磁性物理基础课件

磁性物理基础应用：精密的仪器仪表；应用：精密的仪器仪表；电讯、电声器件；工业设电讯、电声器件；工业设备；控制器件；其它器件。备；控制器件；其它器件。作用原理作用原理利用永磁材料在给定利用永磁材料在给定的空间产生一定的磁的空间产生一定的磁场强度；场强度；利用永磁合金的磁滞利用永磁合金的磁滞特性产生转动矩，使特性产生转动矩，使电能转化为机械能。电能转化为机械能。特点特点充磁后，去掉外磁场充磁后，去掉外磁场后仍可保留磁性。后仍可保留磁性。磁性材料是功能材料的重要分支；磁性材料是功能材料的重要分支；磁性元器件具有转换、传递、处理信息、存储能量、节约能源等磁性元器件具有转换、传递、处理信息、存储能量、节约能源等功能功能,应用于能源、电信、自动控制、通讯、家用电器、生物、医疗卫应用于能源、电信、自动控制、通讯、家用电器、生物、医疗卫生、轻工、选矿、物理探矿、军工等领域生、轻工、选矿、物理探矿、军工等领域,尤其在信息技术领域尤其在信息技术领域已成为不可缺少的组成部分。已成为不可缺少的组成部分。信息化发展的总趋势是向小、轻、薄以及多功能、数字化、智能信息化发展的总趋势是向小、轻、薄以及多功能、数字化、智能化方向发展化方向发展;要求磁性材料制造的元器件不仅大容量、小型化、要求磁性材料制造的元器件不仅大容量、小型化、高速度高速度,而且具有可靠性、耐久性、抗振动和低成本的特点。而且具有可靠性、耐久性、抗振动和低成本的特点。我国磁性材料的生产在国际上占有重要的地位我国磁性材料的生产在国际上占有重要的地位我国磁性材料的生产在国际上占有重要的地位我国磁性材料的生产在国际上占有重要的地位.其中其中其中其中,永磁铁氧体的产量达永磁铁氧体的产量达永磁铁氧体的产量达永磁铁氧体的产量达1.1101.1101.1101.1105 5 5 5,居世界首位居世界首位居世界首位居世界首位;软磁铁氧体产量软磁铁氧体产量软磁铁氧体产量软磁铁氧体产量4104104104104 4 4 4,居世界前列居世界前列居世界前列居世界前列;稀土永磁产稀土永磁产稀土永磁产稀土永磁产量量量量4300430043004300,居世界第二居世界第二居世界第二居世界第二.根据中国工程院的专项调查和预测根据中国工程院的专项调查和预测根据中国工程院的专项调查和预测根据中国工程院的专项调查和预测,我国我国我国我国2008200820082008年磁性材料的需求量年磁性材料的需求量年磁性材料的需求量年磁性材料的需求量:永磁铁氧永磁铁氧永磁铁氧永磁铁氧体体体体15101510151015104 4 4 4,软磁铁氧体软磁铁氧体软磁铁氧体软磁铁氧体6106106106104 4 4 4,稀土永磁稀土永磁稀土永磁稀土永磁800080008000800010000100001000010000.但是但是但是但是,目前我国目前我国目前我国目前我国生产的磁性材料基本上是低性能水平的材料生产的磁性材料基本上是低性能水平的材料生产的磁性材料基本上是低性能水平的材料生产的磁性材料基本上是低性能水平的材料,与世界先进水平存在较大的差与世界先进水平存在较大的差与世界先进水平存在较大的差与世界先进水平存在较大的差距距距距.(1)(1)加强磁性材料的基础研究和应用基础研究加强磁性材料的基础研究和应用基础研究.(2)(2)改造和完善现有的磁性材料改造和完善现有的磁性材料,提高其磁性能提高其磁性能,优化制备优化制备工艺工艺,降低生产成本降低生产成本.(3)(3)发展新型的磁性材料发展新型的磁性材料,特别是纳米磁性材料纳米磁性材特别是纳米磁性材料纳米磁性材料是纳米材料中最早进入工业化生产的功能材料料是纳米材料中最早进入工业化生产的功能材料,应用广应用广泛泛,性能优异性能优异,特别是在信息存储、处理与传输中占据重要特别是在信息存储、处理与传输中占据重要地位地位,其基础研究和应用开发正方兴未艾其基础研究和应用开发正方兴未艾.(4)(4)加强研究、生产、应用三方面的结合加强研究、生产、应用三方面的结合,不断开拓磁性材不断开拓磁性材料新的应用领域并促使其发展料新的应用领域并促使其发展.磁性材料的研究和发展将主要集中在以下几个方面磁性材料的研究和发展将主要集中在以下几个方面:1.1 静磁现象静磁现象1.2 材料的磁化材料的磁化1.3 磁性和磁性材料分类磁性和磁性材料分类第一章第一章 磁学基础知识磁学基础知识1.1.1 磁矩磁矩 a.磁铁（永磁体）：方向性：方向性：N、S极极不可分离性：不可分离性：磁力线：磁力线切线方向为磁场方向磁力线：磁力线切线方向为磁场方向正磁极 负磁极正磁荷m 负磁荷mb.定义：磁体无限小时，体系定义为磁偶极子其磁偶极矩：方向：-m指向+m单位：Wbm+m-ml1.1 静磁现象静磁现象1.磁偶极子2.磁矩用环形电流描述磁偶极子：其磁矩：单位：A m2 结论：a 二者的物理意义相同：表征磁偶极子磁性强弱与方向；但单位不同，公式有差异c.电子的轨道运动相当于一个恒定的电流回路，必有一个磁矩，但自旋不能用电流回路解释，因此，最好将自旋磁矩视为基本粒子的固有磁矩。i（电流）b.方向：右手螺旋法则决定1.1.2 磁化强度 M 磁极化强度磁化强度比饱和磁化强度 均为描述空间任意一点的磁场参量（矢量）1、H：静磁学定义 H为单位点磁荷在该处所受的磁场力的大小，方向与 正磁荷在该处所受磁场力方向一致。1.1.3 磁场强度 H 与与磁感应强度 B 实际应用中，往往用电流产生磁场，并规定H的单位在SI制中，用1A的电流通过直导线，在距离导线r=（1/2）米处，磁场强度即为1A m1。常见的几种电流产生磁场的形式为：常见的几种电流产生磁场的形式为：（1）、）、无限长载流直导线：无限长载流直导线：方向是切于与导线垂直的且以导线为轴的圆周（2）、）、直流环形线圈圆心：直流环形线圈圆心：r为环形圆圈半径，方向由右手螺旋法则确定。（3）、）、无限长直流螺线管：无限长直流螺线管：n：单位长度的线圈匝数，方向沿螺线管的轴线方向2 2磁感应强度磁感应强度B B往往确定磁场效应采用磁感应强度B，而非HSI制中，自由真空中，B与H平行，磁体内部，B与H不一定平行，单位：B：T或Wbm2；H：A/m；M：A/m；J：Wbm2真空中，M0 当H 107/4A m1时，B1T磁学量的单位制：使用Gauss单位制时，此时，B的单位为Gs，H的单位为Oe，0=1G/Oe 式中M为磁极密度单位为Gs，4M为磁通线的密度。SI制与Gauss制间的转换 B：1G=10-4T H：103A m-14 Oe，103/4 A m-1=79.577A m-1=1 Oe 和磁矩：在Gauss单位制中0=1G/Oe，则磁偶极矩与磁矩无差别，通称为磁矩，单位为电磁单位（e.m.u）1e.m.u(磁偶极矩)4 1010 Wbm 1e.m.u(磁矩)103A m2磁化强度：Gauss单位制中，磁极化强度（J）与磁化强度（M）相同，单位：G1.1.4 1.1.4 磁化率与磁导率磁化率与磁导率 磁体置于外磁场中磁化强度M将发生磁化。其中称为磁体的磁化率，是单位磁场磁场在磁体内感生的磁化强度磁化强度，表征磁体磁化难易程度 令：（1)B/0H(相对磁导率)表征磁体磁性、导磁性及磁化难易程度。单位：T m/A或H/mSI制中,绝对磁导率：绝对B/H 绝对/0注意：只有注意：只有B、H、M相互平行时，相互平行时，为标量，否则为标量，否则为张量。为张量。磁导率的不同定义：1、初始磁导率 是磁中性状态（H0，M0）下磁导率的极限值，在弱场下使用时，i是一重要参数2、最大磁导率max表征单位H在磁体中感生出最大B的能力。一般而言磁性体的磁导率就是指这个参数。3、振幅磁导率 磁体在交变磁场（无直流磁场）中被磁化时，在一定振幅的磁场下，其磁感应强度也有一定振幅 ：它是(H或B)的振幅的函数，其最大值称为最大振幅磁导率。4、增量磁导率 指磁体受直流电磁场H0作用，在H0上再叠加一个较小的交变磁场，此时磁体对于交变磁场的磁导率即为。5、可逆磁导率rev 原因是在交变场作用下，B、H间有相位差。所有磁导率的值都是H的函数：6、复数磁导率oH 1、退磁场、退磁场 有限几何尺寸的磁体在外磁场中被磁化后，表面将产生磁极，有限几何尺寸的磁体在外磁场中被磁化后，表面将产生磁极，从而使磁体内部存在与磁化强度从而使磁体内部存在与磁化强度M方向相反的一种磁场，起减退磁化方向相反的一种磁场，起减退磁化的作用，称为的作用，称为退磁场退磁场Hd。Hd 的的大小与磁体形状及磁极强度有关。若磁化均匀，则大小与磁体形状及磁极强度有关。若磁化均匀，则Hd 也均也均匀，且与匀，且与M成正比成正比：其中其中N为退磁因子，只与磁体几何形状和尺寸有关。为退磁因子，只与磁体几何形状和尺寸有关。非均匀磁化时还与磁性体磁导率有关。非均匀磁化时还与磁性体磁导率有关。1.1.5 1.1.5 退磁能退磁能 Hd=-NM2、简单几何形状磁体的退磁因子、简单几何形状磁体的退磁因子N对于旋转椭球体，三个主轴方向退磁因子之和：对于旋转椭球体，三个主轴方向退磁因子之和：由此可求出：由此可求出：球球 体：体：N=1/3 细长圆柱体：细长圆柱体：Na=Nb=1/2,Nc=0 薄圆板体：薄圆板体：Na=Nb=0,Nc=1abcXYZ3、退磁场能量、退磁场能量 指磁体在它自身的指磁体在它自身的Hd 中所具有的能量中所具有的能量 适用条件：磁体内部均匀一致，磁化均匀。适用条件：磁体内部均匀一致，磁化均匀。形状不同或沿不同的方向磁化时，形状不同或沿不同的方向磁化时，Fd也不同，这种因形状不同而也不同，这种因形状不同而引起的能量各向异性的特征引起的能量各向异性的特征形状各向异性形状各向异性。即：。即：Fd是形状各向是形状各向异性能量。异性能量。一、外磁场能H磁体由于本身的磁偶极矩Jm与H间的相互作用，产生一力矩：+mF=-mHFmH-mH1.1.5 1.1.5 静磁能静磁能 负号表示力矩沿顺时针方向（逆时针方向为正）负号表示力矩沿顺时针方向（逆时针方向为正）=00，L最小，处于稳定状态最小，处于稳定状态 0，L 0，不稳定，会使磁体转到与，不稳定，会使磁体转到与H方向一致，这就要做方向一致，这就要做功，相当于使磁体在功，相当于使磁体在H中位能降低。中位能降低。即：磁体在磁场中位能：即：磁体在磁场中位能：单位体积中磁位能（即磁场能量密度单位体积中磁位能（即磁场能量密度）0，FH最小180o，FH最大 磁性材料对外加磁场有明显的响应特征，状态随外加磁场强磁性材料对外加磁场有明显的响应特征，状态随外加磁场强度而变化，可用磁化曲线与磁滞回线表征。度而变化，可用磁化曲线与磁滞回线表征。1.2.1磁化曲磁化曲线线表示磁场强度表示磁场强度H与所感生的与所感生的B或或M之间的关系之间的关系 B H关系：工程技术中应用关系：工程技术中应用 MH关系：磁性物理学中常用关系：磁性物理学中常用 可通过环形磁材样品测出：初级线圈可通过环形磁材样品测出：初级线圈N1接接DC电路，次级线圈电路，次级线圈N2接电子磁通计。当接电子磁通计。当N1通通DC时，磁环内部产生磁场，此环形样品被磁时，磁环内部产生磁场，此环形样品被磁化，由磁通计反映出化，由磁通计反映出B的变化，由此可作出的变化，由此可作出BH曲线，也可由曲线，也可由B 0(H+M)画出画出0MH曲线。曲线。（如图）（如图）1.2 1.2 材料的磁化材料的磁化材料的磁化材料的磁化B(0M)铝钴镍的两种磁化曲线MBOABO点：点：H0、B0、M0，磁中性和原始退磁状态磁中性和原始退磁状态OA段：近似线性，段：近似线性，起始磁化阶段起始磁化阶段 AB段：较陡峭，表明急剧磁化段：较陡峭，表明急剧磁化结论：结论：1.两曲线机理一样；两曲线机理一样；2.HHm后，后，M逐渐趋于一定值逐渐趋于一定值MS（饱和磁化强度），而（饱和磁化强度），而B则仍不断增大；则仍不断增大；4.由由BH（MH）曲线可求）曲线可求出出或或；5.饱和后再磁化无意义。饱和后再磁化无意义。1.2.2 磁滞回线磁滞回线 从饱和磁化状态开始，再使磁化场减小，从饱和磁化状态开始，再使磁化场减小，B或或M不再沿原始曲不再沿原始曲线返回。当线返回。当H0时，仍有一定的剩磁时，仍有一定的剩磁Br或或Mr。HBOF为使为使B（M）趋于零，需反向加一磁场，此时）趋于零，需反向加一磁场，此时H=Hc称为矫顽力。分为：称为矫顽力。分为：BHC：使：使B0的的Hc。（工程技术上所指）。（工程技术上所指）MHC：M0时的时的Hc（内禀矫顽力）（内禀矫顽力）一般一般|BHC|MHC|1.矫顽力矫顽力 HcHc是表征材料在磁化后保持磁化状态的能力。是表征材料在磁化后保持磁化状态的能力。通常以通常以Hc划分软磁、永磁、半永磁材料：划分软磁、永磁、半永磁材料：:软磁软磁:硬磁硬磁:半硬磁半硬磁 H从正的最大到负的最大，再回到正的最大时，从正的最大到负的最大，再回到正的最大时，BH或或MH形成一形成一封闭的曲线封闭的曲线磁滞回线。（磁材的重要特性之一磁滞回线。（磁材的重要特性之一)磁滞回线的第二象限为退磁曲线（依据此考察硬磁材料性能）磁滞回线的第二象限为退磁曲线（依据此考察硬磁材料性能）,(BH)为磁能积，表征永磁材料中能量大小。为磁能积，表征永磁材料中能量大小。(BH)max 是永磁的重要特性参数之是永磁的重要特性参数之一。一。2.磁滞回线磁滞回线BBr将退磁曲线上的将退磁曲线上的（BH）对对B作用，可得作用，可得（BH）对对B的关系曲线。的关系曲线。磁化曲线与磁滞回线是磁性材料的重要特征，能反映许多磁特磁化曲线与磁滞回线是磁性材料的重要特征，能反映许多磁特性，如：性，如：、MS(Bs)、Mr(Br)、BHC(MHC)、(BH)max 等。等。从实用的观点，根据磁化率从实用的观点，根据磁化率（M/HM/H）大小与符号，可分为五种：）大小与符号，可分为五种：TO一、抗磁性一、抗磁性 原子磁矩原子磁矩 J J0 0。在外磁场作用。在外磁场作用下，电子运动将产生一个附加的运下，电子运动将产生一个附加的运动（由电磁感应定律而定），出现动（由电磁感应定律而定），出现附加角动量，附加角动量，感感生出与生出与H反向的磁矩。反向的磁矩。因此：因此：d0，但数值很，但数值很小（显微弱磁性小（显微弱磁性）。室温下。室温下P：10103 310106 6。3.3.P与与T有关。有关。如：稀土金属和铁族元素的盐。如：稀土金属和铁族元素的盐。TO其中：其中：C为居里常数，为居里常数，TP为顺磁性居里温度。为顺磁性居里温度。TO三、反铁磁性三、反铁磁性即在TTN（奈尔温度）时，af 最大。实例：过渡族元素的盐类及化合物，如实例：过渡族元素的盐类及化合物，如MnO，CrO,CoO等等O1.1.J J00 ，af与顺磁物质接近；与顺磁物质接近；2.2.物质中存在相互作用，自旋次晶格物质中存在相互作用，自旋次晶格成反平行排列，每一次晶成反平行排列，每一次晶格的磁矩大小相等，合成磁矩为零；格的磁矩大小相等，合成磁矩为零；3.3.af与与T有关，存在奈尔温度有关，存在奈尔温度TN。四、铁磁性四、铁磁性 1.1.J J00 ，f0，（约为（约为10106），），有磁滞现象；有磁滞现象；2.2.物质中存在相互作用，物质中存在相互作用，J J有序有序；3.3.f与与T有关，存在居里温度有关，存在居里温度Tc铁磁性铁磁性或亚铁磁性物质转变为顺磁性的临界温度；或亚铁磁性物质转变为顺磁性的临界温度；当当 TTC 时，铁磁性转变为顺磁性，服从居时，铁磁性转变为顺磁性，服从居里外斯定律。里外斯定律。实例：实例：3d金属金属Fe，Co，Ni，4f金属铽、铒、金属铽、铒、铥、钬、铒、铥、鐠和钕以及很多合金与化铥、钬、铒、铥、鐠和钕以及很多合金与化合物。合物。TTC五、五、亚铁磁性亚铁磁性 1.1.m m00 ，m0，（约为（约为100103），；），；2.2.存在相互作用，存在相互作用，J J有序，有序，内部磁结构与反铁磁性相同，但相内部磁结构与反铁磁性相同，但相反排列的磁矩大小不等量；反排列的磁矩大小不等量；3.3.f与与T有关，不服从居里外斯定律；有关，不服从居里外斯定律；4.电阻率高，多用于高频。电阻率高，多用于高频。典型代表为铁氧体。典型代表为铁氧体。前三种为弱磁性，后两种为强磁性，具有此二性的材料叫前三种为弱磁性，后两种为强磁性，具有此二性的材料叫磁性磁性材料材料，按其被应用的性能，磁性材料可分为软磁、永磁、旋磁、矩，按其被应用的性能，磁性材料可分为软磁、永磁、旋磁、矩磁、压磁五类）磁、压磁五类）O1.3.2 磁性材料分类磁性材料分类1.软磁材料软磁材料2.永磁材料永磁材料3.信磁材料信磁材料4.特磁材料特磁材料从实用观点分：从实用观点分：1、软磁材料、软磁材料（1）主要特征是：高的初始磁导率和最大磁导率；低的矫顽力 Hc；高的饱和磁化强度和低的剩余磁感应强度；此外，出于节省能源降低噪声等方而考虑，软磁材料还应具备低的铁损，高的电阻率，低的磁致伸缩系数等特征。易受磁场磁化易受磁场磁化,又易退磁的材料又易退磁的材料作用形式：作用形式：能量转换；能量转换；信息处理。信息处理。特点：在外磁场作用下才显示磁性，去掉外磁场后不对外显示磁特点：在外磁场作用下才显示磁性，去掉外磁场后不对外显示磁性。性。（2）应用 用于制造发电机和电动机的定子和转子：变压器、电感器变压器、电感器、电电电电抗器、继电器和镇流器的铁芯：计算机磁芯：磁记录的磁头与磁介抗器、继电器和镇流器的铁芯：计算机磁芯：磁记录的磁头与磁介抗器、继电器和镇流器的铁芯：计算机磁芯：磁记录的磁头与磁介抗器、继电器和镇流器的铁芯：计算机磁芯：磁记录的磁头与磁介质：磁屏蔽：电磁铁的铁芯、极头与极靴：磁路的导磁体质：磁屏蔽：电磁铁的铁芯、极头与极靴：磁路的导磁体质：磁屏蔽：电磁铁的铁芯、极头与极靴：磁路的导磁体质：磁屏蔽：电磁铁的铁芯、极头与极靴：磁路的导磁体等。它们是电机电机 工工 程、无线电、通讯、计算机、家用电器和高新技术领域程、无线电、通讯、计算机、家用电器和高新技术领域的重要功能材料。软磁材料制造的设备与器件大多数是在交变磁场交变磁场条件下工作，要求其体积小、雨量轻、功率大、灵敏度高、发热量小、稳定胜好、体积小、雨量轻、功率大、灵敏度高、发热量小、稳定胜好、寿命长寿命长2、永磁材料、永磁材料（1）主要特征 高的剩余磁感应强度 和高的剩余磁化强度；高的矫顽力；高的最大磁能积；高的稳定性，又称为硬磁材料，能长期保留又称为硬磁材料，能长期保留BrBr。作用原理作用原理 利用永磁合金在给定的空间产生一定的磁场强度；利用永磁合金在给定的空间产生一定的磁场强度；利用永磁合金的磁滞特性产生转动矩，使电能转化为机械利用永磁合金的磁滞特性产生转动矩，使电能转化为机械特点特点:充磁后，去掉外磁场后仍可保留磁性。充磁后，去掉外磁场后仍可保留磁性。（2）应用 应用主要利用永磁体在气隙产生足够强的磁场，利用磁极与磁极的相互作用，磁场对带电物体或离子或载电流导体的相互作用来做功，而实现能量转换能量转换。永磁材料已纤在通讯、自动化、音像、计算机、电机、仪器仪表、石油化工、磁分离、磁生物、磁医疗与 健身器械、玩具等技术领域得到广泛的应用。3、信磁材料、信磁材料 在信息技术中获得应用的磁性材料统称在信息技术中获得应用的磁性材料统称信息磁性材料信息磁性材料信息磁性材料信息磁性材料，简称信磁，简称信磁材料；材料；目前在电子计算机、微波通信和光通信等高新技术中研究和应用的目前在电子计算机、微波通信和光通信等高新技术中研究和应用的信磁材料主要有：信磁材料主要有：磁记录材料、磁存储材料、磁微波材料和磁光磁记录材料、磁存储材料、磁微波材料和磁光效应材料效应材料等等 4、特磁材料、特磁材料 除以上几种磁胜材料外，还有多种具有各种特殊磁性功能和各种除以上几种磁胜材料外，还有多种具有各种特殊磁性功能和各种特别应用的磁性功能材料统称为特种功能磁性材料，简称特磁材料。特别应用的磁性功能材料统称为特种功能磁性材料，简称特磁材料。主要有：主要有：磁致伸缩材料、磁电阻材料、磁性液体、磁制冷材磁致伸缩材料、磁电阻材料、磁性液体、磁制冷材磁致伸缩材料、磁电阻材料、磁性液体、磁制冷材磁致伸缩材料、磁电阻材料、磁性液体、磁制冷材料和复合磁性材料等料和复合磁性材料等料和复合磁性材料等料和复合磁性材料等 谢谢观赏谢谢观赏