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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