15第十五讲--磁性材料.ppt

第五章磁性材料§5.1磁学基础知识磁矩是表征磁体本质的物理量。一般磁性材料的电子自旋磁矩要比电子轨道磁矩要大，在晶体中，电子轨道磁矩受晶格场的作用，其方向是不断变化的，不能形成一个联合磁矩。固态物质的磁性，主要来源于电子的自旋磁矩。电子自旋磁矩在一定条件下是物质内部建立起磁性的根源。原子结构和磁性的关系：1、物质的磁性来源于电子的自旋和轨道运动；2、原子内电子轨道具有未填满的电子是物质具有磁性的必要条件；3、电子的“交换作用”是物质具有磁性的重要条件。二、磁学基本量磁化强度M磁场强度H磁化率?磁感应强度B磁偶极矩pm、磁矩m磁通量?磁导率μ顺磁性物质主要有：1、某些过渡族元素的金属或合金以及含有过渡族元素的化合物，如La、Pr、MnAl、AuMn3、FeCl3、Gd2O3、PrCl3等，这些物质属强顺磁性；2、顺磁金属，除Be以外的碱金属和碱土金属均属于弱顺磁性；3、顺磁盐，如CuSO4·5H2O、Fe2(SO4)3·8H2O等；4、在居里温度（Tc）以上的铁磁元素，如Fe、Ni、Co等。铁磁性物质的主要特性：1、很易磁化，在不强的磁场下就可磁化到饱和状态，且相应的饱和磁化强度很高；2、铁磁性物质的磁化强度和外磁场不呈线性关系，当反复磁化时，M和H的关系是一闭合曲线，称磁滞回线；3、铁磁性物质的磁性与温度有关。基于铁磁性物质的上述各特点，外斯在20世纪初提出了他的理论假设：假设一：铁磁物质存在自发磁化强度，整个铁磁物质的磁化强度就是各个区域的自发磁化强度的矢量和。没有外场时，各个区域的自发磁化强度的矢量取向是混乱的，其矢量和一般为零。在外加磁场作用下，各区域的磁化强度矢量就会逐步改变方向而趋于一致，使物质的磁化达到饱和状态。假设二：磁畴内的自发磁化是由于晶体中有很强的内场产生的。铁磁物质中各原子的磁矩在内场的作用下，克服热运动的影响而趋于相互平行取向，因而产生自发磁化。当温度升高，热运动对磁矩平行取向的破坏作用加强，直至温度升到一个临界温度时，内场对磁矩的取向作用完全被破坏，铁磁物质进入顺磁状态。1、若两个原子之间的距离很大，未填满的电子壳层基本上无重叠，交换作用基本不存在，这种物质就是顺磁性物质；2、当两个原子距离很小时，交换积分A小于零，为使Eex处于能量最低状态，只有cosφij=-1才行，说明邻近两原子的磁矩是反平行的，这是反铁磁物质Cr和Mn以及亚铁磁物质的情况；3、当A大于零时，能量Eex最低值是φij=0时的值，邻近原子的磁矩相互平行时能量最低，对应于铁磁物质。单位体积的晶体，在某方向磁化到饱和所需的能量，和在易磁化方向磁化到饱和所需能量之差，称为该方向的磁晶各向异性能，用Ek表示。λs0的材料，在磁化方向上伸长，在垂直于磁场方向上缩短，称为正磁致伸缩材料。λs0的材料，在磁化方向上缩短，在垂直于磁场方向上伸长，称为负磁致伸缩材料。外磁场对磁矩的作用，称为外磁场能；铁磁体本身内部的磁矩间相互作用能，称退磁场的退磁能。本次课小结磁性来源物质按磁性分类磁性能磁滞回线END交换积分随a/r的变化2、磁晶各向异性和各向异性能磁晶各向异性磁性材料通常是各向同性的多晶体，但组成多晶体的各个单晶体却并不是各向同性的。由于构成一个晶体的原子在晶体各个方向上的排列情况不同，因而晶体沿不同方向的磁性也各不相同。这种由于晶体结构上的各向异性造成磁性上的各向异性，称为磁晶各向异性。磁晶各向异性能易磁化方向是能量最低的方向磁畴内的磁矩都在易磁化方向上取向磁化时：在易磁化方向上，磁化到饱和所需要的磁化能最小。在非易磁化方向上，需要把许多原来处于能量最低的易磁化方向的磁矩拉到能量较高的方向上去，需要提供较多的能量。3、磁致伸缩磁致伸缩与磁致伸缩系数铁磁物质在磁化时，沿磁化方向发生的伸长或缩短现象称为磁致伸缩。磁性体伸长或缩短的长度△l与原来的长度l之比称为伸缩比，△l通常随磁场强度的增大而增大，最终趋于饱和。各种材料的饱和伸缩比称为磁致伸缩系数几种金属磁性材料的磁致伸缩磁弹性能外加力和内部产生的应力，都能通过磁致伸缩对磁化产生作用，使磁性材料产生各向异性，相应的能量叫磁应力各向异性能，或磁弹性能，用Eσ表示。4、磁场对磁矩的作用5、磁畴结构根据交换原理，铁磁材料中原子磁矩的取向是相互平行的，而且与晶体的最易磁化轴方向一致，以保证交换能Eex、磁晶各向异性能Ek和磁弹性能Eσ为最小。相互平行的原子磁矩形成了较大的退磁场能量改变铁磁材料中自发磁化矢量的分布降低退磁能量磁畴单轴晶体内磁畴形成的原理示意图磁畴的形成可以降低退磁场能分畴并非越多越好，相邻两个磁