磁性材料 第1章 物質磁性概述

1、第一章 磁性概述,第一節(jié) 基本磁學量,第二節(jié) 磁性材料分類,第三節(jié) 強磁材料的宏觀磁性,第一節(jié) 基本磁學量 Basic Physical Quantity of Magnetism,一、磁矩m (Magnetic Moment),永磁體總是同時出現偶數個磁極,當磁體無限小時，體系定義為元磁偶極子：指強度相等，極性相反并且其距離無限接近的一對“磁荷”,磁偶極矩： 方向：-m指向+m 單位：Wbm,安培提出了磁偶極子與電流回路元在磁性上的相當性原理，并根據它認為宏觀物質的磁性起源于“分子電流”假說，,磁矩： 單位：A m2,二者的物理意義： 表征磁偶極子磁性強弱與方向,單位體積的磁體內,所有磁偶極

2、子的 jm或磁矩m的矢量和 ，分別為：,磁極化強度：,磁 化 強 度：,二、磁化強度 M,（Magnetization）,說明：描述宏觀磁體磁性強弱程度的物理量,1、磁場強度H (magnetic intensity)：(靜磁學定義) 為單位點磁荷在該處所受的磁場力的大小，方向與正磁荷在該處所受磁場力方向一致。,三、磁場強度 H 與磁感應強度 B,物理意義：均為描述空間任意一點的磁場參量（矢量）,計算磁偶極子產生的磁場強度：,磁位勢 ：,H沿r 方向及使 角增加方向的分量計算：,：在從m到m的位移矢量延長線上 ：在l的中垂面上,實際應用中，往往用電流產生磁場，并規(guī)定H的單位在SI制中：用1A的

3、電流通過直導線，在距離導線r=1/2米處，磁場強度即為1A /m。,常見的幾種電流產生磁場的形式為： （1）、無限長載流直導線：,方向是切于與導線垂直的且以 導線為軸的圓周,（2）、直流環(huán)形線圈圓心：,r為環(huán)形圓圈半徑，方向由右 手螺旋法則確定。,（3）、無限長直流螺線管：,n：單位長度的線圈匝數， 方向沿螺線管的軸線方向,2、磁感應強度B (magnetic flux density):,預備知識：SI (MKSA) 單位制和Gauss (CGS) 單位制,A、SI單位制：主要磁學量都用電流的磁效應來定義，其中磁感應強度B為主導量（凡涉及到與其他物理量的相互作用，都必須使用B）,磁感應強度B

4、的定義可由安培公式得出：,根據安培環(huán)路定理可定義磁場強度H：,H為導出量，僅用于計算傳導電流所產生的磁場，不能代表磁場強度與外界發(fā)生作用,B、Guass單位制（絕對電磁單位制）：早年使用的單位制，所有的磁學量都是通過磁偶極子的概念建立起來的,其中磁化強度M被定義為：,單位：Guass,磁場強度H被定義為：,單位：Oe,引入磁感應強度B，使之滿足如下關系：,在Guass單位制中，M 和H 都有明確的物理意義，是基本物理量，而B只是一個導出量,磁體置于外磁場中磁化強度M將發(fā)生變化（磁化）,其中稱為磁體的磁化率(susceptibility)，是單位磁場強度H在磁體內感生的M，表征磁體磁化難易程度的

5、物理量,令：磁導率(permeability) =（1 )=B/ 0H （相對磁導率，表征磁體磁性、導磁性及磁化難易程度）,四、磁化率 與 磁導率,磁導率的不同表達形式（不同磁化條件）：,（1）起始磁導率i：磁中性狀態(tài)下磁導率的極限值,弱磁場下使用的磁體,（2）最大磁導率max：材料磁化過程中的最大值,（3）復數磁導率：磁體在交變磁場中磁化,動態(tài)磁化中經常遇到,（4）增量磁導率：在穩(wěn)恒磁場H0作用下，疊加一個較小的交變磁場,交變磁感應強度的峰值,交變磁場強度的峰值,（5）可逆磁導率rev：交變磁場趨于0時，的極限值,（6）微分磁導率diff：起始磁化曲線上任意一點的斜率,NOTE：所有磁導率都

6、是磁場強度H的函數,第二節(jié) 物質按磁性分類 Classification of Magnetic Materials,為了方便研究物質磁性的起因，我們可以按其在磁場中的表現把物質進行分類， 例如依據磁化率的正負、大小及其與溫度的關系來進行分類，分類是否科學取決于是否反映了內在磁性機理上的不同。隨著研究的深入，分類也在不斷完善和細化，到上個世紀 70 年代為止，在晶狀固體里，共發(fā)現了五種主要類型的磁結構物質，它們的形成機理和宏觀特征各不相同，對它們的成功解釋形成了今天的磁性物理學核心內容。 上世紀 70 年代以后，隨著非晶材料和納米材料的興起，又發(fā)現了一些新的磁性類型，對它們的研究尚在深化之中。

7、,一. 物質磁性的分類,這是19世紀后半葉就已經發(fā)現并研究的一類弱磁性。它的最基本特征是磁化率為負值且絕對值很小，0， 1 顯示抗磁質在外磁場中產生的磁化強度和磁場反向，在不均勻的磁場中被推向磁場減小的方向，所以又稱逆磁性。典型抗磁性物質的磁化率是常數，不隨溫度、磁場而變化。有少數的反常。 深入研究發(fā)現，典型抗磁性是軌道電子在外磁場中受到電磁作用而產生的，因而所有物質都具有的一定的抗磁性，但只是在構成原子（離子）或分子的磁距為零，不存在其它磁性的物質中， 才會在外磁場中顯示出這種抗磁性。在外場中顯示抗磁性的物質稱作抗磁性物質。除了軌道電子的抗磁性外，傳導電子也具有一定的抗磁性，并造成反常。,1

8、. 抗磁性（Diamagnetism),自然界中很多物質都是抗磁性物質：周期表中三分之一的元素、絕大多數的有機材料和生物材料都是抗磁性物質。 包括： 稀有氣體：He,Ne.Ar,Kr,Xe 多數非金屬和少數金屬：Si,Ge,S,P, Cu,Ag,Au, 不含過渡族元素的離子晶體：NaCl,KBr, 不含過渡族元素的共價鍵化合物：H2,CO2,CH4 等 幾乎所有的有機化合物和生物組織： 水； 反?？勾判晕镔|：Bi,Ga,Zn,Pb,磁化率與磁場、溫度有關。 廣義地說，超導體也是一種抗磁性物質，=-1 ，它的機理完全不同，不在我們討論之內。,-1.9 -7.2 -19.4 -28.0 -43,見

9、姜書p25,CGS單位制克分子磁化率,它們的電子殼層都是滿殼層，所以原子磁矩為零。 在CGS單位制下，抗磁磁化率的典型值是10-6 cm3mol-1 。 統(tǒng)一換成體積磁化率的數值，量級是10-6。 換成 SI 單位制下應乘以4，量級在10-5。,Kittel 書數據（2002）,見馮索夫斯基現代磁學(1953) p74,一些抗磁性金屬在20時的克分子磁化率（CGS單位）：,這是19世紀后半葉就已經發(fā)現并研究的另一類弱磁性。它的最基本特征是磁化率為正值且數值很小，01。,順磁性物質的磁化率是溫度的函數，服從居里定律或居里-外斯（Curie-Waiss)定律。,C 稱作居里常數， Tp 稱作居里順

10、磁溫度,服從居里-外斯定律的物質都是在某一個溫度之上才顯示順磁性，這個溫度之下，表現為其它性質。 典型順磁性物質的基本特點是含有具有未滿殼層的原子（或離子），具有一定的磁矩，是無規(guī)分布的原子磁矩在外磁場中的取向產生了順磁性。此外，傳導電子也具有一定的順磁性。,2. 順磁性（Paramagnetism）,順磁性物質也很多，常見的順磁性物質： 過渡族元素、稀土元素和錒系元素金屬：Mn,Cr,W,La,Nd, Pt,Pa, 含有以上元素的化合物：MnSO4,FeCl3,FeSO4,Gd2O3, 堿金屬和堿土金屬：Li,Na,K,Ru,Cs,Mg,Ca,Sr,Ba 包含有奇數個電子的原子或分子： HC

11、l,NO,有機化合物中的自由基 少數含有偶數個電子的化合物： O2,有機物中的雙自由基等,這是人類最早發(fā)現并利用的強磁性，它的主要特征是： 1. 0，磁化率數值很大， 磁化率數值是溫度和磁場的函數； 存在磁性轉變的特征溫度居里溫度TC，溫度低于居里溫度時呈鐵磁性，高于居里溫度時表現為順磁性，其磁化率溫度關系服從居里-外斯定律。 在居里溫度附近出現比熱等性質的反常。 磁化強度M和磁場H之間不是單值函數，存在磁滯效應。,構成這類物質的原子也有一定的磁矩，但宏觀表現卻完全不同于順磁性，解釋鐵磁性的成因已成為對人類智力的最大挑戰(zhàn)，雖然經過近100年的努力已經有了比較成功的理論，但仍有很多問題有待后人去

12、解決。,3. 鐵磁性（Ferromagnetism),表現為鐵磁性的元素物質只有以下幾種： 一些過渡族元素和稀土元素金屬： 但以上面元素為主構成的鐵磁性合金和化合物是很多的，它們構成了磁性材料的主體，在技術上有著重要作用，例如： Fe-Ni, Fe-Si, Fe-Co, AlNiCo, CrO2, EuO, GdCl3,室溫以上，只有4種元素是鐵磁性的。,見Kittel 固體物理學8版p227，姜書p52也有此數據，稍有差別。,反鐵磁性是1936年首先由法國科學家Neel從理論上預言、1938年發(fā)現，1949年被中子實驗證實的，它的基本特征是存在一個磁性轉變溫度，在此點磁化率溫度關系出現峰值。

13、,4. 反鐵磁性（Antiferromagnetism),弱磁！,（見應用磁學P9）,文獻中也常繪成磁化率倒數和溫度關系：,鐵磁性,低溫下表現為反鐵磁性的物質，超過磁性轉變溫度（一般稱作Neel溫度）后變?yōu)轫槾判缘?，其磁化率溫度關系服從居里-外斯定律： 注意與鐵磁性的區(qū)別！,磁化率表現復雜,Tp,TpTC,反鐵磁物質主要是一些過渡族元素的氧化物、鹵化物、硫化物， 如： FeO, MnO, NiO, CoO, Cr2O3, FeCl2, FeF2, MnF2, FeS, MnS,右圖是1938 年測到的MnO磁化率溫度曲線，它是被發(fā)現的第一個反鐵磁物質，轉變溫度 122K。,該表取自Kittel

14、 書2005中文版p236，從中看出反鐵磁物質的轉變溫度一般較低，只能在低溫下才觀察到反鐵磁性。,Tp,人類最早發(fā)現和利用的強磁性物質天然磁石Fe3O4就是亞鐵磁性物質，上世紀3040年代開始在此基礎上人工合成了一些具有亞鐵磁性的氧化物，但其宏觀磁性質和鐵磁物質相似，很長時間以來，人們并未意識到它的特殊性，1948 年 Neel在反鐵磁理論的基礎上創(chuàng)建了亞鐵磁性理論后，人們才認識到這類物質的特殊性，在磁結構的本質上它和反鐵磁物質相似，但宏觀表現上卻更接近于鐵磁物質。對這類材料的研究和利用克服了金屬鐵磁材料電阻率低的缺點，極大地推動了磁性材料在高頻和微波領域中的應用，成為今日磁性材料用于信息技術

15、的主體。 強磁！,5. 亞鐵磁性（Ferrimagnetism),磁化率倒數和溫度關系,飽和磁化強度溫度關系,亞鐵磁物質的磁化率和磁化強度一般比鐵磁物質低，但其電阻率一般要高的多。,鐵磁性和亞鐵磁性的宏觀區(qū)別,亞鐵磁物質主要是一些人工合成的含過渡族元素和稀土元素的某些特定結構的氧化物，例如： 尖晶石結構：Fe3O4, MnFe2O4, CoFe2O4 石榴石結構：A3Fe5O12, (A=Y,Sm,Gd,Dy,Ho,Er,Yb ) 磁鉛石結構：BaFe12O19, PbFe12O19, SrFe12O19, 鈣鈦礦結構：LaFeO3,五種主要磁性的原子磁距分布特點,1. 把晶體中的磁性歸為五類

16、并分析出它們的起因是人類對物質磁性認識的一次飛躍，1950年前后出版了第一批以解釋五種磁性起因為主的現代磁學理論專著，標志著磁學成為一個獨立完整的學科。它極大地推動了20世紀后半葉磁性材料的基礎研究和開發(fā)利用。50年后的今天，我們不但對上述五種磁性有了更深入的認識，而且發(fā)現了一些新的磁結構。,2. 嚴格說來上面的分類是針對物質磁性質進行的，同一物質在不同的溫度區(qū)域可以呈現出不同的磁類型，而且與其晶體結構有密切關系：例如室溫附近的金屬鐵為鐵磁性，超過居里溫度（1040 K）后變?yōu)轫槾判裕艿礁哂?.51010 Pa的高壓時，其結構從bcc變?yōu)閔cp,磁性變?yōu)榉氰F磁性。我們只可以說常溫常壓下鐵是

17、鐵磁性物質。,小結,上面幾種磁有序結構，都是共線的，或平行，或反平行。20世紀70年代后，主要在稀土金屬和合金里發(fā)現了一些非共線結構，在微粉和納米磁性材料里，在非晶材料里，也都發(fā)現了一些新的結構類型，它們極大地豐富了我們對物質磁性的認識。,20世紀70年代后，隨著稀土元素的研究和觀測技術的提高，人們又在晶狀材料中發(fā)現了很多非共線的磁結構，即在這些材料的不同原子層中的原子磁矩或在原子層平面內、或在與原子平面成一定角度的錐面內，以一定的旋轉角度做螺旋式排列（見下頁圖）產生平面螺旋磁性或錐面螺旋磁性，通稱螺旋型磁結構。雖然在磁性結構上，它和鐵磁性、反鐵磁性有所不同，但其宏觀表現上是相似的。,例如：G

18、d：T 221K, 是平面型簡單鐵磁性。 221K T 228K，是平面型螺旋反鐵磁性。,6. 螺旋型磁結構(Helimagnetism),姜書p115,當鐵磁顆粒減小到臨界尺寸以下(110 nm)，微粒的各向異性能遠小于熱運動能量，微粒的磁化矢量不再有確定的方向時，鐵磁粒子的行為類似于順磁性一樣。這些磁性顆粒系統(tǒng)的總磁性叫做超順磁性。普通順磁性是具有固有磁矩的原子或分子在外磁場中的取向，而超順磁性是均勻磁化的單疇粒子的原本無序取向的磁化矢量在外磁場中的取向。每個單疇粒子包含較大數目的原子所以有大得多的磁矩。,7. 超順磁性（Superparamagnetism）,Superpara-: Hi

19、gh MS, no MR; Para- ?,這是在某些非晶材料中發(fā)現的一種磁結構，由于非晶材料中原子磁矩間的間距有一定分布，從而使得原子磁矩不再有一致的排列，而是有了一定的分散排列，這種雖然分散但仍有序的磁矩排列稱作散磁性，按其基本趨向又可以細分為散鐵磁性、散反鐵磁性和散亞鐵磁性。,8. 散磁性,姜書p117,在抗磁性基體中摻入磁性原子，隨濃度的逐漸增加,會出現各種磁性現象：,近藤效應 自旋玻璃態(tài) 混磁性 不均勻鐵磁性,9. 其它,李國棟書p17,物質磁性分類是一個復雜問題，存在著不同觀點 （見應用磁學一書p11),這是一種弱磁場中顯示順磁性，超過某一磁場值后，顯示鐵磁性的材料。,見應用磁學P

20、9,亞鐵磁性,各種磁性的磁化曲線特征,Kittel固體物理導論一書對磁有序結構的描述： 見2005年版,第三節(jié) 強磁材料的宏觀磁性,鐵磁物質和亞鐵磁物質在磁場中表現出強烈的磁性，它們的磁化率約為1105，在技術上有著重大應用，我們通稱為強磁性材料。它們在磁場中的行為（技術磁化過程）也是磁性物理研究的重要內容 。,1. 退磁狀態(tài)和退磁方法 2. 磁化曲線： 3. 磁滯回線： 4. 飽和磁化強度-溫度關系，居里溫度 5. 磁能積 6. 靜磁能 7. 強磁材料按組成與結構的分類 8. 強磁材料的應用,無外磁場作用下，強磁體磁化強度 M = 0 的狀態(tài)。這是我們討論材料磁性能時必須統(tǒng)一的參考點。 在測

21、量材料磁化曲線前可以通過交流退磁；形變退磁；熱退磁等方法，使材料達到退磁狀態(tài)。,1. 退磁狀態(tài)和退磁方法,反映材料特性的基本曲線，從中可以得到標 志材料的參量：飽和磁化強度Ms、起始磁化率a 和最大磁化率m,Ms可以理解為該溫度下的自發(fā)磁化強度M0,抗磁性物質磁化曲線,順磁性物質磁化曲線,2.磁化曲線,低于居里溫度，形成自發(fā)磁化的小區(qū)域磁疇。為了降低退磁能，磁疇磁化矢量不同取向，總磁化強度為零，處于退磁狀態(tài)。,施加磁場后，磁疇結構發(fā)生變化，在磁場方向出現磁化強度。,鐵磁體的磁化過程,或從B-H曲線上得到： 起始磁導率 最大磁導率,剩余磁化強度Mr，矯頑力Hc,3. 磁滯回線,B-H回線和M-H

22、回線的區(qū)別。,不同的回線形狀反映了不同的磁性質，有著不同的應用。,姜書：p50,4. 飽和磁化強度-溫度關系，居里溫度,Ms(0 K)=ngJJB,左圖見Kittel p224 下表見黃昆書p406,（BH）max,5. 磁能積,硬磁的重要參量,（參考姜書p210-214）,（1）外磁場能： 磁極化強度為J 的磁體，處在外磁場 H 中,將受到一個力矩作用： 該力矩的作用是使磁極化強度和外磁場同向。如果把磁體轉動，使 J 和 H 的夾角增加，就要對磁體做功，因而磁體的能量增加，假定磁性體在外力作用下使其夾角由0 到 ，它所增加的磁勢能為：,為方便使用，取 為零點，于是磁性體在外磁場中，單位體積的

23、能量為：,6. 靜磁能,（2）退磁能：被磁化的非閉合磁體將在磁體兩端產生磁荷， 如果磁性體內部不均勻，還將產生體磁荷，面磁荷和 體磁荷都會在磁性體內部產生磁場，其方向和磁化強度方 向相反，有減弱磁化的作用，我們稱這一磁場為退磁場。 如果磁性體還同時受到外磁場的作用，這時磁性體內部的 有效磁場為： 若橢球磁性體磁化是均勻的，則退磁場也是均勻的， 可以表示為：,N 稱作退磁因子，它的大小與M無關，只依賴于樣品的幾 何形狀及所選取的坐標，一般情況下它是一個二階張量。,Hex,M,Hd,+,+,+,+,-,-,-,-,均勻磁化的磁性體中外磁場、退磁場、有效磁場三者關系示意圖,橢球形狀樣品的磁化是均勻的，我們選取坐標系與橢球的主軸重合，則退磁場的三個分量可以表示為：,如果磁性體不是橢球形狀，即使在均勻外場中，磁化也是不均勻的，這時退磁場的大小和方向隨位置而變，很難用退磁因子來表示。,在CGS單位值中,旋轉橢球的極限情況：,顯然，磁性體在磁化過程中，也將受到自身退磁場的作用，產生退磁場能，它是在磁化強度逐步增加的過程中外界做功逐步積累起來的，單位體積內,對于均勻材料制成的橢球樣品，容易得出;,N 是磁化方向的退磁因