2 铁磁性和亚铁磁性材料的特性6.3 磁性材料的自发磁化和技术磁化,6.1 磁性基本量及磁性分类,1.磁学基本量: 1)磁场强度H:一根通有I安培(A)直流电的无限长直导线,在距导线轴线r米(m)处产生的磁场强度: 2)磁偶极矩m:环形电流在其运动中心处产生一个磁矩(或称磁偶极矩): 3) 磁感应强度B:材料在磁场强度为H的外加磁场作用下,会在材料内部产生一定的的磁通量密度,称其为磁感应强度B。单位:特斯拉(T),或韦伯/米2(
2、Wb/m2),或(VS/m2) 式中:u为磁导率,是材料的本征参数,表示材料在单位磁场强度的外加磁场作用下,材料内部的磁通量密度。在真空中 0为真空磁导率,0=410-7 (H/m),(A/m),(A m2),6.1 磁性基本量及磁性分类,1.磁学基本量: 4)相对磁导率r: 5)磁化率X: 6) 磁化强度M: 当M,B与H相互平行时,X和r为标量,否则,它们为多阶张量。 磁感应强度还可写成: 材料的宏观磁性是组成材料的原子中电子的磁矩引起的,产生磁矩的原因有两个 (1)电子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; (2)电子绕自身的旋转轴运动,产生自旋磁矩,
3、它比轨道磁矩要大得多。 因此可以把原子中每个电子都看作一个小磁体,具有永久轨道磁 矩和自旋磁矩。,1)H(A/m) -E (V/m) : 导致极化的外部驱动力的量度; 2)B ( VS/m2) -P (C/m2):材料对外部作用场的响应的量度; 3) X() - Xe 无量纲,描述材料对外部作用场的响应; 4) 0-0 建立材料的相应参数和尺度参比量,2.磁性参数与介电参数的比较,6.1 磁性基本量及磁性分类,例:将Al磁化到磁感应强度与地球的磁感应强度相同(6 10-5T),Al的磁化率X=16.510-6),求施加的外部磁场强度。,6.1 磁性基本量及磁性分类,3.物质的磁性分类: 根据固
4、体中电子与外部磁场之间交互作用的性质与强度,将材料分为5类: 与外部无响应(基本): 抗磁性 顺磁性 X 1 反铁磁性 与外部磁场有强烈的相互作用: 铁磁性 X1 亚铁磁性,6.1 磁性基本量及磁性分类,4.抗磁性/顺磁性 1)抗磁体:内部磁场M与外部磁场H的方向相反(X1, 在较低的温度下,铁磁物质中相邻原子磁偶极矩之间的交换作用,其强度可以克服热起伏的影响,结果没有外部磁场的作用下,相邻的偶极子也彼此整齐的排列。 例:纯铁- B0=10-6T时,其磁化强度M=104A/m FeSO4(顺磁性), B0=10-6T时,其磁化强度M=0.001A/m 具有铁磁性的物质满足以下条件: 1) 内层
5、电子未填滿, 2) 未填满的电子层有较小的轨道半径 3) 未填满的电子层的电子能带很窄 上述条件在Fe, Co, Ni的 3d能带及稀土金属的4f得到满足:,6.2 铁磁性和亚铁磁性材料的特性,1. 铁磁性居里温度 对于所有的磁性材料来说,并不是在任何温度下都具有磁性。一般地,磁性材料具有一个临界温度Tc,在这个温度以上,由于高温下原子的剧烈热运动,原子磁矩的排列是混乱无序的。在此温度以下,原子磁矩排列整齐,产生自发磁化,物体变成铁磁性的。 居里温度是指材料可以在铁磁体和顺磁体之间改变的温度。低于居里温度时该物质成为铁磁体,此时和材料有关的磁场很难改变。当温度高于居里温度时, 该物质成为顺磁体
6、,磁体的磁场很容易随周围磁场的改变而改变。这时的磁敏感度约为10的负6次方。,6.2 铁磁性和亚铁磁性材料的特性,2. 磁化曲线特征: 非线性的, Ms: 饱和磁化强度; Bs: 饱和磁感应强度 (1) 起始磁导率(ui ): 磁化曲线起始部分的斜率. (2) 最大磁导率(um ): 磁化曲线拐点k处的斜率,6.2 铁磁性和亚铁磁性材料的特性,3. 磁滞回线 当H下降时,B-C-D-E Mr: 剩余磁化强度 Br: 剩余磁感应强度 Hc: 矫顽力得封闭曲线:EFG-B (1) 退磁过程中M的变化落后于H的变化-磁滞现象; (2) 试样的磁化曲线形成一个封闭曲线-磁滞回线。磁滞回线所包围的面积表
7、征磁化一周时所消耗的功,称为磁滞损耗Q,6.2 铁磁性和亚铁磁性材料的特性,4. 磁晶各向异性和各向异性能 1) 磁性的各向异性:在单晶体的不同晶向上,磁性能是不同的。 磁化功:使铁磁体磁化消耗的能量。 磁晶各向异性能:磁化强度矢量沿不同晶轴方向的能量差。 2)对于 Fe, Ni, Co,6.2 铁磁性和亚铁磁性材料的特性,4. 磁晶各向异性和各向异性能 3) 对于立方晶系:设,分别为磁化强度M与三个晶轴方向的余弦,即 有: Ek: 磁晶各向异性能 K0:主晶轴方向磁化能量,与变化的磁化方向无关。 K1,K2:磁晶各向异性常数,由原子结构决定。一般情况下,K2可以忽略。,6.2 铁磁性和亚铁磁
8、性材料的特性,5. 铁磁体的形状各向异性及退磁能 1) 形状各向异性:对一定形状的材料,沿不同方向测得的磁化曲线是不同的。 2)静磁能:铁磁体在磁场中的能量。包括铁磁体与外磁场 的作用和铁磁体在自身退磁场中的能量。 3)退磁场:形状各向异性是由退磁场引起的。 退磁场强度: 退磁场强度与磁化强度成正比, 负号表示退磁场的方向与磁化强度的方向相反。 D为退磁场因子,与形状有关。,6.2 铁磁性和亚铁磁性材料的特性,5. 磁致收缩与磁弹性能 1) 磁致收缩:铁磁体在磁场中磁化,形状与尺寸都会发生变化。 特性:(1)与磁场强度有关 (2)与磁化方向成角度时,有: (3) 各向异性 2)磁弹性能:磁化时
9、材料变化尺寸受限制,产生应力,从而产生弹性能,物体内部的缺陷,杂质都可能增加其磁弹性能。,6.3 磁性材料的自发磁发和技术磁发,1. 自发磁发理论 1) 铁磁性产生的原因: (a) 自发磁化的根源是原子磁矩,而且起主导作用的是电子的自旋磁矩。在电子壳层存在没有被电子填满的状态是产生铁磁性的必要条件。 (b) 原子之间的相互键合作用是否对形成铁磁有利。 原子形成分子 -电子云相互重叠,电子相互交换位置-交换能(Eex)-使相邻原子内d层未抵消的自旋磁矩同向排列。 A: 交换积分常数,为相邻的两个电子自旋磁矩的夹角,6.3 磁性材料的自发磁发和技术磁发,1. 自发磁发理论交换积分A: A0时,相邻
10、原子磁矩同向排列,从而实现自发磁发,产生铁磁性 本质:静电力迫使电子自旋磁矩平行排列 与电子运动状态的波函数有关,还与原子核之间的距离有关Rab 只有当 Rab / r 3时,A才为正。 r为参加交换作用的电子距核的距离 (电子壳层的半径)铁磁性产生的条件:(1) 原子内部要有未填满的电子壳层(本征磁矩不为0)(2) Rab/r 3,使交换积分A为正。(一定的晶体结构),6.3 磁性材料的自发磁发和技术磁发,2) 反铁磁性和亚铁磁性: 所有偶极子指向相同的方向-铁磁性 但有其它特殊的情况: 方向交替变化的偶极子具有相同的大小:反铁磁性 如果相反方向交替排列的两种偶极子大小不同:亚铁磁性,相邻磁
11、偶极子之间的3种相对取向有关系a) 反铁磁性的物质: 纯金属:a-Mn, Cr MXn的化合物,M:过渡金属原子;X:电负性原子(O,S,Fe,F),n=1或2. 例:MnO, CuO, NiO 只有一种类型的金属原子-偶极子大小相同,6.3 磁性材料的自发磁发和技术磁发,2) 反铁磁性和亚铁磁性:,b) 亚铁磁性的物质: 晶体结构中不只有一种类型的金属原子,材料可能会出现亚铁磁性。 典型的材料为氧化物陶瓷材料: 立方铁氧体(MFe2O4 M: 二价过渡金属 Ni, Co, Fe, Mn, Zn) 稀土铁氧体(M3Fe5O12 M:三价稀土金属 Y,Cd) 六方铁氧体(MFe12O19 M:第A族2价金属 Ba, Ca, Sr) 用途:变压器的铁心,电感器,及存储器例:判断下属材料是反铁磁还是亚铁磁的;如果是亚铁磁材料,请预测它是一种立方铁氧体,稀土铁氧体还是六方铁氧体。 CrF2, MnFe2O4, CaFe12O19, CuO, Cd3Fe5O12,