磁性物理基礎

磁性物理基礎第1頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月磁性材料是電子功能材料中極其重要的一類，已成為現(xiàn)代工業(yè)和科學技術(shù)的支撐性材料之一；廣泛應用于通信、自動化、電機、儀器儀表、廣播電視、計算機、家用電器以及醫(yī)療衛(wèi)生等領域，如各類變壓器、電感器、濾波器、磁頭和磁盤、各類磁體、換能器以及微波器件等；這類材料按其導電性差異，可分為金屬和鐵氧體磁性材料兩大類；按其磁性能差異，又可分為軟磁、永磁、旋磁、壓磁以及磁光材料等類別。第2頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月第3頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月第4頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月應用：精密的儀器儀表；電訊、電聲器件；工業(yè)設備；控制器件；其它器件。作用原理利用永磁材料在給定的空間產(chǎn)生一定的磁場強度；利用永磁合金的磁滯特性產(chǎn)生轉(zhuǎn)動矩，使電能轉(zhuǎn)化為機械能。特點充磁后，去掉外磁場后仍可保留磁性。第5頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月磁性材料是功能材料的重要分支；磁性元器件具有轉(zhuǎn)換、傳遞、處理信息、存儲能量、節(jié)約能源等功能,應用于能源、電信、自動控制、通訊、家用電器、生物、醫(yī)療衛(wèi)生、輕工、選礦、物理探礦、軍工等領域,尤其在信息技術(shù)領域已成為不可缺少的組成部分。信息化發(fā)展的總趨勢是向小、輕、薄以及多功能、數(shù)字化、智能化方向發(fā)展;要求磁性材料制造的元器件不僅大容量、小型化、高速度,而且具有可靠性、耐久性、抗振動和低成本的特點。第6頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月第7頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月第8頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月我國磁性材料的生產(chǎn)在國際上占有重要的地位.其中,永磁鐵氧體的產(chǎn)量達1.1×105ｔ,居世界首位;軟磁鐵氧體產(chǎn)量4×104ｔ,居世界前列;稀土永磁產(chǎn)量4300ｔ,居世界第二.根據(jù)中國工程院的專項調(diào)查和預測,我國2008年磁性材料的需求量:永磁鐵氧體15×104ｔ,軟磁鐵氧體6×104ｔ,稀土永磁8000—10000ｔ.但是,目前我國生產(chǎn)的磁性材料基本上是低性能水平的材料,與世界先進水平存在較大的差距.第9頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月(1)加強磁性材料的基礎研究和應用基礎研究.(2)改造和完善現(xiàn)有的磁性材料,提高其磁性能,優(yōu)化制備工藝,降低生產(chǎn)成本.(3)發(fā)展新型的磁性材料,特別是納米磁性材料納米磁性材料是納米材料中最早進入工業(yè)化生產(chǎn)的功能材料,應用廣泛,性能優(yōu)異,特別是在信息存儲、處理與傳輸中占據(jù)重要地位,其基礎研究和應用開發(fā)正方興未艾.(4)加強研究、生產(chǎn)、應用三方面的結(jié)合,不斷開拓磁性材料新的應用領域并促使其發(fā)展.磁性材料的研究和發(fā)展將主要集中在以下幾個方面:第10頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月1.1靜磁現(xiàn)象1.2材料的磁化1.3磁性和磁性材料分類第一章

磁學基礎知識第11頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月1.1.1磁矩a.磁鐵（永磁體）：方向性：N、S極不可分離性：磁力線：磁力線切線方向為磁場方向正磁極負磁極正磁荷＋m負磁荷－mb.定義：磁體無限小時，體系定義為磁偶極子其磁偶極矩：方向：-m指向+m單位：Wb?m+m-ml1.1靜磁現(xiàn)象1.磁偶極子第12頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月2.磁矩用環(huán)形電流描述磁偶極子：其磁矩：單位：A?m2結(jié)論：a二者的物理意義相同：表征磁偶極子磁性強弱與方向；但單位不同，公式有差異c.電子的軌道運動相當于一個恒定的電流回路，必有一個磁矩，但自旋不能用電流回路解釋，因此，最好將自旋磁矩視為基本粒子的固有磁矩。i（電流）b.方向：右手螺旋法則決定第13頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月1.1.2磁化強度M磁極化強度磁化強度比飽和磁化強度第14頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月均為描述空間任意一點的磁場參量（矢量）1、H：靜磁學定義H為單位點磁荷在該處所受的磁場力的大小，方向與

正磁荷在該處所受磁場力方向一致。1.1.3磁場強度H與與磁感應強度B實際應用中，往往用電流產(chǎn)生磁場，并規(guī)定H的單位在SI制中，用1A的電流通過直導線，在距離導線r=（1/2π）米處，磁場強度即為1A?m－1。第15頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月常見的幾種電流產(chǎn)生磁場的形式為：（1）、無限長載流直導線：方向是切于與導線垂直的且以導線為軸的圓周（2）、直流環(huán)形線圈圓心：r為環(huán)形圓圈半徑，方向由右手螺旋法則確定。（3）、無限長直流螺線管：n：單位長度的線圈匝數(shù)，方向沿螺線管的軸線方向第16頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月2磁感應強度B往往確定磁場效應采用磁感應強度B，而非HSI制中，自由真空中，B與H平行，磁體內(nèi)部，B與H不一定平行，單位：B：T或Wb?m－2；H：A/m；M：A/m；J：Wb?m－2真空中，M＝0當H＝107/4πA?m－1時，B＝1T第17頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月磁學量的單位制：使用Gauss單位制時，此時，B的單位為Gs，H的單位為Oe，μ0=1G/Oe

式中M為磁極密度單位為Gs，4πM為磁通線的密度。SI制與Gauss制間的轉(zhuǎn)換B：1G=10-4TH：103A?m-1＝4πOe，103/4πA?m-1=79.577A?m-1=1Oe

和第18頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月磁矩：

在Gauss單位制中μ0=1G/Oe，則磁偶極矩與磁矩無差別，通稱為磁矩，單位為電磁單位（e.m.u）1e.m.u(磁偶極矩)＝4π×10－10Wb?m1e.m.u(磁矩)＝10－3A?m2磁化強度：Gauss單位制中，磁極化強度（J）與磁化強度（M）相同，單位：G第19頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月1.1.4磁化率與磁導率磁體置于外磁場中磁化強度M將發(fā)生磁化。其中χ稱為磁體的磁化率，是單位磁場在磁體內(nèi)感生的磁化強度，表征磁體磁化難易程度

令：μ＝（1＋χ)＝B/μ0H

(相對磁導率)表征磁體磁性、導磁性及磁化難易程度。單位：T?m/A或H/mSI制中,絕對磁導率：μ絕對＝B/H∴μ＝μ絕對/μ0注意：只有B、H、M相互平行時，χμ為標量，否則為張量。第20頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月磁導率的不同定義：1、初始磁導率是磁中性狀態(tài)（H＝0，M＝0）下磁導率的極限值，在弱場下使用時，μi是一重要參數(shù)2、最大磁導率μmax表征單位H在磁體中感生出最大B的能力。一般而言磁性體的磁導率就是指這個參數(shù)。第21頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月3、振幅磁導率磁體在交變磁場（無直流磁場）中被磁化時，在一定振幅的磁場下，其磁感應強度也有一定振幅：它是(H或B)的振幅的函數(shù)，其最大值稱為最大振幅磁導率。4、增量磁導率μΔ指磁體受直流電磁場H0作用，在H0上再疊加一個較小的交變磁場，此時磁體對于交變磁場的磁導率即為μΔ。第22頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月5、可逆磁導率μrev原因是在交變場作用下，B、H間有相位差。所有磁導率的值都是H的函數(shù)：6、復數(shù)磁導率oH第23頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月

1、退磁場

有限幾何尺寸的磁體在外磁場中被磁化后，表面將產(chǎn)生磁極，從而使磁體內(nèi)部存在與磁化強度M方向相反的一種磁場，起減退磁化的作用，稱為退磁場Hd。Hd的大小與磁體形狀及磁極強度有關(guān)。若磁化均勻，則Hd

也均勻，且與M成正比：其中N為退磁因子，只與磁體幾何形狀和尺寸有關(guān)。非均勻磁化時還與磁性體磁導率有關(guān)。1.1.5退磁能

Hd=-NM第24頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月2、簡單幾何形狀磁體的退磁因子N對于旋轉(zhuǎn)橢球體，三個主軸方向退磁因子之和：由此可求出：球體：N=1/3細長圓柱體：Na=Nb=1/2,Nc=0薄圓板體：

Na=Nb=0,Nc=1abcXYZ3、退磁場能量指磁體在它自身的Hd

中所具有的能量第25頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月適用條件：磁體內(nèi)部均勻一致，磁化均勻。形狀不同或沿不同的方向磁化時，F(xiàn)d也不同，這種因形狀不同而引起的能量各向異性的特征——形狀各向異性。即：Fd是形狀各向異性能量。第26頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月一、外磁場能H磁體由于本身的磁偶極矩Jm與H間的相互作用，產(chǎn)生一力矩：+mF’=-mHF＝mH-mH1.1.5靜磁能

第27頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月負號表示力矩沿順時針方向（逆時針方向為正）θ=00，L最小，處于穩(wěn)定狀態(tài)θ

≠0，L≠0，不穩(wěn)定，會使磁體轉(zhuǎn)到與H方向一致，這就要做功，相當于使磁體在H中位能降低。即：磁體在磁場中位能：第28頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月∴單位體積中磁位能（即磁場能量密度）θ＝0，F(xiàn)H最小θ＝180o，F(xiàn)H最大第29頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月磁性材料對外加磁場有明顯的響應特征，狀態(tài)隨外加磁場強度而變化，可用磁化曲線與磁滯回線表征。1.2.1磁化曲線表示磁場強度H與所感生的B或M之間的關(guān)系B—H關(guān)系：工程技術(shù)中應用M—H關(guān)系：磁性物理學中常用可通過環(huán)形磁材樣品測出：初級線圈N1接DC電路，次級線圈N2接電子磁通計。當N1通DC時，磁環(huán)內(nèi)部產(chǎn)生磁場，此環(huán)形樣品被磁化，由磁通計反映出B的變化，由此可作出B—H曲線，也可由B＝μ0(H+M)畫出μ0M－H曲線。（如圖）1.2材料的磁化第30頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月B(μ0M)鋁鈷鎳的兩種磁化曲線MBOABO點：H＝0、B＝0、M＝0，磁中性和原始退磁狀態(tài)OA段：近似線性，起始磁化階段AB段：較陡峭，表明急劇磁化結(jié)論：1.兩曲線機理一樣；2.H<Hm時，二曲線基本重合，均急劇增大。3.H>Hm后，M逐漸趨于一定值MS（飽和磁化強度），而B則仍不斷增大；4.由B－H（M－H）曲線可求出μ或χ；5.飽和后再磁化無意義。第31頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月1.2.2磁滯回線從飽和磁化狀態(tài)開始，再使磁化場減小，B或M不再沿原始曲線返回。當H＝0時，仍有一定的剩磁Br或Mr。HBOF為使B（M）趨于零，需反向加一磁場，此時H=Hc稱為矯頑力。分為：BHC：使B＝0的Hc。（工程技術(shù)上所指）MHC：M＝0時的Hc（內(nèi)稟矯頑力）一般|BHC|<|MHC|1.矯頑力HcHc是表征材料在磁化后保持磁化狀態(tài)的能力。通常以Hc劃分軟磁、永磁、半永磁材料：:軟磁:硬磁:半硬磁第32頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月H從正的最大到負的最大，再回到正的最大時，B—H或M—H形成一封閉的曲線——磁滯回線。（磁材的重要特性之一)磁滯回線的第二象限為退磁曲線（依據(jù)此考察硬磁材料性能）,(BH)為磁能積，表征永磁材料中能量大小。(BH)max是永磁的重要特性參數(shù)之一。2.磁滯回線BBr將退磁曲線上的（BH）對B作用，可得（BH）對B的關(guān)系曲線。磁化曲線與磁滯回線是磁性材料的重要特征，能反映許多磁特性，如：μ、MS(Bs)、Mr(Br)、BHC(MHC)、(BH)max等。第33頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月從實用的觀點，根據(jù)磁化率χ（＝M/H）大小與符號，可分為五種：TO一、抗磁性

原子磁矩

J＝0。在外磁場作用下，電子運動將產(chǎn)生一個附加的運動（由電磁感應定律而定），出現(xiàn)附加角動量，感生出與H反向的磁矩。因此：

χd<0，且|χd|～10－5，與H、T無關(guān)。1.3磁性和磁性材料分類1.3.1物質(zhì)的磁性分類實例：惰性氣體、許多有機化合物、某些金屬（Bi、Zn、Ag、Mg）、

非金屬（如：Si、P、S）第34頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月二、順磁性1.J≠0，無相互作用，各原子磁矩取向混亂，對外不顯示宏觀磁性;2.χP

>0，但數(shù)值很?。@微弱磁性）。室溫下χP：10－3～10－6。3.χP與T有關(guān)。如：稀土金屬和鐵族元素的鹽。TO其中：C為居里常數(shù)，TP為順磁性居里溫度。TO第35頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月三、反鐵磁性即在T＝TN（奈爾溫度）時，χaf最大。實例：過渡族元素的鹽類及化合物，如MnO，CrO,CoO等O1.J≠0，χaf與順磁物質(zhì)接近；2.物質(zhì)中存在相互作用，自旋次晶格成反平行排列，每一次晶格的磁矩大小相等，合成磁矩為零；3.χaf與T有關(guān)，存在奈爾溫度TN。第36頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月四、鐵磁性

1.J≠0，χf＞＞0，（約為10～106），有磁滯現(xiàn)象；2.物質(zhì)中存在相互作用，

J有序；3.χf與T有關(guān)，存在居里溫度Tc——鐵磁性或亞鐵磁性物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾判缘呐R界溫度；當T>TC時，鐵磁性轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾判裕木永铮馑苟伞?/p>

實例：3d金屬Fe，Co，Ni，4f金屬鋱、鉺、銩、鈥、鉺、銩、鐠和釹以及很多合金與化合物。T>TC第37頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月五、亞鐵磁性

1.m≠0，χm＞0，（約為100～103），；2.存在相互作用，

J有序，內(nèi)部磁結(jié)構(gòu)與反鐵磁性相同，但相反排列的磁矩大小不等量；3.χf與T有關(guān)，不服從居里－外斯定律；4.電阻率高，多用于高頻。典型代表為鐵氧體。前三種為弱磁性，后兩種為強磁性，具有此二性的材料叫磁性材料，按其被應用的性能，磁性材料可分為軟磁、永磁、旋磁、矩磁、壓磁五類）O第38頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月第39頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月1.3.2磁性材料分類軟磁材料永磁材料信磁材料特磁材料從實用觀點分：第40頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月1、軟磁材料（1）主要特征是：①高的初始磁導率和最大磁導率；②低的矯頑力Hc；③高的飽和磁化強度和低的剩余磁感應強度；④此外，出于節(jié)省能源降低噪聲等方而考慮，軟磁材料還應具備低的鐵損，高的電阻率，低的磁致伸縮系數(shù)等特征。易受磁場磁化,又易退磁的材料作用形式：①能量轉(zhuǎn)換；②信息處理。特點：在外磁場作用下才顯示磁性，去掉外磁場后不對外顯示磁性。第41頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）應用用于制造發(fā)電機和電動機的定子和轉(zhuǎn)子：變壓器、電感器、電抗器、繼電器和鎮(zhèn)流器的鐵芯：計算機磁芯：磁記錄的磁頭與磁介質(zhì)：磁屏蔽：電磁鐵的鐵芯、極頭與極靴：磁路的導磁體等。它們是電機工程、無線電、通訊、計