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第二十一章 磁性（magnetic properties） 磁偶極 (magnetic dipole) 磁場向量 磁矩來源 (magnetic moment) 反磁與順磁 (dia-, para-) 鐵磁、反鐵磁與亞鐵磁 (ferro-, antiferro-, ferri-),溫度對磁性影響 磁區 (domain) 與磁滯 (hysteresis) 軟磁材料 (soft-) 硬磁材料 (hard-) 高能硬磁材料 磁儲存、超導性,Magnesia: mineral ingredient of the philosophers stone, from Medieval Latin, from Greek, a kind of ore, from Magnesia, an ancient city of Asia Minor 磁：慈石,十二世紀：中國人航海 十八世紀：Coulomb研究磁石作用 1820：Oersted（1777-1851），電流偏折磁針 電荷使電場扭曲（distortion）：磁場 磁場是電場相對論性質副產品,磁性 發電機、變電器、馬達、收音機、電視、電話、計算機、視聽系統 鐵、某些鋼鐵、天然磁石 磁場對所有物質都有影響,磁偶極 (magnetic dipole) 磁場、磁力線 (field line) 想像的工具 (imaginary tool) 電流圈 (current loop)、磁棒 (bar),磁偶極 與電偶極相似 想像為一包含南北極小磁棒 由箭頭代表，由南指向北 磁場對磁偶極產生一力矩：順向,磁場向量 磁場強度 （magnetic field strength）H：外加磁場 如磁場由一圓柱形線圈（螺形線圈）產生 設線圈含有N密接圈、長度為L，電流I H = N I /L,磁感應（magnetic induction）B 磁通量密度（magnetic flux density） 物質內部磁場 B = H ：導磁率（permeability）,真空中 B0 = 0 H 0 ：真空導磁率 1.257 x 10-6 H/m,相對導磁率：/0 材料磁化程度 外加磁場引致磁感應之難易,磁化（magnetization）M B = 0 H +0 M B = B0 +0 M M = m H m ：磁化率（magnetic susceptibility）,B = 0 H +0 M =0 (1 +m) B = H =r0 H m = r 1,磁矩來源 磁性由電子磁矩而來 軌道運動 自旋,最基本磁矩：Bohr磁子（magneton）B Pauli soon introduced the atomic magneton and named it after Niels Bohr.（1925） 9.27 x 10-14 A-m2 自旋磁矩： B 軌道磁矩： mlB,原子磁矩 各電子磁矩總和 原子電子層或次層完全填滿：磁矩為零 He, Ne, Ar以及某些離子材料,反磁性（diamagnetism）與順磁性（paramagnetism） 反磁性：由外加磁場改變電子軌道運動而來 r 1 所有材料中，弱,順磁性 某些固體材料：軌道運動與/或（and/or）自旋磁矩不完全註銷，永久磁矩 隨意指向 r 1 10-5 10-2,鐵磁性 大而永久磁化 Fe, Co, Ni, Gd 磁化率： 106,B = 0 M 電子自旋磁矩 偶合相互作用：電子自旋對齊 偶合作用受電子結構影響 磁域（domain）,飽和（saturation）磁化 最大（maximum）磁化 飽和磁通量密度 淨磁矩與原子數目乘積 Fe : Co: Ni = 2.22 : 1.72 : 0.6,例21.1 Ni 之飽和磁化與飽和磁通量密度 Ms = 0.60 B N N= 9.13 x 1028 atoms/m3 Ms = 5.1 x 105 A/m Bs = 0 Ms = 0.64 tesla,反鐵磁性（anti-ferromagnetism） 電子自旋對齊與磁場反向 MnO Mn2+，O2- Mn2+：淨磁矩，主要為自旋磁矩 鄰近Mn2+磁矩反向：淨磁矩=0,亞鐵磁性（ferrimagnetism） 淨磁矩來源 MFe2O4 Fe3O4：磁石,例21.2 Fe2O3 之飽和磁通量密度 立方晶包：8 Fe2+, 16 Fe3+ ， a = 0.839 nm Ms = N B N = nB/Vc 8 x 4 = 32 Ms = 5.0 x 105 A/m,設計例21.1 設計Ms 為 5.25 x 105 A/m磁石材料 nB = 33.45 Bohr magneton 8 5 + 4 (1-x) = 33.45 x = 0.181 用Mn取代,溫度對磁性影響 熱振動：磁矩轉向較易 溫度升高：磁化降低 Curie溫度（Tc）：M =0 Tc：768（Fe），1120（Co），335（Ni），586（Fe3O4） 0C Neel溫度：反鐵磁 M=0,磁域（domain）與磁滯（hysteresis） Hysteresis: Greek, a shortcoming, from husterein, to come late, from husteros, late 磁域：磁矩同方向區域 磁域界（domain boundary，wall） 磁域界磁矩方向逐漸改變 每一晶粒可能有多於一之磁域 M為各磁域磁化向量和,鐵磁與亞鐵磁B-H曲線 Ms：飽和磁化 ， （H） H = 0，i ：初始導磁率（initial permeability） H增加，磁域界移動，磁域逐漸改變，磁矩方向轉向，漸與磁場平行，單一磁域（飽和磁化）,H降低，B降低速率較低：磁滯 H = 0，Br ：殘留磁場密度（remanence） H降低，磁域界移動阻抗 B = 0，-Hc：保磁力（coercivity） 反向飽和磁化，-Br，+ Hc 消磁（demagnetizing）,軟磁材料 磁化-去磁環：磁能損失，熱 軟磁：交流磁場，變壓器核心 磁滯環面積小 i高，Hc小,飽和磁化由材料成份決定 磁化率，Hc與結構變數有關 缺陷或非磁性粒子阻礙磁域界移動：Hc增加,電阻 Eddy（渦）電流 減少能量損失：電阻率高 Fe-Si，Fe-Ni合金 陶屬亞鐵鹽 熱處理：方形磁滯環 （某些放大器、脈衝變壓器）,硬磁材料 高殘留磁場密度（remanence）、保磁力（coercivity）、飽和磁場密度、低初始導磁率 保磁力 能量積（BH）max 永久磁鐵消磁所需能量,一般硬磁材料 （BH）max ：2-80 kJ/m2 磁性鋼鐵，Cu-Ni-Fe合金（cunife），alnico（Al-Ni-Co），六方形ferrite（BaO-6Fe2O3）,硬磁材料含 W and/or Cr +C W, Cr 碳化物：阻礙磁域界運動 熱處理：極小單磁域晶粒 強磁Fe-Co微粒,高能硬磁材料 （BH）max 80 kJ/m2 SmCo5、Nd2Fe14B,SmCo5：Co, Fe與輕稀土元素 （BH）max ：120-240 kJ/m2 Hc高（9,000 Oe） 粉末冶金方法,Nd2Fe14B：Sm較貴重 Co：價格不穩定 （BH）max ：255 kJ/m2 Hc高（10,600 Oe）,磁化-消磁 磁域界運動：製程控制 小晶粒形狀、大小、方向 第二相顆粒特性與分佈 Nd2Fe14B：粉末冶金方法、快速固化,硬磁應用 馬達：硬磁電力需求較低、散熱問題小 尺寸較小，用於馬力小馬達 無線鑽床、螺絲起子、汽車（起動、電動窗、雨刷、洗窗噴射器、風扇）、錄影機、錄音機、時鐘、音響喇叭、耳機、助聽器、計算機周邊設備,磁儲存 錄音帶，錄影帶，錄影機，硬碟機，軟碟片，硬碟片，信用卡 計算機：半導體元件記憶體 硬碟：容量大，成本低 錄音與電視業：磁帶,磁儲存媒體：磁帶或磁片 轉錄或擷取：感應讀寫磁頭 感應讀寫磁頭：感應線圈，磁芯 數據資料：電子訊號產生磁場 磁化磁帶或磁片：儲存訊號,感應讀寫磁頭擷取儲存訊號 磁場改變：產生電子訊號（電壓） 放大與轉換,複合磁頭 感應寫磁頭 磁阻讀磁頭（magnetoresistive head） 磁頭電阻因磁場變化而改變 高靈敏度與數據資料轉換速率,鐵磁與亞鐵磁B-H曲線 Ms：飽和磁化 ， （H） H = 0，i ：初始導磁率（initial permeability） H增加，磁域界移動，磁域逐漸改變，磁矩方向轉向，漸與磁場平行，單一磁域（飽和磁化）,磁介質（medium, media） 微粒狀（paticulate）與薄膜型 微粒狀：針（needlelike）、刺（aciculate）狀： - Fe2O3, CrO2 高分子膜、金屬盤 微粒長軸與通過磁頭運動方向平行,薄膜型 高儲存密度、低成本 硬碟片 CoPtCr, CoCrTa：10-50 nm厚，晶粒10-30 nm 晶粒大小均勻、單一磁域,薄膜型 磁化方向與通過磁頭運動方向平行 高儲存密度：磁域堆積密度高 微粒由空隙隔離 108 vs. 2 x 109 bit/in.2 Cr, Cr合金,磁介質磁性：磁滯環方形、大 永久儲存、磁化反轉 微粒記錄媒體，Bs: 4,000-6,000 gauss 薄膜型，Bs: 6,000-12,000 gauss Hc: 1.5 x 105 2.5 x 105 A/m (2000-3000 Oe),超導性 與磁性有關、磁性應用 臨界溫度（Tc） 金屬：1-20 K 氧化物： 100K MgB2 （2001）,The Nobel Prize in Physics 1913 for his investigations on the properties of matter at low temperatures which led, inter alia, to the production of liquid helium,Heike Kamerlingh-Onnes (1853-1926),The Nobel Prize in Physics 1972 for their jointly developed theory of superconductivity, usually called the BCS-theory,John Bardeen (1908-91) Leon Neil Cooper (1930-) and John Robert Schrieffer (1931-),溫度、磁場、電流密度 BCS（Bardeen-Cooper-Schrieffer）理論 互相吸引電子對（Cooper pair） 熱振動、雜質散射劇降,第一（type I）與第二（type II）型 第一（type I）型：完全反磁， B =0 Al, Pb, Sn, Hg 第二型： T Tc1， B =0 Tc1 T Tc2：磁場穿透,第二型超導体 較實用 臨界溫度、臨界磁場較高 Nb-Ze，Nb-Ti，Nb-Sn,The Nobel Prize in Physics 1987 for their important break-through in the discovery of superconductivity in ceramic materials,J. Georg Bednorz (1950-) and K. Alexander Mller (1927-),氧化物超導体 室溫絕緣體 YBa2Cu3O7：92 K Bi2Sr2Ca2Cu3O10：110 K Tl2Ba2 Ca2Cu3O10：125 K HgBa2Cu2O8：153 K,77 K：液態氮（N2） 液態氦（He，helium），4 K 脆 線材應用,超導体應用 科學試驗與研究設備 核磁共振攝影（nuclear magnetic resonance imaging） 核磁共振能譜（nuclear magnetic resonance spectroscopy）,超導体應用 電力輸送 高能加速器 計算機高速開關、傳輸 磁浮列車,The Nobel Prize in Physics 1933 for the discovery of new productive forms of atomic theory,Erwin Schrdinger (1887-1961) Paul Adrien Maurice Dirac (1902-1984),The Nobel Prize in Physics 1932 for the creation of quantum mechanics, the application of which has, inter alia, led to the discovery of the allotropic forms of hydrogen,第二十一章 習題 2, 5, 7, 9, 11, 12, 14, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 25, 28, 30, 31, 35, 36, D2,