材料的磁學學習教案

1、會計學1材料材料(cilio)的磁學的磁學第一頁，共75頁。2第1頁/共74頁第二頁，共75頁。33.1 原子磁性原子磁性(cxng)及材料及材料磁性磁性(cxng)原子的磁性原子的磁性(cxng)量子力學哥本哈根學派領(lǐng)袖(ln xi)，1922年獲諾貝爾物理學獎，師從盧瑟福，弟子有海森堡、泡利、狄拉克、朗道等諾貝爾獎獲得者 Bohr (1885-1962)第2頁/共74頁第三頁，共75頁。4) 1(2) 1() 1() 1(1 JJLLSSJJgJJJ耦合耦合: 各電子的各電子的L、S相互作用相互作用強，先耦合為該電子的總磁矩，強，先耦合為該電子的總磁矩，再疊加為原子再疊加為原子(yunz)

2、總磁矩總磁矩 ；（Z88)JJ+LS (Z=3388)LS耦合耦合:各電子的各電子的L、S相互作用相互作用弱，先各自耦合為總?cè)酰雀髯择詈蠟榭侺、總、總S，再，再疊加為原子疊加為原子(yunz)總磁矩總磁矩 ；（；（Z33)LS耦合耦合:BJJJJg) 1( 原子原子(yunz)總磁矩總磁矩:朗德因子朗德因子(ynz):原子總角動量：原子總角動量：SLJ 第3頁/共74頁第四頁，共75頁。5第4頁/共74頁第五頁，共75頁。6材料材料(cilio)(固體固體)的磁性的磁性Jim VmMii 原子原子(yunz)磁矩磁矩磁化強度磁化強度鐵磁性鐵磁性順磁性順磁性材料材料(cilio)器件器件磁疇磁

3、疇單晶單晶多晶多晶微觀微觀宏觀宏觀原子原子晶胞晶胞第5頁/共74頁第六頁，共75頁。7(2) 磁矩（磁矩（m） 環(huán)形電流周圍的磁場環(huán)形電流周圍的磁場(cchng) 定價于磁偶極子周圍的磁場定價于磁偶極子周圍的磁場(cchng):3.2 磁學量及材料磁學量及材料(cilio)磁性分磁性分類類NSNSSImlqmm磁學量磁學量LnIH dUE 電場電場(din chng)強度強度 Elqme電偶極距電偶極距磁偶極矩磁偶極矩(1) 磁場強度磁場強度 HOHH二者均與二者均與介質(zhì)無關(guān)介質(zhì)無關(guān)NS第6頁/共74頁第七頁，共75頁。8靜磁能：磁矩在外磁場靜磁能：磁矩在外磁場(cchng)作用下具有的勢能（

4、磁勢能）：作用下具有的勢能（磁勢能）：HmUm 0cos0mH 00mU0UmaxU 磁力矩磁力矩: 磁矩磁矩m在外磁場在外磁場H中受到一個中受到一個 轉(zhuǎn)動力距轉(zhuǎn)動力距(l j)，以降低磁勢能，直至，以降低磁勢能，直至U最小最小HmTm 0sin0mH Hmz mT0T0第7頁/共74頁第八頁，共75頁。9(3) 磁化強度磁化強度 M = 0 MM = 0 MS S 磁化：在外磁場作用下，材料內(nèi)部隨機取向的磁矩在磁力作用下旋轉(zhuǎn)，沿外磁場一致排列，物質(zhì)被誘導磁化：在外磁場作用下，材料內(nèi)部隨機取向的磁矩在磁力作用下旋轉(zhuǎn)，沿外磁場一致排列，物質(zhì)被誘導(yudo)出宏觀磁矩出宏觀磁矩M，從而顯示宏觀磁

5、性的過程。，從而顯示宏觀磁性的過程。 磁化強度：磁化強度：HVmMii /HS SNN 磁化率磁化率/系數(shù)系數(shù)(xsh)M=MM=MS SmVMMs 0HN S M=0M=0第8頁/共74頁第九頁，共75頁。10 外加磁場外加磁場H在介質(zhì)中感應(yīng)的磁場大小（磁力線密度）在介質(zhì)中感應(yīng)的磁場大?。ù帕€密度）B，是外磁場與內(nèi)部磁化強度綜合作用的結(jié)果，是外磁場與內(nèi)部磁化強度綜合作用的結(jié)果(ji gu)，與介質(zhì)有關(guān)。，與介質(zhì)有關(guān)。 對于真空：對于真空： 對于磁介質(zhì)：對于磁介質(zhì)：（4）磁感應(yīng)強度）磁感應(yīng)強度(qingd) BHB0)(0MHBH)1 (0Hr0真空真空(zhnkng)磁導率磁導率相對磁導率

6、相對磁導率第9頁/共74頁第十頁，共75頁。11物質(zhì)磁學和電學基本物質(zhì)磁學和電學基本(jbn)量的比較量的比較磁學量電學量磁磁 化化：磁介質(zhì)在磁場中感生磁極磁介質(zhì)在磁場中感生磁極磁場強度磁場強度： （真空）（真空）磁化強度磁化強度： 磁感應(yīng)強度：磁通密度磁感應(yīng)強度：磁通密度 絕對磁導率絕對磁導率：相對磁導率相對磁導率：磁磁 化化 率率： 極極 化：電介質(zhì)在電場中感生電荷化：電介質(zhì)在電場中感生電荷電場強度電場強度： （真空）（真空）極化強度極化強度： 電感應(yīng)強度電感應(yīng)強度：電通密度電通密度 /電位移矢量絕對電容率絕對電容率： 相對電容率相對電容率：極極 化化 率率：me1rm1re0r 0r H

7、MHB)(0HVmMmiEPED)(0EVPeiLnIH/dUE/mH /10470mF /10854. 8120相對(xingdu)介電常數(shù)介電常數(shù)(ji din chn sh)第10頁/共74頁第十一頁，共75頁。12 物質(zhì)的磁性物質(zhì)的磁性(cxng)分類分類 根據(jù)物質(zhì)的磁化率，可以把物質(zhì)的磁性根據(jù)物質(zhì)的磁化率，可以把物質(zhì)的磁性(cxng)大致分為五類。根據(jù)大致分為五類。根據(jù) 的關(guān)系，作出磁化曲線。的關(guān)系，作出磁化曲線?？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(ct)在磁場中受微弱斥力。在磁場中受微弱斥力。金屬中一般簡單金屬為抗磁體。金屬中一般簡單金

8、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?？勾朋w： 隨溫度變化，如鉍、鎵、銻等。隨溫度變化，如鉍、鎵、銻等。 （ 10-6）0HM 第11頁/共74頁第十二頁，共75頁。13（2）順磁體）順磁體(ct) （10-6 10-3 ）在磁場中受微弱吸引力。在磁場中受微弱吸引力。正常順磁體：其正常順磁體：其 隨溫度變化符合隨溫度變化符合(fh)反比關(guān)系，如金屬鉑、鈀、奧氏體不銹鋼、稀土金屬等。反比關(guān)系，如金屬鉑、鈀、奧氏體不銹鋼、稀土金屬等。 與溫度無關(guān)的順磁體，如鋰、鈉、鉀、銣等金屬。與溫度無關(guān)的順磁體，如鋰、鈉、

9、鉀、銣等金屬。（3）鐵磁體）鐵磁體 （ 值很大，且與外磁場呈非線性關(guān)系值很大，且與外磁場呈非線性關(guān)系(gun x)變化）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居里點，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。是鐵磁體或亞鐵磁體的相變轉(zhuǎn)變點。0631010第12頁/共74頁第十三頁，共75頁。14（4）亞鐵磁體）亞鐵磁體 （ 值沒有值沒有(mi yu)鐵磁體那樣大）鐵磁體那樣大）磁鐵礦、鐵氧體都屬于亞鐵磁體。磁鐵礦、鐵氧

10、體都屬于亞鐵磁體。亞鐵磁性材料：不同原子的磁矩反向亞鐵磁性材料：不同原子的磁矩反向(fn xin)平行排列，抵消后的剩余磁矩。平行排列，抵消后的剩余磁矩。（5）反鐵磁體）反鐵磁體 （ 是小的正數(shù)是小的正數(shù)(zhngsh)。）。）溫度低于某溫度時，它的磁化率同磁場的取向有關(guān)；高于這個溫度，其行為像順磁體。溫度低于某溫度時，它的磁化率同磁場的取向有關(guān)；高于這個溫度，其行為像順磁體。 如如 、鉻、氧化鎳、氧化錳等。、鉻、氧化鎳、氧化錳等。-MnMnO第13頁/共74頁第十四頁，共75頁。153.3 鐵磁性和反鐵磁性鐵磁性和反鐵磁性鐵磁性鐵磁性 1. 分子場與自發(fā)磁化分子場與自發(fā)磁化 2. 量子直接交

11、換作用量子直接交換作用 3. 居里溫度居里溫度(wnd)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m第14頁/共74頁第十五頁，共75頁。161.分子分子(fnz)場與場與自發(fā)磁化自發(fā)磁化鐵磁性特點：鐵磁性特點： 1）自然狀態(tài)下，絕大多數(shù)鐵磁性礦物、材料宏觀并不顯示）自然狀態(tài)下，絕大多數(shù)鐵磁性礦物、材料宏觀并不顯示(xinsh)磁性，必須要經(jīng)磁化以后，才顯示磁性，必須要經(jīng)磁化以后，才顯示(xinsh)磁性（吸鐵）；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磁，這種磁性會消失。為什么？）這種磁性并不能永久保持，如果

12、提高溫度或者反向充磁，這種磁性會消失。為什么？ 1907年，外斯提出鐵磁性的分子場理論：年，外斯提出鐵磁性的分子場理論：（1）分子場假說）分子場假說 鐵磁性物質(zhì)內(nèi)存在某種很強的分子場（力），約束著原子，使內(nèi)部各區(qū)域的原子磁矩一致排列。這種無外加磁場下自發(fā)產(chǎn)生的磁化，稱為自發(fā)磁化。自發(fā)磁化，用矢量自發(fā)磁化強度鐵磁性物質(zhì)內(nèi)存在某種很強的分子場（力），約束著原子，使內(nèi)部各區(qū)域的原子磁矩一致排列。這種無外加磁場下自發(fā)產(chǎn)生的磁化，稱為自發(fā)磁化。自發(fā)磁化，用矢量自發(fā)磁化強度 表示，其大小等于飽和磁化強度表示，其大小等于飽和磁化強度 。1907, WeissSMSMM第15頁/共74頁第十六頁，共75頁。1

13、7（2）磁疇假說）磁疇假說 由于自然鐵磁性材料宏觀不顯示磁性，這些自發(fā)磁化由于自然鐵磁性材料宏觀不顯示磁性，這些自發(fā)磁化矢量矢量 必然分區(qū)存在、相互抵消，這些區(qū)域即所謂的必然分區(qū)存在、相互抵消，這些區(qū)域即所謂的“磁疇磁疇”。 所謂磁化，是借助外加磁場所謂磁化，是借助外加磁場(cchng)作用，將自發(fā)磁化調(diào)整到外場方向（顯示出來）而已，并非向其提供額外磁性。作用，將自發(fā)磁化調(diào)整到外場方向（顯示出來）而已，并非向其提供額外磁性。HVmMmiim磁化磁化(chu)H0 VmMiMsM第16頁/共74頁第十七頁，共75頁。18smwMH w根據(jù)根據(jù)(gnj)Boltzmann統(tǒng)計，統(tǒng)計，Weiss導出

14、導出)()0(yBMMJ 其中其中(qzhng)，布里淵函數(shù)，布里淵函數(shù)JyJyJJJJyBJ2coth2112coth12)( kTHHJgymBJ/ )(0 BJnJgM )0(n原子原子(yunz)體積濃度體積濃度（3）外斯（）外斯（Weiss)理論理論第17頁/共74頁第十八頁，共75頁。192. 量子量子(lingz)直直接交換作用接交換作用)(222rUmH貢獻于電子貢獻于電子(dinz)云重疊部分云重疊部分Fe Fe 第18頁/共74頁第十九頁，共75頁。20201222 ()2eAEEKA ssR 2212*12212121212d d1221 d d11111 d22 daa

15、bbababababbaababKVAVVerrr K 是兩個氫原子的電子間及電子與原子核之間的庫侖是兩個氫原子的電子間及電子與原子核之間的庫侖(kln)能。能。A 是兩個氫原子中電子交換所產(chǎn)生的交換能，與電子云重疊的程度有關(guān)。是兩個氫原子中電子交換所產(chǎn)生的交換能，與電子云重疊的程度有關(guān)。 a(1)-a原子原子(yunz)中的電子中的電子1的波函數(shù)。的波函數(shù)。 b(2)-b原子原子(yunz)中的電子中的電子2的波函數(shù)。的波函數(shù)。 a(2)-b原子原子(yunz)中的電子中的電子2在在a原子原子(yunz)的波函的波函數(shù)。數(shù)。 b(1)-a原子原子(yunz)中的電子中的電子1在在b原子原子(

16、yunz)的波函的波函數(shù)。數(shù)。電子自旋角動量矢量電子自旋角動量矢量(shling)第19頁/共74頁第二十頁，共75頁。21當 A 0 時，自旋反平行為基態(tài)，這是氫分子情形(qng xing) A 0 時，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。其中，后面(hu mian)一項我們稱作交換能122exEAss 雖然是交換能導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。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（對稱或反對稱），從而影響了庫侖相互作用。所以分子場當作一個磁

17、場作用來看雖具有難以理解的巨大強度(qingd)（103T)，但從量子力學效應(yīng)來看，這是很自然的。第20頁/共74頁第二十一頁，共75頁。22 假設(shè)： N個原子組成的系統(tǒng)中，每個原子只有一個電子對鐵磁性有貢獻， 只考慮不同(b tn)原子中電子的交換。N個電子系統(tǒng)的交換能： 2()NexjijijEAss 由于由于(yuy)交換作用是近程作用，只對近鄰求和交換作用是近程作用，只對近鄰求和:2exijijEAs s 證明，證明，Weiss的分子的分子(fnz)場可表達為：場可表達為：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奠基人之一，1932年獲諾

18、貝爾物理學獎，師從索末菲、波恩、波爾，弟子有諾貝爾獎獲得者布洛赫等Heisenberg (1901-1976) 19282)(2BmgNzAwMH 第21頁/共74頁第二十二頁，共75頁。23I.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殼物質(zhì)具有鐵磁性的必要條件是原子中具有未充滿的電子殼 層，即層，即有原子磁距。（有原子磁距。（Si0）II.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(zhl)A 可以理解為廣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：義的或等效的交換積分，且交換能可以表示為：2exijEASS 近鄰 交換交換(jiohun)積分及

19、鐵積分及鐵磁性條件磁性條件:第22頁/共74頁第二十三頁，共75頁。24第23頁/共74頁第二十四頁，共75頁。253. 居里居里(j l)溫溫度度MsTTc鐵磁性物質(zhì)鐵磁性物質(zhì)Ms與溫度與溫度(wnd)的關(guān)系的關(guān)系物質(zhì)物質(zhì)Ms (A/m)Tc (K)Fe1.741061043Co1.431061403Ni5.1106631 鐵電性物質(zhì)的飽和(boh)極化強度有類似規(guī)律第24頁/共74頁第二十五頁，共75頁。26反鐵磁性反鐵磁性1. 量子量子(lingz)間接交換間接交換作用作用MnOMn2+O2-Mn2+Mn2+O2-Mn2+3d52p63d5Mn+O-Mn2+(a) 基態(tài)基態(tài)(j ti)

20、(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，要求相鄰自旋角動量平行排列，即磁距自發(fā)磁化，交換能最小，要求相鄰自旋角動量平行排列，即磁距自發(fā)磁化(chu)（鐵磁性）；（鐵磁性）； 當當A0，要求反向排列（反鐵磁性），要求反向排列（反鐵磁性）2exijEASS 近鄰（疇壁尺度）（疇壁尺度）第37頁/共74頁第三十八頁，共75頁。39（3）磁晶各向異性）磁晶各向異性( xin y xn)能能 E k 在單晶體的不同晶向上，磁性能（自發(fā)在單晶體的不同晶向上，磁性能（自發(fā)(zf)磁化）磁化）是不同的，稱為磁晶各向異性，因此消耗的磁化功不同是不同的，稱為磁晶各向異性，因此消耗

21、的磁化功不同。HdMQ0（單晶尺度（單晶尺度(chd)）第38頁/共74頁第三十九頁，共75頁。40222222222210)(KKKEk 、 為為M與三個晶軸的方向余弦，與三個晶軸的方向余弦， K0、 K1、 K2代表晶體各向異性常數(shù)。代表晶體各向異性常數(shù)。 磁晶各向異性起源，可按自旋軌道相互作用模型解釋：一、電子軌道磁距產(chǎn)生的磁場對電子自旋運動作用，使軌道和自旋間存在耦合作用；二、受晶體場影響，原子磁距傾向于在晶體的某些磁晶各向異性起源，可按自旋軌道相互作用模型解釋：一、電子軌道磁距產(chǎn)生的磁場對電子自旋運動作用，使軌道和自旋間存在耦合作用；二、受晶體場影響，原子磁距傾向于在晶體的某些(mu

22、 xi)方向上能量最低，而在另一些方向能量高。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為易磁化方向，而能量高的方向為難磁化方向。在無磁場作用的平衡狀態(tài)下，原子磁距傾向于排列在易磁化方向上。原子磁距最低的方向為易磁化方向，而能量高的方向為難磁化方向。在無磁場作用的平衡狀態(tài)下，原子磁距傾向于排列在易磁化方向上。第39頁/共74頁第四十頁，共75頁。41（4）退磁）退磁(tu c)能能 E d 形狀各向異性形狀各向異性能能 鐵磁材料鐵磁材料(cilio)磁化后，在端面形成磁極，在內(nèi)部產(chǎn)生一個退磁場磁化后，在端面形成磁極，在內(nèi)部產(chǎn)生一個退磁場Hd，其方向與磁化強度，其方向與磁化強度M

23、、外加磁場、外加磁場H相反，起抵消作用。相反，起抵消作用。2/20NMdMHEMddNMHdSSNNHdHM（宏觀（宏觀(hnggun)、單晶尺度）、單晶尺度） 在退磁場在退磁場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2/02sNM第40頁/共74頁第四十一頁，共75頁。42球形樣品球形樣品(yngpn)： a=b=c , Nx=Ny=Nz= 1/3棒狀樣品棒狀樣品(yngpn)： ab=c, Nx=0, Ny=Nz=1/2薄片樣品薄片樣品(yngpn)： ab,c, Nx=1, Ny=Nz=0 退磁因子退磁因子N有方向性，故與材料形狀有方向性，故與材料形狀(xngz

24、hun)有關(guān)：有關(guān)：xx 解釋解釋(jish)Bloch壁，壁，Neel壁壁 退磁場退磁場Hd的存在抵消了磁化強度的存在抵消了磁化強度M，故對磁化起阻礙作用。，故對磁化起阻礙作用。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。x第41頁/共74頁第四十二頁，共75頁。43（5）磁彈性）磁彈性(tnxng)能能 E 材料在磁化時受磁力，導致微小的伸長材料在磁化時受磁力，導致微小的伸長/收縮，這一過程收縮，這一過程如受限制，則在物體內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力、應(yīng)變。這樣如受限制，則在物體內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力、應(yīng)變。這樣(zhyng)，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、物體內(nèi)部將產(chǎn)生彈性能，

25、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。雜質(zhì)等都可能增加其磁彈性能。 磁化時磁化時, 微元遭受磁力微元遭受磁力 (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， ，由下式計算：，由下式計算：2sin23sdE 磁化方向和應(yīng)力磁化方向和應(yīng)力(yngl)方向方向的夾角；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,E第42頁/共74頁第四十三頁，共75頁。44 交換能（界面能）產(chǎn)生自發(fā)磁化，其磁化強度方向沿晶體的易磁化軸排列，產(chǎn)生磁晶各向異性能（體積能），都達到極小值。但鐵磁體磁化后，產(chǎn)生表面磁極交換能（界面能）

26、產(chǎn)生自發(fā)磁化，其磁化強度方向沿晶體的易磁化軸排列，產(chǎn)生磁晶各向異性能（體積能），都達到極小值。但鐵磁體磁化后，產(chǎn)生表面磁極(cj)，形成退磁場，增加體系的退磁能（體積能），要破壞自發(fā)磁化的形成。，形成退磁場，增加體系的退磁能（體積能），要破壞自發(fā)磁化的形成。 矛矛 盾：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，過大的磁疇要分裂，而過小磁疇要合并。因此，出現(xiàn)磁疇。盾：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，過大的磁疇要分裂，而過小磁疇要合并。因此，出現(xiàn)磁疇。ETdVEdSEex. EEEEE

27、EdkexHT假設(shè)假設(shè)(jish)(jish)不考慮不考慮EkEkd0第43頁/共74頁第四十四頁，共75頁。45 (a) 整個晶體整個晶體(jngt)磁化，磁化，Ed大大 (b) 磁疇二分，產(chǎn)生磁疇二分，產(chǎn)生1個疇壁個疇壁 (c) 磁疇四分，產(chǎn)生磁疇四分，產(chǎn)生2個疇壁個疇壁 Ed, Eex 當二者相當時，不再分疇當二者相當時，不再分疇 (d) 封閉疇封閉疇 (b)的精細的精細 (e) 封閉疇封閉疇 (c)的精細的精細 鈷單晶磁疇的形成鈷單晶磁疇的形成(xngchng)(xngchng)過程過程假設(shè)假設(shè)(jish)(jish)不考慮不考慮EkEk第44頁/共74頁第四十五頁，共75頁。46 技

28、術(shù)磁化技術(shù)磁化(chu)：在磁疇及以上尺度，研究鐵磁材料磁疇結(jié)構(gòu)、運動及其控制手段的磁化：在磁疇及以上尺度，研究鐵磁材料磁疇結(jié)構(gòu)、運動及其控制手段的磁化(chu)，區(qū)別于理論磁化，區(qū)別于理論磁化(chu)而言。而言。 技術(shù)磁化技術(shù)磁化(chu)，一般用磁化，一般用磁化(chu)曲線和磁滯回線來表征。曲線和磁滯回線來表征。)(cos.cos iisiismVMVMU磁勢能：磁勢能：微小微小(wixio)變化變化疇壁位移疇壁位移磁疇轉(zhuǎn)動磁疇轉(zhuǎn)動磁化矢量轉(zhuǎn)動磁化矢量轉(zhuǎn)動能量低能量低,小磁場小磁場能量高，大磁場能量高，大磁場 HM M=f(H)cos00 iisiimVHMHmU第45頁/共74頁第四

29、十六頁，共75頁。47 在磁場作用下，兩種過程均可發(fā)生，由于不同材料中發(fā)生兩種過程的難易程度在磁場作用下，兩種過程均可發(fā)生，由于不同材料中發(fā)生兩種過程的難易程度(chngd)不同，也可能在不同磁場范圍內(nèi)以一種過程為主、另一種過程為輔。不同，也可能在不同磁場范圍內(nèi)以一種過程為主、另一種過程為輔。第46頁/共74頁第四十七頁，共75頁。481. 疇壁位移疇壁位移(wiy)1)可逆疇壁位移可逆疇壁位移(wiy) 結(jié)構(gòu)均勻、內(nèi)應(yīng)力小、雜質(zhì)和缺陷少的鐵磁材料，疇壁位移阻力小，在起始磁化結(jié)構(gòu)均勻、內(nèi)應(yīng)力小、雜質(zhì)和缺陷少的鐵磁材料，疇壁位移阻力小，在起始磁化(chu)（小磁場）時，發(fā)生可逆疇壁位移。如果撤掉

30、磁場，疇壁位移可恢復，無能量損耗。（小磁場）時，發(fā)生可逆疇壁位移。如果撤掉磁場，疇壁位移可恢復，無能量損耗。 M-H線性變化，斜率線性變化，斜率 。 如金屬軟磁材料，高如金屬軟磁材料，高 鐵氧體材料等。鐵氧體材料等。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，發(fā)生不可逆疇壁位移。如果撤掉磁場，疇壁位移不可恢復，伴隨量損耗。在可逆疇壁位移之后，繼續(xù)增大磁場，發(fā)生不可逆疇壁位移。如果撤掉磁場，疇壁位移不可恢復，伴隨量損耗。 由于應(yīng)力起伏或雜質(zhì)起伏，使疇壁越過后無以恢復。由于應(yīng)力起伏或雜質(zhì)起伏，使疇壁越過后無以恢復。 M-H非線性變化，在非線性變化，在巴克豪生區(qū)對應(yīng)最大斜率

31、巴克豪生區(qū)對應(yīng)最大斜率 。HH晶界不移動！晶界不移動！但會有應(yīng)變但會有應(yīng)變HM / inimax第47頁/共74頁第四十八頁，共75頁。492. 磁疇轉(zhuǎn)動磁疇轉(zhuǎn)動(zhun dng) 在不可逆疇壁位移之后，繼續(xù)在不可逆疇壁位移之后，繼續(xù)(jx)增大磁場，某些情況下，可發(fā)生可逆磁疇轉(zhuǎn)動。增大磁場，某些情況下，可發(fā)生可逆磁疇轉(zhuǎn)動。 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。1)可逆磁疇轉(zhuǎn)動可逆磁疇轉(zhuǎn)動(zhun dng)2）不可逆磁疇轉(zhuǎn)動）不可逆磁疇轉(zhuǎn)動 在可逆磁疇轉(zhuǎn)動之后，繼續(xù)增大磁場，磁化趨于飽和，發(fā)生不可逆

32、磁疇轉(zhuǎn)動。在可逆磁疇轉(zhuǎn)動之后，繼續(xù)增大磁場，磁化趨于飽和，發(fā)生不可逆磁疇轉(zhuǎn)動。 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！晶粒不轉(zhuǎn)動！自發(fā)磁化矢量轉(zhuǎn)自發(fā)磁化矢量轉(zhuǎn)動動第48頁/共74頁第四十九頁，共75頁。503. 磁化磁化(chu)曲線曲線(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， 達到達到(d do)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

33、慢升高，最后趨近 一水平線一水平線(技術(shù)飽和技術(shù)飽和)。 (5) 順磁磁化區(qū)順磁磁化區(qū) d后：外場對自發(fā)磁化的微弱增強。后：外場對自發(fā)磁化的微弱增強。inimax第49頁/共74頁第五十頁，共75頁。511. 磁滯磁滯(c zh)概概念念 磁化后，退磁過程中，磁化強度磁化后，退磁過程中，磁化強度M的變化的變化 落后于外加磁場落后于外加磁場H變化的現(xiàn)象，導致變化的現(xiàn)象，導致M-H曲線不能返回曲線不能返回(fnhu)起點，叫磁滯。起點，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

34、疇轉(zhuǎn)動；不可逆磁疇轉(zhuǎn)動； 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)力雜質(zhì)、缺陷雜質(zhì)、缺陷吸收磁化功HMo第50頁/共74頁第五十一頁，共75頁。52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(chu)反磁化反磁化(chu)退磁退磁(tu c)例如，例如，F(xiàn)e,Co例如，例如，BiTiO3, PZT第51頁/共74頁第五十二頁，共75頁。53u 分線段：分線段：u OAB 磁化曲線，磁化曲線，BCDE 反磁化反磁化(CD 正退磁正退

35、磁)u EFGB 正磁化正磁化(FG 反退磁反退磁)u 磁滯回線（封閉）：磁滯回線（封閉）：BCDEFGBu 磁化功：磁滯回線所包圍的面積表征磁化一周時所消耗的功，內(nèi)因：克服磁化功：磁滯回線所包圍的面積表征磁化一周時所消耗的功，內(nèi)因：克服(kf)交換能、磁彈性能。交換能、磁彈性能。u 最大磁能積最大磁能積 (BH)maxu 第二象限內(nèi)磁感應(yīng)強度和磁場強度乘積的最大值。第二象限內(nèi)磁感應(yīng)強度和磁場強度乘積的最大值。u 硬磁、軟磁材料：硬磁、軟磁材料：u 硬磁：高硬磁：高Br、高、高Hc， 軟磁：低軟磁：低HC、高磁導率、高磁導率u Fe, Co , Ni, NbFeB， 硅鋼，純鐵硅鋼，純鐵 概概

36、 括：括：第52頁/共74頁第五十三頁，共75頁。543. 技術(shù)參數(shù)技術(shù)參數(shù)u 飽和磁化強度飽和磁化強度Ms 或或Bsu 矯頑力矯頑力Hc：u 剩余剩余(shngy)磁化磁化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 HinidHdBini第53頁/共74頁第五十四頁，共75頁。557.5 磁性材料磁性材料(c xn ci lio)及其應(yīng)用及其應(yīng)用基本基本(jbn)(jbn)屬性屬性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 -組織無關(guān)組織無關(guān)/ /不敏感不敏感-基本基本(jbn)(jbn)參數(shù)：參數(shù)：2.2.

37、統(tǒng)計屬性統(tǒng)計屬性 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-基本基本(jbn)(jbn)參數(shù)：參數(shù)：sMiniini1kcHrBmax)(BHN材料材料(cilio)(cilio)配方配方材料制備及材料制備及磁化工藝磁化工藝2k第54頁/共74頁第五十五頁，共75頁。56 鐵磁材料鐵磁材料(cilio)(cilio)分類分類1. 軟磁材料軟磁材料 能夠迅速能夠迅速(xn s)響應(yīng)外磁場響應(yīng)外磁場變化變化 （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)強度的材料。獲得高磁感應(yīng)強度的材料。磁極磁極(

38、cj)磁路磁路 軟磁材料軟磁材料Hc40 KA/m.第55頁/共74頁第五十六頁，共75頁。57 用途：用途：磁路：變壓器、繼電器的磁芯磁路：變壓器、繼電器的磁芯(鐵芯鐵芯)、電動機轉(zhuǎn)子和定子、磁路中的連接元件、電動機轉(zhuǎn)子和定子、磁路中的連接元件(yunjin)、感應(yīng)圈鐵芯。、感應(yīng)圈鐵芯。 （利用高導磁率、低損耗）（利用高導磁率、低損耗）磁極：電磁極頭、電子計算機開關(guān)元件磁極：電磁極頭、電子計算機開關(guān)元件(yunjin)和存儲元件和存儲元件(yunjin)等。等。 （利用飽和磁化強度高）（利用飽和磁化強度高）電磁屏蔽：磁屏蔽、吸波材料電磁屏蔽：磁屏蔽、吸波材料 （利用導磁率高、導電性）（利用導

39、磁率高、導電性） 磁滯損耗原因：沉淀相和雜質(zhì)對疇壁的釘扎作用磁滯損耗原因：沉淀相和雜質(zhì)對疇壁的釘扎作用 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）增加純度，減小不均勻(jnyn)性，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。第56頁/共74頁第五十七頁，共75頁。58 剩磁剩磁(shngc)電阻電阻(dinz)磁極磁極(cj)導磁導磁磁極磁極導磁導磁中頻中頻高頻高頻第57頁/共74頁第五十八頁，共75頁。592. 2. 硬磁材料硬磁材料 被外加磁場磁化后，撤掉磁場被外加磁場磁化后，撤掉磁場，仍能保留較強磁性，仍能保留較強磁性(cxng)(cxn

40、g)的一類的一類材料。材料。用用 途：途： 制造各種永磁體（磁極制造各種永磁體（磁極(cj)），以便提供磁場空間；），以便提供磁場空間； 可用于各類電表和電話、錄音機、電視機，磁扣、磁珠；可用于各類電表和電話、錄音機、電視機，磁扣、磁珠； 可用于舉重器、分料器和選礦器中。可用于舉重器、分料器和選礦器中。硬磁材料磁滯回線示意硬磁材料磁滯回線示意圖圖第58頁/共74頁第五十九頁，共75頁。60FeCrCo第59頁/共74頁第六十頁，共75頁。61第60頁/共74頁第六十一頁，共75頁。62 一、鐵鎳鈷基合金 不含稀土：Fe-Cr-Co合金， Tc高 Al-Ni-Co合金， Tc高 含稀土： NdF

41、eB系，SmCo系 -SmCo系：SmCo5燒結(jié)永磁體、Sm2Co17多相沉淀硬化(ynghu)永磁體。 Br、Hc較大，脆、加工性稍差、造價高。 -NdFeB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 硬磁鐵氧體， Tc中永磁材料永磁材料(cilio)分類分類第61頁/共74頁第六十二頁，共75頁。63 第62頁/共74頁第六十三頁，共75頁。64 一一Al-Ni-CoAl-Ni-Co合金合金 (1960) (1960) 它們是含有它們是含有AlAl、NiNi、CoCo加上加上3%Cu3%Cu的鐵基系合金的鐵基系合金, , 以磁性能高穩(wěn)定性好著稱。脆

42、性，鑄造以磁性能高穩(wěn)定性好著稱。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、電機器件上，例如，發(fā)電機、電動機、繼電器和磁電機；電子行業(yè)中的應(yīng)用如揚聲器、電話耳機廣泛應(yīng)用的合金永磁體。用于儀表、電機器件上，例如，發(fā)電機、電動機、繼電器和磁電機；電子行業(yè)中的應(yīng)用如揚聲器、電話耳機(r j)(r j)和受話器。和受話器。 Al-Ni-Co Al-Ni-Co具有高具有高 (BH)max=4070kJ/ (BH)max=4070kJ/3 3，高剩磁，高剩磁Br = 0.71.35Br = 0.71.35，適中的矯頑力，適中的矯頑力HcHc40160kA/m40160kA/m。第

43、63頁/共74頁第六十四頁，共75頁。65二二 Fe-Cr-Co Fe-Cr-Co合金合金 (1980) (1980) 它是它是19711971年年KanekoKaneko等研制的永磁材料，它具有良好的延展性和可成型性，作為沖壓件、薄帶材及線材，由于等研制的永磁材料，它具有良好的延展性和可成型性，作為沖壓件、薄帶材及線材，由于Fe-Cr-CoFe-Cr-Co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。它是在的冷加工變形性好，允許高速室溫成型成杯狀，這是別的合金不能做到的。它是在Fe-CrFe-Cr合金基礎(chǔ)上發(fā)展的，合金基礎(chǔ)上發(fā)展的，F(xiàn)e-CrFe-Cr合金在合金在475

44、oC475 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、低磁性相和富鉻的、低磁性相 ，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Co,Co,形成形成(xngchng)Fe-Cr-Co(xngchng)Fe-Cr-Co合金。合金。 Co Co使使BrBr、TcTc提高提高, Spinodal, Spinodal分解溫度提高。分解溫度提高。第64頁/共74頁第六十五頁，共75頁。66 成分，成分，W/% Bs, THc, kA. m-1(B H)m

45、ax, 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-2Cu1.386.078.0第65頁/共74頁第六十六頁，共75頁。67 三、硬磁鐵氧體三、硬磁鐵氧體 硬磁鐵氧體是非導電化合物，其陽離子為過渡族金屬。在鐵氧體中金屬離子處于四面體為硬磁鐵氧體是非導電化合物，其陽離子為過渡族金屬。在鐵氧體中金屬離子處于四面體為A A位、八面

46、體為位、八面體為B B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，磁性被認為位。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，磁性被認為(rnwi)(rnwi)來源于間接交換作用（或叫超交換作用）。來源于間接交換作用（或叫超交換作用）。 磁鉛石型鐵氧體：一般式是磁鉛石型鐵氧體：一般式是MO.6Fe2O3, MO.6Fe2O3, 這里這里M M代表二價金屬代表二價金屬BaBa、SrSr、PbPb；常用的為鋇鐵氧體；常用的為鋇鐵氧體(BaO6Fe2O3) (BaO6Fe2O3) 、鍶鐵氧體、鍶鐵氧

47、體(SrO6Fe2O3)(SrO6Fe2O3)和鉛鐵氧體和鉛鐵氧體(PbO6Fe2O3)(PbO6Fe2O3)。 燒結(jié)成型。燒結(jié)成型。第66頁/共74頁第六十七頁，共75頁。68 成分成分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.