第九章第一二节.ppt

第九章材料的磁学性能第一节基本的磁学性能一、材料的磁性材料磁性的本源是材料内部电子的循轨和自旋运动。由物理学可知，任一封闭电流都具有磁矩，其方向与环形电流法线方向一致，大小为电流与封闭环形面积的乘积。材料内部电子的循轨运动和自旋运动都可以看作是一个闭合的环形电流，因而必然会产生磁矩。运动电子的磁矩，一般是轨道磁矩和自旋磁矩的矢量和。当原子中的电子均被排满时，原子没有磁矩。只有原子中存在着未被排满的电子层时，由于未被排满的电子层电子磁矩之和不为零，原子才具有磁矩，这种磁矩称为原子固有磁矩。二、材料的磁化物质在磁场中由于受磁场的作用都呈现出一定的磁性，这种现象称为磁化。凡是能被磁场磁化的物质称为磁质或磁介质。在无外磁场作用时，由于原子的热扰动使各原子磁矩倾向于混乱分布，故在各方向上的原子磁矩统计为零，物质对外不呈现磁性。但在外磁场作用下，由于各原子磁矩逐步地转向外磁场方向，从而使物质产生顺磁因素，当这种顺磁因素超过抗磁因素时，物质就呈现顺磁性而称它为顺磁质。H总=H+H’磁场强度单位A/m磁化强度M（A/m-1)=∑mi/V磁质被磁化后，其所在处的总磁场强度称为磁感应强度，常用符号B表示：B=μ0(H+M)第二节抗磁性与顺磁性根据材料被磁化后对磁场所产生的影响，可以把材料分为3类：使磁场减弱的物质称为抗磁性材料；使磁场略有增强的为顺磁性材料；使磁场强烈增加的为铁磁性材料。一、材料抗磁性与顺磁性的物理本质材料被磁化后，磁化矢量与外加磁场方向相反的称为抗磁性，χ＜0；材料被磁化后，磁化矢量与外加磁场方向相同的称为顺磁性，χ＞0。通常，把测量的磁感应强度或磁化强度与外加磁场强度的关系曲线称为磁化曲线。抗磁与顺磁性材料的磁化曲线如下图所示。磁化强度与磁场强度之间均呈直线关系，磁化率常数很小。而且当去除外磁场之后仍恢复到为磁化前的状态，即存在磁化可逆性。1.抗磁性材料的抗磁性来源于电子循轨运动时受外加磁场作用所产生的抗磁矩。洛仑兹力形成抗磁磁矩当电子逆时针运动时[图9-2(a)]，电流方向沿顺时针，磁矩m与外磁场H方向相反，洛仑兹力ΔFc与向心力Fc的方向相同，……向心力的增大将导致ω增大Δω，相当于环形电流加大，磁矩m增大。……同理还可以证明，图9-2(b)中相反方向运动的电子同样也会产生Δm，Δm也与H方向相反。2.顺磁性材料的顺磁性主要来源于原子（离子）的故有磁矩。在没有外加磁场时，原子的固有磁矩呈无序状态分布，在宏观上并不呈现出磁性（右图a），图中的箭头指原子磁矩的方向。当施加一定的外加磁场时，由于磁矩与磁场相互作用，为了降低静磁能，磁矩必将改变与磁场之间的夹角，于是便产生了磁化（见右图b、c）。二、影响金属抗磁性与顺磁性的因素1.原子结构的影响金属呈现顺磁性或抗磁性，主要是取决于金属中的正离子部分和自由电子部分对顺磁性和抗磁性的贡献大小。自由电子是金属原子中最外层的价电子，是属于未填满的外层电子，因此其电子磁矩不能抵消，从而形成了原子的固有磁矩。该固有磁矩在外磁场作用下将对顺磁性作出贡献。当然自由电子的自旋也会产生抗磁磁矩，但其抗磁因素比顺磁因素小，所以自由电子主要表现为顺磁性。金属的正离子部分由原子核和内层电子组成，可能出现两种情况，第一种情况是正离子部分的电子层已全部被电子填满，此时正离子就不存在固有磁矩，在外磁场作用下，正离子总是呈现抗磁性。⑴当正离子表现的抗磁性超过了自由电子的顺磁性，则该金属为抗磁性金属；⑵当正离子表现的抗磁性小于自由电子的顺磁性时则为顺磁性金属；第二种情况下，如果内层电子未填满使正离子的顺磁性超过了正离子的抗磁性，则该金属为强顺磁性金属。2.温度的影响温度对抗磁性一般没有什么影响。温度对顺磁性影响很大。顺磁物质的磁化是磁场克服原子和分子若运动的干扰，使原子磁矩排向磁场方向的结果。顺磁物质原子的磁化率与温度的关系一般服从居里定律：式中C是居里常数，T是绝对温度。T↗，χ↘。还有相当多的固溶体顺磁物质，特别是过渡族金属元素服从居里－外斯定律：3.相变及组织转变的影响当材料发生形变时，会影响磁化率，影响的规律比较复杂。加工硬化使金属的原子间距增大而密度减小，从而使材料的抗磁性减弱。4.合金成分与组织的影响合金由不同元素和形式组成时对磁性会有很大的影响。合金形成中间相（金属化合物）时，其磁化率将发生突变。如右图所示，当Cu－Zn合金形成中间相Cu