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1、第二十一章 磁性（magnetic properties） 磁偶極 (magnetic dipole)磁場向量磁矩來源 (magnetic moment)反磁與順磁 (dia-, para-)鐵磁、反鐵磁與亞鐵磁 (ferro-, antiferro-, ferri-) 1材料科学工程导论mse-21磁性溫度對磁性影響磁區 (domain) 與磁滯 (hysteresis)軟磁材料 (soft-)硬磁材料 (hard-)高能硬磁材料磁儲存、超導性 2材料科学工程导论mse-21磁性Magnesia: mineral ingredient of the philosophers stone, f
2、rom Medieval Latin, from Greek, a kind of ore, from Magnesia, an ancient city of Asia Minor磁：慈石 3材料科学工程导论mse-21磁性十二世紀：中國人航海十八世紀：Coulomb研究磁石作用1820：Oersted（1777-1851），電流偏折磁針電荷使電場扭曲（distortion）：磁場磁場是電場相對論性質副產品 4材料科学工程导论mse-21磁性磁性發電機、變電器、馬達、收音機、電視、電話、計算機、視聽系統鐵、某些鋼鐵、天然磁石磁場對所有物質都有影響 5材料科学工程导论mse-21磁性磁偶極 (
3、magnetic dipole)磁場、磁力線 (field line)想像的工具 (imaginary tool)電流圈 (current loop)、磁棒 (bar) 6材料科学工程导论mse-21磁性7材料科学工程导论mse-21磁性磁偶極與電偶極相似想像為一包含南北極小磁棒由箭頭代表，由南指向北磁場對磁偶極產生一力矩：順向 8材料科学工程导论mse-21磁性9材料科学工程导论mse-21磁性磁場向量磁場強度 （magnetic field strength）H：外加磁場如磁場由一圓柱形線圈（螺形線圈）產生設線圈含有N密接圈、長度為L，電流IH = N I /L 10材料科学工程导论mse
4、-21磁性磁感應（magnetic induction）B磁通量密度（magnetic flux density）物質內部磁場B = H：導磁率（permeability） 11材料科学工程导论mse-21磁性真空中B0 = 0 H0 ：真空導磁率1.257 x 10-6 H/m 12材料科学工程导论mse-21磁性13材料科学工程导论mse-21磁性相對導磁率：/0材料磁化程度外加磁場引致磁感應之難易 14材料科学工程导论mse-21磁性磁化（magnetization）MB = 0 H +0 MB = B0 +0 MM = m Hm ：磁化率（magnetic susceptibility
5、） 15材料科学工程导论mse-21磁性B = 0 H +0 M =0 (1 +m)B = H =r0 Hm = r 1 16材料科学工程导论mse-21磁性磁矩來源磁性由電子磁矩而來軌道運動自旋 17材料科学工程导论mse-21磁性18材料科学工程导论mse-21磁性最基本磁矩：Bohr磁子（magneton）BPauli soon introduced the atomic magneton and named it after Niels Bohr.（1925） 9.27 x 10-14 A-m2自旋磁矩： B軌道磁矩： mlB 19材料科学工程导论mse-21磁性20材料科学工程导论m
6、se-21磁性原子磁矩各電子磁矩總和原子電子層或次層完全填滿：磁矩為零He, Ne, Ar以及某些離子材料 21材料科学工程导论mse-21磁性反磁性（diamagnetism）與順磁性（paramagnetism）反磁性：由外加磁場改變電子軌道運動而來r 110-5 10-2 24材料科学工程导论mse-21磁性25材料科学工程导论mse-21磁性26材料科学工程导论mse-21磁性鐵磁性大而永久磁化Fe, Co, Ni, Gd磁化率： 106 27材料科学工程导论mse-21磁性28材料科学工程导论mse-21磁性B = 0 M電子自旋磁矩偶合相互作用：電子自旋對齊偶合作用受電子結構影響磁
7、域（domain） 29材料科学工程导论mse-21磁性飽和（saturation）磁化最大（maximum）磁化 飽和磁通量密度淨磁矩與原子數目乘積Fe : Co: Ni = 2.22 : 1.72 : 0.6 30材料科学工程导论mse-21磁性例21.1 Ni 之飽和磁化與飽和磁通量密度Ms = 0.60 B NN= 9.13 x 1028 atoms/m3Ms = 5.1 x 105 A/mBs = 0 Ms = 0.64 tesla 31材料科学工程导论mse-21磁性32材料科学工程导论mse-21磁性反鐵磁性（anti-ferromagnetism）電子自旋對齊與磁場反向MnOM
8、n2+，O2-Mn2+：淨磁矩，主要為自旋磁矩鄰近Mn2+磁矩反向：淨磁矩=0 33材料科学工程导论mse-21磁性34材料科学工程导论mse-21磁性亞鐵磁性（ferrimagnetism）淨磁矩來源MFe2O4Fe3O4：磁石 35材料科学工程导论mse-21磁性36材料科学工程导论mse-21磁性37材料科学工程导论mse-21磁性38材料科学工程导论mse-21磁性例21.2 Fe2O3 之飽和磁通量密度立方晶包：8 Fe2+, 16 Fe3+ ， a = 0.839 nmMs = N B N N = n = nB B/V/Vc c8 x 4 = 32Ms = 5.0 x 105 A/
9、m 39材料科学工程导论mse-21磁性設計例21.1 設計Ms 為 5.25 x 105 A/m磁石材料nB = 33.45 Bohr magneton8 5 + 4 (1-x) = 33.45x = 0.181用Mn取代 40材料科学工程导论mse-21磁性溫度對磁性影響熱振動：磁矩轉向較易溫度升高：磁化降低Curie溫度（Tc）：M =0Tc：768（Fe），1120（Co），335（Ni），586（Fe3O4） 0CNeel溫度：反鐵磁 M=0 41材料科学工程导论mse-21磁性42材料科学工程导论mse-21磁性磁域（domain）與磁滯（hysteresis）Hysteresis
10、: Greek, a shortcoming, from husterein, to come late, from husteros, late磁域：磁矩同方向區域磁域界（domain boundary，wall）磁域界磁矩方向逐漸改變每一晶粒可能有多於一之磁域M為各磁域磁化向量和 43材料科学工程导论mse-21磁性44材料科学工程导论mse-21磁性45材料科学工程导论mse-21磁性46材料科学工程导论mse-21磁性鐵磁與亞鐵磁B-H曲線Ms：飽和磁化 ， （H）H = 0，i ：初始導磁率（initial permeability）H增加，磁域界移動，磁域逐漸改變，磁矩方向轉向，漸
11、與磁場平行，單一磁域（飽和磁化） 47材料科学工程导论mse-21磁性H降低，B降低速率較低：磁滯H = 0，Br ：殘留磁場密度（remanence）H降低，磁域界移動阻抗B = 0，-Hc：保磁力（coercivity）反向飽和磁化，-Br，+ Hc消磁（demagnetizing） 48材料科学工程导论mse-21磁性49材料科学工程导论mse-21磁性50材料科学工程导论mse-21磁性軟磁材料磁化-去磁環：磁能損失，熱軟磁：交流磁場，變壓器核心磁滯環面積小i高，Hc小 51材料科学工程导论mse-21磁性52材料科学工程导论mse-21磁性53材料科学工程导论mse-21磁性54材料
12、科学工程导论mse-21磁性飽和磁化由材料成份決定磁化率，Hc與結構變數有關缺陷或非磁性粒子阻礙磁域界移動：Hc增加 55材料科学工程导论mse-21磁性電阻Eddy（渦）電流減少能量損失：電阻率高Fe-Si，Fe-Ni合金陶屬亞鐵鹽熱處理：方形磁滯環 （某些放大器、脈衝變壓器） 56材料科学工程导论mse-21磁性硬磁材料高殘留磁場密度（remanence）、保磁力（coercivity）、飽和磁場密度、低初始導磁率保磁力能量積（BH）max永久磁鐵消磁所需能量 57材料科学工程导论mse-21磁性58材料科学工程导论mse-21磁性59材料科学工程导论mse-21磁性一般硬磁材料（BH）m
13、ax ：2-80 kJ/m2磁性鋼鐵，Cu-Ni-Fe合金（cunife），alnico（Al-Ni-Co），六方形ferrite（BaO-6Fe2O3） 60材料科学工程导论mse-21磁性硬磁材料含 W and/or Cr +CW, Cr 碳化物：阻礙磁域界運動熱處理：極小單磁域晶粒強磁Fe-Co微粒 61材料科学工程导论mse-21磁性高能硬磁材料（BH）max 80 kJ/m2SmCo5、Nd2Fe14B 62材料科学工程导论mse-21磁性SmCo5：Co, Fe與輕稀土元素（BH）max ：120-240 kJ/m2Hc高（9,000 Oe）粉末冶金方法 63材料科学工程导论mse
14、-21磁性Nd2Fe14B：Sm較貴重Co：價格不穩定（BH）max ：255 kJ/m2Hc高（10,600 Oe） 64材料科学工程导论mse-21磁性磁化-消磁磁域界運動：製程控制小晶粒形狀、大小、方向第二相顆粒特性與分佈Nd2Fe14B：粉末冶金方法、快速固化 65材料科学工程导论mse-21磁性硬磁應用 馬達：硬磁電力需求較低、散熱問題小 尺寸較小，用於馬力小馬達無線鑽床、螺絲起子、汽車（起動、電動窗、雨刷、洗窗噴射器、風扇）、錄影機、錄音機、時鐘、音響喇叭、耳機、助聽器、計算機周邊設備 66材料科学工程导论mse-21磁性磁儲存錄音帶，錄影帶，錄影機，硬碟機，軟碟片，硬碟片，信用卡
15、計算機：半導體元件記憶體硬碟：容量大，成本低錄音與電視業：磁帶 67材料科学工程导论mse-21磁性磁儲存媒體：磁帶或磁片轉錄或擷取：感應讀寫磁頭感應讀寫磁頭：感應線圈，磁芯數據資料：電子訊號產生磁場磁化磁帶或磁片：儲存訊號 68材料科学工程导论mse-21磁性感應讀寫磁頭擷取儲存訊號磁場改變：產生電子訊號（電壓）放大與轉換 69材料科学工程导论mse-21磁性複合磁頭感應寫磁頭磁阻讀磁頭（magnetoresistive head）磁頭電阻因磁場變化而改變高靈敏度與數據資料轉換速率 70材料科学工程导论mse-21磁性鐵磁與亞鐵磁B-H曲線Ms：飽和磁化 ， （H）H = 0，i ：初始導磁
16、率（initial permeability）H增加，磁域界移動，磁域逐漸改變，磁矩方向轉向，漸與磁場平行，單一磁域（飽和磁化） 71材料科学工程导论mse-21磁性72材料科学工程导论mse-21磁性磁介質（medium, media）微粒狀（paticulate）與薄膜型微粒狀：針（needlelike）、刺（aciculate）狀： - Fe2O3, CrO2高分子膜、金屬盤微粒長軸與通過磁頭運動方向平行 73材料科学工程导论mse-21磁性74材料科学工程导论mse-21磁性薄膜型高儲存密度、低成本硬碟片CoPtCr, CoCrTa：10-50 nm厚，晶粒10-30 nm晶粒大小均勻
17、、單一磁域 75材料科学工程导论mse-21磁性76材料科学工程导论mse-21磁性薄膜型磁化方向與通過磁頭運動方向平行高儲存密度：磁域堆積密度高微粒由空隙隔離108 vs. 2 x 109 bit/in.2Cr, Cr合金 77材料科学工程导论mse-21磁性磁介質磁性：磁滯環方形、大永久儲存、磁化反轉微粒記錄媒體，Bs: 4,000-6,000 gauss薄膜型，Bs: 6,000-12,000 gaussHc: 1.5 x 105 2.5 x 105 A/m (2000-3000 Oe) 78材料科学工程导论mse-21磁性超導性與磁性有關、磁性應用臨界溫度（Tc）金屬：1-20 K氧化
18、物： 100KMgB2 （2001） 79材料科学工程导论mse-21磁性The Nobel Prize in Physics 1913for his investigations on the properties of matter at low temperatures which led, inter alia, to the production of liquid helium80材料科学工程导论mse-21磁性Heike Kamerlingh-Onnes (1853-1926)81材料科学工程导论mse-21磁性The Nobel Prize in Physics 1972for
19、 their jointly developed theory of superconductivity, usually called the BCS-theory82材料科学工程导论mse-21磁性John Bardeen (1908-91) Leon Neil Cooper (1930-) and John Robert Schrieffer (1931-)83材料科学工程导论mse-21磁性84材料科学工程导论mse-21磁性溫度、磁場、電流密度BCS（Bardeen-Cooper-Schrieffer）理論互相吸引電子對（Cooper pair）熱振動、雜質散射劇降 85材料科学工程
20、导论mse-21磁性第一（type I）與第二（type II）型第一（type I）型：完全反磁， B =0Al, Pb, Sn, Hg第二型： T Tc1， B =0Tc1 T 77 K：液態氮（N2）液態氦（He，helium），4 K脆線材應用 100材料科学工程导论mse-21磁性超導体應用科學試驗與研究設備核磁共振攝影（nuclear magnetic resonance imaging）核磁共振能譜（nuclear magnetic resonance spectroscopy） 101材料科学工程导论mse-21磁性超導体應用電力輸送高能加速器計算機高速開關、傳輸磁浮列車 10
21、2材料科学工程导论mse-21磁性103材料科学工程导论mse-21磁性104材料科学工程导论mse-21磁性105材料科学工程导论mse-21磁性106材料科学工程导论mse-21磁性The Nobel Prize in Physics 1933for the discovery of new productive forms of atomic theory107材料科学工程导论mse-21磁性Erwin Schrdinger (1887-1961) Paul Adrien Maurice Dirac (1902-1984)108材料科学工程导论mse-21磁性The Nobel Prize in Physics 1932for the creation of quantum mechanics, the application of which has, inter alia, led to the discovery of the allotropic forms of hydrogen109材料科学工程导论mse-21磁性110材料科学工程导论mse-21磁性第二十一章 習題2, 5, 7, 9, 11, 12, 14, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 25, 28, 30, 31, 35, 36, D2 111材料科学工程导论mse-21磁性
