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材料的磁性(完整).ppt

材料的磁性(完整)

中小学精品课件
2019-02-28 0人阅读 举报 0 0 0 暂无简介

简介:本文档为《材料的磁性(完整)ppt》,可适用于财会税务领域

*材料的磁性材料物理性能*物质磁性的研究是固体物理的一个重要领域也是工业应用方面引起广泛兴趣的课题。磁性现象是带电粒子的量子效应磁性是一切物质的基本属性之一。**“磁”来源于“电”。由物理学可知一个环形电流周围的磁场犹如一条形磁铁的磁场其方向符合右螺旋法则如图所示。磁矩定义为M=ISn式中M为载流线圈的磁矩n为线圈平面的法线方向上的单位矢量S为线圈的面积I为线圈通过的电流。在磁性材料中存在磁矩。磁矩可看做由北极和南极组成的小磁棒其方向由南指北如图所示。磁性基本概念磁矩*磁矩在磁场中受到磁场对它的力矩作用时将沿磁场方向取向以降低系统静磁能。一般认为任意短的磁铁都存在两个磁极磁铁两端具有数量相等符号相反的极强。当一个磁铁长度为l端面的极强为m时该磁铁的磁矩定义为M=ml*磁场强度H:如果磁场是由长度为l电流为I的圆柱状线圈(N匝)产生的对于磁场强度不考虑材料介质特性仅由电流决定则H=NIlH的单位为安米(Am)。磁感应强度B:表示材料在外磁场H的作用下在材料内部的磁通量密度对于磁感应强度则考虑介质特性由介质和电流共同决定。B的单位为特斯拉(T)或Wbm。B和H都是磁场向量不仅有大小而且有方向。磁场强度、磁感应强度、磁化强度及其关系*磁场强度和磁感应强度的关系为B=μH式中μ为磁导率是材料的特性常数表示材料在单位磁场强度的外磁场作用下材料内部的磁通量密度(见图(b))。μ的单位为亨米(Hm)。*在真空中(见图(a))磁感应强度为B=μH式中μ为真空磁导率它是一个普适常数其值为π×Hm。描述固体材料磁性的参数有相对磁导率μr磁化强度M和磁化率χ。相对磁导率μr是材料的磁导率μ与真空磁导率μ之比。单位体积的磁矩称为磁化强度用M表示即M为在外磁场日的作用下材料中因磁矩沿外场方向排列而使磁场强化的量度。M的大小与外磁场强度成正比:M=χHχ称为磁化率也是无量纲参数。*上述磁学量的单位目前经常用国际单位制(SI)和高斯单位制(CGS)两种容易引起混淆为此在表中列出了两种单位制中部分磁学量的换算关系。*材料的宏观磁性来源于原子磁矩。原子中每个电子都具有磁矩。产生磁矩的原因有两个:①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轨道磁矩②每个电子本身自旋运动产生一个沿自旋轴方向的自旋磁矩。自旋磁矩有两个方向:一个向上一个向下。因此可以将原子中每个电子都看做一个小磁体。它具有永久的轨道磁矩和自旋磁矩。所以对于每个原子来说所具有的总磁矩称为元磁矩。磁矩的起源**则根据磁矩的定义电子的循轨运动相当一个闭合电流。μ=ISn式中e是电子的电荷ω是电子循轨运动的角速度r是轨道半径。依据玻尔理论可知则得联立上两式并取主量子数n=得出的磁矩可用B表示这个最小的磁矩称为玻尔(Bohr)磁子*式中e为电子电量h为普朗克常量m为电子质量。B的数值为×A·m。量子力学证明原子中每个电子的自旋磁矩为式中s为自旋量子数它仅能取。自旋磁矩在磁场中的投影值为B或B(“”号为自旋向上“”号为自旋向下)。轨道磁矩的大小为式中l是角量子数。*所有物质不论处于什么状态都显示或强或弱的磁性。根据物质磁化率可以把物质的磁性大致分为五类。根据各类磁体其磁化强度与磁场强度的关系可作出其磁化曲线。图为它们的磁化曲线示意图。物质的磁性分类*抗磁体磁化率χ为很小的负数大约在数量级。它们在磁场中受微弱斥力。金属中约有一半简单金属是抗磁体。根据χ与温度的关系抗磁体又可分为:()“经典”抗磁体它的χ不随温度变化如铜、银、金、汞、锌等()反常抗磁体它的χ随温度变化且其大小是前者的~倍如铋、镓、锑、锡、铟、铜锆合金中的χ相等。*顺磁体磁化率χ为正值约为~。它在磁场中受微弱吸力。又根据χ与温度的关系可分为:()正常顺磁体其χ随温度变化与温度成反比。金属铂、钯、奥氏体不锈钢、稀土金属等属于此类。()χ与温度无关的顺磁体例如锂、钠、钾、铷等。**抗磁性也称逆磁性或反磁性。物质为什么会有抗磁性呢是由手电子的循轨运动在外磁场的作用下产生了抗磁磁矩△所造成的而不是电子的轨道磁矩和自旋磁矩产生的。可以证明在外加磁场的作用下电子的循轨运动产生一个附加磁矩△其方向总是和外加磁场的方向相反因而产生了抗磁性。抗磁性与顺磁性抗磁性的特征是χ<而顺磁性的特征是χ>l。抗磁性*为此取两个电子设其循轨运动的平面与磁场H的方向垂直而与循轨运动的方向相反图所示。对于一个电子产生的Δ,可用公式表示*式()、()中的负号表示△的方向与外加磁场H的方向相反。还可看到△的大小和外加磁场强度成正比这说明抗磁物质的磁化是可逆的当外加磁场去除之后抗磁磁矩即消失。对于mol原子的磁矩应等于△aNA这里NA是阿伏加德罗常数。显然其磁化率为对于一个原子来说常常是有n个电子这些电子又分布在不同的壳层上它们有不同的轨道半径ρ故一个原子的抗磁磁矩为*既然抗磁性是由电子在轨道运动中产生的而任何物质都存在电子的轨道运动故可以说任何物质在外加磁场的作用下都要产生抗磁性。但应注意并不能说任何物质都是抗磁性物质这是因为原子在外磁场作用下除了产生抗磁磁矩之外还由轨道和自旋磁矩产生顺磁磁矩。在这种情况下只有那些抗磁性大于顺磁性的物质才成为抗磁性的物质。其中典型的抗磁性物质就是惰性气体例如He它的外层电子有两个电子的磁矩平常是相互抵消的故原子的磁矩为零在外加磁场的作用下产生△的抗磁磁矩所以它是典型的抗磁性物质。*顺磁物质的单个原子是有磁矩的原子的磁矩在外磁场的作用下产生顺磁。对于金属来说当点阵离子的顺磁矩和自由电子的顺磁矩大于外加磁场下产生的抗磁磁矩时即表现为顺磁物质。顺磁性但是由于热振动的影响在无外加磁场时其原子磁矩的取向是无序的也就是磁矩沿着所有可能的方向分布着如图(a)所示。图中箭头是指磁矩的方向此时物质的总磁矩为零。*假如将物质放在磁场中原子磁矩便排向磁场方向总磁矩大于零即表现为正向磁化如图(b)所示。应当指出当温度约为室温或室温以上范围时顺磁物质的原子或分子热运动产生无序的倾向是很大的所以进行磁化十分困难故室温下磁化很微弱。*在室温下使顺磁物质达到饱和磁化程度所需要的磁场经计算约为×Am这在技术上是很难达到的。但是如果把测量温度降低到接近绝对零度达到磁饱和就容易得多了。例如顺磁体GdSO在K时磁场强度只要有×Am便达到磁饱和状态如图(c)所示。可以认为顺磁物质的磁化是磁场克服原子或分子热运动的干扰使原子磁矩排向磁场方向的结果。大多数物质都属于顺磁性物质如室温下的稀土金属居里点以上的铁、钴、镍还有锂、钠、钾、钛、铝、钒等均属于顺磁性物质。*顺磁物质原子的磁化率和温度有很强烈的依赖关系一般通过居里定律来表示此外过渡族金属的盐也表现为顺磁性。式中C是居里常数C=NBk这里N是mol原子的原子数k是玻耳兹曼常数T是绝对温度。应当说只有部分顺磁性物质能准确地符合这个定律而过渡族金属元素居里定律实际上是不适用的它们的原子磁化率和温度的关系要用居里外斯定律表达式中C’是常数δ对于某一种物质来说也是常数不同的物质可大于零或小于零。*对铁磁物质来说居里点(居里温度)以上是顺磁的其磁化率大致服从居里外斯定律这时的δ为θθ表示居里温度此时磁化强度M和磁场强度H保持着线性关系。应当指出抗磁磁化率和顺磁磁化率一般和磁场的强弱无关而且磁化过程是可逆的。顺磁陛物质的磁化率是抗磁性物质磁化率的~倍所以在顺磁性物质中抗磁性被掩盖了。*某些金属(例如Cu)的d电子层已填满s电子为自由电子这时材料的磁性主要由自由电子产生。自由电子的磁性来源于电子的自旋磁矩在外磁场作用下自由电子的自旋磁矩转到外磁场方向因而显示顺磁性。自由电子的顺磁性和抗磁性设单位体积金属中有N个自由电子。在K温度按照费米统计这些电子分布在N个能级上。每个能级上有两个自旋方向相反的电子电子的总自旋磁矩等于零或几乎等于零。电子具有的最高能量为EF()图所示。*自由电子的顺磁磁化率自由电子的顺磁磁化率与温度关系不大(因为EF()与温度关系不大)基本上是一常数。自由电子的顺磁性又称泡利顺磁性可以从能级密度Z(E)与能量E的关系图得到说明如图所示。*假设自由电子处于基态自由电子填满费米能以下各能级图中阴影线部分的面积恰好表示填充的数目。没有外磁场时自旋相反的两种自由电子数目相等那么总自旋磁矩为零。当有外磁场B时自旋磁矩B平行于外磁场的自由电子有附加势能BB能量降低了而自旋磁矩同磁场方向相反的电子的附加能量为BB能量升高了。*在费米能级EF附近有一部分磁矩本来同磁场反平行的电子变到同磁场平行的方向直到两种磁矩取向的电子最高能量相等。这样就必然改变电子的填充状态原来虚线上的电子自旋磁矩将反转方向由反平行转为平行于外磁场方向从而增加了平行自旋电子数结果显示了顺磁性。*铁磁性金属材料铁、钴、镍及其合金以及稀土族元素钆、镝等都很容易磁化在不很强的磁场作用下就可得到很大的磁化强度。如纯铁B=T时其磁化强度M=Am而顺磁性的硫酸亚铁在T下其磁化强度仅有Am。并且磁学特性与顺磁性、抗磁性材料不同主要特点表现在磁化曲线和磁滞回线上。铁磁性材料的特性*随磁化场的增加磁化强度M或磁感强度B开始时增加较缓慢然后迅速地增加再转而缓慢地增加最后磁化至饱和。Ms称为饱和磁化强度Bs称为饱和磁感应强度。磁化至饱和后磁化强度不再随外磁场的增加而增加磁化曲线铁磁性物质的磁化曲线(MH或BH)是非线性的。如图中OKB曲线所示*将一个试样磁化至饱和然后慢慢地减少H则M也将减小这个过程叫退磁。但M并不按照磁化曲线反方向进行而是按另一条曲线改变如图中的BC段所示。减小到零时M=Mr(或Br=πMr)。Mr、Br分别称为剩余磁化强度、剩余磁感强度(简称剩磁)。如果要使M=(或B=)则必须加上一个反向磁场以称为矫顽力。通常把曲线上的CD段称为退磁曲线。从这里可以看出退磁过程中M的变化落后于H的变化这种现象称为磁滞现象。*当反向H继续增加时最后又可以达到反向饱和即可达到图中的E点。如再沿正方向增加H则又得到另一半曲线EFGB。从图上可以看出当H从Hm变到Hm再变到Hm试样的磁化曲线形成一个封闭曲线称为磁滞回线。磁滞回线所包围的面积表征磁化一周时所消耗的功称为磁滞损耗Q。在磁化曲线起始部分的磁导率为起始磁导率其定义为在磁化曲线的拐点处K的斜率m为最大磁导率。*.外斯假说年法国科学家外斯系统地提出了铁磁性假说其主要内容有:铁磁物质内部存在很强的“分子场”在“分子场”的作用下原子磁矩趋于同向平行排列即自发磁化至饱和称为自发磁化铁磁体自发磁化分成若干个小区域(这种自发磁化至饱和的小区域称为磁畴)由于各个区域(磁畴)的磁化方向各不相同其磁性彼此相互抵消所以大块铁磁体对外不显示磁性。铁磁性的物理本质*.自发磁化原子的核外结构表明铁、钴、镍和元素周期表中与它们近邻的元素锰、铬等的原子磁性并无本质差别如图所示。当它们凝聚成晶体后由于外层电子轨道受到点阵周期场的作用方向是变动的不能产生联合磁矩(即轨道磁矩对总磁矩没有贡献)因此其磁性都来源于d次壳层电子没有填满的自旋磁矩。然而前者是铁磁性的而后者却是非铁磁性的。由此可见材料是否具有铁磁性的关键不在于组成材料的原子本身所具有的磁矩大小而在于形成凝聚态后原子间的相互作用。**磁力可以使原子磁矩出现自发的平行取向这样似乎找到了铁磁体自发磁化的原因。但事实上这种磁的作用对解释铁磁现象是无能为力的。因为与热运动的能量相比磁相互作用的能量太小了。根据计算将物质加热到K就已经能破坏原子磁矩的自发平行取向因而这种“自发磁化”的铁磁体在很低的温度下就应当进入顺磁状态。由表可见引起铁磁体内元磁矩整列并使有序状态保持到如此高的温度的力量比起磁力要大千百倍。*如果我们把导致铁磁体自发磁化的力看成一个等效磁场不妨估计一下这个等效磁场的大小显然原子范围内提供不了这样大的磁场。既然磁力已不能解释铁磁体的自发磁化这就迫使人们转向静电力。但是建立在牛顿力学和麦克斯韦电动力学基础上的经典电子理论也未能揭示铁磁体自发磁化的本质。和氢分子一样其他物质中也存在着静电交换作用。正是由于这种作用使铁磁体元磁矩整列从而达到自发磁化。*晶体的磁各向异性几乎对所有铁磁材料的性能都有着重要的影响。年外斯最早对天然磁铁矿和硫铁矿的大晶体进行的研究表明晶体的磁性是和晶体的取向有关的但其结果由于材料成分的易变而复杂化。这一工作只有在铁磁金属(铁、镍、钴)的单晶体出现以后才有了较大的进展。大量的研究工作表明如果磁化曲线是根据铁磁单晶体测定出来的话那么我们可以发现沿晶体的某些方向磁化时所需要的磁场比沿另外一些方向磁化所需要的磁场要小得多这些晶体学方向称为易磁化方向。晶体磁各向异性和磁晶能磁各向异性及其解释*从曲线可以看出不同的铁磁金属都存在着自己的易磁化方向(简称“易轴”)和难磁化方向(简称“难轴”)。铁的易轴是<>镍是<>钴是<>而铁的难轴是<>镍是<>钴是<>。*铁磁体的自发磁化是由于元磁矩之间量子交换力的作用所产生的耦合。晶体磁各向异性的存在预示着除了元磁矩之间的相互耦合之外必须还有元磁矩与原子点阵之间的耦合。在晶体的原子中一方面电子受空间周期变化的不均匀静电场作用另一方面邻近原子间电子轨道还有交换作用。通过电子的轨道交叠晶体的磁化强度受到空间点阵的影响。由于自旋一轨道相互作用电荷分布为旋转椭球形而不是球形。非对称性与自旋方向有密切联系所以自旋方向相对于晶轴的转动将使交换能改变同时也使一对对原子电荷分布的静电相互作用能改变这两种效应都会导致磁各向异性。*基特(Kitter)曾用图表示排列在一条直线上的原子在两种不同磁化方向的情况。图(a)表示磁化垂直于原子排成的直线近邻原子的电子运动区有重叠因而彼此的交换作用强图(b)表示磁化沿直线方向邻近原子间电子运动区重叠极少因而交换作用很弱这就造成了晶体的磁各向异性。*对于任何方向磁化的铁磁晶体都具有一项能量它使磁化强度指向该特定的晶体学方向。从热力学的分析知晶体磁化时所增加的自由能ΔW等于磁场所做的功(磁化功)可表示为即磁化曲线与M坐标轴间所包围的面积。晶体的这一部分自由能是与磁化方向有关的我们称为磁各向异性能或磁晶能。显然晶体沿易轴的磁晶能最低而沿难轴的磁晶能最高。沿不同晶轴方向的磁化功之差即代表沿不同方向的磁晶能之差这就是为什么可以从能量的观点解释单晶体磁化曲线随方向而不同的原因。*由于磁晶能是磁化方向的函数如果磁化方向用三个与主晶轴的夹角θθθ来表示磁晶能就可以表达为这三个角度的函数。阿库洛夫(Akulov)把随方向而变的磁晶能表示成磁化强度对主晶轴的方向余弦ααα的一个升幂级数提出了对单晶磁化曲线的一种表象理论如图所示。磁各向异性常数*如果我们用Ek代表随方向而变化的那部分能量那么可以写成式中K和K称为晶体磁各向异性常数。磁矩沿难轴时单位体积中的能量比沿易轴时要高出K。这个常数标志着晶体的磁各向异性程度。由于铁和钴铁氧体(CoFeO)晶体的易轴为<>其他方向的Ek均大于零故K>但<>恰恰是镍和其他尖晶石型铁氧体晶体的难轴故Kl<。*如果我们取立方体中的()晶面使易轴和难轴出现在同一张图上把式()表示的各方向能量都加上IKl使这时的易轴能量Ek=其余方向能量均为正值则可用图来表示。在℃时铁的K值为×J·m钴的K值为×J·m镍的K值为×J·m负号表示镍的易轴为<>难轴为<>。由于六方点阵的对称性差故钴的各向异性常数较大。*磁致伸缩于年由焦耳发现最初是指铁磁体随磁化而发生的形状和尺寸的改变。磁化引起机械应变这一事实预示着机械应力将影响铁磁材料的磁化强度故也称“压磁效应”。广义地说磁致伸缩效应包含一切有关磁化强度和应力相互作用的效应。磁致伸缩效应和磁弹性能图为实际测量几种磁性材料的伸缩比Δll(伸缩量Δl削和原长l的比)和磁场强度H的关系。由图可见材料随磁场的增强而伸长(或缩短)最后稳定在一定的尺寸这时磁致伸缩达到了饱和。各种材料的饱和伸缩比(Δll)是一个定值称为饱和磁致伸缩或磁致伸缩系数用λs表示。*材料磁化时不但在磁化方向会伸长(或缩短)在偏离磁化方向的其他方向也同时要伸长(或缩短)但偏离增大伸缩比逐渐减小然后改变符号直至接近垂直于磁场方向时收缩(或伸长)量最大。可见磁致伸缩效应分为两类:正磁致伸缩和负磁致伸缩。正磁致伸缩是材料在磁化方向伸长而在垂直于磁化方向缩短例如铁。负磁致伸缩是材料在磁化方向缩短而在垂直于磁化方向伸长例如镍。*现在来看材料在不同磁化状态下磁致伸缩的表现。假设有一个处于居里点以上的金属单晶球体如果在没有外磁场的条件下冷却到居里点以下自发磁化为一个单畴的铁磁体则出现以下三种效应:①由于出现铁磁性交换能的作用产生了各向同性的体积磁致伸缩②由于磁晶能的作用产生了各向异性的线性磁致伸缩③由于退磁能的作用使球体发生沿磁化方向伸长(减小退磁因子)的形状效应。结果原来的球体变为椭球体如图(a)所示。在Ms方向伸长的就必然在垂直于Ms方向收缩反之亦然*宏观铁磁体在自发磁化后是大量磁畴的集合体但是在技术磁化前各磁畴显示不出在哪个方向有伸缩效应如图(b)所示。当铁磁体在足够强的外场下磁化时各磁畴的Ms都取向外场方向所以材料在磁化方向显示出了伸缩效应如图(c)所示。*物体在磁化时要伸长(或收缩)如果受到限制不能伸长(或收缩)则在物体内部产生压应力(或拉应力)。这样物体内部将产生弹性能称为磁弹性能。因此物体内部缺陷、杂质等都可能增加其磁弹性能。对多晶体来说磁化时由于应力的存在而引起的磁弹性能为式中θ是磁化方向和应力方向的夹角σ是材料所受应力λs是饱和磁致伸缩系数Eσ是单位体积中的磁弹性能。*磁畴结构磁畴的起因图(a)表示整个晶体均匀磁化为“单畴”。由于晶体表面形成磁极的结果这种组态退磁能最大(若Ms≈×A·m则退磁能Ed≈J·m)。从能量的观点把晶体分为两个或四个平行反向的自发区域可以大大降低退磁能如图(b)、(c)所示。当磁体被分为n个区域(即n个磁畴)时退磁能约降为原来的n。*但由于两个相邻磁畴间畴壁的存在又需要增加一定的畴壁能因此自发磁化区域的划分并不是可以无限地小而是以畴壁能及退磁能相加等于极小值为条件。为了进一步降低能量可以形成图(d)、(e)所示的磁畴结构其特点是晶体边缘表附近为封闭磁畴。它们具有封闭磁通的作用使退磁能降为零。但是在单轴晶体中封闭磁畴的磁化方向平行于难轴因而又增加了磁各向异性能。*实际的磁畴结构往往比这些简单的例子更为复杂然而一个系统从高磁能的饱和组态转变为低磁能的分畴组态从而导致系统能量降低的可能性却总是形成磁畴结构的原因。在一般情况下晶体内的磁畴可分为两类:一类是通过晶体体积的基本畴结构这是比较简单的另一类是在晶体外表面的各种畴结构如前面所讲的封闭畴等。这种外表面畴结构往往十分复杂它们决定于表面上的各种能量如磁晶能、磁弹性能等的相对数值。*在铁磁体中磁畴沿着晶体的各易磁化方向自发磁化。那么在相邻两磁畴问必然存在过渡层作为磁畴间的分界称为畴壁(磁畴壁)。畴壁对磁畴的大小、形状以及相邻磁畴的关系都有着重要的影响。在弱磁场范围内一般铁磁体的技术磁化过程主要是畴壁的位移过程即某些磁化强度矢量接近于外磁场方向(应为铁磁体内的有效磁场方向)的磁畴长大而另一些磁化矢量偏离外磁场方向较远的磁畴缩小的过程。这些过程决定了一些重要的磁学量如起始磁化率和可逆磁化率等。在周期应力的作用下畴壁的不可逆位移可以消耗振动能量使合金具有阻尼性能。畴壁*在立方晶体中如果K>易轴互相垂直则两个相邻磁畴的方向有可能垂直。它们之间的畴壁称为º壁。如果K<易磁化方向为<>两个这样的方向相交º或º。由于它们和º相差不远这种畴壁有时也称为º壁。畴壁既然是一个过渡层它就有一定厚度。磁畴的磁化方向在畴壁所在处不是突然转过一个大的角度而是经过畴壁的厚度逐步转到相邻磁畴的磁化方向。铁磁体中一个易轴上有两个相反的易磁化方向两个相邻磁畴的磁化方向恰好相反的情况是常常出现的这样两个磁畴间的畴壁称为。壁。*********************

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