第七章无机材料磁学性能材料物理课件.ppt

1、 7.1 7.1 物质的磁性物质的磁性 7.2 7.2 磁畴与磁滞回线磁畴与磁滞回线 7.3 7.3 铁氧体的磁性与结构铁氧体的磁性与结构 7.4 7.4 铁氧体磁性材料铁氧体磁性材料7.1 7.1 物质的磁性物质的磁性一、物理参数一、物理参数二、磁性的本质二、磁性的本质三、磁性的分类三、磁性的分类磁磁性性材材料料金属和合金金属和合金电阻率低，损耗大，不能满足应用之需要，电阻率低，损耗大，不能满足应用之需要，尤其在高频范围内。尤其在高频范围内。含铁及其它元素的复合氧化物。含铁及其它元素的复合氧化物。称为铁氧体（称为铁氧体（ferrite），电阻率），电阻率为为10106 m，属于半导体范，属于

2、半导体范畴。畴。磁性无机材料：磁性无机材料：高电阻、低损耗。高电阻、低损耗。1. 磁矩磁矩磁矩是表示磁体本质的一个物理量。磁矩是表示磁体本质的一个物理量。表征磁性物体磁表征磁性物体磁性大小。性大小。 磁偶极子磁偶极子电偶极子电偶极子-q+qlEql小封闭环小封闭环形电流形电流SIm磁矩的方向为它本身在圆心磁矩的方向为它本身在圆心所产生的磁场方向。所产生的磁场方向。I电流强度，电流强度， S为封闭环形的面积为封闭环形的面积m：单位：单位A m2一、物理参数一、物理参数2. 磁化强度与磁感应强度磁化强度与磁感应强度磁矩愈大，磁性愈强，即物质在磁场中所受的力也大。磁矩愈大，磁性愈强，即物质在磁场中所

3、受的力也大。磁矩只与物体本身有关，与外磁场无关。磁矩只与物体本身有关，与外磁场无关。 磁化：磁化：在外磁场作用下，各磁矩有规则地取向，使磁介质在外磁场作用下，各磁矩有规则地取向，使磁介质宏观显示磁性，这就叫宏观显示磁性，这就叫磁化。磁化。能被磁场磁化的介质能被磁场磁化的介质称为磁介质。称为磁介质。磁化强度：磁化强度：磁化强度的物理意义是单位体积的磁矩。磁化强度的物理意义是单位体积的磁矩。表征表征磁介质被磁化的程度。磁介质被磁化的程度。HVmMH：外加磁场强度：外加磁场强度单位：单位：A/m ：介质的磁化率，仅与介质性质有关，反映材料磁化的能力。没：介质的磁化率，仅与介质性质有关，反映材料磁化的

4、能力。没有单位，可正可负，取决于材料不同的磁型类别。有单位，可正可负，取决于材料不同的磁型类别。材料被磁化：材料被磁化： H总总 HH1(矢量和矢量和)外加磁场强度为外加磁场强度为H，磁介质的总磁场强度：，磁介质的总磁场强度：H1=M H磁感应强度磁感应强度B：通过磁场中某点，垂直于磁场方向单位面通过磁场中某点，垂直于磁场方向单位面积的磁力线数。单位：积的磁力线数。单位：Wb m-2（T特斯拉）特斯拉）HB00(H/m)104-70真空磁导率真空磁导率HHHB)1 (00总介质的磁导率介质的磁导率0)1 (0/1r介质的相对磁导率介质的相对磁导率介质的磁导率介质的磁导率磁场和电场磁场和电场重要

5、物理量重要物理量及公式及公式对比对比二、磁性的本质二、磁性的本质磁性的本源：电子的循轨运动和自旋运动。磁性的本源：电子的循轨运动和自旋运动。磁现象和电现象有着本质的联系。材料内部电子的循轨运磁现象和电现象有着本质的联系。材料内部电子的循轨运动和自旋运动都可以看作是一个闭合的环形电流，因而必动和自旋运动都可以看作是一个闭合的环形电流，因而必然会产生磁矩。然会产生磁矩。轨道磁矩轨道磁矩 自旋磁矩自旋磁矩电子磁矩电子磁矩 原子核磁矩很小，约为电子磁矩的原子核磁矩很小，约为电子磁矩的12000。忽略不计。忽略不计。物质的磁性主要由电子的自旋磁矩引起。物质的磁性主要由电子的自旋磁矩引起。原子、分子是否具

6、有磁矩，决定于原子、分子的结构。原子、分子是否具有磁矩，决定于原子、分子的结构。v 原子中的电子层均被电子排满时，原子没有磁矩原子中的电子层均被电子排满时，原子没有磁矩（方（方向相反的电子自旋磁矩可以互相抵消）向相反的电子自旋磁矩可以互相抵消）。v 只有原子中存在未被排满的电子层时，电子磁矩之和只有原子中存在未被排满的电子层时，电子磁矩之和不为零，原子才具有磁矩，称为原子的不为零，原子才具有磁矩，称为原子的固有磁矩固有磁矩。Fe原子：原子：3d64s2Zn：不显示磁性：不显示磁性各层都充满电子的原子结构各层都充满电子的原子结构原子结合成分子时，它们的外层电子磁矩要发生原子结合成分子时，它们的外

7、层电子磁矩要发生变化，所以分子磁矩不是单个原子磁矩的总和。变化，所以分子磁矩不是单个原子磁矩的总和。三、磁性的分类三、磁性的分类使磁场减弱使磁场减弱使磁场略有增强使磁场略有增强使磁场强烈增强使磁场强烈增强1. 抗磁性抗磁性 0（-10-6），磁化强度为负；），磁化强度为负； B0 （10-5），磁化强度为正；），磁化强度为正； 磁化率与绝对温度呈反比，磁化率与绝对温度呈反比， C/T，C为居里常数；为居里常数； 原子（离子）存在固有磁矩；原子（离子）存在固有磁矩； M与与H呈线性关系。呈线性关系。如：过渡元素、稀土元素等。如：过渡元素、稀土元素等。3. 铁磁性铁磁性（强磁性）（强磁性） 0 （

8、103），而且很大，磁化强度为正；），而且很大，磁化强度为正； 较弱的磁场，也可得到极高的磁化强度；较弱的磁场，也可得到极高的磁化强度； 去除外磁场后，仍保留极强的磁性；去除外磁场后，仍保留极强的磁性； M与与H呈非线性关系。呈非线性关系。锰（锰（25）、铬（）、铬（24）等其他元素也有剩余的自旋磁矩，）等其他元素也有剩余的自旋磁矩，但并不是铁磁性金属。但并不是铁磁性金属。如：如：Fe、Co、NiFe、Co、Ni原子的外层电子填充规律原子的外层电子填充规律金属元素金属元素FeCoNi原子外层电原子外层电子分布子分布3d64s23d74s23d84s2d层原子填充层原子填充规律规律未抵消未抵消自

9、旋数自旋数432处于不同原子间的、未被填满壳层上的电子发处于不同原子间的、未被填满壳层上的电子发生特殊的相互作用。参与相互作用的电子已不生特殊的相互作用。参与相互作用的电子已不再局限于原来的原子，而是再局限于原来的原子，而是“公有化公有化”了，原了，原子间好像在交换电子，称为子间好像在交换电子，称为“交换作用交换作用”。结。结果迫使相邻原子自旋磁矩产生有序排列。因交果迫使相邻原子自旋磁矩产生有序排列。因交换作用所产生的附加能量称为交换能换作用所产生的附加能量称为交换能J。J为正值时，呈现铁磁性。为正值时，呈现铁磁性。J与晶格的原子间距有密切关系，原子间距与晶格的原子间距有密切关系，原子间距a与

10、未被填满的与未被填满的电子壳层直径电子壳层直径D之比大于之比大于3时，交换能为正值，表现出铁磁时，交换能为正值，表现出铁磁性。性。 a/D3时，交换能为负值，为反铁磁性。时，交换能为负值，为反铁磁性。铁磁体的铁磁性只在某一温度以下才能表现出来，超过这一温度，由铁磁体的铁磁性只在某一温度以下才能表现出来，超过这一温度，由于热振动破坏了电子自旋磁矩的平行取向，自发磁化强度变为零，铁于热振动破坏了电子自旋磁矩的平行取向，自发磁化强度变为零，铁磁性消失。由顺磁性转变为铁磁性的温度为居里点。居里点以上，材磁性消失。由顺磁性转变为铁磁性的温度为居里点。居里点以上，材料的磁化率与温度的关系服从居里料的磁化率

11、与温度的关系服从居里外斯定律：外斯定律：0TTCC居里常数居里常数4. 反铁磁性反铁磁性（弱磁性）（弱磁性）J 任何温度下，都观察不到反铁磁性物质的任何自发磁任何温度下，都观察不到反铁磁性物质的任何自发磁化现象，因此其宏观特性是顺磁性的；化现象，因此其宏观特性是顺磁性的； M与与H呈线性关系；呈线性关系； 与温度的关系：与温度的关系： TTn反铁磁性物质反铁磁性物质 与温度的关系与温度的关系Tn反铁磁居里点反铁磁居里点抗抗7.2 7.2 磁畴与磁滞回线磁畴与磁滞回线一、磁畴一、磁畴二、磁滞回线二、磁滞回线一、磁畴一、磁畴铁磁性物质中自发磁化方向一致的微小区域，称为磁畴。铁磁性物质中自发磁化方向

12、一致的微小区域，称为磁畴。相邻畴壁间的过渡层称为磁畴壁。相邻畴壁间的过渡层称为磁畴壁。(BaFe12O19)磁畴结构保证体系能量最低磁畴结构保证体系能量最低磁畴首尾相接，形成闭合回路磁畴首尾相接，形成闭合回路主畴：主畴：大而长的磁畴组织，其自发磁化方向必定沿着晶大而长的磁畴组织，其自发磁化方向必定沿着晶体的易磁化方向。体的易磁化方向。副畴：副畴：小而短的磁畴组织，其自发磁化方向不一定是晶小而短的磁畴组织，其自发磁化方向不一定是晶体的易磁化方向。体的易磁化方向。磁畴壁：磁畴壁：180磁畴壁磁畴壁与与90磁畴壁磁畴壁 109.47 磁畴壁磁畴壁与与70.53磁畴壁磁畴壁磁畴壁是一个过渡区，有一定厚

13、度。磁畴壁是一个过渡区，有一定厚度。磁畴的磁化方向在畴壁处不能突然转一个大角度，而是磁畴的磁化方向在畴壁处不能突然转一个大角度，而是经过畴壁的一定厚度逐步转过去的，即过渡区中的原子经过畴壁的一定厚度逐步转过去的，即过渡区中的原子磁矩是逐步改变方向的。磁矩是逐步改变方向的。磁畴的形状、尺寸、畴壁的类型与厚度总称磁畴的形状、尺寸、畴壁的类型与厚度总称为为。同一磁性材料，磁畴结构不同，。同一磁性材料，磁畴结构不同，则其磁化行为也不同。则其磁化行为也不同。Bloch畴壁畴壁（块体磁性体中）（块体磁性体中）Neel畴壁畴壁（薄膜磁性体中）（薄膜磁性体中）磁畴壁内磁矩始终与畴壁磁畴壁内磁矩始终与畴壁平面平

14、行，即磁矩围绕平平面平行，即磁矩围绕平行难磁化轴而转动。行难磁化轴而转动。磁畴壁内磁矩始终与薄膜磁畴壁内磁矩始终与薄膜平面平行，即磁矩围绕垂平面平行，即磁矩围绕垂直薄膜表面的轴而转动。直薄膜表面的轴而转动。 交换能使磁矩同向排列形成一个磁畴，结果形成磁极，交换能使磁矩同向排列形成一个磁畴，结果形成磁极，形成退磁化场，增加了退磁场能（即由于铁磁体产生的形成退磁化场，增加了退磁场能（即由于铁磁体产生的外磁场与内磁场的方向相反），使铁磁体的磁性减弱，外磁场与内磁场的方向相反），使铁磁体的磁性减弱，从而将破坏已形成的自发磁化，相互作用的结果使大磁从而将破坏已形成的自发磁化，相互作用的结果使大磁畴分割为

15、小磁畴，即畴分割为小磁畴，即减少退磁能是分畴的基本动力。减少退磁能是分畴的基本动力。 形成封闭磁畴时，可使退磁能降为零，于是就出现了三形成封闭磁畴时，可使退磁能降为零，于是就出现了三角形畴（副畴），与主磁畴形成闭合回路，减少了退磁角形畴（副畴），与主磁畴形成闭合回路，减少了退磁能，但增加了由于各向异性作用引起的磁弹性能（磁致能，但增加了由于各向异性作用引起的磁弹性能（磁致伸缩能），于是伸缩能），于是封闭式磁畴结构就需要有较小的磁畴结封闭式磁畴结构就需要有较小的磁畴结构形成来降低弹性能。构形成来降低弹性能。 分畴后退磁能减小，同时还增加了畴壁能，畴壁面积分畴后退磁能减小，同时还增加了畴壁能，畴壁

16、面积越大，能量越高。磁畴越小，畴壁面积就越大，于是越大，能量越高。磁畴越小，畴壁面积就越大，于是不能无限制分畴。不能无限制分畴。当磁畴变小使磁致伸缩能减小的量当磁畴变小使磁致伸缩能减小的量与畴壁形成所需要的能量（畴壁能的增量）相等时，与畴壁形成所需要的能量（畴壁能的增量）相等时，分畴停止。分畴停止。磁畴起因磁畴起因实际材料中的磁畴结构，受到材料的尺寸、晶界、第二相、实际材料中的磁畴结构，受到材料的尺寸、晶界、第二相、应力、掺杂、缺陷等的显著影响，使畴结构复杂化。应力、掺杂、缺陷等的显著影响，使畴结构复杂化。二、磁滞回线二、磁滞回线1. 磁化曲线磁化曲线铁磁体在外磁场中的磁化（使材料具有磁性的过

17、程）过铁磁体在外磁场中的磁化（使材料具有磁性的过程）过程主要为畴壁的移动和磁畴内磁矩的转向。程主要为畴壁的移动和磁畴内磁矩的转向。磁导率磁导率 为磁化曲线上各点的斜率为磁化曲线上各点的斜率oa：微弱磁场中，磁感应强度：微弱磁场中，磁感应强度B随外磁场强度随外磁场强度H的的增大缓慢上升，磁化强度增大缓慢上升，磁化强度M与外磁场强度与外磁场强度H之之间近似呈直线关系，磁化是可逆的（可逆壁间近似呈直线关系，磁化是可逆的（可逆壁移）。移）。ab：畴壁移动使与外磁场方向一致的磁畴范围扩大，：畴壁移动使与外磁场方向一致的磁畴范围扩大，其它方向的磁畴相应缩小。其它方向的磁畴相应缩小。bc：与磁场方向不一致的

18、磁畴的磁化矢量按外磁场：与磁场方向不一致的磁畴的磁化矢量按外磁场方向转动，直到处于饱和状态。方向转动，直到处于饱和状态。2. 磁滞曲线磁滞曲线Bs饱和磁感应强度饱和磁感应强度Br剩余磁感应强度剩余磁感应强度Hc矫顽磁场强度（矫顽力）矫顽磁场强度（矫顽力）材料磁化与外磁场的关系：材料磁化与外磁场的关系：回线所包围的面积相当于磁化一个周期所产生的能量损回线所包围的面积相当于磁化一个周期所产生的能量损耗，称为磁滞损耗。耗，称为磁滞损耗。铁磁材料的一个基铁磁材料的一个基本特征。本特征。按照磁滞回线的形状分为：按照磁滞回线的形状分为： 软磁材料小软磁材料小Hc（磁滞回线瘦小）（磁滞回线瘦小） 硬磁材料大

19、硬磁材料大Hc、Br （磁滞回线肥大）（磁滞回线肥大）v 铁电性由离子位移引起，铁磁性由原子取向引起。铁电性由离子位移引起，铁磁性由原子取向引起。v 铁电性在非对称性的晶体中发生，铁磁性发生在铁电性在非对称性的晶体中发生，铁磁性发生在次价电子的非平衡自旋中。次价电子的非平衡自旋中。v 铁电体的居里点是由于晶体相变引起的，铁磁性铁电体的居里点是由于晶体相变引起的，铁磁性的居里点是原子的无规则振动破坏了原子间的的居里点是原子的无规则振动破坏了原子间的“交换交换”作用，从而使自发磁化消失引起的。作用，从而使自发磁化消失引起的。7.3 7.3 铁氧体的磁性与结构铁氧体的磁性与结构一、铁氧体的磁性一、铁

20、氧体的磁性二、铁氧体的结构二、铁氧体的结构一、铁氧体的磁性一、铁氧体的磁性铁氧体铁氧体是含有铁酸盐的陶瓷磁性材料。是含有铁酸盐的陶瓷磁性材料。铁氧体铁氧体与与铁磁性物质铁磁性物质的异同的异同：具有自发磁化强度和磁畴具有自发磁化强度和磁畴相同之处：相同之处： 铁氧体一般都是多种金属的氧化物复合而铁氧体一般都是多种金属的氧化物复合而成；成； 其磁性来自两种不同的磁矩：一种磁矩在其磁性来自两种不同的磁矩：一种磁矩在一种方向排列整齐，另一种磁矩在相反的一种方向排列整齐，另一种磁矩在相反的方向排列。这两种磁矩方向相反，大小不方向排列。这两种磁矩方向相反，大小不等，两个磁矩之差，就产生了自发磁化现等，两个

21、磁矩之差，就产生了自发磁化现象，因此铁氧体磁性又称为亚铁磁性。象，因此铁氧体磁性又称为亚铁磁性。不同之处：不同之处：二、铁氧体的结构二、铁氧体的结构7.4 7.4 铁氧体磁性材料铁氧体磁性材料一、软磁材料一、软磁材料二、硬磁材料二、硬磁材料三、矩磁材料三、矩磁材料一、软磁材料一、软磁材料高磁导率，饱和磁感应强度大；高磁导率，饱和磁感应强度大；电阻高，损耗低；电阻高，损耗低；矫顽力矫顽力Hc小；小；稳定性好。稳定性好。1. 特点特点2. 应用应用电感线圈、小型变压器、脉冲变压器、中频变压器电感线圈、小型变压器、脉冲变压器、中频变压器等的磁芯；等的磁芯；天线棒磁芯、录音磁头等。天线棒磁芯、录音磁头

22、等。二、硬磁材料（永磁材料）二、硬磁材料（永磁材料）剩磁剩磁Br大，储存磁能大；大，储存磁能大；矫顽力矫顽力Hc大，不容易退磁。大，不容易退磁。1. 特点特点2. 应用应用磁路系统中作永磁以产生恒稳磁场：扬声器、拾音磁路系统中作永磁以产生恒稳磁场：扬声器、拾音器、助听器、录音磁头、磁通计、示波器、磁盘材器、助听器、录音磁头、磁通计、示波器、磁盘材料等。料等。二、矩磁材料二、矩磁材料磁滞回线近似矩形；磁滞回线近似矩形；高的剩磁比高的剩磁比 Br / Bm；矫顽力矫顽力Hc 小；小；开关系数小；开关系数小；低损耗；低损耗；稳定性好。稳定性好。1. 特点特点2. 应用应用记忆元件、开关元件或逻辑元件。记忆元件、开关元件或逻辑元件。软磁、硬磁及矩磁材料的磁滞回线软磁、硬磁及矩磁材料的磁滞回线软磁材料软磁材料硬磁材料硬磁材料矩磁材料矩磁材料