無機材料磁學性能課件

1、無機材料的磁學性能物質的磁性磁疇與磁滯回線鐵氧體的磁性與結構鐵氧體磁性材料應用 磁學磁學 基礎物質的磁性一、磁學性質基本概念二、磁性的本質三、磁性的分類磁性材料金屬和合金電阻率低，損耗大，不能滿足應用之需要，尤其在高頻范圍內。含鐵及其它元素的復合氧化物。稱為鐵氧體（ferrite），電阻率為10106m，屬于半導體范疇。磁性無機材料：高電阻、低損耗。一、電極化：在外電場作用下，介質內的質點（原子、分子、離子）正負電荷重心的分離，使其轉變成偶極子的過程?；蛟谕怆妶鲎饔孟?，正、負電荷盡管可以逆向移動，但它們并不能掙脫彼此的束縛而形成電流，只能產生微觀尺度的相對位移并使其轉變成偶極子的過程。 二、磁

2、化：是指在物質中形成了成對的N、S磁極。三、電荷磁極，極化強度磁極強度磁性質與介電性質在磁場的作用下，物質中形成了成對的N、S磁極，稱這種現象為磁化。NSS+-+qm- qm磁極上的磁荷如圖，在N、S磁極上帶有+qm、-qm的磁量。與電場對應，把磁量叫做磁荷。一對等量異號的磁極體系叫做磁偶極子。磁學性質基本概念磁化磁化：能被磁場磁化的介質稱為磁介質。NSS+-+qm- qm磁極上的磁荷對應于靜電庫侖定律，兩個磁極間的相互作用F在二者的連線上，其大小與磁荷（qm1、qm2）及它們間的距離r有如下關系：r0為真空磁導率 =410-7 H/m磁學性質基本概念磁化將磁極強度（磁荷）為qm、相距為L的磁

3、偶極子置于磁場強度H中磁偶極子受到的磁場力可表示為 F=qmHm=ql-qmHqmHSNHqmHsinL磁矩 (magnetic moment )磁學性質基本概念電偶極子-q+qlE電矩磁矩是表示磁體本質的一個物理量。表征磁性物體磁性大小。 磁偶極子磁矩小封閉環(huán)形電流磁矩的方向為它本身在圓心所產生的磁場方向。I - 電流強度，S 為封閉環(huán)形的面積m：單位Am2磁矩愈大，磁性愈強，即物質在磁場中所受的力也大。磁矩只與物體本身有關，與外磁場無關。 磁學性質基本概念也可用環(huán)行電流描述磁矩。磁矩 (magnetic moment )磁化強度與磁感應強度把物質置于外磁場中，物質可能被磁化。這時物質的磁化

4、強度將發(fā)生變化。磁化強度M與磁場強度H有如下關系式： M= H 或 =M/H式中， 為物質的磁化率：介質的磁化率，僅與介質性質有關，反映材料磁化的能力。沒有單位，可正可負，取決于材料不同的磁型類別。磁化強度：磁化強度的物理意義是單位體積的磁矩。表征磁介質被磁化的程度。磁化過程中伴隨著磁偶極子的轉向和磁疇壁的移動。M如圖為磁化強度M與磁場強度H的關系曲線（磁化曲線）。它們一般并不呈線性關系。磁學性質基本概念材料被磁化： H總 HH1(矢量和)外加磁場強度為H，磁介質的總磁場強度：H1=MH磁感應強度B：通過磁場中某點，垂直于磁場方向單位面積的磁力線數。單位：Wb m-2（T特斯拉）真空：磁介質：

5、真空磁導率外磁場H介質的磁導率磁學性質基本概念介質的相對磁導率介質的磁導率磁導率：表示磁性材料傳導和通過磁力線的能力。是磁性材料最重要的物理量之一。二、磁性的本質磁性的本源：電子的循軌運動和自旋運動。磁現象和電現象有著本質的聯系。材料內部電子的循軌運動和自旋運動都可以看作是一個閉合的環(huán)形電流，因而必然會產生磁矩。軌道磁矩自旋磁矩電子磁矩 軌道磁矩自旋磁矩 電子軌道磁矩電子自旋與繞核公轉自旋電子-er原子核+e軌道運動電子繞核作圓周運動可以認為是一個閉合線路。則環(huán)形電流能產生磁矩。電子繞原子核運動產生電子軌道磁矩。二、磁性的本質設電子質量m，電荷e，圓周運動半徑r, 角速度。則軌道運動速度為/2

6、。這相當于電流大小為 e/2 (A)流過界面積為 r2 的線圈。因此產生的磁矩為： Mmi= IS= (e/2) r2 =(e/2m)P式中P=mr2稱為電子軌道運動的角動量。 電子軌道磁矩二、磁性的本質 電子自旋磁矩電子自旋產生自旋磁矩Mms。電子自旋的磁矩與電子自旋的角動量Ps存在以下關系。 Mms=(e/m)(h/2) Ps=2Ps B其中，h為普朗克常數。 二、磁性的本質電子自旋與繞核公轉自旋電子-er原子核+e軌道運動 原子核磁矩原子核的質量是電子的1800倍，運動速度僅為電子速度的千分之幾，所以原子核的自旋磁矩僅為電子自旋磁矩的千分之幾。原子核的自旋磁矩對原子磁矩貢獻很小，可以忽略

7、不計。二、磁性的本質二、磁性的本質磁性的本源：電子的循軌運動和自旋運動。磁現象和電現象有著本質的聯系。材料內部電子的循軌運動和自旋運動都可以看作是一個閉合的環(huán)形電流，因而必然會產生磁矩。軌道磁矩自旋磁矩電子磁矩 軌道磁矩自旋磁矩原子核磁矩很小，約為電子磁矩的12000。忽略不計。物質的磁性主要由電子的自旋磁矩引起。原子、分子是否具有磁矩，決定于原子、分子的結構。原子中的電子層均被電子排滿時，原子沒有磁矩（方向相反的電子自旋磁矩可以互相抵消）。只有原子中存在未被排滿的電子層時，電子磁矩之和不為零，原子才具有磁矩，稱為原子的固有磁矩。Fe原子：3d64s2Zn：不顯示磁性各層都充滿電子的原子結構原

8、子結合成分子時，它們的外層電子磁矩要發(fā)生變化，所以分子磁矩不是單個原子磁矩的總和。二、磁性的本質三、磁性的分類使磁場減弱使磁場略有增強使磁場強烈增強1. 抗磁性0（-10-5），磁化強度為負；B0 （10-5），磁化強度為正；磁化率與絕對溫度呈反比，C/T，C為居里常數；原子（離子）存在固有磁矩；M與H呈線性關系。如：過渡元素、稀土元素等。特點:3. 鐵磁性（強磁性）0 （103），而且很大，磁化強度為正；較弱的磁場，也可得到極高的磁化強度；去除外磁場后，仍保留極強的磁性；M與H呈非線性關系。特點:2. 順磁性（弱磁性）鐵磁性來源于原子未被抵消的自旋磁矩和自發(fā)磁化。錳（25）、鉻（24）等其他

9、元素也有剩余的自旋磁矩，但并不是鐵磁性金屬。如：Fe、Co、NiFe、Co、Ni原子的外層電子填充規(guī)律金屬元素FeCoNi原子外層電子分布3d64s23d74s23d84s2d層原子填充規(guī)律未抵消自旋數432？3. 鐵磁性（強磁性）自發(fā)磁化：無外磁場的情況下，材料所發(fā)生的磁化稱為自發(fā)磁化。產生原因：處于不同原子間的、未被填滿殼層上的電子發(fā)生特殊的相互作用。參與相互作用的電子已不再局限于原來的原子，而是“公有化”了，原子間好像在交換電子，稱為“交換作用”。結果迫使相鄰原子自旋磁矩產生有序排列。因交換作用所產生的附加能量稱為交換能J。J為正值時，呈現鐵磁性。交換能J與晶格的原子間距有密切關系，原子

10、間距a與未被填滿的電子殼層直徑D之比大于3時，交換能為正值，表現出鐵磁性。 a/D3時，交換能為負值，為反鐵磁性。不變不變變化鐵磁體的鐵磁性只在某一溫度以下才能表現出來，超過這一溫度，由于熱振動破壞了電子自旋磁矩的平行取向，自發(fā)磁化強度變?yōu)榱?，鐵磁性消失。由順磁性轉變?yōu)殍F磁性的溫度為居里點。居里點以上，材料的磁化率與溫度的關系服從居里外斯定律：C居里常數4. 反鐵磁性（弱磁性）交換能J為負值，使相鄰原子間的自旋趨于反向平行排列，原子磁矩相互抵消，不能形成自發(fā)磁化區(qū)域。特點:任何溫度下，都觀察不到反鐵磁性物質的任何自發(fā)磁化現象，因此其宏觀特性是順磁性的；M與H呈線性關系；與溫度的關系：TTn反鐵

11、磁性物質與溫度的關系Tn反鐵磁居里點抗7.2 磁疇與磁滯回線一、磁疇二、磁滯回線一、磁疇鐵磁性物質中自發(fā)磁化方向一致的微小區(qū)域，稱為磁疇。相鄰疇壁間的過渡層稱為磁疇壁。(BaFe12O19)磁疇結構保證體系能量最低磁疇首尾相接，形成閉合回路主疇：大而長的磁疇組織，其自發(fā)磁化方向必定沿著晶體的易磁化方向。副疇：小而短的磁疇組織，其自發(fā)磁化方向不一定是晶體的易磁化方向。磁疇壁：180磁疇壁與90磁疇壁 109.47 磁疇壁與70.53磁疇壁磁疇壁是一個過渡區(qū)，有一定厚度。磁疇的磁化方向在疇壁處不能突然轉一個大角度，而是經過疇壁的一定厚度逐步轉過去的，即過渡區(qū)中的原子磁矩是逐步改變方向的。磁疇結構：

12、磁疇的形狀、尺寸、疇壁的類型與厚度總稱為磁疇結構。同一磁性材料，磁疇結構不同，則其磁化行為也不同。Bloch疇壁（塊體磁性體中）Neel疇壁（薄膜磁性體中）磁疇壁內磁矩始終與疇壁平面平行，即磁矩圍繞平行難磁化軸而轉動。磁疇壁內磁矩始終與薄膜平面平行，即磁矩圍繞垂直薄膜表面的軸而轉動。二、磁滯回線1. 磁化曲線鐵磁體在外磁場中的磁化（使材料具有磁性的過程）過程主要為疇壁的移動和磁疇內磁矩的轉向。磁導率為磁化曲線上各點的斜率磁化過程：oa：微弱磁場中，磁感應強度B隨外磁場強度H的增大緩慢上升，磁化強度M與外磁場強度H之間近似呈直線關系，磁化是可逆的（可逆壁移）。ab：疇壁移動使與外磁場方向一致的磁

13、疇范圍擴大，其它方向的磁疇相應縮小。bc：與磁場方向不一致的磁疇的磁化矢量按外磁場方向轉動，直到處于飽和狀態(tài)。2. 磁滯曲線外磁場為交變磁場Bs飽和磁感應強度Br剩余磁感應強度Hc矯頑磁場強度（矯頑力）材料磁化與外磁場的關系：磁滯回線磁感應強度的變化滯后于磁場強度的變化回線所包圍的面積相當于磁化一個周期所產生的能量損耗，稱為磁滯損耗。鐵磁材料的一個基本特征。按照磁滯回線的形狀分為： 軟磁材料小Hc（磁滯回線瘦小） 硬磁材料大Hc、Br （磁滯回線肥大）鐵磁性與鐵電性的本質差別：鐵電性由離子位移引起，鐵磁性由原子取向引起。鐵電性在非對稱性的晶體中發(fā)生，鐵磁性發(fā)生在次價電子的非平衡自旋中。鐵電體的

14、居里點是由于晶體相變引起的，鐵磁性的居里點是原子的無規(guī)則振動破壞了原子間的“交換”作用，從而使自發(fā)磁化消失引起的。7.3 鐵氧體的磁性與結構一、鐵氧體的磁性二、鐵氧體的結構一、鐵氧體的磁性鐵氧體是含有鐵酸鹽的陶瓷磁性材料。鐵氧體與鐵磁性物質的異同：具有自發(fā)磁化強度和磁疇相同之處：鐵氧體一般都是多種金屬的氧化物復合而成；其磁性來自兩種不同的磁矩：一種磁矩在一種方向排列整齊，另一種磁矩在相反的方向排列。這兩種磁矩方向相反，大小不等，兩個磁矩之差，就產生了自發(fā)磁化現象，因此鐵氧體磁性又稱為亞鐵磁性。不同之處：二、鐵氧體的結構尖晶石型鐵氧體 *石榴石型鐵氧體磁鉛石型鐵氧體鈣鈦礦型鐵氧體鈦鐵礦型鐵氧體鎢青銅型鐵氧體7.4 鐵氧體磁性材料一、軟磁材料二、硬磁材料三、矩磁材料一、軟磁材料高磁導率，飽和磁感應強度大；電阻高，損耗低；矯頑力Hc??；穩(wěn)定性好。1. 特點2. 應用電感線圈、小型變壓器、