1、材料物理性能,第三章 材料的磁学性能,安徽工业大学材料学院,2019年6月19日,(第一讲),（Physical Properties of Materials）,一、磁性材料概论 二、主要磁性材料简介 三、铁磁性的物理本质 四、磁晶各向异性与磁致伸缩 五、磁畴结构与技术磁化 六、铁氧体与磁性测量 七、纳米磁性、自旋电子学简介,本章要点,汉（公元前206公元220年）。盘17.817.4厘米,勺长11.5，口径4.2厘米。司南由青铜地盘与磁勺组成。地盘内圆外方；中心圆面下凹；圆外盘面分层次铸有10天干，十二地支、四卦，标示二十四个方位。磁勺是用天然磁体磨成，置于地盘中心圆内，勺头为N，勺尾为S
2、，静止时，因地磁作用，勺尾指向南方。此模型是王振铎先生据论衡等书记载并参照出土汉代地盘研究复制。,司 南,The development of permanent magnets in the 20th Century. BHmax has improved exponentially,Compassing,Global Position Systems,Vehicle Detection,Navigation,Rotational Displacement,Position Sensing,Current Sensing,Communication Products,The World of
3、 Magnetic Sensors,磁性材料的应用,磁性液体在磁场梯度中集聚,集聚的磁性液体粒子可起到密封，润滑等作用，又可相对运动自由，因而在真空，环保等方面应用广泛。,高频，微波纳米磁性材料,由于纳米粒子或薄膜尺度小于电的趋肤厚度，非常有利于在高频应用。除要求磁导率 高外，如 也高，则可为隐身吸波材料，如 低，损耗小，则可为高频软磁，电感材料。,薄 膜 读 出 磁 头,硬磁驱动片,永磁马达,磁记录介质,磁头,1TB(1000GB)存储的文件可打印1亿令纸(500张为1令)，耗费5万多棵树；可存储播发16天的DVD品质的影音文件；可存储100万张图片；可连续播发2年的音乐。,计算机硬盘,2
4、自旋阀结构是GMR的实用化设计,磁记录密度同样决定于记录介质的进步,2007年诺贝尔物理学奖得主,阿尔贝费尔(法)彼得格林贝格尔(德),先后独立发现了“巨磁电阻”效应。,NdFeB Permanent Magnets Applications: magnetic therapy apparatus, magnetic seals, chucks, magnetic lifting machinery, magnetic oil- saving devices, magnetic switches etc.,武钢股份有限公司硅钢片厂简介,冷轧硅钢片素有冶金工业“工艺品”之称，代表着当今冶金工业生
5、产技术的最高水平。硅钢片厂是中国第一代冷轧硅钢产品的专业化生产厂，也是我国目前唯一的冷轧晶粒取向硅钢和高档无取向硅钢产品生产企业。,鞍钢冷轧硅钢厂,绍矿磁性材料（上海）有限公司招聘,公司简介： 绍矿磁性材料（上海）有限公司为香港绍矿资源有限 公司所属的全资子公司。绍矿上海于2001年开始正式 运营并向全球汽车制造商提供铁氧体产品。铁氧体材 料主要应用于诸如启动电机，油泵，摇窗器，ABS， 发动机冷却系统及雨刮器等等领域。每辆汽车中使用 的铁氧体材料约达2到3公斤。 产品主要销往德国，日本及中国国内市场。随着公司经 营的平稳发展，我们的目标是争取在2008/2009年跻身成 为全球三大汽车用磁性
6、材料的制造商之一。 绍矿上海总投资超过三亿元人民币，且逐渐演变为集团 旗下一个具有战略发展地位的分支,磁性的起源 Origin of Magnetism,物质的磁性,环型电流的磁矩:,（磁矩 = 电流强度回路所围面积）,电子的循轨磁矩: 电子的自旋磁矩:,电子的磁矩,原子核的磁矩比电子磁矩小三个数量级， 一般情况下可忽略不计。,e：单位电荷；h:普朗克常数；m:电子质量； l:轨道量子数；s:自旋量子数。,电子的磁矩 电子磁矩由电子的轨道磁矩和自旋磁矩组成 物质的磁性不是由电子的轨道磁矩引起，而是主要由自旋磁矩引起 孤立原子的磁矩决定于原子的结构 某些元素具有各层都充满电子的原子结构，其电子磁
7、矩相互抵消，因而不显磁性,物质磁性的本质,原子的磁性,原子构成晶体后，过渡族元素铁族3d，钯族4d，铂族5d，锕族6d壳层未满，由于晶场作用使电子的轨道角动量动结。F电子影响较小。,电子轨道磁矩: l = (l(l+1)1/2 B 电子自旋磁矩: s = (S(S+1)1/2 B,电子（轨道+自旋）磁矩 原子核的磁矩,原子磁矩,原子总角动量PJ是总轨道角动量PL与总自旋角动量PS的矢量和：,总角量子数：J = L+S, L+S-1,|L-S|。,按原子矢量模型，角动量PL与PS绕PJ 进动。故L与S也绕PJ进动。,原子总角动量在外场方向的分量：,总磁量子数：mJ =J,J-1,-J,原子的有效
8、磁矩等于L与S 平行于PJ的分量和，即：,原子的有效磁矩,兰德因子gJ的物理意义： 当L=0时，J=S，gJ=2, 均来源于自旋运动。 当S=0时, J=L，gJ=1， 均来源于轨 道运动。 当1gJ2，原子磁矩由轨道磁矩与自旋磁矩共同贡献。,材料的磁学性能,物质的磁性 磁性的基本量(磁矩,磁化强度M,磁化率,磁导率) 抗磁性与顺磁性(弱磁性) 铁磁性(强磁性)(磁滞回线,自发磁化,磁畴与技术磁化) 磁性材料及应用,磁性的基本量及单位 Magnetic Terminology & Units,磁矩 磁矩是表示磁体本质的一个物理量。任何一个封闭的电流都具有磁矩 P=IS。其方向与环形电流法线的方
9、向一致，其大小为电流与封闭环形的面积的乘积IS。 电子磁矩: 由电子的轨道磁矩和自旋磁矩组成.,一. 磁矩,磁化强度M:单位体积内的磁矩矢量和: 单位体积的总磁矩 M（安米）.M是描述磁质被磁化后其磁性强弱的一个物理量。,称为磁化率或磁化系数,反映物质磁化的难易程度。（ 无量纲 ）,磁性的基本量及单位,二. 磁化强度M,磁化强度 M 和磁极化强度 J ：都是表述物质磁化状态的量。 磁化强度 M 定义为物质单位体积的磁矩：,是一个面积为 s 的电流为 i 的环形电流的磁矩。单位是 Am2,因此磁化强度的单位是 Am-1, 它和磁场强度 H 的单位是一样的。,磁极化强度 J 定义为物质单位体积的磁
10、偶极矩：,jm 是一个长度为 l , 磁荷为qm的磁偶极子，其单位是：Wbm，因此磁极化强度的单位是：Wbm-2 (和磁感应强度 B 单位 T 一致),两个物理量之间的关系为：,有些文献中两个量的名称不加区别，但我们可以从它使用的单位中加以区分。,三. 磁场强度H 和磁感应强度B,Definitions of Three Magnetic Vectors:H Magnetic field, 磁场强度M Magnetization, 磁化强度B Magnetic induction, 磁感应强度,Two Units:,CGS: (centimeter, gram, second), fictit
11、ious magnetic poles SI: (SI: systme internationale), current sources,B = mo(H+M) Tesla, T B = H+4pM CGS,四. 磁化率和磁导率,反映物质磁化的难易程度。,磁化率 (c) (Magnetic Susceptibility) ：M = H （ 无量纲 ）,(the same for S.I. and cgs units).,磁导率,磁感应强度: B (特斯拉) 磁场强度: H (安/米) 磁化强度: M (安/米) 物质磁化后的总磁场为B： B = 0 （1+ ）H B = H = B/H,H,T
12、wo Units,磁性的分类,弱磁性: 1. 抗磁性： 是甚小的负常数，约10-6数量级。M与H反向. 2. 顺磁性： 是正常数，约10-3 10-6 数量级. 3. 反铁磁性： 为甚小的正常数. 强磁性 4. 铁磁体： 为很大的正变数，约在10 10 6 数量级。 5. 亚铁磁体：与铁磁体相似，但 值较小，如磁铁矿（Fe3O4)。,Classes of Magnetic Materials,抗磁性 定义: 当材料被磁化后,磁化矢量与外加磁场的方向相反时，固体表现为抗磁性。 抗磁性物质的抗磁性一般很微弱，磁化率 是甚小的负常数(M与H反向)，一般约为10-6 数量级。抗磁性是电子电子的循轨运动
13、在外加磁场作用下的结果.任何金属都具有抗磁性. 金属中有一半是抗磁金属。Cu, Ag, Au, Hg, Zn, Bi等。(因抗磁性大于电子的顺磁性),抗磁性,磁性的分类,运动电子在外磁场作用下，受电磁感应而表现出的特性。所有物质都具有抗磁性，但只有满壳层电子的原子才能表现出抗磁性来。,H,i,i, M,Fe Fe,M,附加磁矩：,原子抗磁矩:,抗磁性,顺磁性,顺磁性 定义: 当材料被磁化后,磁化矢量与外加磁场的方向相同时，固体表现为顺磁性。 顺磁性物质的磁化率一般很小，室温下约为10-310-6 数量级。 原子内部存在固有磁矩(离子有未填满的电子壳层)。如过渡元素、稀土元素：3d-金属Ti,V
14、; 4d-金属铌Nb, 锆Zr, 钼Mo，钯Pd；5d-金属(Hf, Ta, W, 铂Pt）。 自由电子的顺磁性大于离子的抗磁性。如：碱金属和碱土金属离子虽然是填满的壳层，但Li，Na, K，Mg， Al是顺磁性金属。 顺磁性物质的磁化率与温度的关系服从居里-外 斯定律：,磁性的分类,铁磁性,铁磁性 有一类物质如Fe,Co,Ni，室温下磁化率可达10 10 6 数量级，这类物质的磁性称为铁磁性 铁磁性物质即使在较弱的磁场内，也可得到极高的磁化强度，而且当外磁场移去后，仍可保留极强的磁性（有剩磁）。各类磁性物质的-曲线示于下图,磁性的分类,铁磁性 铁磁体的铁磁性只在某一温度以下才表现出来，超过这
15、一温度，铁磁性消失。这一温度称为居里点其磁化率与温度的关系服从居里一外斯定律,铁磁性,磁性的分类,-Fe-Fe(910); -Fe -Fe(1401);,铁在高温时顺磁磁化率的变化,强顺磁性过渡族金属Pd溶于Cu,Ag, Au中情况：,反铁磁性,反铁磁性 反铁磁性物质大都是非金属化合物，如MnO。 不论在什么温度下，都不能观察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,磁性的分类,反铁磁性,亚铁磁性体： 相邻原子磁体反平行，磁矩大小不同，产生与铁磁性相类似的磁性。一般称为铁氧体的大部分铁系氧化物即为此。 磁性材料： 铁磁性与亚铁磁性的统称。,亚铁磁性体,磁性的分类,1。抗磁性：
16、 是甚小的负常数，约10-6数量级。M与H反向。金属中有一半是抗磁体。Cu, Ag, Au, Hg, Zn等。 2。顺磁体： 是正常数，约10-3 10-6 数量级。铂，钯，奥氏体不锈钢。Li, Na, K等。 3。反铁磁体： 为甚小的正常数，如-锰，铬，氧化镍，氧化锰等 4。铁磁体： 为很大的正变数，约在10 10 6 数量级。 5。亚铁磁体：与铁磁体相似，但 值较小，如磁铁矿（Fe3O4)。,磁性的分类,复习题,何谓磁矩? 磁矩的最小单元是什么？电子磁矩可分哪几部分？原子的总磁矩与原子结构有何关系？ 何谓铁磁性?铁磁性物质与顺磁性物质有何区别? 何谓抗磁性?产生抗磁性的根源是什么? 列表给出主要磁学量的国际单位和高斯单位，并给出它们之间的换算关系。,谢谢!,
