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1、1,无机材料物理性能-,无机材料的磁学性能,李享成博士 Email:Office Tel.:68862616,2,问题：,磁性是什么，为什么有的物质显示磁性、而有的不显示磁性？磁性有哪些性质，有哪些用途？,3,一 人类对磁性的认识,指南针-战国起用于作战,罗盘-宋朝起用于航海,4,人类对磁性的认识,18世纪 奥斯特 电流产生磁场,法拉弟效应 在磁场中运动导体产生电流,5,The Nobel Prize in Physics 2007,Albert Fert(France),Peter Grnberg(Germany),1988年巨磁电阻效应发现,海量磁盘,人类对磁性的认识,6,7,GMR物理结
2、构,8,9,10,二、物质磁性的物理描述,1 磁感应强度表示材料在外磁场H的作用下在材料内部的磁通量密度。B的单位:T 或Wb/m2在真空中，磁感应强度为,式中0为真空磁导率，它是一个普适常数 其值:410-7 单位:H（亨利）/m。,11,在磁介质中，磁场强度和磁感应强度的关系为 式中的为介质的磁导率，是材料的特性常数。的单位为H/m。,磁化强度（M）是描述物质被磁化后其磁性强弱的物理量。,12,一方面，磁化过程是由于外磁场的作用而引起的，磁化强度M必随外磁场H的增大而增强，故：,定义,为相对磁导率,x称为磁化率或磁化系数。,一方面，物质的磁化过程实质上是其内部原子磁矩取向的过程，所以定义磁
3、化强度为单位体积内原子磁矩的总和。,13,2、磁矩：在电磁学中：线圈或分子电流的磁矩它们在磁场中受到的力矩为类似地，磁矩用作表征磁性体磁性大小的物理量。磁矩在磁场中受到的力为（考虑一维情况）：显然，磁矩愈大，物体在磁场中所受的力矩愈大，磁性就愈强。,14,原子的电子结构,原子的经典玻尔模型：Z个电子围绕原子核做园周运动,核外电子结构用四个量子数表征：n.l.m.s(多电子体系)电子轨道大小由主量子数n决定 n=1,2,3,4,的轨道群 又称为K,L,M,N,.的电子壳层,轨道的形状由角动量l决定 l=0,1,2,3,.n-1 又称为s,p,d,f,g,.电子 当施加一个磁场在一个原子上时，平行
4、于磁场的角动量也是量子化的。l在磁场方向上的分量由磁量子数m决定 m=l,l-1,l-2,0,.-(l-1),-l,电子自旋量子数由s决定,电子磁矩之原子结构回顾,15,同一个量子数n，l，m，s表征的量子状态只能有一个电子占据。库仑相互作用：n,l,m 表征的一个电子轨道上如果有两个电子，虽然它们的自旋是相反的，但静电的库仑排斥势,仍然使系统能量提高。因而一个轨道倾向只有一个电子占据。凡是满电子壳层的总动量矩和总磁矩都为零。只有未填满电子的壳层上才有未成对的电子磁矩对原子的总磁矩做出贡献。这种未满壳层称为磁性电子壳层。,泡利不相容原理：,16,凡是满电子壳层的总动量矩和总磁矩都为零。只有未填
5、满电子的壳层上才有未成对的电子磁矩对原子的总磁矩做出贡献。这种未满壳层称为磁性电子壳层。,n l,1 1s,2 1s,2s,2p,3 1s,2s,2p,3s,3p,(4s),3d,(4s),4p,4d,(5s,5p,6s),4f,5d,4,17,洪德法则：未满壳层的电子自旋si排列，泡利原理倾向一个轨道只被一个电子占据，而原子内的自旋-自旋间的相互作用使自旋平行排列，从而总自旋S（）取最大值。每个电子的轨道矢量li的排列，电子倾向于同样的方向绕核旋转，以避免靠近而增加库仑排斥能，使总的轨道角动量L（）取 最大值。(如3d电子，m=2时该轨道磁矩在外场方向上的分量最大，轨道磁矩与外磁场平行能量最
6、低，最稳定)。由于L和S间的耦合，电子数n小于半满时 J=L-S，电 子 数n大于半满时 J=L+S。(洪德法则一般的描述只有(1)和(2)项),18,轨道磁矩,自旋磁矩,产生磁矩的原因 轨道磁矩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。自旋磁矩每个电子本身有自旋运动产生一个沿自旋轴方向的磁矩，即自旋磁矩。,19,磁矩的常用单位：,玻尔磁子：,核磁子：,原子核比电子重1000倍，运动速度仅为电子速度的几千分之一，原子核的自旋磁矩是电子自旋磁矩(玻尔磁子)的1840分之一。,任何物质都有磁性吗,20,如Fe是26号，1s22p63s23p63d64s
7、2,电子磁矩为,求27Co2+,30Zn,29Cu的电子自旋磁矩,21,三、物质的磁性,根据物质在外磁场中的磁化特性，通常将物质的磁性分为抗磁性，顺磁性，铁磁性,反铁磁性,磁化率为负值，-10-5,磁化率为正值（10-5）,磁化率可达103,反铁磁性：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。,22,EA和ES两种状态的能量差ex仅与 J 有关。J 是电子之间、电子和原子核之间静电作用的一种形式,ex通常称为交换能，称 J为交换积分，它是由于电子云交叠而引起的附加能量。,对于含有几个未成对电子组成的原子的合成自旋为Si和Sj,则 Eex=-2J Si Sj,23,奈耳根据上述两个条
8、件，总结了不同3d和4f以及4f等元素及合金的交换积分J与(a-2r)的关系。从图中给出的J0和J0的情况相对应的元素和合金与实际情况是一致的。,斯图阿特和如弗里曼分别计算了铁的交换积分J 值，发現J 值比相对于保证3d金属出现铁磁性所要求的数值小得多。说明海森伯交换作用模型只能给出定性结果。,24,小结,描述物质磁性的物理量及意义；任何物质都有磁性吗,为什么？Co的原子序号为27，计算Co2+的电子磁矩。磁性材料的分类及依据。,25,任何铁磁体和亚铁磁体，在温度低于居里温度Tc时，都是由磁畴组成的。磁畴是自发磁化到饱和（即其中的磁矩均朝一个方向排列）的小区域。相邻磁畴之间的界线叫磁畴壁。磁畴
9、壁是一个有一定厚度的过渡层，在过渡层中磁矩方向逐渐改变。,四 铁磁性理论4.1 磁畴,对于Fe，磁畴宽约为5.7um，畴壁约为42nm,26,在无外磁场时，各磁畴排列杂乱无章，铁磁质不显磁性；在外磁场中，各磁畴沿外场转向，介质内部的磁场迅速增加，在铁磁质充磁过程中伴随着发声、发热。,4.2 铁磁体的磁化机制,磁畴的转向,27,1.装置：环形螺绕环;铁磁Fe,Co,Ni及稀钍族元素的化合物，能被强烈地磁化。,实验测量B,如用感应电动势测量或用小线圈在缝口处测量；,由 得出 曲线。,2.原理：励磁电流 I;用安培定理得H。,当外磁场变化一个周期时，铁磁质内部的磁场变化曲线如图所示；,4.3 磁化曲
10、线,磁化曲线的实验测定,28,c,起始磁化曲线为 oc,当外磁场减小时，介质中的磁场并不沿起始磁化曲线返回，而是滞后于外磁场变化，磁滞现象。,Hc,Br,Hc,当外磁场为 0 时，介质中的磁场并不为 0，有一剩磁 Br;矫顽力加反向磁场Hc，使介质内部的磁场为 0，继续增加反向磁场，介质达到反向磁饱和状态；改变外磁场为正向磁场，不断增加外场，介质又达到正向磁饱和状态。,磁化曲线形成一条磁滞回线。,结论,铁磁质的 不是一个常数，它是 的函数。,B的变化落后于H，从而具有剩磁，即磁滞效应。,4.4 磁滞回线,29,4.5 磁滞回线与磁畴的关系,30,五 铁氧体磁性无机材料,一般是含铁及其它元素的复
11、合氧化物，通常称为铁氧体，它具有亚铁磁性，,5.1 尖晶石结构铁氧体,A位共8个,B位共16个,尖晶石AB2O4 正尖晶石如Zn2+（Fe3+）204 反尖晶石如Fe3+（Fe3+M2+）04,31,Nel的亚铁磁性理论,在亚铁磁体中，A和B次晶格由不同的磁性原子占据，而且有时由不同数目的原子占据，A位和B位上的磁性离子平等排列，形成磁矩MA和MB；MA和MB 取向相反，存在AA，BB和AB三种交换作用，其磁化强度为 MAMB；这样的磁性称为亜铁磁性，1948年Nel提出。,铁磁性,反铁磁性,亚铁磁性,32,亚铁磁性来自两种不同磁矩：一种磁矩在一个方向排列整齐，另一种磁矩在相反的方向排列。方向
12、相反，大小不等磁矩之差形成自发磁化现象。,例1 Fe3O4Fe3+(Fe2+Fe3+)O4 反型MA Fe3+3s23p63d34d2 MA=3BMB Fe3+3B Fe2+4BMB=7BMtotal=|MA-MB|=4B,例2 ZnFe2O4Zn2+Fe3+O4 正型MA Zn2+3d10 MA=0BMB Fe3+6B MB=6BMtotal=|MA-MB|=6B,33,混合尖晶石：,为1时，为正尖晶石结构；为0时为反尖晶石结构：0 1为混合尖晶石结构。,34,上述铁氧体属何种类型，磁矩是多少？,35,(1)软磁材料 具有较高的磁导率和较高的饱和磁感应强度；较小的矫顽力（矫顽力很小，即磁场的
13、方向和大小发生变化时磁畴壁很容易运动）和较低磁滞损耗，磁滞回线很窄；在磁场作用下非常容易磁化；取消磁场后很容易退磁化,象软铁、坡莫合金、硒钢片、铁铝合金、铁镍合金等。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、定子都是用软件磁性材料制成。,六 铁磁材料分类,36,(2)硬磁材料硬磁材料又称永磁材料，难于磁化又难于退磁。主要特点 具有较大的矫顽力，典型值Hc104106A/m；磁滞回线较粗，具有较高的最大磁能积(BH)max；剩磁很大；这种材料充磁后不易退磁，适合做永久磁铁。硬磁性材料如碳钢、铝镍钴合金和铝钢等。,37,硬磁材料主要应用用于制造各种永磁体，以便提
14、供磁场空间；可用于各类电表和电话、录音机、电视机中以及利用磁性牵引力的举重器、分料器和选矿器中。铝镍钴合金硬磁材料六方铁氧体硬磁材料稀土永磁材料一类是钕铁硼(Nd-Fe-B)系合金，是目前工业用硬磁材料最大磁能积最高者。其主要缺点是温度稳定性和抗腐蚀性稍差。一类是钴基稀土永磁材料，主要代表是SmCo5烧结永磁体和Sm2Co17多相沉淀硬化永磁材料。它们的缺点是脆，加工性稍差。,铁磁性理论铁磁材料分类,38,3 矩磁材料（磁存储材料）,由一个由线圈缠绕的软磁性材料读写头来完成数据读写。数据（写）由线圈中的电信号引入，并通过磁头的磁隙在磁记录介质的一个很小区域产生磁场，使磁记录介质磁化，从而记录信息如右图。,这类材料的磁滞回线最好是呈矩形，因为这样才能保证写入信息的安全存储。只有磁头中的磁化强度发生陡变才能 取消已写入的信息。常用的磁存储材料有针状的Fe2O3、CrO2，薄膜状的CoPtCr、CoCrTa合金。薄膜状的磁存储材料比针状材料有更高的存储密度。前者达3 x 106比特/mm2，后者为1.5 x105 比特/mm2。,39,思考题,画出典型磁滞回线，说明相关物理参数。,
