材料科学与工程导论-25解读.ppt

第二十章 磁特性 对磁性的认识：春秋《管子》，战国《吕氏春秋》就有关于 “慈石”和“慈石召铁”的记录。公元前4世纪出现天然磁铁记录。 公元3世纪司南发明指南器。 丹麦物理学家奥斯特---电流磁效应； 法国物理学家安培---分子电流； 1831年英国物理学家法拉第---电磁感应定律 20.1引言 磁性是物质的一种基本性质。 Nonmagnetic material 是不存在的。 磁性 弱磁性---抗磁性、顺磁性、反铁磁性 强磁性---铁磁性、亚铁磁性 铁磁性（ferromagnetism) 亚铁磁性(ferrimagnetism) 抗磁性(diamagnetism) 顺磁性(paramagnetism) 反铁磁性（antiferromagnetism） 超顺磁性(superparamagnetism) 19世纪末法国物理学家居里---居里温度、居里抗磁性定律和居里顺磁性定律； 朗之万---经典统计理论导出居里定律； 外斯---分子场假说和磁畴假说； 原子具有磁矩----量子力学的基础。 磁性材料的研究和制备始于20世纪初。1900年硅钢（Si-Fe合金）；1920年铁镍合金；…1983年钕铁硼铁磁化合物（Nd2Fe14B）。 超导体也属于磁性材料；磁流体。 20.2基本概念 一、电子的轨道磁矩 20.4 二、电子的自旋磁矩 三、原子核的磁矩 四、磁偶极 磁偶极可以看成是由南北两极而不是正负电荷构成的小磁棒。 磁偶极矩的方向由图20.2所示，由S极指向N极。 在磁场内，磁偶极与外加磁场取向一致。 20.1 20.2 20.4 五、磁场矢量 1、磁场强度H (Strength of the magnetic field)---单位是安培匝每米，安培每米 2、磁感应强度或磁通密度B (Flux density or inductance)---单位是特斯拉或者韦伯每平方米Wb/㎡ B和H都是场矢量，有大小和方向，两者联系为： ?磁导率，单位为韦伯每安培米（Wb/A-m），或者亨利每米(H/m)。 真空中， ?0是真空磁导率。是一个普适常数，大小为4??10-7 H/m。B0是真空磁通密度。 ?r是相对磁导率，是一个无量纲的量。 3、磁化强度M 磁化强度与外磁场H成正比， ?m是磁化率(magnetic susceptibility)，磁化率与相对磁导率由下式联系: ?m=?r-1 20.3 抗磁性和顺磁性 一、抗磁性(diamagnetism)---19世纪后半叶发现的一类物质。特点是?m0，在外磁场中电子运动轨道发生 变化产生的磁化强度与外磁场方向相反。 典型抗磁性: 物质的磁化率不随温度的变化而变化。 但是Bi的抗磁磁化率不但与温度有关，还与状态有关。 20.1 20.5 20.6 二、顺磁性(paramagnetism) 19世纪后半叶发现和研究的一类材料，主要特点是?m0，且磁化率的值很小（10-6~10-5），多数顺磁性物质的磁化率随温度升高而下降。 原子固定磁偶极矩在外磁场中旋转，磁偶极沿外磁场方向排列，增强磁场，?r大于1。 不论抗磁性材料还是顺磁性材料都是非磁性材料，只有在外磁场中才表现出磁化强度，而且磁通密度与真空磁场几乎相当。 20.4铁磁性(ferromagnetism) 不存在外场时，某些金属材料也具有一个固定磁矩，而且表现出很大的固定磁化强度，这些是铁磁性的特征。过渡金属铁（BCC?铁素体）、钴、镍和一部分稀土金属如钆表现出这些特性。在铁磁材料中，磁化率可以高达106，因此，H?? M B ? ?0M 铁磁性材料磁化强度的最大可能值，或者说饱和磁化强度(satuaration magnetization)Ms表示为固体内所有的磁偶极全部沿外场方向平行排列时产生的磁化强度。 对应的，也有一个饱和磁通密度(satuation flux density)Bs。饱和磁化强度等于每个原子的净磁矩与原子数的乘积。对铁、钴和镍，每个原子的净磁矩分别为2.22，1.72和0.60玻尔磁子。 20.5反铁磁性和亚铁磁性 一、反铁磁性(antiferromagnetism) 在这组材料中，耦合导致反平行排列，相邻原子或离子的自旋磁矩真正的反方向排列称为反铁磁性。氧化锰是表现这种行为的一种材料。 相反方向的磁矩相互抵消，因此固体作为整体不具有净磁矩。 20.8 二、亚铁磁性(ferrimagnetism) 有一些陶瓷也表现出一个固定磁化强度，称为亚铁磁性。亚铁磁材料的饱和磁化强度不像铁磁材料那么高。另一方面，作为陶瓷材料，铁氧体是好的电绝缘体。对某些磁性应用，例如高频变压器，电导率比较低是最理想的。 20.9 20.3 20.4 Example20-1