材料物理性能-磁性能共80页
合集下载
材料物理性能 课件 第六部分 材料的磁性能
有交换相互作用
1、磁性的起源
磁畴：每个区域内部包含大量原子，这些原子的 磁矩都像一个个小磁铁那样整齐排列，但相邻的 不同区域之间原子磁矩排列的方向不同
单晶磁畴结构示意图
多晶磁畴结构示意图
1、磁性的起源
磁光效应：线偏振光透过放置磁场中的物 质，沿着磁场方向传播时，光的偏振面发 生旋转的现象。 对磁畴进行可视化
4、磁性材料的应用
由于软磁材料磁滞损耗小，适合用在交变磁场中，如 变压器铁芯、继电器、电动机转子、定子都是用软磁 材料制成。 常见的软磁材料有：铁、坡莫合金、硅钢片、铁铝合 金、铁镍合金等。
变压器
磁性传感器
4、磁性材料的应用
硬磁材料 I、具有较大的矫顽力， 典型值Hc＝104～106A/m； II、剩磁很大； III、充磁后不易退磁。 IV、高的稳定性 对外加干扰磁场和温度、 震动等环境因素变化的高 稳定性。
• 1991年，英国航空公司一架波音767，从曼谷起飞后不久 失事，造成233人遇难：经查实是笔记本电脑导致了机上 一台计算机失控；
• 1996年巴西空难、1998年台湾空难：乘客违规使用了手 机；
• 2000年1月，某航班从湛江起飞后航线偏离了10海里：发 现有乘客在起飞过程中使用手机；
• 2000年2月，某航班在郑州机场降落时，导航信号不正常： 发现有乘客在降落过程中使用手机，干扰了导航系统，使 飞机无法降落。
晶粒度与矫顽力
进一步减小， 各单畴晶粒发 生转动的可能 性将越来越大 （更容易转 动）。所以矫 顽力反而减小。
晶粒度与矫顽力
4、磁性材料的应用
磁滞回线围成的面积，可以简单理解为外磁场对磁性材料做的功 对于交流环境，温度累计会使得材料的温度急剧上升。
材料的磁学性能PPT课件
原子的磁矩来源于电子的运动和原子核的自旋。
原子的磁矩
电子轨道磁矩 电子自旋磁矩 原子核自旋磁矩
第15页/共105页
1. 磁 矩
与电荷类似，将磁荷定义成磁的基本单位。两磁极若分别有q1和q2磁荷的磁极强度，则其
作用力
F
k
q1q2 r2
其中r为磁极间距，k为比例常数。 磁极q在外磁场中要受到力的作用，且有该力
第21页/共105页
3. 电子自旋磁 矩 电 子 自 旋 角 动 量 L s 和 自 旋 磁 矩 m s 取 决 于 自 旋 量 子 数 s ， s = 1 / 2 ，
Ls
s(s 1) 3 2
ms 2 s(s 1)B 3B
他们在外磁场z方向的分量取决于自旋磁量子数mss=1/2，即
Lsz
F=qH 其中H为外磁场的强度。
第16页/共105页
实际上磁极总是以正负对的形式存在，目前 尚未发现单独存在的磁极。 （此句要修正——《Science, 2009,9,3》）
将相互接近的一对磁极＋q和－q称为磁偶极子 真空中，单位外磁场作用在相距d的磁偶极子上的最大的力矩
Pm＝qd 称为该磁偶极子的磁偶极矩（磁动量）。 磁偶极矩与真空磁导率0的比值称为磁矩，用m表示，即
磁介质在磁场中发生磁化而影响磁场，所以磁介质中的磁感应强度B等于真空中的磁 感应强度B0和由于磁介质磁化而产生的附加磁感应强度B之和，即
B=B0+B
第4页/共105页
——磁感应强度B描述的是传导电流的磁场和 磁介质中磁化电流的磁场的综合场的特性。
电介质中的电场强度E为真空中的电场强度E0和由于电极化而产生的附加电场强度E之 和
B=H 其中称为材料的磁导率或绝对磁导率。
原子的磁矩
电子轨道磁矩 电子自旋磁矩 原子核自旋磁矩
第15页/共105页
1. 磁 矩
与电荷类似，将磁荷定义成磁的基本单位。两磁极若分别有q1和q2磁荷的磁极强度，则其
作用力
F
k
q1q2 r2
其中r为磁极间距，k为比例常数。 磁极q在外磁场中要受到力的作用，且有该力
第21页/共105页
3. 电子自旋磁 矩 电 子 自 旋 角 动 量 L s 和 自 旋 磁 矩 m s 取 决 于 自 旋 量 子 数 s ， s = 1 / 2 ，
Ls
s(s 1) 3 2
ms 2 s(s 1)B 3B
他们在外磁场z方向的分量取决于自旋磁量子数mss=1/2，即
Lsz
F=qH 其中H为外磁场的强度。
第16页/共105页
实际上磁极总是以正负对的形式存在，目前 尚未发现单独存在的磁极。 （此句要修正——《Science, 2009,9,3》）
将相互接近的一对磁极＋q和－q称为磁偶极子 真空中，单位外磁场作用在相距d的磁偶极子上的最大的力矩
Pm＝qd 称为该磁偶极子的磁偶极矩（磁动量）。 磁偶极矩与真空磁导率0的比值称为磁矩，用m表示，即
磁介质在磁场中发生磁化而影响磁场，所以磁介质中的磁感应强度B等于真空中的磁 感应强度B0和由于磁介质磁化而产生的附加磁感应强度B之和，即
B=B0+B
第4页/共105页
——磁感应强度B描述的是传导电流的磁场和 磁介质中磁化电流的磁场的综合场的特性。
电介质中的电场强度E为真空中的电场强度E0和由于电极化而产生的附加电场强度E之 和
B=H 其中称为材料的磁导率或绝对磁导率。
材料的磁性PPT课件
第26页/共82页
（三）物质磁性的特殊性和多样性
1. 电子交换作用 原子内具有未成对的电子使得原子的固有磁矩不为零是物质磁性的 必要条件。但是，由于近邻原子共用电子（交换电子）所引起的静电作 用，及交换作用可以影响物质的磁性。交换作用所产生能量，通常用A 表示，称作交换能，因其以波函数的积分形式出现，也称作交换积分。 它取决于近邻原子未填满的电子壳层相互靠近的程度，并决定了原子磁 矩的排列方式和物质的基本磁性。一般地： 当A大于零时，交换作用使得相邻原子磁矩平行排列，产生铁磁性 （Iferromagnetism）。 当A小于零时，交换作用使得相邻原子磁矩反平行排列，产生反铁磁 性（Antiferromagnetism）。 当原子间距离足够大时，A值很小时，交换作用已不足于克服热运动 的干扰，使得原子磁矩随机取向排列，于是产生顺磁性 （Paramagnetism）
原子内的电子做循轨运动和自旋运动，所以必然产
生磁矩。前者称为轨道磁矩，后者称为自旋磁矩。
电子的循轨磁矩
Pl =
eh
4m
l(l 1)
电子的自旋磁矩
Ps
=
eh
2m
s(s 1)
e：单位电荷；h:普朗克常数；m:电子质量；l:轨 道量子数；s:自旋量子数。
原子核的磁矩比电子磁矩小三个数量级，一般情况 下可忽略不计。
1 弱抗磁性 例如惰性气体、金属铜、锌、银、金、 汞等和大量的有机化合物，磁化率极低，约为-10-6，并基 本与温度无关；
2 反常抗磁性 例如金属铋、镓、碲、石墨以及γ-铜 锌合金，其磁化率较前者约大10-100倍，Bi的磁化率χ比 较反常，是场强H的周期函数，并强烈与温度有关；
3 超导体抗磁性 许多金属在其临界温度和临界磁场 以下时呈现超导性，具有超导体完全抗磁性，这相当于 其磁化率χ=-1.
（三）物质磁性的特殊性和多样性
1. 电子交换作用 原子内具有未成对的电子使得原子的固有磁矩不为零是物质磁性的 必要条件。但是，由于近邻原子共用电子（交换电子）所引起的静电作 用，及交换作用可以影响物质的磁性。交换作用所产生能量，通常用A 表示，称作交换能，因其以波函数的积分形式出现，也称作交换积分。 它取决于近邻原子未填满的电子壳层相互靠近的程度，并决定了原子磁 矩的排列方式和物质的基本磁性。一般地： 当A大于零时，交换作用使得相邻原子磁矩平行排列，产生铁磁性 （Iferromagnetism）。 当A小于零时，交换作用使得相邻原子磁矩反平行排列，产生反铁磁 性（Antiferromagnetism）。 当原子间距离足够大时，A值很小时，交换作用已不足于克服热运动 的干扰，使得原子磁矩随机取向排列，于是产生顺磁性 （Paramagnetism）
原子内的电子做循轨运动和自旋运动，所以必然产
生磁矩。前者称为轨道磁矩，后者称为自旋磁矩。
电子的循轨磁矩
Pl =
eh
4m
l(l 1)
电子的自旋磁矩
Ps
=
eh
2m
s(s 1)
e：单位电荷；h:普朗克常数；m:电子质量；l:轨 道量子数；s:自旋量子数。
原子核的磁矩比电子磁矩小三个数量级，一般情况 下可忽略不计。
1 弱抗磁性 例如惰性气体、金属铜、锌、银、金、 汞等和大量的有机化合物，磁化率极低，约为-10-6，并基 本与温度无关；
2 反常抗磁性 例如金属铋、镓、碲、石墨以及γ-铜 锌合金，其磁化率较前者约大10-100倍，Bi的磁化率χ比 较反常，是场强H的周期函数，并强烈与温度有关；
3 超导体抗磁性 许多金属在其临界温度和临界磁场 以下时呈现超导性，具有超导体完全抗磁性，这相当于 其磁化率χ=-1.
材料的磁性能解析优秀PPT资料
4. 亚铁磁体和反铁磁体
亚铁磁体有些像铁磁体，但χ值没有铁磁体那 样大，磁铁矿和铁氧体等属于亚铁磁体
反铁磁体的χ是小的正数，在温度低于某温度 时，它的磁化率同磁场的取向有关；高于这个 温度，其行为像顺磁体，如α-Mn、铬，氧化 镍和氧化锰。
7.2 原子和离子的固有磁矩
孤立原子本征磁矩
1. 电子轨道磁矩
任何物质在外磁场的作用下，由于物质内部的微观电流，还要产生一个附加的磁场。 亚铁磁体有些像铁磁体，但χ值没有铁磁体那样大，磁铁矿和铁氧体等属于亚铁磁体 说明电子轨道磁矩在磁场中的投影值是量子化的。
3.磁感应强度
在磁场中，单位速率的单位电荷所受的最大磁力定 义为磁感应强度，用B表示，单位为T
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。但在外磁场作用下，各磁 矩有规则地取向，使磁介质宏观显示磁性，这就叫 磁化。
任何物质在外磁场的作用下，由于物质内部的微观 电流，还要产生一个附加的磁场。外磁场和附加磁 场的和称为材料的磁感应强度。
在真空中，磁感应强度B与外磁场H成正比，即
B0 0H
04107Hm 1
M pm V
磁化强度表征磁介质本身的磁化程 度。在外磁场的作用下，在磁介质 内任取一个体积单元，要求这个体 积单元在微观上要足够大，即包含 足够数量的磁偶极子，但在宏观上 要足够小，即能表征该处的磁化强 度（M）。
磁性根源
电子绕原子核运动，产生电子轨道磁矩； 电子本身 自旋，产生电子自旋磁矩。
l
e 2mc
Pl
Pl mr2
nl：角量子数
h (2)
Pl nl
l
e 2mc
nl
当n=1，nl=1时，即1s电子轨道磁矩
第六章材料磁性能
6.3 磁性材料的自发磁发和技术磁发
3）磁畴：
（3）磁畴壁的能量：交换能 Eex ，磁晶各向异性Ek，二者是相互矛盾的。 另：由于原子磁矩的逐渐转向，各个方向上伸缩的难易程度不同产生磁弹 性能；
6.3 磁性材料的自发磁发和技术磁发
3）磁畴：
（4）磁畴的形成 a) 单晶：
交换能力----晶体自发磁发饱和，磁化方向沿晶体易磁化方向（Eex和Ek 为最小值）---产生磁极---退磁场---破坏已形成的自发极化---分畴
2）顺磁体：磁化率X为正值，约为10-3~10-6, 它们在磁场中受微弱的引 力。
可分为：
正常顺磁体： X∝ 1/T X与温度无关的顺磁体： Pt, 钯，奥氏体不锈钢，稀土金属 Li, Na, K, Rb
（1） 源自未填满的内电子壳层中那些未成对的电子具有的磁矩， 绝大多数的过渡金属和稀土金属具有顺磁性。 （2） 具有奇数个电子的原子或点阵缺陷。
式中：u为磁导率，是材料的本征参数，表示材料在单位磁场强度的外加磁场作用下，材 料内部的磁通量密度。在真空中
B0 0 H
μ0为真空磁导率，μ0=4п×10-7 （H/m)
6.1 磁性基本量及磁性分类
1.磁学基本量：
4）相对磁导率μr： 5）磁化率X： 6) 磁化强度M：
r
0
ur 1
主畴：长而大，且自发磁化方向是晶体的易磁方向
副畴：小而短的磁畴，副畴无上述固定关系 （2）磁畴壁：相邻磁畴的界限，有180度和90度， 实质上是具有一定厚度的过渡区，在其中过渡区中原子磁矩是逐步改变的。
特例：在整个过渡区中原子磁矩都平行于畴壁平面，
这种壁叫做Bloch壁。铁中这种壁厚大约为300个点阵常数。
具体机制：
铁磁学性能材料物理性能ppt课件.ppt
ll3 2100 1 21 22 22 23 23 21 3
3 1 1 112 12 2323 3 1 3 1
磁化强度方向( 1,2,3 ) , 观测方向(1,2,3)
K1 , K2
易磁化方向 各向异性能 各向异性场HA
立方晶系各向异性
K1 0
K1
1 9
K2
<100>
0
2K 1 IS
0
K1
4 9
K2
<110>
1 42K1/Is
( 110 ):
K1
1 2
K2
/
I
s
4 K1 9K2,K1 0 K1 94K2,K1 0
<111>
1
1
3 K1 27 K2
烧伤病人的治疗通常是取烧伤病人的 健康皮 肤进行 自体移 植，但 对于大 面积烧 伤病人 来讲， 健康皮 肤很有 限，请 同学们 想一想 如何来 治疗该 病人
2、抗磁介质磁化机制
抗磁性起源于分子附加磁矩的感应磁化
抗磁质分子的固有磁矩为零。 但在外磁场作用下，每一分子沿 外磁场的反方向感应出附加磁矩， 使磁介质被磁化，在磁介质表面 产生磁化电流。由于附加磁矩的 方向始终与外磁场方向相反，所 以抗磁质表面的磁化电流方向与 顺磁质磁化电流方向相反，产生 的附加磁场方向与外磁场方向相 反，所以抗磁质内的总磁感强度 为：
➢当距离很大时，J接近于零。 ➢随着距离的减小，相互作用有所 增加，J为正值，就呈现铁磁性， 如图所示。 ➢当原子间距a与未被填满的电子 壳层直径D之比大于3时，交换能 为正值；小于3时，交换能为负值， 为反铁磁性。
交换能与铁磁性的关系
a/D ＞3时 交换能为正值；
3 1 1 112 12 2323 3 1 3 1
磁化强度方向( 1,2,3 ) , 观测方向(1,2,3)
K1 , K2
易磁化方向 各向异性能 各向异性场HA
立方晶系各向异性
K1 0
K1
1 9
K2
<100>
0
2K 1 IS
0
K1
4 9
K2
<110>
1 42K1/Is
( 110 ):
K1
1 2
K2
/
I
s
4 K1 9K2,K1 0 K1 94K2,K1 0
<111>
1
1
3 K1 27 K2
烧伤病人的治疗通常是取烧伤病人的 健康皮 肤进行 自体移 植，但 对于大 面积烧 伤病人 来讲， 健康皮 肤很有 限，请 同学们 想一想 如何来 治疗该 病人
2、抗磁介质磁化机制
抗磁性起源于分子附加磁矩的感应磁化
抗磁质分子的固有磁矩为零。 但在外磁场作用下，每一分子沿 外磁场的反方向感应出附加磁矩， 使磁介质被磁化，在磁介质表面 产生磁化电流。由于附加磁矩的 方向始终与外磁场方向相反，所 以抗磁质表面的磁化电流方向与 顺磁质磁化电流方向相反，产生 的附加磁场方向与外磁场方向相 反，所以抗磁质内的总磁感强度 为：
➢当距离很大时，J接近于零。 ➢随着距离的减小，相互作用有所 增加，J为正值，就呈现铁磁性， 如图所示。 ➢当原子间距a与未被填满的电子 壳层直径D之比大于3时，交换能 为正值；小于3时，交换能为负值， 为反铁磁性。
交换能与铁磁性的关系
a/D ＞3时 交换能为正值；
《材料的磁性能》PPT课件
合成矢量受自旋-轨道耦合作用的控制：w=λL·S 形成总角动量： J=L+S (J=L-S，小于半满，J=L+S，大于半满)
2.晶场中的原子磁矩
晶场中电子受诸多相互作用的影响，总哈密顿量
H=Hw+ Hλ+ Hv+ Hs+ Hh Hw:原子内的库仑相互作用，如用n，l，m表征的电子轨道只能
容纳自旋相反的两个电子，在一个轨道上这两个电子的库仑 相互作用能(相互排斥，能量提高)。 Hλ:自旋-轨道相互作用能。 Hv:晶场对原子中电子的作用。 Hs:与周边原子间的磁相互作用 (交换相互作用和磁偶极相互作用)。
四类具有巨磁电阻效应的多层膜结构
磁学是一门即古老又年轻的学科。 磁学基础研究与应用的需求相互促进，在
国防和国民经济中起着重要作用。 磁学与其它学科交叉：信息、电气、交通、
生物、药物、天文、地质、能源、选矿等。 MEMS的发展不可避免的会使用各种类型
的磁性材料，而且是小尺寸复合型的材料。
静磁现象
第一类遵从居里定律：
cC/T
C称为居里常数
第二类遵从居里外斯定律：
cC/(T-qp) qp称为顺磁居里温度
如铁磁性物质在居里温度以上的顺磁性。
磁偶极子
未加场前 热运动， 总体无序排列
含有离散的磁矩的物质
加场后 顺场取向
外加磁场
郎之万顺磁性理论
假定顺磁系统包含N个磁性原子，每个原子具有的磁矩 M(Wbm)，当温度在绝对0度以上时，每个原子都在进行 热振动，原子磁矩的方向也作同样振动。在绝对温度 T(K)，一个自由度具有的热能是kT/2。原子磁矩在外磁 场作用下，静磁能U=MH。
静磁能的定义。
5.2 原子的磁性
2.晶场中的原子磁矩
晶场中电子受诸多相互作用的影响，总哈密顿量
H=Hw+ Hλ+ Hv+ Hs+ Hh Hw:原子内的库仑相互作用，如用n，l，m表征的电子轨道只能
容纳自旋相反的两个电子，在一个轨道上这两个电子的库仑 相互作用能(相互排斥，能量提高)。 Hλ:自旋-轨道相互作用能。 Hv:晶场对原子中电子的作用。 Hs:与周边原子间的磁相互作用 (交换相互作用和磁偶极相互作用)。
四类具有巨磁电阻效应的多层膜结构
磁学是一门即古老又年轻的学科。 磁学基础研究与应用的需求相互促进，在
国防和国民经济中起着重要作用。 磁学与其它学科交叉：信息、电气、交通、
生物、药物、天文、地质、能源、选矿等。 MEMS的发展不可避免的会使用各种类型
的磁性材料，而且是小尺寸复合型的材料。
静磁现象
第一类遵从居里定律：
cC/T
C称为居里常数
第二类遵从居里外斯定律：
cC/(T-qp) qp称为顺磁居里温度
如铁磁性物质在居里温度以上的顺磁性。
磁偶极子
未加场前 热运动， 总体无序排列
含有离散的磁矩的物质
加场后 顺场取向
外加磁场
郎之万顺磁性理论
假定顺磁系统包含N个磁性原子，每个原子具有的磁矩 M(Wbm)，当温度在绝对0度以上时，每个原子都在进行 热振动，原子磁矩的方向也作同样振动。在绝对温度 T(K)，一个自由度具有的热能是kT/2。原子磁矩在外磁 场作用下，静磁能U=MH。
静磁能的定义。
5.2 原子的磁性
材料的磁性能与磁性功能材料幻灯片PPT
磁畴壁示意图
居里温度：对于所有的磁性材料来说，并不是在任何温
度下都具有磁性。一般地，磁性材料具有一个临界温度 Tc，在这个温度以上，由于高温下原子的剧烈热运动， 原子磁矩的排列是混乱无序的。在此温度以下，原子磁 矩排列整齐，产生自发磁化，物体变成铁磁性的。
应用举例：〔电饭煲的控制〕
磁学根本概念：
材料的磁性能与磁性功能 材料幻灯片PPT
本课件PPT仅供大家学习使用 学习完请自行删除，谢谢！ 本课件PPT仅供大家学习使用 学习完请自行删除，谢谢！ 本课件PPT仅供大家学习使用 学习完请自行删除，谢谢！ 本课件PPT仅供大家学习使用 学习完请自行删除，谢谢！
磁学初步认识：
• 磁学现象的两个根本命题：
3、铁磁体，χ为很大的正数，在较弱磁场作用下可 以产生很大的磁化强度，如铁、钴、镍。
4、亚铁磁体，χ处于铁磁体与顺磁体之间，即通常 所说的磁铁矿、铁氧体等。
5、反铁磁体， χ为小正数，高于某一温度时其行为 与顺磁体相似，低于某一温度磁化率与磁场的取向有 关。
铁磁性材料 M
亚铁磁性材料
顺铁性材料 反铁磁性材料 H
• 1 磁及磁现象的根源是电流，或者说是电 荷 的运动。
• 2 所有的物质都是磁性体
电流(或运动电荷)
磁场 电流(或运动电荷)
安培分子电流学说： 组成磁铁的每个分子都具有一个小的分 子电流，经过磁化的磁铁其小分子电流 都定向规那么排列。
现代科学认为物质的磁性来源于组成物质中 原子的磁性： 1 原子中外层电子的轨道磁矩 2 电子的自旋磁矩 3 原子核的核磁矩
抗铁磁性材料
五种磁体的磁化曲线示意图
磁饱和性
磁性物质因磁化产生的磁场是不会无限制增加的，当 外磁场(或鼓励磁场的电流)增大到一定程度时，全部 磁畴都会转向与外场方向一致。这时的磁感应强度将 到达饱和值。