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材料的磁学性能nullnull材料磁学性能 丁 雷 海南大学 材料与化工学院 材料系 TEL:18689862600 E-mail:dl2010@wo.com.cn思考题什么是材料? 材料如何分类?思考题(1)材料的概念材料是人类社会赖以生存的物质基础和科学技术发展的技术核心与先导。 材料、能源、信息是当代社会文明和国民经济的三大支柱。(1)材料的概念材料是人类社会所能接受的,经济的制造有用器件的物质。 --------肖纪美(2)材料的分类按化学组成分类 按结晶状态分类...

材料的磁学性能
nullnull材料磁学性能 丁 雷 海南大学 材料与化工学院 材料系 TEL:18689862600 E-mail:dl2010@wo.com.cn思考题什么是材料? 材料如何分类?思考题(1)材料的概念材料是人类社会赖以生存的物质基础和科学技术发展的技术核心与先导。 材料、能源、信息是当代社会文明和国民经济的三大支柱。(1)材料的概念材料是人类社会所能接受的,经济的制造有用器件的物质。 --------肖纪美(2)材料的分类按化学组成分类 按结晶状态分类 按服役领域分类 按材料尺寸和形态分类 按材料性能分类(2)材料的分类null按化学组成分类 金属材料 (metallic materials) 无机非金属材料 (inorganic nonmetallic materials) 高分子材料(聚合物) (organic polymer materials) 复合材料 (complex materials)null②按结晶状态分类 单晶材料:(Single Crystal Materials)由一个较完整晶粒构成的材料,如单晶纤维、单晶硅; 多晶材料:(Polycrystalline Materials)由许多晶粒组成的材料,其性能与晶粒大小、晶界的性质有密切的关系。 非晶态材料:(Amorphous Materials)由原子或分子排列无明显规律的固体材料,如玻璃、高分子材料。 准晶材料:(Quasicrystalline Materials)准周期性晶体材料。准晶中的原子分布有严格的位置序,但位置序无周期性,即没有周期性平移对称关系。从结构角度看是一种新的物质形态,但实际上它们仅在特定的金属合金中形成,是成分范围较窄的金属间化合物。null按服役领域分类 信息材料 (Information Materials) 航空航天材料 ( Aerospace Materials ) 能源材料 (Energy Materials) 生物医用材料 ( Biomedical Materials) Etc.null④按材料尺寸和形态分类 零维(纳米)材料(Nano) 一维(纤维)材料 (Fiber) 二维(薄膜)材料 (Film) 三维(块体)材料 (Bulk)null⑤按材料性能分类 根据材料在外场作用下其性质或性能对外场的响应不同,分为: 结构材料 (Structural Materials) 功能材料 (Functional Materials)null 结构材料 :能够抵抗外场作用而保持自己形状和结构不变,具有优良的力学性能(强度和韧性等),用于结构为目的的材料。 通常用来制造工具、机械、车辆和修建房屋、桥梁、铁路等,包括机械制造材料、建筑材料,如结构钢、工具钢、铸铁、普通陶瓷、耐火材料、工程塑料等传统的结构材料(一般结构材料)以及高温合金、结构陶瓷等高级结构材料。以力学性能为主的材料(对材料的组织、原子排列方式很敏感)null 功能材料 :具有优良的电学、磁学、光学、热学、声学、化学和生物学功能及其相互转化的功能,用于非结构目的的高技术材料。 通常用来制造各种功能元器件而被广泛应用于高科技领域。 如:超导材料、微电子材料、光子材料、信息材料、智能材料、能源转换及储能材料、生态环境材料、生物医用材料等以物理和化学性能为主的材料(对材料中的电子分布与运动敏感)null功能材料是新材料领域的核心,是国民经济、社会发展及国防建设的基础和先导。它涉及信息技术、生物工程技术、能源技术、纳米技术、环保技术、空间技术、计算机技术、海洋工程技术等现代高新技术及其产业。功能材料种类繁多,用途广泛,正在形成一个规模宏大的高技术产业群,有着十分广阔的市场前景和极为重要的战略意义。 在全球新材料研究领域中,功能材料约占 85 % 。我国高技术[863] 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 、国家重大基础研究[973]计划、国家自然科学基金项目中均安排了许多功能材料技术项目(约占新材料领域70%比例),并取得了大量研究成果。null123阐述磁学发展历程 材料磁性的基础知识 阐述主要门类的磁性材料目目的:对磁学原理和磁性材料有一个全面的认识; 对各类磁性材料的理解、使用; 对原有磁性材料性能的提高; 对新型磁性材料的研究、开发,有所启发与帮助。录磁性材料:具有可利用的磁学性质的材料null5 问题1 “什么是磁性?” null5 问题2 “磁性是物质一种比较少见的、只在少数地方得到应用的现象呢?还是一种存在非常普遍且应用非常广泛的现象呢??” null研究和应用磁现象的磁学 古 老 年 轻null66磁的现象发现很早,磁的应用也很早。特别是我们祖国,许多磁现象的的发现和应用都是世界上最早的,公认的中国对古代世界文明的四大贡献中的指南针便是磁的一种重要应用。 磁学在现代仍然应用广泛,并且2007诺贝尔奖就颁发给巨磁电阻效应的发现者。null人类对磁性的认识和应用有着悠久的历史,中国古代发展了丰富的磁学知识。 古代关于磁现象的观察和应用都是从天然磁石开始的: 世界上关于磁石的最早记载:“………(山)上有磁石者,其下有铜金。” 《管子.地数篇》,春秋战国) ★在天然磁石发现后不久,便不断有关于磁石磁性 的记载: ★在天然磁石发现后不久,便不断有关于磁石磁性 的记载: 磁石是炼铁的重要矿石,是磁铁矿为主的天然矿物。古代称磁石为慈石,取磁石吸铁犹如慈爱的父母将其子女召在身旁的意思。如磁石对铁等强磁物质的吸引作用, 对弱磁物质无吸引作用, 磁石对其它磁石的吸引或排斥作用, 以及磁石的指极性等。★相传秦始皇为了防避刺客,用磁石建造阿旁宫的北阙门,使怀刀箭者入门时,就被阻止住。 ★公元279年,马隆率兵讨伐凉州叛乱。在一次伏击战中,他把大量磁石堆放在一条狭窄的夹道上,令官兵脱去铁甲,穿上犀甲,把敌人引来夹道,由于敌人穿的是铁甲,被阻而不得出,于是大败。 《晋书.马隆传》 磁石在建筑、军事、医药上应用对磁石所具有的磁力的利用,中国古代有很多生动的案例: ★相传秦始皇为了防避刺客,用磁石建造阿旁宫的北阙门,使怀刀箭者入门时,就被阻止住。 ★公元279年,马隆率兵讨伐凉州叛乱。在一次伏击战中,他把大量磁石堆放在一条狭窄的夹道上,令官兵脱去铁甲,穿上犀甲,把敌人引来夹道,由于敌人穿的是铁甲,被阻而不得出,于是大败。 《晋书.马隆传》 ★东汉的《神农本草》(约公元2世纪)药书中便讲到利用味道辛寒的慈(磁)石治疗风湿、肢节痛、除热和耳聋等疾病。 ★南北朝陶弘景著的《名医别录》(公元510年)医药书中讲到磁石可以养肾脏 ,强骨气,通关节,消痛肿等。 ★唐代著名医药学家孙思邈著的《千金方》(公元652年)药书中还讲到用磁石等制成的蜜丸,如经常服用可以对眼力有益。历代都有应用磁石治病的记载: null4先谋势,后谋利浩海升平日用百货有限公司磁石在古代的另一项重要应用是指示南北方向的指南器。中国最早的指南器是在发现磁石的指极性以后,利用天然磁石制成的。在古代典籍上称为司南。 公元前4世纪,中国发明了司南。 公元前3世纪,战国时期,<<韩非子>>中这样记载:“先王立司南以端朝夕”。<<鬼谷子>>中记载:“郑人取玉,必载司南,为其不惑也”。 公元1世纪,东汉,王充在<<论衡>>中写道:“司南之杓(sháo),投之于地,其柢(dǐ)指南”。null5司南 “世界上最早的磁性指南仪器” 用天然磁铁矿石琢成一个杓形的东西,放在青铜制成的光滑如镜的底盘上,再铸上方向性的刻纹。这个磁勺在底盘上停止转动时,勺柄指的方向就是正南,勺口指的方向就是正北,这就是传统上认为的世界上最早的磁性指南仪器—司南。“司”就是“指”的意思。 null4先谋势,后谋利浩海升平日用百货有限公司 司南是利用天然磁石制造的,在材料来源、磨制工艺和指向精度上都受到较多限制,因而到了北宋,由于军事和航海等需要及生产技术的发展,先后利用人造铁片和铁针及人工磁化 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 制成了比司南先进的指南针。 12指南针发现后的一个重要应用是在航海方面 未采用指南针前,航海是依靠太阳(白天)和恒星(夜晚)的位置来辨认方向,称为天文导航。天文导航受天气限制很大,而指南针及其装有指示方位的罗盘则不受天气影响。 中国最早将指南针应用于航海的记载是北宋《萍州可谈》(1119年),书中记载: “舟师识地理,夜则观星,昼则观日,阴晦观指南针。” -------天文导航为主,指南针导航为辅 12指南针发现后的一个重要应用是在航海方面 北宋以后,指南针在航海中的应用越来越重要,南宋时记述去南海情况: “千里长沙,万里石床,渺茫无际,天水一色,舟舶来往,惟以指南针为则,昼夜守视惟谨,毫厘之差,生死系焉。” ——(《诸蕃志》,南宋,1225年。)null16null公元17世纪,英国的吉尔伯特发表了世界上第一部磁学专著<<论磁石>>。 公元18世纪,瑞典科学家在磁学著作中对磁性材料的磁化作了大胆的描绘。 公元19世纪,近代物理学大发展,电流的磁效应、电磁感应等相继被发现和研究,同时磁性材料的理论出现,涌现出了象法拉第、安培、韦伯、高斯、奥斯特、麦克丝韦、赫兹等大批现代电磁学大师。 null1907年 P.Weiss的磁畴和分子场假说 1919年 巴克豪森效应 1928年 海森堡模型,用量子力学解释分子场起源 1931年 Bitter在显微镜下直接观察到磁畴 1933年 加藤与武井发现含Co的永磁铁氧体 1935年 荷兰Snoek发明软磁铁氧体 1935年 Landau和Lifshitz考虑退磁场, 理论上预言了磁畴结构公元20世纪null在此之后的几十年间,出现了种类繁多的磁性材料。磁性材料已成为当代社会不可缺少的关键材料。 1948年 Neel建立亚铁磁理论 1957年 RKKY相互作用的建立 1958年 Mössbauer效应的发现 1965年 Mader和Nowick制备了CoP铁磁非晶态合金 1970年 SmCo5稀土永磁材料的发现 1984年 NdFeB稀土永磁材料的发现 Sagawa(佐川) 1986年 高温超导体,Bednortz-muller 1988年 巨磁电阻GMR的发现, M.N.Baibich 1994年 CMR庞磁电阻的发现,Jin等LaCaMnO3 1995年 隧道磁电阻TMR的发现,T.Miyazaki公元20世纪null除指南针之外,人工制成实用的磁性材料,只不过 是200年前产业革命之后的事,但200年中磁性材料 的发展极为迅速。伴随着煤炭、钢铁工业的发展, 以电磁铁的发明为开端,发电机、马达(1831年),变压器(1885年)等逐步达到实用化。作为不可替代的磁性材料,其重要性日益突现出来。磁性材料分为软磁材料和硬磁材料两个应用领域发展。目前作为新材料和高技术的重要组成部分,磁性材料发展迅猛。 null 艾尔伯-费尔(法) 皮特-克鲁伯格(德)null10先谋势,后谋利浩海升平日用百货有限公司巨磁电阻效应(Giant MagnetoResistance)1988年, Albert Fert等人报道了: 低温下(T=4K), 外场为20KOe时, 用分子束外延(MBE)方法生成(Fe3.0nm/Cr0.9nm)多层膜中电阻的变化率达50%。(Fe/Cr)n在4.2K下的磁电阻随周期数n的增加而增大。null在信息存储记录的研究历史中,从最初的钢丝记录,到磁带存储,再到软盘、光盘、硬盘,以及芯片存储,每一步都给社会带来了深远的影响。 在诸多信息存储记录方式中,硬盘具有存储密度高、读写速度快、可擦写以及信息稳定性好等诸多优点,是信息存储设备的主流,因此: 磁记录成为当今最重要的信息存储方式。nullnull “巨磁电阻”效应的发现解决了制造大容量小硬盘最棘手的问题:当硬盘体积不断变小,容量却不断变大时,势必要求磁盘上每一个被划分出来的独立区域越来越小,这些区域所记录的磁信号也就越来越弱。借助“巨磁电阻”效应,人们才得以制造出更加灵敏的数据读出头,使越来越弱的磁信号依然能够被清晰读出,并且转换成清晰的电流变化。null由于民用、工业和军事中数据存储的需要,硬盘磁记录技术在过去的半个世纪里得到了飞速发展: 1994年IBM公司首次在硬盘中使用自旋阀GMR读出磁头,密度为1GB/in2。 1995年,IBM公司宣布硬盘密度达到3GB/in2, 1996年IBM公司进一步将硬盘密度提高到5GB/in2。 2002年,硬盘密度已达到100GB/in2。 2010,日立宣布采用CPP-GMR技术已实现1TB/in2。硬盘的容量和面密度呈指数形式逐年增长,这主要归功于磁记录介质和磁头技术的发展。近10年硬盘磁记录面密度增长了100多倍。预计随着磁头和磁介质材料的发展,硬盘面密度仍将飞跃式增长。 未来趋势是实现高密度磁记录硬盘硬盘面密度的发展情况null巨磁电阻(GMR)效应是凝聚态物理的一个划时代的发现。正是由于这一效应的发现,极大地促进了电子自旋极化输送过程的研究,开创了磁学研究的最新前沿-自旋电子学。 ★没有磁的应用-----现代文明是不可想像的★ 物质磁性的研究和应用已经在人类社会生活的各个方面都得到深入而广泛的发展,磁现象的研究和应用依然是21世纪科学技术研究的重要领域。null磁性:自然界中有一类物质,如铁、镍和钴,在一定的情况下能相互吸引,这种性质称它们具有磁性。 磁化:使物质具有磁性的过程称为磁化。磁质的磁化过程实质上是其内部原子磁矩取向的过程。 能够被磁化的或能被磁性物质吸引的物质叫做磁性物质或磁介质。 磁场:如果将两个磁极靠近,在两个磁极之间产生作用力——同形相斥和异性相吸。磁极之间的作用力是在磁极周围空间传递的,这里存在着磁力作用的特殊物质,称之为磁场。 磁场和物体的万有引力场,电荷的电场一样,都具有一定的能量, 磁场还具有本身的特性:a) 磁场对载流导体或运动电荷表现作用力; b)载流导体在磁场中运动要做功。 2.1 磁学基本理论null1. 磁场强度 (H) 一根通有I(A)直流电的无限长直导线,在距导线中心r(m)处产生的磁场强度 null 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,则磁场强度 H的单位为A/m 1820年奥斯特发现电流能在周围空间产生磁场。null2. 磁感应强度 (B)材料在磁场强度为H的外磁场作用下,会在材料内部产生一定磁通量密度。表示材料在外磁场H的作用下在材料内部的磁通量密度(magnetic flux density),称其为磁感应强度B,即在强度为H的磁场中被磁化后,物质内磁场强度的大小。 磁感应强度B的单位: T 或Wb/m2B和H是既有大小,又有方向的向量,二者的关系?null磁通量密度:垂直穿过单位面积的磁力线叫做磁通量密度,简称磁通密度, 它从数量上反映磁力线的疏密程度.磁力线越密,磁场越强。 如果磁场中某处的磁感应强度为B,在该处有一块与磁通垂直的面,它的面积为S,则穿过它的磁通量就是 Φ = BS 磁通量密度的单位: Wb null在磁介质中,磁场强度和磁感应强度的关系为􀂄 式中的μ为介质的磁导率,是材料的特性常数。 null3.磁化强度 (M) 在外磁场H的作用下,材料被磁化后,原子磁矩 的取向改变,便表现出一定磁性。因此,可用单位体积内磁矩的矢量和即磁化强度M 来表示材料的磁化程度。 即 磁化强度M 是表示材料被磁化强弱程度的物理量。单位为A/m,与磁场强度H单位一致。null磁化强度 M 不仅与外磁场强度H有关,还与物质本身的磁化特性有关,即 式中,χ为磁化率,其值可正、可负,它表征物质本身磁化特性。 null物质的磁化率χ : 其正负和大小表示磁性的类别和强弱。 χ为负值时为抗磁性物质, χ为正值且<<1时为弱磁性物质, χ>1时为强磁性物质。 常见材料在室温时的磁化率null1. 磁矩 μm永磁体总是同时出现 偶数个磁极4.磁矩 ( μm )null磁体无限小时,体系 定义为磁偶极子磁偶极矩: j m = ml方向:-m→+m 单位:Wb·mnull磁矩: μ m = i S 方向: 面元法线方向 单位: A·m2任一封闭电流都具有磁矩,其方向与环形电流法线方向一致,大小为电流( i )与环形面积( S )的乘积 磁矩是表征材料磁性大小的物理量。磁矩愈大,磁性愈强,即物体在磁场中受的力愈大。null 任何物质都是由原子组成的,而原子又是由带正电荷的原子核(简称核子)和带负电荷的电子所构成的。近代物理的理论和实验都证明了核子和电子的本身都在作着自旋运动,而电子又沿着一定轨道绕核子做循轨运动。显然,带电粒子的这些运动必然要产生磁矩。原子磁矩 原子磁矩有三个来源; ①电子轨道磁矩; ②电子自旋磁矩; ③原子核磁矩。null 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。 1)电子磁矩:原子中每个电子都具有磁矩。 式中,e为电子的电荷;h为普朗克常数;m为电子的静止质量;c为光速;l 为以h/2π为单位的轨道角动量。mB为玻尔磁子,是电子磁矩的最小单位。轨道磁矩nullSpin 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。其大小为 式中,s为以h/2π为单位的自旋磁矩角动量。 2)原子核磁矩: 磁矩很小,约为电子磁矩的1/2000,一般忽略不计。 null原子磁矩有3个来源; ①电子轨道磁矩;②电子自旋磁矩; ③原子核磁矩。原子核磁矩的值很小原子的总磁矩是电子轨道磁矩与自旋磁矩的总和— 原子固有磁矩(Pm)。 原子中所有电子层都填满时,电子轨道磁矩和自旋磁矩各自抵消,此时Pm为零。只有存在未被排满的电子层时,原子才具有Pm。非磁性原子: 磁性原子:整个原子中的电子磁矩总和为零 剩余磁矩(净磁矩)两类原子:3)原子固有磁矩null磁矩: 表征磁性物体磁性大小的物理量。磁矩愈大,磁性愈强,即物体在磁场中所受的力也大。 磁矩只与物体本身有关,与外磁场无关。利用磁矩的概念可以得到一基本命题: 磁及磁现象的根源是电流(电荷的运动)。null在晶状固体里,共发现了五种主要类型的磁结构物质,它们的形成机理和宏观特征各不相同,对它们的成功解释形成了今天的磁性物理学核心内容。 2.2 磁性材料分类 物质放入磁场中会表现出不同的磁学特性,称此为物质的磁性。所有物质,相对于磁场都会产生磁化现象,只是磁化强度M的大小不同而已。利用“高感度天平”测量物质对磁场的反应,可以把磁性分为5类:铁磁性、亚铁磁性、顺磁性、反铁磁性、抗磁性。强磁性(铁磁性、亚铁磁性)、弱磁性(顺磁性、反铁磁性)、抗磁性。 null典型抗磁性物质的磁化率是常数,不随温度、磁场而变化。抗磁性(Diamagnetism) 是19世纪后半叶就已经发现并研究的一类弱磁性,它的最基本特征是磁化率为负值且绝对值很小。显示抗磁性的物质在具有梯度dB/dZ的不均匀磁场中会受到磁力的作用,产生的磁化强度和磁场反向,在不均匀的磁场中被推向磁场减小的方向,(所受磁力方向为磁场强度减弱的方向),所以又称抗磁性。1. 抗磁性(反磁性)null• 抗磁磁化率不随温度变化而改变,一般为常数。• 抗磁磁化率一般不随物质的状态变化而改变。 • 关于物质的抗磁磁化率不随温度和物质状态的变化而改变的特点有时也称为 居里抗磁性定律。•抗磁磁化率为负数,所感应的磁矩很小,方向与外磁场相反,即磁化强度M为很小的负值。一般抗磁物质的磁化率绝对值约为10-5 ~ 10-6 。 如 : 铜 ( Cu ) 为 -1×10-5 , 锑 ( Sb ) 为 -5×10-5null 自然界中很多物质都是抗磁性物质:周期表中三分之一的元素、绝大多数有机材料和生物材料都是抗磁性物质。 包括: 惰性气体:He,Ne.Ar,Kr,Xe 多数非金属和少数金属:Si,Ge,S,P, Cu,Ag,Au, 几乎所有的有机化合物和生物组织: 水; null2.物理本质材料的抗磁性来源于电子轨道运动时受外加磁场,作用所产生的抗磁矩。无论电子顺时针运动还是逆时针运动,所产生的附加磁矩∆m都与外加磁场的方向相反,称为抗磁矩。 形成抗磁矩示意图物质的抗磁性不是由电子的轨道磁矩和自旋磁矩本身所产生,而是由外加磁场作用下电子绕核运动所感生的抗磁矩产生。null抗磁矩大小: 由上式可知: 物质产生抗磁矩的原因为在外磁场作用下由于电子轨道运动产生了与外磁场方向相反的附加磁矩。 附加磁矩Δml与外磁场H成正比,因而抗磁磁化是可逆的,即外磁场去除后,抗磁磁矩即行消失。null抗磁性是由电子轨道运动感生的,因而抗磁性普遍存在,但并非所有物质都是抗磁体。 只是在构成原子、离子或者分子固有磁矩为0,不存在其它磁性的物质中,才会在外磁场中观察出这种抗磁性。如果原子中所有的电子壳层都是填满的,则电子轨道磁矩和自旋磁矩各自相抵消,原子固有磁矩为零。null惰性气体的电子壳层都是满壳层,所以原子磁矩为零。null抗磁性小结物质的抗磁性来自于构成该物质的原子或离子的抗磁性。原子或离子的抗磁性则由原子或离子中的原子核外的电子 轨道运动产生的。抗磁性原子中的电子壳层必须是满壳层。无外加磁场时,原子中的电子(合)磁矩为零。在外加磁场中,电子轨道运动受到外加磁场作用而有变 化,在与外加磁场相反的方向产生一附加磁矩。1.2.3.顺磁性(Paramagnetism)这是19世纪后半叶就已经发现并研究的另一类弱磁性。 在0K以上的温度,物质中的原子受热振动,原子磁体的磁矩方向呈紊乱状态。对永磁体的反应也很弱,温度越高,紊乱程度越大,反应变得更小,称这种物质为顺磁性体。顺磁性(Paramagnetism)★★null顺磁性物质在放入外磁场中时会感生出和 H 相同方向的磁性,磁化率χ=M/H >0,数值很小,约10-2到10-5,这种受到的磁力虽很弱,受力的方向却是在磁场强度增强的方向,好像是顺着磁场的作用,把它称为顺磁性 。顺磁性物质的最基本特征是磁化率为正值且数值很小。null 顺磁性物质也很多,常见的顺磁性物质: 过渡族元素、稀土元素和锕系元素金属: Mn,Cr,W,La,Nd,Pt,Pa, 含有以上元素的化合物: MnSO4,FeCl3,FeSO4,Gd2O3, 碱金属和碱土金属: Li,Na,K,Ru,Cs,Mg,Ca,Sr,Ba null顺磁性起源材料的顺磁性来源于原子的固有磁矩: 顺磁体的原子或离子是有磁矩的(称为原子固有磁矩,它是电子的轨道磁矩和自旋磁矩的矢量和),其源于原子内未填满的电子壳层(如过渡元素的d层,稀土金属的f层),或源于具有奇数个电子的原子。) 产生顺磁性的条件就是原子的固有磁矩不为零。null 当施加一外磁场作用时,由于磁矩与磁场相互作用,磁矩具有较高的静磁能,为了降低静磁能,磁矩必将改变与磁场之间的夹角,原子磁矩通过旋转而沿外场方向择优取向,表现出宏观磁性,这种磁性称为顺磁性。 静磁能:原子磁矩与外加磁场的相互作用能。顺磁物质磁化过程示意图(箭头代表原子磁矩方向)无外磁场时,由于热振动的影响,材料中的原子固有磁矩倾向于混乱、无序状态分布,在任何方向上原子磁矩之和为零,故材料不表现宏观磁性;••null顺磁物质磁化过程示意图(箭头代表原子磁矩方向)••在顺磁性物质中,晶格对原子磁矩有决定性的影响,施加磁场,尽管原子磁矩发生一定程度的取向排列,但由于晶格振动的强烈干扰,取向排列的程度很低,因此磁化率低。常温下要克服热运动的影响使顺磁体磁化到饱和,即原子磁矩沿外磁场方向排列(图8-4c),所需的磁场为1×107Oe(即1000T)。总之,顺磁体的磁化乃是磁场克服原子热运动干扰,使原子磁矩沿磁场方向排列的过程。null 少数顺磁性物质可以准确地用居里定律进行描述,即它们的原子磁化率与温度成反比 式中,C为居里常数,T为绝对温度。 相当多的固体顺磁性物质,特别是过渡族金属元素不符合居里定律,其原子磁化率与温度的关系由居里-外斯定律来描述 对存在铁磁性的转变物质,Δ=-θ,θ表示居里温度,在θ以上铁磁体属于顺磁体,其磁化率大致服从居里-外斯定律,此时磁化强度M和磁场H保持线性关系。 顺磁性物质受温度影响很大,从上式可以看出,晶格热振动对磁化率有决定性的影响。居里定律null在顺磁性材料中,原子磁矩沿外磁场方向排列,磁场强度获得增强,磁化强度为正值,相对磁导率μr >1,磁化率为正值。 磁化率χ>0,也很小,只有10-5~10-2。 它们只有在外磁场存在下才被磁化,且磁化率极小。 无规分布的磁性原子磁矩在外磁场中的取向产生了顺磁性。顺磁性小结null弱磁材料: 抗磁体和顺磁体对于磁性材料应用来说都视为无磁性。它们只有在外磁场存在下才被磁化,且磁化率极小。强磁材料 铁磁物质和亚铁磁物质在磁场中表现出强烈的磁性,它们的磁化率约为1~105,在技术上有着重大应用,我们通称为强磁性材料。它们在磁场中的行为(技术磁化过程)也是磁性物理研究的重要内容 。 铁磁质铁磁质强磁性物质在技术领域有着突出作用,所以影响强磁性物质磁性的机理是我们课程最为关注的。 铁磁性是人类最早发现并利用的强磁性它的主要特征是:磁化率数值很大: 构成这类物质的原子也有一定的磁矩,但宏观表现却完全不同于顺磁性,解释铁磁性的成因已成为对人类智力的最大挑战,虽然经过近100年的努力已经有了比较成功的理论,但仍有很多问题有待后人去解决。1~105null有些磁性材料在外磁场作用下产生很强的磁化强度。 外磁场除去后仍保持相当大的永久磁性,这种磁性称为铁磁性。 过渡金属铁、钴、镍和某些稀土金属如钆、钇、钐、铕等都具有铁磁性。 此材料的磁化率可高达105,M>>H 铁磁性强磁材料按组成与结构的分类 一些过渡族元素和稀土元素铁磁性与相应的居里温度: 强磁材料按组成与结构的分类室温以上,有种元素是铁磁性的 ?强磁材料按组成与结构的分类 一些过渡族元素和稀土元素金属: 但以上面元素为主构成的铁磁性合金和化合物是很多的,它们构成了磁性材料的主体,在技术上有着重要作用,例如: Fe-Ni, Fe-Si, Fe-Co, AlNiCo, CrO2, EuO, GdCl3,室温以上,只有4种元素是铁磁性的。强磁材料按组成与结构的分类null(1)单质:室温下只有Fe,Co,Ni,Gd(gá)四种金属 (2)合金:以铁族元素为基的合金:Fe-Ni;Fe-Co;Fe-Si; 以非铁磁性元素构成的铁磁合金:MnBi;ZrZn2; (3)非金属化合物: 铁氧体:含铁及其它过渡族元素的氧化物。 其它:如:EuO,CrO2,钙钛矿型化合物RMnO3, (4)非晶铁磁合金null Fe、Co、Ni等过渡族金属的3d层未被电子填 满,因而这些金属原子都有剩余的自旋磁矩。 分别具有4、3和2的净磁矩。 铁磁性产生条件:原子要具有未被抵消的自旋磁矩nullMn、Cr等元素也有剩余的自旋磁矩,但并不是铁磁性金属。 铁磁性本质?null铁磁现象虽然很早就被发现,也被人们应用于各种生活、生产当中,但是铁磁性这种性质的本质揭示却是直到上个世纪初期才被揭示出来。它的本质是什么呢?就是铁磁质的自发磁化。 金属要具有铁磁性:只有未被抵消的自旋磁矩还不够,还必须使自旋磁矩自发地同向排列,亦即产生自发磁化。铁磁质的自发磁化铁磁质的自发磁化一、外斯假说(1907、法国Weiss): 铁磁物质内部存在很强的“分子场”, 即使无外加磁场,在“分子场”的作用下, 原子磁矩趋于同向平行排列直至饱和, 这一现象称为自发磁化; ①null 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畤),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。 ②这就是铁磁质的一个本质:自发磁化。 那自发磁化如何产生的,为什么会产生自发磁化,也就是铁磁性产生的原因是什么?二、铁磁性产生的原因二、铁磁性产生的原因 根据价键理论,当两个原子相互接近形成分子时,电子云要相互重叠一部分,重叠部分的电子要相互交换。这种交换便产生一种能量,即交换能Eex,此交换能有可能使相邻原子内d层电子未抵消的自旋磁矩同向排列起来, 实现自发磁化。null 交换能Eex与交换积分A有关,量子力学计算表明,当磁性物质内部相邻原子的电子交换积分A为正时(A>0),相邻原子磁矩将同向平行排列。A>0时, Φ=0、 cos Φ=1, 自旋磁矩同向排列 A<0时,Φ=π、cos Φ=-1,自旋磁矩反向排列 S1和S2分别是两个电子的自旋动量矩矢量, Φ是两个自旋动量矩夹角。 能量最低null交换积分A:只有当原子核之间的距离Rab与参加交换作用的电子距核的距离(电子壳层半径)r之比大于3,交换积分才有可能为正。 图: 交换积分A与Rab/r的关系null图: 交换积分A与Rab/r的关系原子内层电子交互作用其积分常数A>0,彼此自旋磁矩同向排列形成自发磁化。 Fe、Co、Ni:A>0,且A值很大,具有强自发磁化倾向。 稀土:A>0,但A值很小,相邻原子间的自旋磁矩同向排列作用很弱,原子振动极易破坏这种同向排列,即它们的居里点很低,常温下呈现顺磁性。 总结 初级经济法重点总结下载党员个人总结TXt高中句型全总结.doc高中句型全总结.doc理论力学知识点总结pdf 铁磁性产生的原因总结铁磁性产生的原因原子内部要有未填满的电子壳层原子本征磁矩不为零及Rab/r之比大于3,使交换积分A为正要有有利于形成铁磁性的晶体结构。①②铁磁性铁磁性铁磁质的自发磁化 磁畤 磁化曲线 磁滞回线 铁磁质物理特性 磁畴磁畴一、定义:铁磁质在无外磁场作用时,电子自旋磁矩能在小区域内自发地平行排列,形成自发磁化达到饱和状态的微小区域。这些区域称为“磁畤”。 所谓磁畴,是指磁性材料内部的一个个小区域,每个区域内包含大量原子,这些原子的磁矩都象一个个小磁铁那样整齐排列,但相邻的不同区域之间原子磁矩排列的方向不同。 null (a)未磁化 (b)磁化后图 铁磁物质的磁畤排列 、宏观物体一般总是具有很多磁畴,这样,磁畴的磁矩方向各不相同,结果相互抵消,矢量和为零,整个物体的磁矩为零,它也就不能吸引其它磁性材料。也就是说磁性材料在正常情况下并不对外显示磁性。 、只有当磁性材料被磁化以后,它才能对外显示出磁性。 二、磁畤结构的形成原因二、磁畤结构的形成原因 1935年,朗道等人从磁场能量的观点说明了磁畤的成因。 这种磁体为了保持自发磁化的稳定性,必须使强磁体的能量达最低值,因而就分裂成无数微小的磁畤。••null磁畴的成因,是为了降低由于自发磁化所产生的静磁能。 图a示意地表示整个铁磁体均匀磁化而不分畴的情形。在这种情况下,正负磁荷分别集中在两端,所产生的磁场(称为退磁场)分布在整个铁磁体附近的空间内,因而有较高的静磁能。 图b表示分割成苦干个磁化相反的小区域。这时,退磁场主要局限在铁磁体两端附近,从而使静磁能降低。计算表明,如果分为N个区域,能量约可以降至 1/N(如图c所示)。 为了降低静磁能,一般要分割为多个磁畴,构成多磁畴结构!null单纯从静磁能看,自发磁化趋向于分割成为磁化方向不同的磁畴,分割愈细,静磁能愈低。但是,形成磁畴也是要付出代价的。相邻磁畴之间,破坏了两边磁矩的平行排列,使交换能增加。为减少交换能的增加,相邻磁畴之间的原子磁矩,不是骤然转向的,而是经过一个磁矩方向逐渐变化的过渡区域。这种过渡的区域叫做畴壁。 畴壁中磁矩分布示意图null在畴壁的一侧,原子磁矩指向某个方向,假设在畴壁的另一侧原子磁矩方向相反。那么,在畴壁内部,原子磁矩必须成某种形式的过渡状态。 实际上,畴壁由很多层原子组成。为了实现磁矩的转向,从一侧开始,每一层原子的磁矩都相对于磁畴中的磁矩方向偏转了一个角度,并且每一层的原子磁矩偏转角度逐渐增大,到另一侧时,磁矩已经完全转到和这一侧磁畴的磁矩相同的方向。磁畴壁中磁矩方向逐渐变化的示意图三、磁畤结构的特点三、磁畤结构的特点 磁畤结构总是要保证体系的能量最小,各个磁畤之间彼此取向不同,首尾相接,形成闭合的磁路,使磁体在空气中的自由静磁能下降为0,对外不显现磁性。 闭合磁畴示意图null单晶磁畴结构 示意图多晶磁畴结构 示意图null 一块宏观的样品包含许许多多个磁畴; 可能其中的每一个晶粒都是由一个以上的磁畴组成的; 每一个磁畴都有特定的磁化方向; 整块样品的磁化强度则是所有磁畴磁化强度的向量和。对于多晶体:null 大块磁性材料为了降低本身的退磁能,必定包含许多磁畴。当其体积逐渐减小成为颗粒时,总退磁能迅速下降,因此,在足够小的颗粒中,有可能出现单畴状态。 单畴颗粒: 整个颗粒内的磁矩都沿同一方向取向。 磁性颗粒要成为单畴颗粒,其半径必须小于某一个临界半径Rc,当颗粒半径大于Rc时,颗粒将是多畴的,该半径Rc就称为材料的单畴临界尺寸。null学而时习之------Thank you
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