第四章材料磁学性能(材料科学基础).ppt

4-4 材料的磁学性能 (magnetic properties) 4-4-1 物质的磁性 物质的磁性来源于电子的运动以及原子、电子内部的永久磁矩。 1、磁学基本量 （1）磁矩m ——表征磁性物体磁性大小的物理量。 电子轨道磁矩（电子绕原子核运动） 电子自旋磁矩（电子本身自旋） 磁矩只与物体本身有关， 与外磁场无关。 任何一个封闭的电流都具有磁矩 方向：右手法则 大小：I△S(即电流与封闭环形的面积乘积) 单位: A·m2 （2）磁化强度 A、磁化: 对于一般磁介质，无外加磁场时，其内部各磁矩的取向不一，宏观无磁性；在外磁场作用下, 各磁矩规则取向，使磁介质宏观呈磁性－－－这就叫磁化 B、磁化强度: 外磁场中物质被磁化的程度. M＝Σm／ΔV, 物理意义：单位体积的磁矩 单位：A·m-1（即与磁场强度H的单位一致） 方向：由磁体内磁矩矢量和的方向决定 磁介质在外磁场中的磁化状态，主要由磁化强度M决定。磁化强度M可正、可负，由磁体内磁矩矢量和的方向决定，因而磁化了的磁介质内部的磁感应强度B可能大于，也可能小于磁介质不存在时真空中的磁感应强度B。 2、磁性的本质 （1）电子的磁矩 (Magnetic moments) 电子磁矩由电子的轨道磁矩和自旋磁矩组成。 因为：电子的自旋磁矩 ＞＞ 轨道磁矩 所以：物质的磁性主要是由自旋磁矩引起的，每个电子自旋磁矩的近似值等于一个波尔磁子μB ，μB 是原子磁矩的单位（ μB ＝9.27×10－24A.m2） 孤立原子可以具有磁矩，也可以没有，这决定于原子的结构。 具有“永久磁矩” ：原子中有未被填满的电子壳层（自旋磁矩未抵消） 如铁原子（1s22s22p63s23p63d64s2）,其总的电子自旋磁矩为4μB 。 不具“永久磁矩” ：原子各层都充满电子（电子自旋磁矩相互抵消） 如锌(3d104s2)，具有各层都充满电子的原子结构，其电子磁矩相互抵消，因而不显磁性。 4-4-2 磁畴与磁滞回线(Domain and Hysteresis loop) 1．磁畴——物质内部存在的自发磁化的小区域。 磁畴结构形成的原因——为保持自发磁化的稳定性，必须使强磁体的能量达最低值，因而分裂成无数微小的磁畴； 各磁畴之间彼此取向不同，首尾相接，形成闭合磁路，对外不显磁性。 磁畴壁：相邻磁畴间的过度层。有一定 厚度，一般10-5cm 铁磁体在很弱的外加磁场作用下能 显示出强磁性，这是由于物质内部 存在着自发磁化的小区域－磁畴的 缘故。铁磁体在外磁场中的磁化过 程主要为畴壁的移动和磁畴内磁矩 的转向。这一磁化过程使得铁磁体 只需在很弱的外磁中就能得到较大 的磁化强度。 2．磁滞回线——铁磁材料的一个基本特征 4-4-3 金属材料的磁学性能 1．金属的抗磁性和顺磁性 电子轨道磁矩 电子自旋磁矩 原子核磁矩（很小） （1）正离子的抗磁性和顺磁性 去除自由电子后，剩余电子绕核运动 抗磁性：外磁场作用下，电子在轨道回路产生一个附加的感应电流，从而产生和外磁场方向相反的轨道磁矩 次电子层填满了电子的物质，才能表现出抗磁性效应 2、金属材料的铁磁性 在不很强的磁场作用下，就可得到很大的磁化强度 铁、钴、镍及其合金，以及稀土族元素钆 纯铁B0=10-6T时，其磁化强度M=104A/m 4-4-4 无机非金属材料的磁学性能 4-4-5 高分子材料的磁学性能 1、高分子材料本身是非铁磁的。 大多数体系为抗磁性材料。（因为无论分子是否具有永久磁矩，在磁场中都要产生一个与磁场方向相反的诱导磁矩，从而表现为抗磁性，其对磁化率的贡献为绝对值很小的负值。） 2、顺磁性仅存在于两类有机物 含有过渡金属的 含有属于定域态或较少离域的未成对电子（不饱和键、自由基等）。电子本身（自旋）是一个磁偶极，从而使磁化率x为正，原子核自旋磁矩和分子转动磁矩的数值都很小，因而，材料的顺磁性主要来自于电子自旋磁矩。 * 介质 （3）磁感应强度 真空 B。＝?。H 。 B 磁感强度（Wb·m-2） (magnetic flux density) H