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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,
