材料磁学性能材料科学基础

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,4-4,材料的磁学性能,(magnetic properties),4-4-1 物质的,磁性,物质的磁性来源于电子的运动以及原子、电子内部的永久磁矩。,1、,磁学基本量,（1）,磁矩m,表征磁性物体磁性大小的物理量。,电子,轨道,磁矩（电子绕原子核运动）,电子,自旋,磁矩（电子本身自旋）,磁矩只与物体本身有关，,与外磁场无关。,任何一个封闭的电流都具有磁矩,方向,：右手法则,大小,：,I,S,(,即电流与封闭环形的面积乘积,),单位,:A,m,2,（2）,磁化强度,A、,磁化,:对于一般磁介质，无外加磁场时，其内部各磁矩的取向不一，宏观无磁性；在外磁场作用下,各磁矩规则取向，使磁介质宏观呈磁性,这就叫磁化,B、,磁化强度,:外磁场中物质被磁化的程度.,MmV,物理意义：单位体积的磁矩,单位：Am,-1,（即与磁场强度H的单位一致）,方向：由磁体内磁矩矢量和的方向决定,磁介质在外磁场中的磁化状态，主要由,磁化强度M,决定。磁化强度M可正、可负，由磁体内磁矩矢量和的方向决定，因而磁化了的磁介质内部的磁感应强度B可能大于，也可能小于磁介质不存在时真空中的磁感应强度B。,介质,（3）,磁感应强度,真空,B。,。H。,B,磁感强度,（Wbm,-2,）,(magnetic,flux density,),H,磁场强度,（Am,-1,）,(magnetic field strength),0,真空磁导率,，4,l0,-7,（Hm）(亨/米）,M:磁化强度,（4）,磁化率,(magnetic susceptibility),M=（,r,-1）H H,r,=/,0,为介质的相对磁导率,=,r,1,为介质的磁化率,仅与磁介质性质有关，它反映材料磁化的能力。,没有单位，为一纯数。,可正、可负，决定于材料的不同磁性类别。,2、,磁性的本质,（1）,电子的磁矩,(Magnetic moments),电子磁矩由电子的轨道磁矩和自旋磁矩组成。,因为：,电子的自旋磁矩 轨道磁矩,所以：,物质的磁性主要是由自旋磁矩引起的，每个电子自旋磁矩的近似值等于一个波尔磁子,B,，,B,是原子磁矩的单位（,B,9.2710,24,A.m,2,）,孤立原子可以具有磁矩，也可以没有，这决定于原子的结构。,具有“永久磁矩”,：原子中有未被填满的电子壳层（自旋磁矩未抵消）,如铁原子（,1s,2,2s,2,2p,6,3s,2,3p,6,3d,6,4s,2,）,其总的电子自旋磁矩为,4,B,。,不具“永久磁矩”：,原子各层都充满电子（电子自旋磁矩相互抵消）,如锌,(3d,10,4s,2,),，具有各层都充满电子的原子结构，其电子磁矩相互抵消，因而不显磁性。,a/D 3时,交换能为正值，为铁磁性,a/D 3时,交换能为负值，为反铁磁性,a/D,5时,交换能趋向零,（2）,“交换”作用,铁具有很强的磁性，这种磁性称为,铁磁性,。铁磁性除与电子结构有关外，还决定于晶体结构。,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，这种相互作用称为“交换”作用。,这是因为在晶体内，参与这种相互作用的电子已不再局限于原来的原子，而是“公有化”了，原子间好象在交换电子，故称为,“交换”作用,。,由这种“交换”作用所产生的,“交换能”,J,与晶格的原子间距有密切关系。,当距离很大时，J接近于零，随着距离的减小，相互作用有所增加。,J为正值，就呈现出铁磁性，J为负值，就呈现出反铁磁性。,a：,原子间距,D：,未被填满的电子壳层直径,3、,磁性的分类,根据,材料磁化率,的分类,（1）,抗磁性,(Ferrimagnetism)如：,Cu，Ag，Au等,当磁化强度,M,为负时，固体就表现为抗磁性。,抗磁性物质的孤立原子（离子）的磁矩应为,0,，即不存在永久磁矩。当抗磁性物质放入外磁场中，,外磁场使电子轨道改变，感生出一个磁矩，,其方向与外磁场方向相反，表现为抗磁性。,在外磁场中，这类磁化了的介质内部，,B,小于真空中的,B,0,抗磁性物质的抗磁性一般很微弱，磁化率一般为,-10,-5,磁化率,0,，相对磁导率,r,1,，磁感应强度,B B,0,周期表中前,18,个元素主要表现为抗磁性，这些元素构成了陶瓷材料中几乎所有的阴离子，如,O,2-,、,F,-,、,Cl,-,、,S,2-,等。,（2）,顺磁性,(Diamagnetism),顺磁性物质的主要特征是，不论外加磁场是否存在，原子内部存在永久磁矩。,无外加磁场,：由于顺磁物质的原子做无规则的热振动，宏观看来没有磁性；,有外加磁场,：每个原子磁矩比较规则地取向，物质显示极弱的磁性。磁化强度,M,与外磁场方向一致，,M,为正。,磁化率很小，室温下约为,10,-5,顺磁性物质的磁性除了与磁场强度,H,有关外，还依赖于温度，其磁化率与绝对温度成反比：,x,C/T,，,C,：居里常数。,磁化率,x,0,，相对磁导率,r,1,一般含有奇数个电子的原子或分子，电子未填满壳层的原子或离子，如过渡元素、稀土元素、锕系元素等都属于顺磁物质。,（3）,铁磁性,(Ferromagnetism),抗磁和顺磁两种磁性物质，其磁化率绝对值都很小，因而属于弱磁性物质。,强磁性物质,，如,Fe，Co，Ni,室温下磁化率可达,10,3,数量级。,在较弱磁场内，铁磁性物质也可得到较高的磁化强度；,而且当外磁场移去后，仍可保留极强的磁性,；,磁化率,x,0,（而且很大），相对磁导率,r,1,强磁性来源,很强的内部交换场，交换能为正值，而且较大,居里点温度,Tc,：,铁磁性只在某一温度以下才表现出来，超过,Tc,，由于物质内部热骚动破坏电子自旋磁矩的平行取向，因而自发磁化强度变为,0,，铁磁性消失。,Tc,以上，材料表现为强顺磁性，其磁化率与温度的关系服从,居里,外斯定律：,C为居里常数,（4）,亚铁磁体,(Paramagnetism),类似铁磁体，磁化率x值没有铁磁体大。,如：,磁铁矿（Fe,3,O,4,）,。,晶体,不同晶格内磁矩的反平行取向,而导致的,抵消作用不一,，保留了剩余磁矩，表现出一定的铁磁性。,（5）,反铁磁性,(Antiferromagnetism),由于“交换”作用力,负值,，,电子自旋反向平行排列,。在同一子晶格中有自发磁化强度，电子磁矩同向排列；在不同子晶格中，电子磁矩反向排列。整个晶体,M0,。,任何温度下，都不能观察到反铁磁性物质的任何自发磁化现象。,4-4-2,磁畴与磁滞回线,(Domain and Hysteresis loop),1,磁畴,物质内部存在的,自发磁化,的小区域。,磁畴结构,形成的原因,为,保持自发磁化的稳定性,，必须使强磁体的,能量达最低值,，因而分裂成无数微小的磁畴；,各磁畴之间彼此取向不同，首尾相接，形成闭合磁路，对外不显磁性。,磁畴壁：,相邻磁畴间的过度层。有一定 厚度，一般,10,-5,cm,铁磁体在很弱的外加磁场作用下能,显示出强磁性，这是由于物质内部,存在着自发磁化的小区域,磁畴,的,缘故。铁磁体在外磁场中的磁化过,程主要为畴壁的移动和磁畴内磁矩,的转向。这一磁化过程使得铁磁体,只需在很弱的外磁中就能得到较大,的磁化强度。,闭合磁畴示意图,2,磁滞回线,铁磁材料的一个基本特征,(a):,当无外施磁场，具有不同磁化方向的磁畴的磁矩大体可以互相抵消，样品对外不显磁性。,(b):,在外施磁场强度不太大时，畴壁发生移动，使与外磁场方向一致的磁畴范围扩大，其他方向的相应缩小。这种效应不能进行到底。,(c):,当外施磁场增至比较大时，与外磁场方向不一致的磁畴的磁化矢量会按外场方向转动。这样在每一个磁畴中，磁矩都向外磁场H方向排列，处于饱和状态。,磁化曲线,(Hysteresis curve),C 点（处于饱和状态）,此时，,饱和磁感应强度B,s,饱和磁化强度 M,s,对应的外磁场H,s,C点过后，H再增加，B增加极其缓慢，磁化强度的微小提高主要是由于外磁场克服了部分热骚动能量，使磁畴内部各电子自旋方向逐渐都和外磁场方向一致造成的。,4-4-3,金属材料的磁学性能,1,金属的,抗磁性和顺磁性,电子轨道磁矩,电子自旋磁矩,原子核磁矩,（很小）,（1）,正离子,的抗磁性和顺磁性,去除自由电子后，剩余电子绕核运动,抗磁性,：外磁场作用下，电子在轨道回路产生一个附加的感应电流，从而产生和外磁场方向相反的,轨道磁矩,次电子层填满了电子的物质，才能表现出抗磁性效应,抗磁性来源于电子轨道运动，故可以说任何物质在外磁场作用下均应有抗磁性效应。但只有次电子层填满了电子的物质，抗磁性才能表现出来，否则抗磁性就被别的磁性掩盖了。,顺磁性,：,来源于原子的,固有磁矩,。,即电子轨道磁矩和电子自旋磁矩的矢量和（又称本征磁矩）。,条件：,（1）具有,奇数个电子,的原子或点阵缺陷；,（2）,内壳层未被填满,的原子或离子。,过渡族金属,（d壳层没有填满电子）和,稀土族金属,（f 壳层没有填满电子）,单位体积内金属顺磁磁化率,居里定律：,xMHn,0,P,m,2,3kTCT,顺磁性物质的磁化率是抗磁性物质磁化率的,110,3,倍，所以在,顺磁性物质中抗磁性被掩盖了,。,大多数金属都属于顺磁性物质，如室温下的稀土金属，过渡族金属的盐等。,（2）,自由电子,的,顺磁性和抗磁性,顺磁性,来源于电子的自旋磁矩,3,0,N,B,2,在外磁场作用下，自由电子的顺磁磁化率,x,2E,F,0,由量子电子理论得出的以上公式,N为单位体积中的自由电子数，,B,为自旋磁矩；,E,F,0,为电子具有的最高能量,抗磁性,自由电子在磁场方向的分运动保持不变，而在垂直于磁场方向的平面内的运动因受洛伦兹力而做圆周运动，这圆周运动产生的磁矩同外磁场方向相反，具有抗磁性。,抗,=-1/3,泡利,某些元素族的磁性分析,磁性 元素,碱金属与碱土金属,过渡稀土金属,Cu、Ag、Au、Zn,惰性气体,离子,抗,主要,主要,离子,顺,主要,自由电子,抗,顺,主要,结论,顺磁性,抗磁性,顺,铁磁性,研究金属磁性一般要从前述四点来分析，哪一个因素影响最大，就决定了材料的磁性行为。,2、金属材料的铁磁性,在不很强的磁场作用下，就可得到很大的磁化强度,铁、钴、镍及其合金,，以及稀土族元素,钆,纯铁,B,0,=10,-6,T,时，其磁化强度,M=10,4,A/m,居里温度,高于某一温度后，饱和磁化强度,Ms,降低到零，表示铁磁性消失，材料变成顺磁性材料,它是决定材料磁性能温度稳定性的一个十分重要的物理量,4-4-4,无机非金属材料的磁学性能,磁性无机材料一般是含铁及其它元素的复合氧化物，通常称为铁氧体。,见课本 p 376,4-4-5,高分子材料的磁学性能,1、高分子材料本身是非铁磁的。,大多数体系为,抗磁性材料。,（,因为无论分子是否具有永久磁矩，在磁场中都要产生一个与磁场方向相反的诱导磁矩，从而表现为抗磁性，其对磁化率的贡献为绝对值很小的负值。）,2、,顺磁性,仅存在于两类有机物,含有,过渡金属的,含有属于定域态或较少离域的,未成对电子,（不饱和键、自由基等）。,电子本身（自旋）是一个磁偶极，从而使磁化率,x,为正，原子核自旋磁矩和分子转动磁矩的数值都很小，因而，材料的顺磁性主要来自于电子自旋磁矩。,