材料的磁學(xué)PPT課件

1、1第三章第三章 材料的磁學(xué)材料的磁學(xué)3.1 原子磁性及材料磁性原子磁性及材料磁性3.2 磁學(xué)量及材料磁性分類磁學(xué)量及材料磁性分類3.3 鐵磁性和反鐵磁性鐵磁性和反鐵磁性3.4 技術(shù)磁化與磁滯現(xiàn)象技術(shù)磁化與磁滯現(xiàn)象3.5 磁性材料及其應(yīng)用磁性材料及其應(yīng)用2 磁性是原子及物質(zhì)最基本的屬性之一。廣義上，一切原磁性是原子及物質(zhì)最基本的屬性之一。廣義上，一切原子及物質(zhì)均具有子及物質(zhì)均具有“磁性磁性”，本質(zhì)上來(lái)源于，本質(zhì)上來(lái)源于電子磁矩電子磁矩。 材料的磁學(xué)：材料的磁學(xué)：研究和闡明固體材料磁性起源、磁性結(jié)構(gòu)及研究和闡明固體材料磁性起源、磁性結(jié)構(gòu)及其聯(lián)系的學(xué)科其聯(lián)系的學(xué)科，促進(jìn)對(duì)材料磁性的利用和開發(fā)。，促進(jìn)

2、對(duì)材料磁性的利用和開發(fā)。 基于材料磁學(xué)原理，開發(fā)的一類基礎(chǔ)性功能材料。基于材料磁學(xué)原理，開發(fā)的一類基礎(chǔ)性功能材料。 磁性磁性材料已經(jīng)形成了一個(gè)龐大的家族，材料已經(jīng)形成了一個(gè)龐大的家族，按材料的磁特性來(lái)劃分，按材料的磁特性來(lái)劃分，有軟磁、永磁、旋磁、記憶磁、壓磁等；有軟磁、永磁、旋磁、記憶磁、壓磁等； 按材料構(gòu)成來(lái)劃分，按材料構(gòu)成來(lái)劃分， 有合金磁性材料，鐵氧體磁性材料有合金磁性材料，鐵氧體磁性材料。343.1 原子磁性及材料磁性原子磁性及材料磁性3.1.1 原子的磁性原子的磁性量子力學(xué)哥本哈根學(xué)派領(lǐng)袖，1922年獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，師從盧瑟福，弟子有海森堡、泡利、狄拉克、朗道等諾貝爾獎(jiǎng)獲得者 b

3、ohr (1885-1962)5) 1(2) 1() 1() 1(1 jjllssjjgjjj耦合耦合: 各電子的各電子的l、s相互作用強(qiáng)，相互作用強(qiáng)，先耦合為該電子的總磁矩，再疊加先耦合為該電子的總磁矩，再疊加為原子總磁矩為原子總磁矩 ；（z88)jj+ls (z=3388)ls耦合耦合:各電子的各電子的l、s相互作用弱，相互作用弱，先各自耦合為總先各自耦合為總l、總、總s，再疊加，再疊加為原子總磁矩為原子總磁矩 ；（z33)ls耦合耦合:bjjjjg) 1( 原子總磁矩原子總磁矩:朗德因子朗德因子:原子總角動(dòng)量：原子總角動(dòng)量：slj 673.1.2 材料材料(固體固體)的磁性的磁性jim

4、vmmii 原子磁矩原子磁矩磁化強(qiáng)度磁化強(qiáng)度鐵磁性鐵磁性順磁性順磁性材料材料器件器件磁疇磁疇單晶單晶多晶多晶微微觀觀宏宏觀觀原子原子晶胞晶胞8(2) 磁矩（磁矩（m） 環(huán)形電流周圍的磁場(chǎng)環(huán)形電流周圍的磁場(chǎng) 定價(jià)于定價(jià)于磁偶極子周圍的磁場(chǎng)磁偶極子周圍的磁場(chǎng):3.2 磁學(xué)量及材料磁性分類磁學(xué)量及材料磁性分類nsnssimlqmm3.2.1 磁學(xué)量磁學(xué)量lnih due 電場(chǎng)強(qiáng)度電場(chǎng)強(qiáng)度 elqme電偶極距電偶極距磁偶極矩磁偶極矩(1) 磁場(chǎng)強(qiáng)度磁場(chǎng)強(qiáng)度 hohh二者均與二者均與介質(zhì)無(wú)關(guān)介質(zhì)無(wú)關(guān)ns9靜磁能靜磁能：磁矩在外磁場(chǎng)作用下具有的勢(shì)能（磁勢(shì)能）：磁矩在外磁場(chǎng)作用下具有的勢(shì)能（磁勢(shì)能）：hmu

5、m 0cos0mh 00mu0umaxu 磁力矩磁力矩: 磁矩磁矩m在外磁場(chǎng)在外磁場(chǎng)h中受到一個(gè)中受到一個(gè) 轉(zhuǎn)動(dòng)力距，以降低磁勢(shì)能，直至轉(zhuǎn)動(dòng)力距，以降低磁勢(shì)能，直至u最小最小hmtm 0sin0mh hmz mt0t010(3) 磁化強(qiáng)度磁化強(qiáng)度 m = 0 mm = 0 ms s 磁化：磁化：在外磁場(chǎng)作用下，材料內(nèi)部隨機(jī)取向的磁矩在在外磁場(chǎng)作用下，材料內(nèi)部隨機(jī)取向的磁矩在磁力作用下旋轉(zhuǎn)，沿外磁場(chǎng)一致排列，物質(zhì)磁力作用下旋轉(zhuǎn)，沿外磁場(chǎng)一致排列，物質(zhì)被誘導(dǎo)出宏被誘導(dǎo)出宏觀磁矩觀磁矩m，從而顯示宏觀磁性的過(guò)程，從而顯示宏觀磁性的過(guò)程。 磁化強(qiáng)度：磁化強(qiáng)度：hvmmii /hs s nn 磁化率磁化

6、率/系數(shù)系數(shù)m=mm=ms smvmms 0hn s m=0m=011 外加磁場(chǎng)外加磁場(chǎng)h在介質(zhì)中感應(yīng)的磁場(chǎng)大小在介質(zhì)中感應(yīng)的磁場(chǎng)大?。ù帕€密度）（磁力線密度）b，是外磁場(chǎng)與內(nèi)部磁化強(qiáng)度綜合作用的結(jié)果，是外磁場(chǎng)與內(nèi)部磁化強(qiáng)度綜合作用的結(jié)果，與介質(zhì)有關(guān)。與介質(zhì)有關(guān)。 對(duì)于真空：對(duì)于真空： 對(duì)于磁介質(zhì)：對(duì)于磁介質(zhì)：（4）磁感應(yīng)強(qiáng)度）磁感應(yīng)強(qiáng)度 bhb0)(0mhbh)1 (0hr0真空磁導(dǎo)率真空磁導(dǎo)率相對(duì)磁導(dǎo)率相對(duì)磁導(dǎo)率12物質(zhì)磁學(xué)和電學(xué)基本量的比較物質(zhì)磁學(xué)和電學(xué)基本量的比較磁學(xué)量電學(xué)量磁磁 化化：磁介質(zhì)在磁場(chǎng)中感生磁極磁介質(zhì)在磁場(chǎng)中感生磁極磁場(chǎng)強(qiáng)度磁場(chǎng)強(qiáng)度： （真空）（真空）磁化強(qiáng)度磁化強(qiáng)度：

7、 磁感應(yīng)強(qiáng)度：磁通密度磁感應(yīng)強(qiáng)度：磁通密度 絕對(duì)磁導(dǎo)率絕對(duì)磁導(dǎo)率：相對(duì)磁導(dǎo)率相對(duì)磁導(dǎo)率：磁磁 化化 率率： 極極 化：電介質(zhì)在電場(chǎng)中感生電荷化：電介質(zhì)在電場(chǎng)中感生電荷電場(chǎng)強(qiáng)度電場(chǎng)強(qiáng)度： （真空）（真空）極化強(qiáng)度極化強(qiáng)度： 電感應(yīng)強(qiáng)度電感應(yīng)強(qiáng)度：電通密度電通密度 /電位移矢量絕對(duì)電容率絕對(duì)電容率： 相對(duì)電容率相對(duì)電容率：極極 化化 率率：me1rm1re0r 0r hmhb)(0hvmmmieped)(0evpeilnih/due/mh /10470mf /10854. 8120相對(duì)介電常數(shù)介電常數(shù)133.2.2 物質(zhì)的磁性分類物質(zhì)的磁性分類 根據(jù)物質(zhì)的磁化率，可以把物質(zhì)的磁性大致分為五類。根據(jù)

8、物質(zhì)的磁化率，可以把物質(zhì)的磁性大致分為五類。根據(jù)根據(jù) 的關(guān)系，作出的關(guān)系，作出磁化曲線磁化曲線?？勾判圆牧戏磋F磁性材料hm順磁性材料亞鐵磁性材料鐵磁性材料o（1）抗磁體）抗磁體在磁場(chǎng)中受微弱斥力。在磁場(chǎng)中受微弱斥力。金屬中一般簡(jiǎn)單金屬為抗磁體。金屬中一般簡(jiǎn)單金屬為抗磁體。經(jīng)典抗磁體經(jīng)典抗磁體： 不隨溫度變化，不隨溫度變化， 如銅、銀、金、汞、鋅等。如銅、銀、金、汞、鋅等。反?？勾朋w反常抗磁體： 隨溫度變化，隨溫度變化，如鉍、鎵、銻等。如鉍、鎵、銻等。 （ 10-6）0hm 14（2）順磁體）順磁體 （10-6 10-3 ）在磁場(chǎng)中受微弱吸引力。在磁場(chǎng)中受微弱吸引力。正常順磁體正常順磁體：其：其

9、 隨溫度變化符合反比關(guān)系，如金屬鉑、隨溫度變化符合反比關(guān)系，如金屬鉑、鈀、奧氏體不銹鋼、稀土金屬等。鈀、奧氏體不銹鋼、稀土金屬等。 與溫度無(wú)關(guān)的順磁體與溫度無(wú)關(guān)的順磁體，如鋰、鈉、鉀、銣等金屬。，如鋰、鈉、鉀、銣等金屬。（3）鐵磁體）鐵磁體 （ 值很大，且與外磁場(chǎng)呈非線性關(guān)系變化）值很大，且與外磁場(chǎng)呈非線性關(guān)系變化）如鐵、鈷、鎳等。如鐵、鈷、鎳等。 鐵磁體在溫度高于某臨界溫度后變成順磁體鐵磁體在溫度高于某臨界溫度后變成順磁體。此此臨界溫度臨界溫度稱為稱為居里溫度居里溫度或或居里點(diǎn)居里點(diǎn)，用，用tc表示。表示。 所以，所以，居里溫度居里溫度 是鐵磁體或亞鐵磁體的相變轉(zhuǎn)變點(diǎn)。是鐵磁體或亞鐵磁體的相

10、變轉(zhuǎn)變點(diǎn)。063101015（4）亞鐵磁體）亞鐵磁體 （ 值沒(méi)有鐵磁體那樣大）值沒(méi)有鐵磁體那樣大）磁鐵礦、鐵氧體都屬于亞鐵磁體。磁鐵礦、鐵氧體都屬于亞鐵磁體。亞鐵磁性材料：亞鐵磁性材料：不同原子的磁矩反向平行排列，抵消后的剩不同原子的磁矩反向平行排列，抵消后的剩余磁矩。余磁矩。（5）反鐵磁體）反鐵磁體 （ 是小的正數(shù)。）是小的正數(shù)。）溫度低于某溫度時(shí)，它的磁化率同磁溫度低于某溫度時(shí)，它的磁化率同磁場(chǎng)的取向有關(guān)；高于這個(gè)溫度，其行場(chǎng)的取向有關(guān)；高于這個(gè)溫度，其行為像順磁體。為像順磁體。 如如 、鉻、氧化鎳、氧化錳等。、鉻、氧化鎳、氧化錳等。-mnmno163.3 鐵磁性和反鐵磁性鐵磁性和反鐵磁性

11、3.3.1 鐵磁性鐵磁性 1. 分子場(chǎng)與自發(fā)磁化分子場(chǎng)與自發(fā)磁化 2. 量子直接交換作用量子直接交換作用 3. 居里溫度居里溫度3.3.2 反鐵磁性反鐵磁性 1. 量子間接交換作用量子間接交換作用 2. 反鐵磁性和亞鐵磁性反鐵磁性和亞鐵磁性m17分子場(chǎng)與自發(fā)磁化分子場(chǎng)與自發(fā)磁化鐵磁性特點(diǎn)：鐵磁性特點(diǎn)： 1）自然狀態(tài)下，絕大多數(shù)鐵磁性礦物、材料宏觀并不顯）自然狀態(tài)下，絕大多數(shù)鐵磁性礦物、材料宏觀并不顯示磁性，必須要經(jīng)磁化以后，才顯示磁性（吸鐵）；示磁性，必須要經(jīng)磁化以后，才顯示磁性（吸鐵）； 2）這種磁性并不能永久保持，如果提高溫度或者反向充）這種磁性并不能永久保持，如果提高溫度或者反向充磁，這

12、種磁性會(huì)消失。磁，這種磁性會(huì)消失。為什么？為什么？ 1907年，外斯提出鐵磁性的分子場(chǎng)理論：年，外斯提出鐵磁性的分子場(chǎng)理論：（1）分子場(chǎng)假說(shuō)）分子場(chǎng)假說(shuō) 鐵磁性物質(zhì)內(nèi)存在某種很強(qiáng)的分子場(chǎng)（力），約束著原鐵磁性物質(zhì)內(nèi)存在某種很強(qiáng)的分子場(chǎng)（力），約束著原子，使內(nèi)部各區(qū)域的原子磁矩一致排列。這種無(wú)外加磁場(chǎng)下子，使內(nèi)部各區(qū)域的原子磁矩一致排列。這種無(wú)外加磁場(chǎng)下自發(fā)產(chǎn)生的磁化自發(fā)產(chǎn)生的磁化，稱為稱為自發(fā)磁化自發(fā)磁化。自發(fā)磁化，用矢量。自發(fā)磁化，用矢量自發(fā)磁自發(fā)磁化強(qiáng)度化強(qiáng)度 表示，其大小等于飽和磁化強(qiáng)度表示，其大小等于飽和磁化強(qiáng)度 。1907, weisssmsmm18（2）磁疇假說(shuō)）磁疇假說(shuō) 由于自然

13、鐵磁性材料宏觀不顯示磁性，這些由于自然鐵磁性材料宏觀不顯示磁性，這些自發(fā)磁化自發(fā)磁化矢矢量量 必然必然分區(qū)存在、相互抵消分區(qū)存在、相互抵消，這些區(qū)域即所謂的這些區(qū)域即所謂的“磁疇磁疇”。 所謂所謂磁化磁化，是，是借助外加磁場(chǎng)作用，借助外加磁場(chǎng)作用，將自發(fā)磁化調(diào)整到外將自發(fā)磁化調(diào)整到外場(chǎng)方向（顯示出來(lái)）而已場(chǎng)方向（顯示出來(lái)）而已，并非向其提供額外磁性，并非向其提供額外磁性。hvmmmiim磁化磁化h0 vmmimsm19smwmh w根據(jù)根據(jù)boltzmann統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)，weiss導(dǎo)出導(dǎo)出)()0(ybmmj 其中，布里淵函數(shù)其中，布里淵函數(shù)jyjyjjjjybj2coth2112coth12)

14、( kthhjgymbj/ )(0 bjnjgm )0(n原子體積濃度原子體積濃度（3）外斯（）外斯（weiss)理論理論202. 量子直接交換作用量子直接交換作用)(222rumh貢獻(xiàn)于電子貢獻(xiàn)于電子云重疊部分云重疊部分fe fe 21201222 ()2eaeeka ssr 2212*12212121212d d1221 d d11111 d22 daabbababababbaababkvavverrr k 是兩個(gè)氫原子的電子間及電子與原子核之間的是兩個(gè)氫原子的電子間及電子與原子核之間的庫(kù)侖能庫(kù)侖能。a 是兩個(gè)氫原子中電子交換所產(chǎn)生的是兩個(gè)氫原子中電子交換所產(chǎn)生的交換能交換能，與電子云重疊

15、的，與電子云重疊的程度有關(guān)。程度有關(guān)。 a(1)-a原子中的電子原子中的電子1的波函數(shù)。的波函數(shù)。 b(2)-b原子中的電子原子中的電子2的波函數(shù)。的波函數(shù)。 a(2)-b原子中的電子原子中的電子2在在a原子的波函數(shù)。原子的波函數(shù)。 b(1)-a原子中的電子原子中的電子1在在b原子的波函數(shù)。原子的波函數(shù)。電子自旋角動(dòng)量矢量電子自旋角動(dòng)量矢量22當(dāng) a 0 時(shí)，自旋反平行為基態(tài)，這是氫分子情形 a 0 時(shí)，自旋平行為基態(tài)，這是可能出現(xiàn)鐵磁性的條件海森伯的討論就從交換能開始。海森伯的討論就從交換能開始。其中，后面一項(xiàng)我們稱作交換能交換能122exeass 雖然是交換能導(dǎo)致了磁矩之間的相互作用，但從

16、氫分子雖然是交換能導(dǎo)致了磁矩之間的相互作用，但從氫分子的例子中可以看出：它起源于原子之間的庫(kù)侖相互作用的例子中可以看出：它起源于原子之間的庫(kù)侖相互作用vab，交換能與磁矩間的聯(lián)系完全是泡利原理的結(jié)果交換能與磁矩間的聯(lián)系完全是泡利原理的結(jié)果。由于泡利原。由于泡利原理，自旋取向的不同決定了電子空間分布的不同（對(duì)稱或反理，自旋取向的不同決定了電子空間分布的不同（對(duì)稱或反對(duì)稱），從而影響了庫(kù)侖相互作用。所以分子場(chǎng)當(dāng)作一個(gè)磁對(duì)稱），從而影響了庫(kù)侖相互作用。所以分子場(chǎng)當(dāng)作一個(gè)磁場(chǎng)作用來(lái)看雖具有難以理解的巨大強(qiáng)度（場(chǎng)作用來(lái)看雖具有難以理解的巨大強(qiáng)度（103t)，但從量子力，但從量子力學(xué)效應(yīng)來(lái)看，這是很自然的

17、。學(xué)效應(yīng)來(lái)看，這是很自然的。23 假設(shè)： n個(gè)原子組成的系統(tǒng)中，每個(gè)原子個(gè)原子組成的系統(tǒng)中，每個(gè)原子只有一個(gè)電子對(duì)鐵磁性有貢獻(xiàn)，只有一個(gè)電子對(duì)鐵磁性有貢獻(xiàn)， 只考慮不同只考慮不同原子中電子的交換。原子中電子的交換。n個(gè)電子系統(tǒng)的交換能：個(gè)電子系統(tǒng)的交換能： 2()nexjijijeass 由于交換作用是近程作用由于交換作用是近程作用，只對(duì)近鄰求和只對(duì)近鄰求和:2exijijeas s 證明，證明，weiss的分子場(chǎng)可表達(dá)為：的分子場(chǎng)可表達(dá)為：z是最近鄰原子數(shù)目是最近鄰原子數(shù)目二二. heisenberg 鐵磁理論鐵磁理論量子力學(xué)奠基人之一，1932年獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，師從索末菲、波恩、波爾，弟

18、子有諾貝爾獎(jiǎng)獲得者布洛赫等heisenberg (1901-1976) 19282)(2bmgnzawmh 24物質(zhì)具有鐵磁性的必要條件是原子中具有物質(zhì)具有鐵磁性的必要條件是原子中具有未充滿的電子未充滿的電子殼殼 層層，即有原子磁距。（，即有原子磁距。（si0）物質(zhì)具有鐵磁性的充分條件是物質(zhì)具有鐵磁性的充分條件是 a0，這里，這里a 可以理解為可以理解為廣義的或等效的交換積分，且交換能可以表示為：廣義的或等效的交換積分，且交換能可以表示為：2exijeass 近鄰 交換積分及鐵磁性條件交換積分及鐵磁性條件:25263. 居里溫度居里溫度msttc鐵磁性物質(zhì)鐵磁性物質(zhì)ms與溫度的關(guān)系與溫度的關(guān)系

19、物物質(zhì)質(zhì)ms (a/m)tc (k)fe1.741061043co1.431061403ni5.1106631 鐵電性物質(zhì)的飽和極化強(qiáng)度飽和極化強(qiáng)度有類似規(guī)律273.3.2 反鐵磁性反鐵磁性1. 量子間接交換作用量子間接交換作用mnomn2+o2-mn2+mn2+o2-mn2+3d52p63d5mn+o-mn2+(a) 基態(tài)基態(tài) (b) 激發(fā)態(tài)激發(fā)態(tài)間接交換作用示意圖間接交換作用示意圖a0，交換能最小，要求相鄰自旋角動(dòng)量平行排列，交換能最小，要求相鄰自旋角動(dòng)量平行排列，即磁距自發(fā)磁化（鐵磁性）；即磁距自發(fā)磁化（鐵磁性）； 當(dāng)當(dāng)a0，要求反向排列（反鐵磁性）要求反向排列（反鐵磁性）2exijea

20、ss 近鄰（疇壁尺度）（疇壁尺度）40（3）磁晶各向異性能磁晶各向異性能 e k 在單晶體的不同晶向上，磁性能（自發(fā)磁化）是不在單晶體的不同晶向上，磁性能（自發(fā)磁化）是不同的，稱為磁晶各向異性，因此消耗的同的，稱為磁晶各向異性，因此消耗的磁化功磁化功不同。不同。hdmq0（單晶尺度）（單晶尺度）41222222222210)(kkkek 、 為為m與三個(gè)晶軸的方向余弦，與三個(gè)晶軸的方向余弦， k0、 k1、 k2代表晶代表晶體各向異性常數(shù)。體各向異性常數(shù)。 磁晶各向異性起源磁晶各向異性起源，可按自旋軌道相互作用模型解釋：，可按自旋軌道相互作用模型解釋：一、電子軌道磁距產(chǎn)生的磁場(chǎng)對(duì)電子自旋運(yùn)動(dòng)作

21、用，使軌道一、電子軌道磁距產(chǎn)生的磁場(chǎng)對(duì)電子自旋運(yùn)動(dòng)作用，使軌道和自旋間存在耦合作用；二、受晶體場(chǎng)影響，原子磁距傾向和自旋間存在耦合作用；二、受晶體場(chǎng)影響，原子磁距傾向于在晶體的某些方向上能量最低，而在另一些方向能量高。于在晶體的某些方向上能量最低，而在另一些方向能量高。 原子磁距最低的方向?yàn)橐状呕较?，而能量高的方向?yàn)殡y原子磁距最低的方向?yàn)橐状呕较?，而能量高的方向?yàn)殡y磁化方向。在無(wú)磁場(chǎng)作用的平衡狀態(tài)下，原子磁距傾向于排磁化方向。在無(wú)磁場(chǎng)作用的平衡狀態(tài)下，原子磁距傾向于排列在易磁化方向上。列在易磁化方向上。42（4）退磁能退磁能 e d 形狀各向異性能形狀各向異性能 鐵磁材料磁化后，在端面形成

22、磁極，在鐵磁材料磁化后，在端面形成磁極，在內(nèi)部?jī)?nèi)部產(chǎn)生一個(gè)產(chǎn)生一個(gè)退磁退磁場(chǎng)場(chǎng)hd，其方向與磁化強(qiáng)度，其方向與磁化強(qiáng)度m、外加磁場(chǎng)、外加磁場(chǎng)h相反，起抵消作用。相反，起抵消作用。2/20nmdmhemddnmhdssnnhdhm（宏觀、單晶尺度）（宏觀、單晶尺度） 在退磁場(chǎng)在退磁場(chǎng)hd中，中， 物質(zhì)具有退磁能物質(zhì)具有退磁能ed :退磁因子退磁因子2/02snm43球形樣品：球形樣品： a=b=c , nx=ny=nz= 1/3棒狀樣品：棒狀樣品： ab=c, b=c, nx=0, ny=nz=1/2薄片樣品：薄片樣品： abb,c, nx=1, ny=nz=0 退磁因子退磁因子n有有方向性方向

23、性，故與材料，故與材料形狀有關(guān)形狀有關(guān)：xx 解釋解釋bloch壁，壁，neel壁壁 退磁場(chǎng)退磁場(chǎng)hd的存在抵消了磁化強(qiáng)度的存在抵消了磁化強(qiáng)度m，故對(duì)磁化起阻礙作用。，故對(duì)磁化起阻礙作用。退磁因子退磁因子n越大，材料越難磁化。越大，材料越難磁化。x44（5）磁彈性能磁彈性能 e 材料在磁化時(shí)受磁力，導(dǎo)致微小的伸長(zhǎng)材料在磁化時(shí)受磁力，導(dǎo)致微小的伸長(zhǎng)/收縮收縮，這一，這一過(guò)程如受限制，則在物體內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力、應(yīng)變。這樣，過(guò)程如受限制，則在物體內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力、應(yīng)變。這樣，物體內(nèi)部將產(chǎn)生彈性能，稱為磁彈性能。材料的內(nèi)部缺物體內(nèi)部將產(chǎn)生彈性能，稱為磁彈性能。材料的內(nèi)部缺陷、雜質(zhì)等都可能增加其磁彈性能。陷、雜

24、質(zhì)等都可能增加其磁彈性能。 磁化時(shí)磁化時(shí), 微元遭受微元遭受磁力磁力 (體積力體積力) 應(yīng)力應(yīng)力 (面積力面積力) 應(yīng)變應(yīng)變 （磁）彈性能，（磁）彈性能， ，由下式計(jì)算：，由下式計(jì)算：2sin23sde 磁化方向和應(yīng)力方向的夾角；磁化方向和應(yīng)力方向的夾角； 飽和磁致伸縮系數(shù)；飽和磁致伸縮系數(shù)；s（磁疇尺度）（磁疇尺度）mf,e45 交換能交換能（界面能）（界面能）產(chǎn)生自發(fā)磁化，產(chǎn)生自發(fā)磁化，其磁化強(qiáng)度方向沿晶其磁化強(qiáng)度方向沿晶體的易磁化軸排列，產(chǎn)生體的易磁化軸排列，產(chǎn)生磁晶各向異性能磁晶各向異性能（體積能），（體積能），都達(dá)都達(dá)到極小值。但鐵磁體磁化后，產(chǎn)生表面磁極，形成退磁場(chǎng)，到極小值。但鐵

25、磁體磁化后，產(chǎn)生表面磁極，形成退磁場(chǎng)，增加體系的增加體系的退磁能退磁能（體積能）（體積能），要破壞自發(fā)磁化的形成，要破壞自發(fā)磁化的形成。 矛矛 盾：盾：磁疇增大，交換能減小，退磁能增大。為了滿足磁疇增大，交換能減小，退磁能增大。為了滿足總自由能最小，鐵磁體內(nèi)部的磁疇要有合適的尺寸。所以，總自由能最小，鐵磁體內(nèi)部的磁疇要有合適的尺寸。所以，過(guò)大的磁疇要分裂，而過(guò)小磁疇要合并過(guò)大的磁疇要分裂，而過(guò)小磁疇要合并。因此，出現(xiàn)磁疇。因此，出現(xiàn)磁疇。etdvedseex. eeeeeedkexht假設(shè)不考慮假設(shè)不考慮e ek kd046 (a) 整個(gè)晶體磁化，整個(gè)晶體磁化，ed大大 (b) 磁疇二分，產(chǎn)生

26、磁疇二分，產(chǎn)生1個(gè)疇壁個(gè)疇壁 (c) 磁疇四分，產(chǎn)生磁疇四分，產(chǎn)生2個(gè)疇壁個(gè)疇壁 ed, eex 當(dāng)當(dāng)二者相當(dāng)時(shí)，不再分疇二者相當(dāng)時(shí)，不再分疇 (d) 封閉疇封閉疇 (b)的精細(xì)的精細(xì) (e) 封閉疇封閉疇 (c)的精細(xì)的精細(xì) 鈷單晶磁疇的形成過(guò)程鈷單晶磁疇的形成過(guò)程假設(shè)不考慮假設(shè)不考慮e ek k47 技術(shù)磁化技術(shù)磁化：在磁疇及以上尺度，研究鐵磁材料磁疇結(jié)構(gòu)、：在磁疇及以上尺度，研究鐵磁材料磁疇結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)及其控制手段的磁化，區(qū)別于運(yùn)動(dòng)及其控制手段的磁化，區(qū)別于理論磁化理論磁化而言。而言。 技術(shù)磁化，一般用技術(shù)磁化，一般用磁化曲線磁化曲線和和磁滯回線磁滯回線來(lái)表征。來(lái)表征。)(cos.cos

27、iisiismvmvmu磁勢(shì)能：磁勢(shì)能：微小變化微小變化疇壁位移疇壁位移磁疇轉(zhuǎn)動(dòng)磁疇轉(zhuǎn)動(dòng)磁化矢量轉(zhuǎn)動(dòng)磁化矢量轉(zhuǎn)動(dòng)能量低能量低,小磁場(chǎng)小磁場(chǎng)能量高，大磁場(chǎng)能量高，大磁場(chǎng) hm m=f(h)cos00 iisiimvhmhmu48 在磁場(chǎng)作用下，兩種過(guò)程均可發(fā)生，由于不同材料中發(fā)生在磁場(chǎng)作用下，兩種過(guò)程均可發(fā)生，由于不同材料中發(fā)生兩種過(guò)程的難易程度不同，也可能在不同磁場(chǎng)范圍內(nèi)以一種兩種過(guò)程的難易程度不同，也可能在不同磁場(chǎng)范圍內(nèi)以一種過(guò)程為主、另一種過(guò)程為輔。過(guò)程為主、另一種過(guò)程為輔。491. 疇壁位移疇壁位移可逆疇壁位移可逆疇壁位移 結(jié)構(gòu)均勻、內(nèi)應(yīng)力小、雜質(zhì)和缺陷少結(jié)構(gòu)均勻、內(nèi)應(yīng)力小、雜質(zhì)和缺陷少

28、的鐵磁材料，疇的鐵磁材料，疇壁位移阻力小，在起始磁化（小磁場(chǎng)）時(shí)，發(fā)生可逆疇壁壁位移阻力小，在起始磁化（小磁場(chǎng)）時(shí)，發(fā)生可逆疇壁位移。如果撤掉磁場(chǎng)，疇壁位移可恢復(fù)，無(wú)能量損耗。位移。如果撤掉磁場(chǎng)，疇壁位移可恢復(fù)，無(wú)能量損耗。 m-h線性變化線性變化，斜率，斜率 。 如如金屬軟磁材料，高金屬軟磁材料，高 鐵氧體材料鐵氧體材料等。等。2）不可逆疇壁位移）不可逆疇壁位移 在可逆疇壁位移之后，繼續(xù)增大磁場(chǎng)，發(fā)生不可逆疇在可逆疇壁位移之后，繼續(xù)增大磁場(chǎng)，發(fā)生不可逆疇壁位移。如果撤掉磁場(chǎng)，疇壁位移不可恢復(fù)，伴隨量損耗。壁位移。如果撤掉磁場(chǎng)，疇壁位移不可恢復(fù)，伴隨量損耗。 由于應(yīng)力起伏或雜質(zhì)起伏，使疇壁越過(guò)

29、后無(wú)以恢復(fù)。由于應(yīng)力起伏或雜質(zhì)起伏，使疇壁越過(guò)后無(wú)以恢復(fù)。 m-h非線性變化，在非線性變化，在巴克豪生區(qū)對(duì)應(yīng)最大斜率巴克豪生區(qū)對(duì)應(yīng)最大斜率 。hh晶界不移動(dòng)！晶界不移動(dòng)！但會(huì)有應(yīng)變但會(huì)有應(yīng)變hm / inimax502. 磁疇轉(zhuǎn)動(dòng)磁疇轉(zhuǎn)動(dòng) 在在不可逆疇壁位移之后，可逆疇壁位移之后，繼續(xù)增大磁場(chǎng)繼續(xù)增大磁場(chǎng)，某些情況下，某些情況下，可發(fā)生可逆磁疇轉(zhuǎn)動(dòng)?？砂l(fā)生可逆磁疇轉(zhuǎn)動(dòng)。 源于磁晶各向異性或應(yīng)力各向異性等。源于磁晶各向異性或應(yīng)力各向異性等。 m-h非線性變化，斜率逐漸減小。非線性變化，斜率逐漸減小?？赡娲女犧D(zhuǎn)動(dòng)可逆磁疇轉(zhuǎn)動(dòng)2）不可逆磁疇轉(zhuǎn)動(dòng)）不可逆磁疇轉(zhuǎn)動(dòng) 在可逆磁疇轉(zhuǎn)動(dòng)之后，繼續(xù)增大磁場(chǎng)，磁化

30、趨于飽和，在可逆磁疇轉(zhuǎn)動(dòng)之后，繼續(xù)增大磁場(chǎng)，磁化趨于飽和，發(fā)生不可逆磁疇轉(zhuǎn)動(dòng)。發(fā)生不可逆磁疇轉(zhuǎn)動(dòng)。 m-h接近線性變化，斜率趨于最小。接近線性變化，斜率趨于最小。hh晶粒不轉(zhuǎn)動(dòng)！晶粒不轉(zhuǎn)動(dòng)！自發(fā)磁化矢量自發(fā)磁化矢量轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)513. 磁化曲線磁化曲線(1) 起始或可逆磁化區(qū)起始或可逆磁化區(qū) oa：線性：線性(2) 瑞利區(qū)瑞利區(qū) ab：偏離線性，不可逆：偏離線性，不可逆(3) 最大磁化率區(qū)最大磁化率區(qū) bc：m 劇增，劇增， 達(dá)到達(dá)到 m，劇烈不可逆劇烈不可逆 （巴克豪生跳躍）。（巴克豪生跳躍）。(4) 趨近飽和區(qū)趨近飽和區(qū) cd： m緩慢升高，最后趨近緩慢升高，最后趨近 一水平線一水平線(技術(shù)飽

31、和技術(shù)飽和)。 (5) 順磁磁化區(qū)順磁磁化區(qū) d后后：外場(chǎng)對(duì)自發(fā)磁化的微弱增強(qiáng)。：外場(chǎng)對(duì)自發(fā)磁化的微弱增強(qiáng)。inimax521. 磁滯概念磁滯概念 磁化后，退磁過(guò)程中，磁化強(qiáng)度磁化后，退磁過(guò)程中，磁化強(qiáng)度m的變化的變化 落后于落后于外加外加磁場(chǎng)磁場(chǎng)h變化的現(xiàn)象，導(dǎo)致變化的現(xiàn)象，導(dǎo)致m-h曲線不能返回起點(diǎn)曲線不能返回起點(diǎn)，叫磁滯。，叫磁滯。 磁滯必然磁化做功，造成能量損耗。磁滯必然磁化做功，造成能量損耗。 引起磁滯的根源：引起磁滯的根源： 1) 不可逆疇壁位移；不可逆疇壁位移； 2) 不可逆磁疇轉(zhuǎn)動(dòng)；不可逆磁疇轉(zhuǎn)動(dòng)； 3) 反磁化形核；反磁化形核； 4) 疇壁釘扎疇壁釘扎 ;殘余內(nèi)應(yīng)力殘余內(nèi)應(yīng)力

32、雜質(zhì)、缺陷雜質(zhì)、缺陷吸收磁化功hmo53鐵磁體鐵磁體h-m磁滯回線磁滯回線鐵電體鐵電體p-e電滯回線電滯回線退極化曲線退極化曲線hvmmi /vpi/ hmhb)(0eped )(02. 磁滯回線磁滯回線磁化磁化反磁化反磁化退磁退磁例如，例如，fe,co例如，例如，bitio3, pzt54u 分線段：分線段： oab 磁化曲線磁化曲線，bcde 反磁化反磁化(cd 正退磁正退磁) efgb 正磁化正磁化(fg 反退磁反退磁)u 磁滯回線磁滯回線（封閉）：（封閉）：bcdefgbu 磁化功磁化功：磁滯回線所包圍的面積表征磁化一周時(shí)所消耗：磁滯回線所包圍的面積表征磁化一周時(shí)所消耗的功，內(nèi)因：克服

33、交換能、磁彈性能。的功，內(nèi)因：克服交換能、磁彈性能。u 最大磁能積最大磁能積 (bh)max 第二象限內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度乘積的最大值。第二象限內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度乘積的最大值。u 硬磁、軟磁材料：硬磁、軟磁材料： 硬磁：高硬磁：高br、高高h(yuǎn)c， 軟磁：低軟磁：低hc、高磁導(dǎo)率高磁導(dǎo)率 fe, co , ni, nbfeb， 硅鋼，純鐵硅鋼，純鐵 概概 括：括：553. 技術(shù)參數(shù)技術(shù)參數(shù)u 飽和磁化強(qiáng)度飽和磁化強(qiáng)度ms 或或bsu 矯頑力矯頑力hc：u 剩余磁化剩余磁化br：u 起始磁化率起始磁化率 ：u 最大磁能積最大磁能積 (bh)max0 hinidhdbini567.5 磁性材料

34、及其應(yīng)用磁性材料及其應(yīng)用7.5.1 7.5.1 基本屬性基本屬性1.1.本征屬性本征屬性 內(nèi)稟屬性內(nèi)稟屬性 ( (內(nèi)因內(nèi)因) )-微觀微觀 晶胞尺度晶胞尺度 -組織無(wú)關(guān)組織無(wú)關(guān)/ /不敏感不敏感-基本參數(shù)：基本參數(shù)：2.2.統(tǒng)計(jì)屬性統(tǒng)計(jì)屬性 平均屬性平均屬性 （外因）外因）-介觀、宏觀介觀、宏觀 組織及以上尺度組織及以上尺度 -組織相關(guān)組織相關(guān)/ /敏感敏感-基本參數(shù)：基本參數(shù)：sminiini1kchrbmax)(bhn材料配方材料配方材料制備及材料制備及磁化工藝磁化工藝2k57 7.5.2 7.5.2 鐵磁材料分類鐵磁材料分類1. 軟磁材料軟磁材料 能夠迅速響應(yīng)外磁場(chǎng)變化能夠迅速響應(yīng)外磁場(chǎng)

35、變化 （快速磁化），且能低損耗地（快速磁化），且能低損耗地 獲得高磁感應(yīng)強(qiáng)度的材料。獲得高磁感應(yīng)強(qiáng)度的材料。磁極磁極磁路磁路 軟磁材料軟磁材料hc40 ka/m.58 用途：用途：w磁路磁路：變壓器、繼電器的磁芯(鐵芯)、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子和定子、磁路中的連接元件、感應(yīng)圈鐵芯。 （利用高導(dǎo)磁率、低損耗）w磁極磁極：電磁極頭、電子計(jì)算機(jī)開關(guān)元件和存儲(chǔ)元件等。 （利用飽和磁化強(qiáng)度高）w電磁屏蔽電磁屏蔽：磁屏蔽、吸波材料 （利用導(dǎo)磁率高、導(dǎo)電性） 磁滯損耗原因磁滯損耗原因：沉淀相和雜質(zhì)對(duì)疇壁的釘扎作用：沉淀相和雜質(zhì)對(duì)疇壁的釘扎作用 降低磁滯損耗的措施降低磁滯損耗的措施：1）增加純度，減小不均勻性，）增加純度

36、，減小不均勻性，2）減小各向異性，減小各向異性，3）減小電阻率。）減小電阻率。59 剩磁剩磁電阻電阻磁極磁極導(dǎo)磁導(dǎo)磁磁極磁極導(dǎo)磁導(dǎo)磁中頻中頻高頻高頻602. 2. 硬磁材料硬磁材料 被外加磁場(chǎng)磁化后，撤掉磁場(chǎng)，被外加磁場(chǎng)磁化后，撤掉磁場(chǎng)，仍能保留較強(qiáng)磁性的一類材料。仍能保留較強(qiáng)磁性的一類材料。用用 途：途： 制造各種永磁體（磁極），以便提供磁場(chǎng)空間；制造各種永磁體（磁極），以便提供磁場(chǎng)空間； 可用于各類電表和電話、錄音機(jī)、電視機(jī)，磁扣、磁珠；可用于各類電表和電話、錄音機(jī)、電視機(jī)，磁扣、磁珠； 可用于舉重器、分料器和選礦器中?？捎糜谂e重器、分料器和選礦器中。硬磁材料磁滯回線示意圖硬磁材料磁滯回線

37、示意圖61fecrco6263 一、鐵鎳鈷基合金一、鐵鎳鈷基合金 不含稀土不含稀土：fe-cr-co合金合金， tc高 al-ni-co合金合金， tc高 含稀土含稀土： ndfeb系，系，smco系 -smco系：smco5燒結(jié)永磁體、sm2co17多相沉淀硬化永磁體。 br、hc較大，脆、加工性稍差、造價(jià)高。 -ndfeb系合金系合金， nd2fe14b磁鐵王。br、hc大，溫度穩(wěn)定性，抗腐蝕性稍差。二、鐵氧體二、鐵氧體 硬磁鐵氧體硬磁鐵氧體， tc中永磁材料分類永磁材料分類64 65 一一al-ni-al-ni-coco合金合金 (1960)(1960) 它們是含有它們是含有al、ni、

38、co加上加上3%cu的鐵基系合金的鐵基系合金, 以以磁性能高穩(wěn)定性好磁性能高穩(wěn)定性好著稱。脆性，鑄造著稱。脆性，鑄造/粉末冶金。粉末冶金。 廣泛應(yīng)用的合金永磁體。用于儀表、電機(jī)器件上，例如，發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)、繼電器和磁電機(jī)；電子行業(yè)中的應(yīng)用如揚(yáng)聲器、電話耳機(jī)和受話器。 al-ni-co具有高 (bh)max=4070kj/3，高剩磁br = 0.71.35，適中的矯頑力hc40160ka/m。66二二 fe-cr-fe-cr-coco合金合金 (1980(1980) ) 它是它是19711971年年kanekokaneko等研制的永磁材料，等研制的永磁材料，它具有良好的延它具有良好的延展性和可成

39、型性，作為沖壓件、薄帶材及線材展性和可成型性，作為沖壓件、薄帶材及線材，由于，由于fe-fe-cr-cocr-co的冷加工變形性好，允許高速室溫成型成杯狀，這是的冷加工變形性好，允許高速室溫成型成杯狀，這是別的合金不能做到的。它別的合金不能做到的。它是在是在fe-cr合金基礎(chǔ)上發(fā)展的，合金基礎(chǔ)上發(fā)展的，fe-cr合金在合金在475 oc發(fā)生發(fā)生spinodalspinodal分解。分解。 + + ，產(chǎn)生富鐵的鐵磁相產(chǎn)生富鐵的鐵磁相和富鉻的、低磁和富鉻的、低磁性相性相 ，具有永磁性能具有永磁性能 。 但鉻使但鉻使brbr、tctc降低，在降低，在fe-crfe-cr合金基礎(chǔ)上加入合金基礎(chǔ)上加入c

40、o,co,形成形成fe-cr-cofe-cr-co合金。合金。 coco使使brbr、tctc提高提高, , spinodalspinodal分解溫度提高。分解溫度提高。67 成分，成分，w/% bs, thc, ka. m-1(b h)max, kj. m-325co-30cr-3mo-1ni1.086.436.015co-23cr-2mo-0.5ti1.456.059.215co-22cr-1.5ti1.5650.966.115co-24cr-3mo-1.0ti1.5466.975.34co-30cr-1.5ti1.2545.439.823co-33cr-2cu1.386.078.068

41、三、硬磁鐵氧體三、硬磁鐵氧體 硬磁鐵氧體是非導(dǎo)電化合物，其陽(yáng)離子為過(guò)渡族金屬。硬磁鐵氧體是非導(dǎo)電化合物，其陽(yáng)離子為過(guò)渡族金屬。在鐵氧體中金屬離子處于四面體為在鐵氧體中金屬離子處于四面體為a a位、八面體為位、八面體為b b位位。從配位情況看，金屬離子最近鄰都是陰離子，金屬離子間電子殼層幾乎不能交疊，直接交換作用不適用了，磁性被認(rèn)為來(lái)源于間接交換作用（或叫超交換作用）。 磁鉛石型鐵氧體磁鉛石型鐵氧體：一般式是mo.6fe2o3, 這里m代表二價(jià)金屬ba、sr、pb；常用的為鋇鐵氧體(bao6fe2o3) 、鍶鐵氧體(sro6fe2o3)和鉛鐵氧體(pbo6fe2o3)。 燒結(jié)成型。69 成分成分

42、bs, tbs, thc,hc,ka. mka. m-1-1( (bh)max,bh)max, kj. m kj. m-3-3y30y300.380.380.420.4216016021621626.326.329.529.5y35y350.400.400.440.4417617622422430.330.333.433.4y15hy15h0.310.3123223224824817.517.5y20hy20h0.340.3424824826426421.521.5y25bhy25bh0.360.360.390.3917617621621623.923.927.127.1y30bhy30bh0.380.380.400.40224224240