《無機材料磁性》PPT課件

1、1,無機材料物理性能-,無機材料的磁學(xué)性能,李享成博士 Email: Office Tel.: 68862616 Mobile Tel.:2,問題：,磁性是什么，為什么有的物質(zhì)顯示磁性、而有的不顯示磁性？ 磁性有哪些性質(zhì)，有哪些用途？,3,一 人類對磁性的認(rèn)識,指南針-戰(zhàn)國起用于作戰(zhàn),羅盤-宋朝起用于航海,4,人類對磁性的認(rèn)識,18世紀(jì) 奧斯特 電流產(chǎn)生磁場,法拉弟效應(yīng) 在磁場中運動導(dǎo)體產(chǎn)生電流,5,The Nobel Prize in Physics 2007,Albert Fert (France),Peter Grnberg (Germany),1988年巨磁電

2、阻效應(yīng)發(fā)現(xiàn),海量磁盤,人類對磁性的認(rèn)識,6,7,GMR物理結(jié)構(gòu),8,9,10,二、物質(zhì)磁性的物理描述,1 磁感應(yīng)強度 表示材料在外磁場H的作用下在材料內(nèi)部的磁通量密度。 B的單位: T 或Wb/m2 在真空中，磁感應(yīng)強度為,式中0為真空磁導(dǎo)率，它是一個普適常數(shù) 其值: 410-7 單位: H（亨利）/m。,11,在磁介質(zhì)中，磁場強度和磁感應(yīng)強度的關(guān)系為 式中的為介質(zhì)的磁導(dǎo)率，是材料的特性常數(shù)。 的單位為H/m。,磁化強度（M）是描述物質(zhì)被磁化后 其磁性強弱的物理量。,12,一方面，磁化過程是由于外磁場的作用而引起的，磁化強度M必隨外磁場H的增大而增強，故：,定義,為相對磁導(dǎo)率,x稱為磁化率或磁

3、化系數(shù)。,一方面，物質(zhì)的磁化過程實質(zhì)上是其內(nèi)部原子磁矩取向的過程，所以定義磁化強度為單位體積內(nèi)原子磁矩的總和。,13,2、磁矩： 在電磁學(xué)中：線圈或分子電流的磁矩 它們在磁場中受到的力矩為 類似地，磁矩用作表征磁性體磁性大小的物理量。 磁矩在磁場中受到的力為（考慮一維情況）： 顯然，磁矩愈大，物體在磁場中所受的力矩愈大， 磁性就愈強。,14,原子的電子結(jié)構(gòu),原子的經(jīng)典玻爾模型：Z個電子圍繞原子核做園周運動,核外電子結(jié)構(gòu)用四個量子數(shù)表征：n.l.m.s ( 多電子體系 ) 電子軌道大小由主量子數(shù)n決定 n=1, 2, 3, 4,的軌道群 又稱為K, L, M, N,.的電子殼層,軌道的形狀由角動

4、量l決定 l=0, 1, 2, 3,.n-1 又稱為s, p, d, f, g,.電子 當(dāng)施加一個磁場在一個原子上時，平行于磁場的角動量也是量子化的。l在磁場方向上的分量由磁量子數(shù)m決定 m=l, l-1, l-2,0,.-( l-1), -l,電子自旋量子數(shù)由s決定,電子磁矩之原子結(jié)構(gòu)回顧,15,同一個量子數(shù)n，l，m，s表征的量子狀態(tài)只能有一個電子占據(jù)。 庫侖相互作用：n,l,m 表征的一個電子軌道上如果有兩個電子， 雖然它們的自旋是相反的，但靜電的庫侖排斥勢 ,仍然使系統(tǒng)能量提高。因而一個軌道傾向只有一個電子占據(jù)。 凡是滿電子殼層的總動量矩和總磁矩都為零。只有未填滿電子的殼層上才有未成對

5、的電子磁矩對原子的總磁矩做出貢獻。這種未滿殼層稱為磁性電子殼層。,泡利不相容原理：,16,凡是滿電子殼層的總動量矩和總磁矩都為零。只有未填滿電子的殼層上才有未成對的電子磁矩對原子的總磁矩做出貢獻。這種未滿殼層稱為磁性電子殼層。,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,洪德法則： 未滿殼層的電子自旋si排列，泡利原理傾向一個軌道只被一個電子占據(jù)，而原子內(nèi)的自旋-自旋間的相互作用使自旋平行排列，從而總自旋S（）取最大值。 每個電子的軌道矢量li的排列，電子傾向于同樣的方向繞核旋轉(zhuǎn)

6、，以避免靠近而增加庫侖排斥能，使總的軌道角動量L（）取 最大值。(如3d電子，m=2時該軌道磁矩在外場方向上的分量最大，軌道磁矩與外磁場平行能量最低，最穩(wěn)定)。 由于L和S間的耦合，電子數(shù)n小于半滿時 J=L-S，電 子 數(shù)n大于半滿時 J=L+S。 (洪德法則一般的描述只有(1)和(2)項),18,軌道磁矩,自旋磁矩,產(chǎn)生磁矩的原因 軌道磁矩 電子圍繞原子核的軌道運動，產(chǎn)生一個非常小的磁場，形成一個沿旋轉(zhuǎn)軸方向的磁矩，即軌道磁矩。 自旋磁矩 每個電子本身有自旋運動產(chǎn)生一個沿自旋軸方向的磁矩，即自旋磁矩。,19,磁矩的常用單位：,玻爾磁子：,核磁子：,原子核比電子重1000倍，運動速度僅為電子

7、速度的幾千分之一，原子核的自旋磁矩是電子自旋磁矩(玻爾磁子)的1840分之一。,任何物質(zhì)都有磁性嗎,20,如Fe是26號，1s22p63s23p63d64s2,電子磁矩為,求27Co2+, 30Zn, 29Cu的電子自旋磁矩,21,三、物質(zhì)的磁性,根據(jù)物質(zhì)在外磁場中的磁化特性，通常將物質(zhì)的磁性分為抗磁性，順磁性，鐵磁性, 反鐵磁性,磁化率為負(fù)值，-10-5,磁化率為正值（10-5）,磁化率可達103,反鐵磁性：相鄰原子或離子的磁矩呈反方向平行排列，結(jié)果總磁矩為零。,22,EA和ES兩種狀態(tài)的能量差ex僅與 J 有關(guān)。J 是電子之間、電子和原子核之間靜電作用的一種形式,ex通常稱為交換能，稱 J

8、為交換積分，它是由于電子云交疊而引起的附加能量。,對于含有幾個未成對電子組成的原子的合成自旋為Si和Sj , 則 Eex=-2J Si Sj,23,奈耳根據(jù)上述兩個條件，總結(jié)了不同3d和4f以及4f等元素及合金的交換積分J與(a-2r)的關(guān)系。從圖中給出的J0和J0的情況相對應(yīng)的元素和合金與實際情況是一致的。,斯圖阿特和如弗里曼分別計算了鐵的交換積分J 值，發(fā)現(xiàn)J 值比相對于保證3d金屬出現(xiàn)鐵磁性所要求的數(shù)值小得多。說明海森伯交換作用模型只能給出定性結(jié)果。,24,小結(jié),描述物質(zhì)磁性的物理量及意義； 任何物質(zhì)都有磁性嗎,為什么？ Co的原子序號為27，計算Co2+的電子磁矩。 磁性材料的分類及依

9、據(jù)。,25,任何鐵磁體和亞鐵磁體，在溫度低于居里溫度Tc時，都是由磁疇組成的。磁疇是自發(fā)磁化到飽和（即其中的磁矩均朝一個方向排列）的小區(qū)域。 相鄰磁疇之間的界線叫磁疇壁。磁疇壁是一個有一定厚度的過渡層，在過渡層中磁矩方向逐漸改變。,四 鐵磁性理論 4.1 磁疇,對于Fe，磁疇寬約為5.7um，疇壁約為42nm,26,在無外磁場時，各磁疇排列雜亂無章，鐵磁質(zhì)不顯磁性； 在外磁場中，各磁疇沿外場轉(zhuǎn)向，介質(zhì)內(nèi)部的磁場迅速增加，在鐵磁質(zhì)充磁過程中伴隨著發(fā)聲、發(fā)熱。,4.2 鐵磁體的磁化機制,磁疇的轉(zhuǎn)向,27,1.裝置：環(huán)形螺繞環(huán); 鐵磁Fe,Co,Ni及稀釷族元素的化合物，能被強烈地磁化。,實驗測量B

10、,如用感應(yīng)電動勢測量或用小線圈在縫口處測量；,由 得出 曲線。,2.原理：勵磁電流 I; 用安培定理得H。,當(dāng)外磁場變化一個周期時，鐵磁質(zhì)內(nèi)部的磁場變化曲線如圖所示；,4.3 磁化曲線,磁化曲線的實驗測定,28,c,起始磁化曲線為 oc ,當(dāng)外磁場減小時，介質(zhì)中的磁場并不沿起始磁化曲線返回，而是滯后于外磁場變化， 磁滯現(xiàn)象。,Hc,Br,Hc,當(dāng)外磁場為 0 時，介質(zhì)中的磁場并不為 0，有一剩磁 Br; 矯頑力加反向磁場Hc，使介質(zhì)內(nèi)部的磁場為 0， 繼續(xù)增加反向磁場，介質(zhì)達到反向磁飽和狀態(tài)； 改變外磁場為正向磁場，不斷增加外場，介質(zhì)又達到正向磁飽和狀態(tài)。,磁化曲線形成一條磁滯回線。,結(jié)論,鐵

11、磁質(zhì)的 不是一個常數(shù)， 它是 的函數(shù)。,B的變化落后于H，從而具有剩磁，即磁滯效應(yīng)。,4.4 磁滯回線,29,4.5 磁滯回線與磁疇的關(guān)系,30,五 鐵氧體磁性無機材料,一般是含鐵及其它元素的復(fù)合氧化物，通常稱為鐵氧體 ，它具有亞鐵磁性，,5.1 尖晶石結(jié)構(gòu)鐵氧體,A位共8個,B位共16個,尖晶石AB2O4 正尖晶石 如Zn2+（Fe3+）204 反尖晶石 如Fe3+（Fe3+M2+）04,31,Nel的亞鐵磁性理論,在亞鐵磁體中，A和B次晶格由不同的磁性原子占據(jù)，而且有時由不同數(shù)目的原子占據(jù)，A位和B位上的磁性離子平等排列，形成磁矩MA和MB； MA和MB 取向相反，存在AA，BB和AB三種

12、交換作用，其磁化強度為 MAMB ； 這樣的磁性稱為亜鐵磁性，1948年Nel提出。,鐵磁性,反鐵磁性,亞鐵磁性,32,亞鐵磁性來自兩種不同磁矩：一種磁矩在一個方向排列整齊，另一種磁矩在相反的方向排列。方向相反，大小不等磁矩之差形成自發(fā)磁化現(xiàn)象。,例1 Fe3O4 Fe3+(Fe2+Fe3+)O4 反型 MA Fe3+ 3s23p63d34d2 MA=3B MB Fe3+ 3B Fe2+ 4B MB=7B Mtotal=|MA-MB|=4B,例2 ZnFe2O4 Zn2+Fe3+O4 正型 MA Zn2+ 3d10 MA=0B MB Fe3+ 6B MB=6B Mtotal=|MA-MB|=6

13、B,33,混合尖晶石：,為1時，為正尖晶石結(jié)構(gòu)； 為0時為反尖晶石結(jié)構(gòu)：0 1為混合尖晶石結(jié)構(gòu)。,34,上述鐵氧體屬何種類型，磁矩是多少？,35,(1) 軟磁材料 具有較高的磁導(dǎo)率和較高的飽和磁感應(yīng)強度； 較小的矯頑力（矯頑力很小，即磁場的方向和大小發(fā)生變化時磁疇壁很容易運動）和較低磁滯損耗，磁滯回線很窄； 在磁場作用下非常容易磁化； 取消磁場后很容易退磁化,象軟鐵、坡莫合金、硒鋼片、鐵鋁合金、鐵鎳合金等。 由于軟磁材料磁滯損耗小，適合用在交變磁場中，如變壓器鐵芯、繼電器、電動機轉(zhuǎn)子、定子都是用軟件磁性材料制成。,六 鐵磁材料分類,36,(2) 硬磁材料 硬磁材料又稱永磁材料，難于磁化又難于退

14、磁。 主要特點 具有較大的矯頑力，典型值Hc104106A/m； 磁滯回線較粗，具有較高的最大磁能積(BH)max； 剩磁很大； 這種材料充磁后不易退磁，適合做永久磁鐵。 硬磁性材料如碳鋼、鋁鎳鈷合金和鋁鋼等。,37,硬磁材料主要應(yīng)用 用于制造各種永磁體，以便提供磁場空間； 可用于各類電表和電話、錄音機、電視機中以及利用磁性牽引力的舉重器、分料器和選礦器中。 鋁鎳鈷合金硬磁材料 六方鐵氧體硬磁材料 稀土永磁材料 一類是釹鐵硼(Nd-Fe-B)系合金，是目前工業(yè)用硬磁材料最大磁能積最高者。其主要缺點是溫度穩(wěn)定性和抗腐蝕性稍差。 一類是鈷基稀土永磁材料，主要代表是SmCo5燒結(jié)永磁體和Sm2Co17多相沉淀硬化永磁材料。它們的缺點是脆，加工性稍差。,鐵磁性理論 鐵磁材料分類,38,3 矩磁材料（磁存儲材料）,由一個由線圈纏繞的軟磁性材料讀寫頭來完成數(shù)據(jù)讀寫。數(shù)據(jù)（寫）由線圈中的電信號引入，并通過磁頭的磁隙在