材料的磁性.ppt
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1、磁性材料磁性材料磁性材料磁性材料是一簇新兴的基础功能材料。是一簇新兴的基础功能材料。一切物质均有磁性。通常所谓的磁性材料与非磁性材料,实际一切物质均有磁性。通常所谓的磁性材料与非磁性材料,实际上是指强磁性及弱磁性材料。磁性材料广泛应用于电工、电子上是指强磁性及弱磁性材料。磁性材料广泛应用于电工、电子和计算机等技术中。和计算机等技术中。我国在世界上最先发明磁石可作为指示方向和校正时间的应用我国在世界上最先发明磁石可作为指示方向和校正时间的应用,在在韩非子韩非子和东汉王充著的和东汉王充著的论衡论衡两书中所提到的两书中所提到的“司南司南”就是指此。公元就是指此。公元17世纪,英国的吉尔伯特发表了世界
2、上第一世纪,英国的吉尔伯特发表了世界上第一部磁学专著部磁学专著论磁石论磁石,18世纪,瑞典科学家在磁学著作中对世纪,瑞典科学家在磁学著作中对磁性材料的磁化作用进行了大胆的描绘磁性材料的磁化作用进行了大胆的描绘。材料的磁学性质材料的磁学性质一、概述一、概述一、概述一、概述19世纪,近代物理学大发展,电流的磁效应、电磁感应等相继世纪,近代物理学大发展,电流的磁效应、电磁感应等相继被发现和研究。被发现和研究。19世纪末居里发现了抗磁物质磁化率不随温度变化及一些顺磁世纪末居里发现了抗磁物质磁化率不随温度变化及一些顺磁物质磁化率与温度成反比的居里定律。奈尔提出反铁磁性和亚物质磁化率与温度成反比的居里定律
3、。奈尔提出反铁磁性和亚铁磁性。铁磁性。20世纪初朗之万用经典统计理论证明了居里定律,外斯提出世纪初朗之万用经典统计理论证明了居里定律,外斯提出分子场自发磁化的假说与磁畴的概念,奠定了现代磁学的基础。分子场自发磁化的假说与磁畴的概念,奠定了现代磁学的基础。法拉第电磁感应法拉第电磁感应居里(居里(P Curie)近近20年,磁记录材料和磁光记录材料正在迅猛发展。在多层膜年,磁记录材料和磁光记录材料正在迅猛发展。在多层膜中发现巨磁电阻以来,自旋相关导电等新材料及器件不断发展中发现巨磁电阻以来,自旋相关导电等新材料及器件不断发展有机铁磁体、有机铁磁体、C60化合物铁磁体和室温下铁磁体半导体的发现化合物
4、铁磁体和室温下铁磁体半导体的发现预示了磁学与磁性材料的发展前景。预示了磁学与磁性材料的发展前景。量子力学的出现使人们开始把物质磁性的认识建立在原子及电子量子力学的出现使人们开始把物质磁性的认识建立在原子及电子的基础上,海森伯用静电性的交换作用对铁磁体的分子场性质给的基础上,海森伯用静电性的交换作用对铁磁体的分子场性质给出了正确的解释,揭开了现代磁学的篇章。出了正确的解释,揭开了现代磁学的篇章。20世纪世纪50年代,铁氧体为代表的亚铁磁体的发现,改变了年代,铁氧体为代表的亚铁磁体的发现,改变了100多多年来金属铁磁性材料独占强磁体领域的局面。强磁材料的研究及年来金属铁磁性材料独占强磁体领域的局面
5、。强磁材料的研究及应用发展到高频和微波领域。非晶合金磁性的发展,开拓了优质应用发展到高频和微波领域。非晶合金磁性的发展,开拓了优质软磁材料的领域。软磁材料的领域。海森伯(海森伯(W K heisenberg)永磁铁氧体永磁铁氧体二、磁性的基本概念二、磁性的基本概念磁介质:磁场作用下磁化,并影响磁场分布的物质。可用磁介质:磁场作用下磁化,并影响磁场分布的物质。可用分子电流观点和等效磁荷观点描述。分子电流观点和等效磁荷观点描述。磁场:由运动电荷磁场:由运动电荷(或电流或电流)产生在空间连续分布的一种物质。产生在空间连续分布的一种物质。宏观性质:对运动电荷宏观性质:对运动电荷(或电流或电流)有力的作
6、用;磁场有能量。有力的作用;磁场有能量。磁化强度磁化强度(M):材料内部单位体积的磁矩矢量和,单位:材料内部单位体积的磁矩矢量和,单位A/m磁场强度磁场强度(H):空间某处磁场的大小,单位:空间某处磁场的大小,单位A/m磁化率磁化率():反映物:反映物质质磁化的磁化的难难易程度。易程度。M H 理论研究常用理论研究常用磁感应器度磁感应器度(B):材料内部的磁通量密度。单位:材料内部的磁通量密度。单位:T或或Wb/m2。磁导率磁导率():磁性材料被磁化的难易程度。:磁性材料被磁化的难易程度。B=H 工程技术常用工程技术常用真空磁导率真空磁导率三、材料磁性的来源三、材料磁性的来源物质的磁性来源于物
7、质原子中的电子。物质的磁性来源于物质原子中的电子。电子围绕原子核的轨道运动,产生一个非常小的磁场电子围绕原子核的轨道运动,产生一个非常小的磁场,形成一个沿旋转轴方向的磁矩,即轨道磁矩。,形成一个沿旋转轴方向的磁矩,即轨道磁矩。每个电子本身有自旋运动产每个电子本身有自旋运动产生一个沿自旋轴方向的磁矩生一个沿自旋轴方向的磁矩,即自旋磁矩。,即自旋磁矩。自旋磁矩自旋磁矩自旋磁矩自旋磁矩轨道磁矩轨道磁矩轨道磁矩轨道磁矩OrbitalSpin轨道磁矩轨道磁矩自旋磁矩自旋磁矩原子磁矩原子磁矩原子磁矩原子磁矩原子的总磁矩由所含电子的轨道与自旋角动量耦合而成,多数原子的总磁矩由所含电子的轨道与自旋角动量耦合而
8、成,多数原子取原子取Russell-Saunders耦合。耦合。原子中每个电子都可以看作是一个小磁体,具有永久的轨道原子中每个电子都可以看作是一个小磁体,具有永久的轨道磁矩和自旋磁矩。磁矩和自旋磁矩。一个原子的净磁矩是所有电子磁矩的相互作用的矢量和,又一个原子的净磁矩是所有电子磁矩的相互作用的矢量和,又称为本征磁矩或固有磁矩。称为本征磁矩或固有磁矩。电子对的轨道磁矩相互对消,自旋磁矩也可能相互对消,所电子对的轨道磁矩相互对消,自旋磁矩也可能相互对消,所以当以当原子原子电子层电子层或次或次层层完全填滿:磁矩完全填滿:磁矩为为零零。如。如He,He,NeNe,ArAr以以及某些及某些离子离子材料材
9、料。l大多数自转方向不同的电子,虽然电子的磁矩不能抵消,导致大多数自转方向不同的电子,虽然电子的磁矩不能抵消,导致整个原子具有一定的总磁矩。但原子磁矩之间没有相互作用,它整个原子具有一定的总磁矩。但原子磁矩之间没有相互作用,它们是混乱排列的,所以整个物体没有磁性。们是混乱排列的,所以整个物体没有磁性。l少数物质少数物质(如如Fe、Co、Ni),原子内部电子的磁矩没有抵消,),原子内部电子的磁矩没有抵消,整个原子具有总的磁矩。同时,由于整个原子具有总的磁矩。同时,由于“交换作用交换作用”的机理,原子的机理,原子磁矩整齐地排列起来,整个物体具有磁性。磁矩整齐地排列起来,整个物体具有磁性。无交换相互
10、作用交换相互作用间接直接 超量子力学效应全同粒子四、物质磁性的分类四、物质磁性的分类抗磁性:抗磁性:,M,H反向反向,大多数有机和无机材料均呈现大多数有机和无机材料均呈现 抗磁性,如铜、银、金、汞、锌等抗磁性,如铜、银、金、汞、锌等顺磁性:顺磁性:,M,H同向同向,如铂、钯、钠、钾等如铂、钯、钠、钾等反铁磁性:反铁磁性:。具有磁有序相变点,当。具有磁有序相变点,当T高于某个温度高于某个温度 时,呈现顺磁性,如氧化镍、氧化锰等时,呈现顺磁性,如氧化镍、氧化锰等弱弱弱弱磁磁磁磁性性性性铁磁性和亚铁磁性:铁磁性和亚铁磁性:。都有磁有序相变点。都有磁有序相变点 (称为居里称为居里 点点Tc),具有磁滞
11、现象。,具有磁滞现象。温度高于温度高于Tc时,呈顺磁性,温度低于时,呈顺磁性,温度低于Tc时呈铁磁性或亚铁磁性。时呈铁磁性或亚铁磁性。强强磁磁性性铁磁性,如铁、钴、镍等。亚铁磁性,如磁铁矿等铁磁性,如铁、钴、镍等。亚铁磁性,如磁铁矿等1、抗磁性、抗磁性由于外磁场使电子的轨道运动发生变化而引起的,方向与外磁由于外磁场使电子的轨道运动发生变化而引起的,方向与外磁场相反的一种磁性。它是一种很弱的、非永久性的磁性,只有场相反的一种磁性。它是一种很弱的、非永久性的磁性,只有在外磁场存在时才能维持。在外磁场存在时才能维持。原子的本征磁矩为零,没有固有原子磁矩原子的本征磁矩为零,没有固有原子磁矩所有材料都有
12、抗磁性。因为它很弱,只有当其它类型的磁性完所有材料都有抗磁性。因为它很弱,只有当其它类型的磁性完全消失时才能被观察。全消失时才能被观察。2、顺磁性、顺磁性有固有磁矩,没有相互作用有固有磁矩,没有相互作用材料中的原子磁矩无序排列,材料表现不出宏观磁性;材料中的原子磁矩无序排列,材料表现不出宏观磁性;受外磁场作用时,原子磁矩能通过旋转而沿外场方向择优取向,受外磁场作用时,原子磁矩能通过旋转而沿外场方向择优取向,表现出宏观磁性,这种磁性称为顺磁性。表现出宏观磁性,这种磁性称为顺磁性。抗磁体和顺磁体对于磁性材料应用来说都视为无磁性。抗磁体和顺磁体对于磁性材料应用来说都视为无磁性。居里定律居里定律C-居
13、里常数居里常数3、反铁磁性、反铁磁性在在MnO晶体结构中,相邻晶体结构中,相邻Mn2+离子的磁矩都成反向平行排列,离子的磁矩都成反向平行排列,结果磁矩相互对消,整个固体材料的总磁矩为零。结果磁矩相互对消,整个固体材料的总磁矩为零。在有些材料中,相邻原子或离子的磁矩呈反方向平行排列,结果在有些材料中,相邻原子或离子的磁矩呈反方向平行排列,结果总磁矩为零,叫反铁磁性。反铁磁性物质有某些金属如总磁矩为零,叫反铁磁性。反铁磁性物质有某些金属如Mn,Cr等,等,某些陶瓷如某些陶瓷如MnO,NiO等以及某些铁氧体如等以及某些铁氧体如ZnFe2O4等。等。以氧化锰以氧化锰(MnO)为例,它是离子型陶瓷材料,
14、由为例,它是离子型陶瓷材料,由Mn2+和和O2-离子离子组成,组成,O2-离子没有净磁矩,因为其电子的自旋磁矩和轨道磁矩离子没有净磁矩,因为其电子的自旋磁矩和轨道磁矩全部都对消了;全部都对消了;Mn2离子有未成对离子有未成对3d电子贡献的净磁矩。电子贡献的净磁矩。MnO晶体结构晶体结构4、铁磁性、铁磁性在较弱的磁场作用下就能产生很强的磁化强度。在外磁场除去后在较弱的磁场作用下就能产生很强的磁化强度。在外磁场除去后仍保持相当大的永久磁性,具有磁滞现象。铁磁体在温度高于居仍保持相当大的永久磁性,具有磁滞现象。铁磁体在温度高于居里温度后变成顺磁体。里温度后变成顺磁体。原子是否具有未成对电子,即自旋磁
15、矩贡献的净磁矩原子是否具有未成对电子,即自旋磁矩贡献的净磁矩(本本征磁矩征磁矩)原子在晶格中的排列方式原子在晶格中的排列方式具有铁磁性的金属有铁、钴、镍等,铁磁质的应用最广泛,具有铁磁性的金属有铁、钴、镍等,铁磁质的应用最广泛,特别是在信息的记录和存储方面(磁带、计算机存储器)特别是在信息的记录和存储方面(磁带、计算机存储器)材料是否具有铁磁性取决于两个因素:材料是否具有铁磁性取决于两个因素:铁、钴、镍等过渡元素都具有未成对的3d3d电子。分别具有4 4、3 3和2 2的净磁矩。铁、钴、镍金属在室温下具有自发磁化的倾向(交换作用)。形成相邻原子的磁矩都向一个方向排列的小区域,称为磁畴。原子核外
16、电子排布示意图原子核外电子排布示意图5、亚铁磁性、亚铁磁性亚铁磁性在宏观性能上与铁亚铁磁性在宏观性能上与铁磁性类似,区别在于亚铁磁磁性类似,区别在于亚铁磁性材料的饱和磁化强度比铁性材料的饱和磁化强度比铁磁性的低。成因是由于材料磁性的低。成因是由于材料结构中原子磁矩不象铁磁体结构中原子磁矩不象铁磁体中那样向一个方向排列,而中那样向一个方向排列,而是呈反方向排列,相互抵消是呈反方向排列,相互抵消了一部分。了一部分。五类磁体的磁化曲线示意图五类磁体的磁化曲线示意图铁磁质内部存在很强的铁磁质内部存在很强的“分子场分子场”,在,在“分子场分子场”的作用下,原子磁矩的作用下,原子磁矩趋于同向平行排列,即自
17、发的磁化至饱和,称自发磁化。趋于同向平行排列,即自发的磁化至饱和,称自发磁化。铁磁质自发磁化成若干小区域铁磁质自发磁化成若干小区域(自发磁化至饱和的小区域称磁畴自发磁化至饱和的小区域称磁畴),由于各个区域由于各个区域(磁畴)的磁化方向各不相同,故其磁性彼此相消,磁畴)的磁化方向各不相同,故其磁性彼此相消,所以大块铁磁体对外并不显示磁性。所以大块铁磁体对外并不显示磁性。五、铁磁性材料的磁化五、铁磁性材料的磁化自发磁化理论自发磁化理论1、物质的铁磁性及其物理本质、物质的铁磁性及其物理本质1907年,外斯提出铁磁性假说发展了现代的铁磁性理论年,外斯提出铁磁性假说发展了现代的铁磁性理论技术磁化理论技术
18、磁化理论分子场假说分子场假说磁畴假说磁畴假说2、自发磁化理论、自发磁化理论原子内部有由未成对电子,即自旋磁矩贡献的净磁矩原子内部有由未成对电子,即自旋磁矩贡献的净磁矩(本征磁矩本征磁矩)不能为零;不能为零;原子在晶格中的排列方式。原子核间距离(点阵常数)原子在晶格中的排列方式。原子核间距离(点阵常数)Rab和未和未填满壳层半径填满壳层半径r之比之比Rab/r3,使交换能积分常数,使交换能积分常数A0铁磁性产生的充要条件铁磁性产生的充要条件铁磁性材料的磁性是自发产生的。所谓磁化过程只不过是把物铁磁性材料的磁性是自发产生的。所谓磁化过程只不过是把物质本身的磁性显示出来,而不是由外界向物质提供磁性的
19、过程质本身的磁性显示出来,而不是由外界向物质提供磁性的过程量子力学计算表明,当磁性物质量子力学计算表明,当磁性物质内部相邻原子的电子交换积分内部相邻原子的电子交换积分A为正时,相邻原子磁矩将同向平为正时,相邻原子磁矩将同向平行排列,从而实现自发磁化。这行排列,从而实现自发磁化。这就是铁磁性产生的原因。就是铁磁性产生的原因。交换积分交换积分A与电子运动状态波函与电子运动状态波函数有关,还与晶体的点阵结构有关。数有关,还与晶体的点阵结构有关。根据自发磁化理论,可以解释许多铁磁特性,如温度对铁磁性根据自发磁化理论,可以解释许多铁磁特性,如温度对铁磁性的影响、磁晶各向异性、磁致收缩等的影响、磁晶各向异
20、性、磁致收缩等温度升高,原子间距加大,交换作用降低,同时热运动破坏了温度升高,原子间距加大,交换作用降低,同时热运动破坏了原子磁矩的规则取向,自发磁化降低。直到温度高于居里点,原子磁矩的规则取向,自发磁化降低。直到温度高于居里点,完全破坏了原子磁矩的规则取向,自发磁矩已不存在,材料即完全破坏了原子磁矩的规则取向,自发磁矩已不存在,材料即由铁磁性变为顺磁性。由铁磁性变为顺磁性。铁磁性材料的居里温度铁磁性材料的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。磁性。一般地,磁性材料具有一个一般地,磁性材料具有一个临界温度临界温度TcTc,
21、在这个温度以上,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,序的。在此温度以下,原子磁矩排列整齐,产生自发磁化,物体变成铁磁性或亚铁磁性。物体变成铁磁性或亚铁磁性。所以,居里温度是铁磁体或亚铁磁体的相变转变点,所以,居里温度是铁磁体或亚铁磁体的相变转变点,铁磁态或亚铁磁态顺磁态Tc铁磁体的居里温度铁磁体的居里温度铁磁体的居里温度铁磁体的居里温度 -应用实例应用实例应用实例应用实例利用这个特点,人们开发出了很多控制元件。利用这个特点,人们开发出了很多控制元件。例如,我们使用
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