磁性和磁性材料课件.ppt

1、磁性和磁性材料磁性和磁性材料主要参考书：(1)严 密 彭晓领编著，磁性基础与磁性材料，浙江大学出版社，2006年出版.(2)姜寿亭 李 卫编著，凝聚态磁性物理，科学出版社，2003年出版.(3)(美)R.C.奥汉德利著,现代磁性材料原理和应用,化学工业出版社,2002年出版.一磁学基础知识一磁学基础知识描述物质磁性的一些主要物理量、材料的磁化过程、物质磁性和磁性材料的分类.1.1 静磁现象静磁现象(1 ) 磁矩磁矩磁铁可以吸引铁屑周围空间存在磁场磁场磁场可用磁力线磁力线来形象地描述磁力线从N极到S极形成闭合曲线,且永不相交.2,A m iSm通电导线也产生磁场小磁体的磁场相当于小的平面电流回路

2、产生的磁场平面电流回路的电流和回路面积的乘积称为磁矩磁矩:适用于原子中电子轨道运动 是矢量右手螺旋m(2)(2)磁化强度磁化强度 (3)磁场强度磁场强度 和磁感应强度和磁感应强度 BHIHm1,A m iiVM描写物质磁化状态按安培分子环流假设，设分子磁矩为 ,磁化强磁化强度度 定义为mM描述磁场的两个参量是磁场强度 和磁感应强度 ，的单位 常见的电流磁场有:1A mHBH无限长载流导线的磁场：rIH2方向右手螺旋载流环形线圈圆心处的磁场：2IHr无限长螺线管的磁场HnIIH在某些情况下,确定磁场效应的是磁感应强度磁感应强度B,定义为0(),TBHM在真空中, , 与 平行,在磁体不是.00,

3、MBHHB上述量均为国际单位制(SI),文献中常采用高斯单位制(CGS).在CGS制中, 的单位是奥斯特(Oe)， 的单位是高斯(Gs), 表为04BHMBH（4 4）磁化率和磁导率）磁化率和磁导率定义磁导率磁导率为01BH (2)最大磁导率最大磁导率maxmax01BHHBHi00lim1H0时磁导率的极限值,弱磁场下重要参数.(1)起始磁导率起始磁导率磁导率是表征磁性材料的磁性、导磁性及磁化难易程度的物理量, 是磁场的函数根据磁化条件不同，材料的磁导率有：由此可将磁感应强度 写作0(1)BHB磁场中的磁体的磁化强度 与磁场强度 的关系为MHMH称为磁体的磁化率(3)复磁导率复磁导率在交变磁

4、场中磁化时B与H 间存在位相差，磁导率只能用复数表示. i(6)微分磁导率微分磁导率HBdd10diff起始磁化曲线上任一点的斜率.(7)不可逆磁导率不可逆磁导率revdiffirr描述不可逆磁化性质连接原点O与起始磁化曲线上任一点的直线的斜率称为总磁导率tot .HHBimaxBOHtotrevmaxdiffO(4)增量磁导率增量磁导率HB01在恒定磁场上叠加一个小交变磁场所表现出来的磁导率，B和H为交变磁感应强度和磁场强度的峰值。(5)可逆磁导率可逆磁导率0revlimH增量磁导率在H0时的极限值.（5 5）退磁场）退磁场N 称为退磁因子退磁因子,取决于材料的形状.如沿长轴磁化样品，细长的

5、N0,短粗的N很大.一般样品在01之间.zxy可以证明,椭球体的三个主轴方向退磁因子间存在如下简单关系:1xyzNNN对球体，13xyzNNN对沿垂直于表面磁化的无限大平板，Nx=Ny=0, Nz=1对退磁因子大的样品，磁化需要很高的外加磁场：例如磁化一个Hc=2Am-1的坡莫合金球，使其Ms=9105Am-1, 退磁场将达Hd=(1/3)9105=3105Am-1即外磁场是矫顽力的105倍。材料在外磁场中磁化时，在内部将产生一个与其磁化强度 反向的磁场 ,称为退磁场退磁场:MdHNM dH对沿长轴方向磁化的细长圆柱体, Nz=0, 21yxNN（6 6） 静磁能静磁能在外磁场中处于磁化状态的

6、磁体具有的能量静磁能当=0 时能量最低值 -0MH, 是稳定状态；随着的增大,外力克服磁场作功, 能量增大,=1800时,能量达到最大值+0MH磁体中的单个分子环流在磁场中受到的安培力矩为 , 磁体单位体积受到的总力矩0() mmLH00 mmLLHMH为磁化强度M与磁场H 的夹角.M是磁化强度总力矩大小为sin0MHL 当磁体转过角，外力克服磁场作功00dcosWLMHC 此功转化为磁体在磁场中的位能位能. 适当选取能量零点, 磁体在外场中的能量密度能量密度可表为:00cosHUMHM HHM磁体在自身的退磁场中也有位能退磁场退磁场能能用上式计算时须考虑到退磁场强度 是M的函数, 应由积分算

7、得其幅值:dHNM 20d00d21dNMMHUM退磁场能与退磁因子有关，即与材料的形状以及磁化方向有关各向异性能1.2材料的磁化材料的磁化（1）磁化曲线磁化曲线材料对外磁场的响应特性由磁化曲线和磁滞回线表征。磁通计N2N1I0磁化曲线的测量实验测定：环形样品，初级线圈N1通电产生磁场样品磁化，次级线圈N2接磁通计测量磁通，可得BH曲线；根据 可画出MH曲线。)(0MHB例，铝镍钴的起始磁化曲线起始磁化曲线： MH曲线饱和（饱和饱和磁化强度磁化强度Ms）， BH曲线不饱和。BM铝镍钴的磁化曲线6104（2 2）磁滞回线）磁滞回线BHMBr, Mr-MHc-BHcO材料的磁滞回线-HsBHHsH

8、cOBsBr-Br-Bs-Hc材料的磁化曲线和磁滞回线饱和后减小外磁场H ，B和M的值减小但不沿初始磁化曲线返回当H0时仍保留一定的B和M值，称为剩磁剩磁Br或Mr增加反向外磁场， B和M的值继续减小以致可使B和M为零，此时的外磁场的大小称矫顽力矫顽力BHc(磁场磁场矫顽力矫顽力）或MHc示（內禀內禀矫顽力矫顽力），表征材料磁化后保持磁化状态的能力继续增加反向外磁场， B和M将反转，直到反向饱和重复上述步骤， B和M的变化与上述过程相对称形成闭合曲线，称为磁滞回线磁滞回线在无外磁场的情况下，退磁作用使永磁材料工作在第二象限，这部分曲线成为退退磁曲线磁曲线退磁曲线上一点B和H的乘积(BH)称为磁

9、能积磁能积，磁能积的最大值(BH)max称为最大磁能积最大磁能积.Br(Mr)、Hc 和(BH)max是表征永磁材料的重要特性参数磁化曲线和磁滞回线的校正：由于退磁场的影响，样品中的有效磁场Heff要小于外磁场Hex： Heff = Hex-NM按右图将实验测得到表观磁化曲线（虚线）校正为真实的磁化曲线（实线）（1）物质的磁性分类）物质的磁性分类1.3磁性和磁性材料的分类磁性和磁性材料的分类抗磁性抗磁性：一些物质在外磁场中获得反向磁矩，其磁化率 是与温度无关的小数(典型数量级10-5)且为负值，这种磁性称为抗磁性。抗磁性物质有惰性气体、部分有机化合物、部分金属和非金属等。d顺磁性顺磁性：一些物

10、质在外磁场中获得同向磁矩，其磁化率 ，仅为 10-610-3数量级，与温度的关系服从居里外斯定律， C 称为居里常数,Tp为顺磁居里温度这种磁性称为顺磁性顺磁性物质有稀土金属和铁族元素的盐类0pppTTC反铁磁性反铁磁性：一些物质的磁化率在某一温度存在极大值，称为奈尔温度N当TTN时其磁化率与温度的关系与顺磁物质相似；当TTN时磁化率降低到一个稳定值这种磁性称为反铁磁性反铁磁物质有过渡族元素盐类及化合物等铁磁性铁磁性：一些物质只要在很小的磁场中就会磁化，磁化率在101106数量级当温度高于临界温度TC(居里温度)，磁化率服从居里外斯定律，Tp称为顺磁居里温度这种磁性称为铁磁性具有铁磁性的元素不

11、多，但合金和化合物却有各种各样有11种元素晶体具有铁磁性,它们是3d 金属铁、钴、镍，和4f 金属轧、铽、镝、钬、铒、铥和面心立方的镨、钕fpCT T亚铁磁性亚铁磁性：一些物质的磁性与铁磁性相似，但磁化率要低，约100103数量级，称其具有亚铁磁性典型的亚铁磁物质是铁氧体亚铁磁物质与铁磁物质的最显著区别在于内部磁结构不同磁性类型元素或化合物磁化率抗磁性Cu-1.010-5Zn-1.410-5Hg-0.910-5H2O-0.210-5顺磁性Li4.410-5Al2.210-5V3810-5Nd3410-5空气3610-8反铁磁性FeO0.78CoONiO0.67CrOCr2O30.76铁磁性铁晶

12、体1.4106(相对磁导率)钴晶体103镍晶体1063.5%Si-Fe7104AlNiCo10亚铁磁性Fe3O4102（相对磁导率）各种铁氧体103五种磁性及相应的物质的磁化率dT抗磁性物质0pT顺磁性物质0fT铁磁性物质0TpafT反铁磁性物质0TN五种磁性物质的 关系T注意，同一物质在不同条件下可以具有不同磁性例如铁磁性物质在居里温度以下是铁磁性的，在居里温度之上变成顺磁性的TpHex抗磁性物质e顺磁性物质铁磁性物质反铁磁性物质亚铁磁性物质五种磁性物质的磁结构两种磁矩反平行反平行磁矩不相等电子轨道磁矩（2 2）磁性材料分类）磁性材料分类软磁材料软磁材料：要求容有低的矫顽力降低磁化功率和磁滞

13、损耗；高的初始磁导率和最大磁导率提高效率；高的饱和磁化强度和低的剩磁迅速响应外场的极性反转；为节约能源降低噪声要求低的铁损、高的电阻率和低的磁致伸缩系数等用于发动机、电动机和各种电器的铁芯、磁记录的磁头、磁屏蔽、电磁铁和导磁体等常见的软磁材料有铁和铁系合金、坡莫合金、铁氧体化合物等永磁材料永磁材料：又称硬磁材料，要求容有高的矫顽力保持用此特性；高的最大磁能积存储和利用最大磁场能量密度；高的剩磁开磁路的气隙中得到高的磁感应强度；以及具有对外加干扰磁场、温度和震动等环境因素变化的高稳定性等主要用作永磁体在气隙中产生强磁场，利用磁极对磁极的相互作用或磁场对带电体、离子、载流导体的作用来作功，以实现能量信息的转换，用于通讯、自动化、计算机、电机、仪器仪表以磁医疗等常见的永磁材料有马氏体钢、铁铬镍系、铝镍钴系、铁氧体系和稀土系等。信磁材料信磁材料：信息技术中使用的材料，包括磁记录材料、磁存储材料、磁微波材料和磁光材料等特磁材料特磁材料：特殊磁性功能材料，如磁致伸缩材料、磁电阻材料和磁制冷材料等