土木專業(yè)建筑學(xué)磁性材料一第一課時(shí)隨堂講義

第二章磁性功能資料本章主要內(nèi)容磁學(xué)實(shí)際簡(jiǎn)介——物質(zhì)的磁性、磁性的根本物理量磁性資料——軟磁資料、永磁資料

磁性資料的根本性能與運(yùn)用著名大學(xué)，研討所，公司磁性資料——具有較強(qiáng)磁性的資料。工業(yè)上最早運(yùn)用的磁性資料:軟鐵、硅鋼片、鐵氧體等。二十世紀(jì)六十年代:非晶態(tài)、納米晶軟磁資料、稀土永磁材資料計(jì)算機(jī)及聲像記錄用大容量存儲(chǔ)安裝如磁盤、磁帶；電工產(chǎn)品：變壓器、電機(jī)，以及通訊、無(wú)線電、電器、各種電子安裝第一節(jié)鐵磁學(xué)根底1.1物質(zhì)的磁性〔一〕磁矩磁性的來(lái)源〔二〕根本磁參量〔三〕物質(zhì)磁性分類〔四〕磁化曲線磁滯回線〔五〕磁晶各向異性〔六〕磁致伸縮1.2磁化過(guò)程與技術(shù)磁參量1.3磁性資料分類(一)磁矩一個(gè)圓電流的磁矩定義為：i：電流強(qiáng)度S：圓電流回線包圍的面積。其方向可以用右手定那么來(lái)確定1.1物質(zhì)的磁性物質(zhì)分子原子原子核核外電子原子磁矩主要來(lái)源于電子磁矩物質(zhì)磁性具有普遍性電子的軌道磁矩電子的自旋磁矩原子磁矩物質(zhì)磁性原子磁矩＝Σ物質(zhì)表現(xiàn)何種磁性原子磁矩間相互作用外加磁場(chǎng)的作用第一節(jié)鐵磁學(xué)根底1.1物質(zhì)的磁性〔一〕磁矩磁性的來(lái)源〔二〕根本磁參量〔三〕物質(zhì)磁性分類〔四〕磁化曲線磁滯回線〔五〕磁晶各向異性〔六〕磁致伸縮1.2磁化過(guò)程與技術(shù)磁參量1.3磁性資料分類〔二〕根本磁性參量磁場(chǎng)強(qiáng)度(H)：磁化強(qiáng)度(M，σ):磁感應(yīng)強(qiáng)度(B):電流強(qiáng)度為i的電流在一個(gè)每米有N匝線圈的無(wú)限長(zhǎng)螺旋管軸線中央產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度H為：間隔永磁體r處的磁場(chǎng)強(qiáng)度H為：m1為磁極的磁極強(qiáng)度，；r0是r的矢量單位；單位體積磁性資料內(nèi)原子磁矩的矢量和物質(zhì)在外磁場(chǎng)H作用下，其內(nèi)部原子磁矩的有序陳列還將產(chǎn)生一個(gè)附加磁場(chǎng)。在磁性資料內(nèi)部外磁場(chǎng)與附加磁場(chǎng)的和。在真空中：在磁性資料中： 磁化強(qiáng)度與外磁場(chǎng)的關(guān)系： 第一節(jié)鐵磁學(xué)根底1.1物質(zhì)的磁性〔一〕磁矩磁性的來(lái)源〔二〕根本磁參量〔三〕物質(zhì)磁性分類〔四〕磁化曲線磁滯回線〔五〕磁晶各向異性〔六〕磁致伸縮1.2磁化過(guò)程與技術(shù)磁參量1.3磁性資料分類(三〕物質(zhì)磁性的分類物質(zhì)磁性分類順磁性鐵磁性抗磁性與外加磁場(chǎng)的關(guān)系反鐵磁性亞鐵磁性抗磁性物質(zhì)的磁構(gòu)造及磁化率隨溫度的變化⑴抗磁性χ：－〔10-5–10-6〕抗磁性：磁化率小于零，在外磁場(chǎng)的作用下產(chǎn)生一個(gè)與外磁場(chǎng)方向相反且很小的附加磁場(chǎng)，其值和溫度無(wú)關(guān)?？勾判晕镔|(zhì)：He，Ne，Ar，H2，N2，C，Si，Ge等順磁性物質(zhì)的磁構(gòu)造及磁化率隨溫度的變化〔2〕順磁性χ：10-4-10-5原子磁矩的方向是紊亂的；在外加磁場(chǎng)作用下趨于沿外場(chǎng)方向陳列，使磁質(zhì)沿外場(chǎng)方向產(chǎn)生一定強(qiáng)度的附加磁場(chǎng)。磁化率雖小，但大于零。磁化強(qiáng)度隨溫度的升高而下降。順磁金屬主要有Mo，Al，Pt，Sn等。順磁性：〔3〕反鐵磁性χ：10-2-10-4反鐵磁性物質(zhì)的磁構(gòu)造及磁化率隨溫度的變化Cr、Mn以及含有Cr、Mn的一些合金是反鐵磁性的。磁化率和溫度的關(guān)系在涅耳點(diǎn)(TN)有一轉(zhuǎn)機(jī)。在TN點(diǎn)以下為反鐵磁性,χ隨溫度升高而升高。在TN以上，χ隨溫度升高而下降，表現(xiàn)如順磁性行為。反鐵磁性物質(zhì)中有A、B兩個(gè)次晶格，其原子磁矩反平行陳列，且大小相等，自發(fā)磁化強(qiáng)度相互抵消，總磁矩為零。

反鐵磁性：鐵磁性物質(zhì)的磁構(gòu)造及磁化率隨溫度的變化(4)鐵磁性χ：102-106在不大的磁化場(chǎng)下，該物質(zhì)有較高的磁化強(qiáng)度，并到達(dá)飽和形狀；磁化率隨磁場(chǎng)非線性變化；飽和磁化強(qiáng)度隨溫度升高而下降，并在一定溫度Tc〔居里溫度〕下，鐵磁性消逝，變成順磁性。鐵磁性：鐵磁性物質(zhì)：①Fe、Co、Ni等純金屬。某些稀土元素如Gd〔釓gá〕等②含F(xiàn)e、Co、Ni的合金及化合物；③某些過(guò)渡元素組成的合金。亞鐵磁性物質(zhì)的磁構(gòu)造及磁化率隨溫度的變化〔5〕亞鐵磁性χ：102–106也有兩個(gè)次晶格，其自發(fā)磁化的磁矩方向相反，但大小不等，總的磁矩為兩反平行陳列磁矩的和，不為零。大量運(yùn)用的鐵氧體亞鐵磁性：物質(zhì)磁性分類順磁性被磁化后，磁化場(chǎng)方向與外場(chǎng)方向一樣，χ：102–106鐵磁性被磁化后，磁化場(chǎng)方向與外場(chǎng)方向一樣，χ：10-4-10-5被磁化后，磁化場(chǎng)方向與外場(chǎng)方向相反，χ：－〔10-5–10-6〕抗磁性與外加磁場(chǎng)的關(guān)系反鐵磁性被磁化后，磁化場(chǎng)方向與外場(chǎng)方向一樣，χ：10-2-10-4亞鐵磁性被磁化后，磁化場(chǎng)方向與外場(chǎng)方向一樣，χ：102-106弱磁性強(qiáng)磁性磁性資料——具有較強(qiáng)磁性的資料。第一節(jié)鐵磁學(xué)根底1.1物質(zhì)的磁性〔一〕物質(zhì)的磁性磁矩〔二〕根本磁參量〔三〕物質(zhì)磁性分類〔四〕磁化曲線磁滯回線〔五〕磁晶各向異性〔六〕磁致伸縮1.2磁化過(guò)程與技術(shù)磁參量1.3磁性資料分類磁化曲線：磁感應(yīng)強(qiáng)度B或磁化強(qiáng)度M與磁場(chǎng)強(qiáng)度H之間的非線性關(guān)系的曲線?！菜摹炒呕€和磁滯回線H,A/mM,kA/mMs1000200048鐵磁性資料的磁化曲線磁滯景象：當(dāng)強(qiáng)磁性資料到達(dá)磁飽和形狀后，假設(shè)減小磁化場(chǎng)H，介質(zhì)的磁化強(qiáng)度M〔或磁感應(yīng)強(qiáng)度B〕并不沿著起始磁化曲線減小，M〔或B〕的變化滯后于H的變化。這種景象叫磁滯?！瞐〕抗磁；〔b〕順磁反鐵磁抗磁、順磁或反鐵磁資料無(wú)磁滯景象，M絕對(duì)值低，隨H添加，抗磁性物質(zhì)的M為負(fù)值。第一節(jié)鐵磁學(xué)根底1.1物質(zhì)的磁性〔一〕物質(zhì)的磁性磁矩〔二〕根本磁參量〔三〕物質(zhì)磁性分類〔四〕磁化曲線磁滯回線〔五〕磁晶各向異性〔六〕磁致伸縮1.2磁化過(guò)程與技術(shù)磁參量1.3磁性資料分類磁性資料在不同方向上具有不同磁性能的特性。磁晶各向異性，單晶體的磁性各向異性稱為磁晶各向異性單晶體的易磁化和難磁化方向〔五〕磁晶各向異性第一節(jié)鐵磁學(xué)根底1.1物質(zhì)的磁性〔一〕物質(zhì)的磁性磁矩〔二〕根本磁參量〔三〕物質(zhì)磁性分類〔四〕磁化曲線磁滯回線〔五〕磁晶各向異性〔六〕磁致伸縮1.2磁化過(guò)程與技術(shù)磁參量1.3磁性資料分類磁性資料磁化過(guò)程中發(fā)生沿磁化方向伸長(zhǎng)(或縮短)，在垂直磁化方向上縮短(或伸長(zhǎng))的景象它是一種可逆的彈性變形。資料磁致伸縮的相對(duì)大小用磁致伸縮系數(shù)λ表示，即：λ=Δl/l式中，Δl和l分別表示磁場(chǎng)方向的絕對(duì)伸長(zhǎng)與原長(zhǎng)。當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度足夠高，磁致伸縮趨于穩(wěn)定時(shí)，磁致伸縮系數(shù)λ稱為飽和磁致伸縮系數(shù)，用λs表示。對(duì)于3d金屬及合金:λs約為10-5—10-6?！参濉炒胖律炜s第一節(jié)鐵磁學(xué)根底1.1物質(zhì)的磁性〔一〕物質(zhì)的磁性磁矩〔二〕根本磁參量〔三〕物質(zhì)磁性分類〔四〕磁化曲線磁滯回線〔五〕磁晶各向異性〔六〕磁致伸縮1.2磁化過(guò)程與技術(shù)磁參量1.3磁性資料分類第一節(jié)鐵磁學(xué)根底1.1物質(zhì)的磁性1.2磁化過(guò)程與技術(shù)磁參量〔一〕磁疇構(gòu)造〔二〕磁疇挪動(dòng)與磁化過(guò)程，反磁化過(guò)程〔三〕鐵磁體中的磁自在能〔四〕磁性資料的技術(shù)磁參量〔五〕磁性資料的穩(wěn)定性1.3磁性資料分類1.2磁化過(guò)程與技術(shù)磁參量抗磁性物質(zhì)的磁構(gòu)造及磁化率隨溫度的變化順磁性物質(zhì)的磁構(gòu)造及磁化率隨溫度的變化反鐵磁性物質(zhì)的磁構(gòu)造及磁化率隨溫度的變化(一)磁疇構(gòu)造實(shí)際和實(shí)驗(yàn)均已證明，在居里溫度以下，在沒(méi)有外磁場(chǎng)的作用下，鐵磁性資料內(nèi)部分成假設(shè)干個(gè)小區(qū)域，在每個(gè)小區(qū)域內(nèi)原子磁矩自發(fā)的磁化飽和，即原子磁矩平行陳列。每一個(gè)磁矩取向一致的自發(fā)磁化區(qū)域就叫做一個(gè)磁疇。實(shí)踐資料中的籌構(gòu)造，遭到資料的尺寸，晶界，應(yīng)力，參雜和缺陷等的影響，因此情況比較復(fù)雜1.通常情況下磁疇尺寸？寬度10-3cm，體積10-9cm3,1014原子2.軟磁性物質(zhì)在通常情況下不顯示磁性？

磁疇構(gòu)造磁疇疇壁〔磁疇壁〕103原子布洛赫疇壁布洛赫(Bloch)磁疇壁疇壁兩側(cè)的原子磁矩的旋轉(zhuǎn)平面與疇壁平面平行奈爾疇壁奈耳〔Neel〕磁疇壁疇壁內(nèi)原子磁矩的旋轉(zhuǎn)平面與兩磁疇的磁矩在同一平面平行于界面〔3〕混合磁疇壁第一節(jié)鐵磁學(xué)根底1.1物質(zhì)的磁性1.2磁化過(guò)程與技術(shù)磁參量〔一〕磁疇構(gòu)造〔二〕磁疇挪動(dòng)與磁化過(guò)程，反磁化過(guò)程〔三〕鐵磁體中的磁自在能〔四〕磁性資料的技術(shù)磁參量〔五〕磁性資料的穩(wěn)定性1.3磁性資料分類磁化過(guò)程：磁性資料在外磁場(chǎng)作用下由宏觀的無(wú)磁形狀轉(zhuǎn)變?yōu)橛写判螤畹倪^(guò)程。磁化是經(jīng)過(guò)磁疇的運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的?！捕炒女犈矂?dòng)與磁化過(guò)程，反磁化過(guò)程各磁疇內(nèi)部的磁矩平行或反平行于外加磁場(chǎng)，不受這一磁場(chǎng)的力矩。而疇壁附近的磁矩方向發(fā)生改動(dòng)，使疇壁產(chǎn)生橫向挪動(dòng)。受外磁場(chǎng)作用時(shí)，疇內(nèi)整齊陳列在易磁化方向上原子磁矩一致地偏離易磁化方向而向外磁場(chǎng)方向轉(zhuǎn)動(dòng)。外場(chǎng)愈強(qiáng)，資料的磁晶各向異性愈弱，那么磁矩就愈偏向外場(chǎng)方向。疇內(nèi)磁化方向轉(zhuǎn)動(dòng)疇壁挪動(dòng)運(yùn)動(dòng)方式在增大磁化場(chǎng)時(shí),疇壁挪動(dòng)和磁疇轉(zhuǎn)動(dòng)表示圖圖(a)表示一塊鐵磁體在磁化場(chǎng)H=0時(shí)的疇構(gòu)造，它表示各個(gè)自發(fā)磁化區(qū)的磁化矢量(用矢號(hào)表示)相互抵消，總體上磁化強(qiáng)度為零；圖(b)、〔c〕和〔d〕表示在外磁場(chǎng)H逐漸增大時(shí)的疇構(gòu)造，在圖的下邊用斜向上方的矢號(hào)表示H的方向和大小；圖(b)示明在較弱外磁場(chǎng)H=H1時(shí)疇壁位移的情況：和外場(chǎng)方向接近的疇長(zhǎng)大，和外場(chǎng)方向相反或方向相差較多的疇減少。圖(c)表示在H=H2時(shí)疇壁位移完了時(shí)的情況，此時(shí)在整個(gè)試樣中不存在疇璧，合并成一個(gè)磁疇，但其磁化方向和外場(chǎng)H不一致。圖(d)表示在更高的外場(chǎng)H3作用下，磁疇的磁化矢量轉(zhuǎn)到與外場(chǎng)的方向一致，此時(shí)到達(dá)飽和磁化?！踩炒呕€磁化過(guò)程四階段：〔1〕OA階段，M隨H呈線性地緩慢增長(zhǎng)，可逆疇壁挪動(dòng)過(guò)程。〔2〕AB階段，M隨H急劇增長(zhǎng)，不可逆疇壁挪動(dòng)過(guò)程〔3〕BC階段，M的增長(zhǎng)趨于緩慢。磁疇的磁化矢量已轉(zhuǎn)到最接近于H方向的晶體易磁化方向，M的增長(zhǎng)主要靠可逆轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)?！?〕CD階段，趨近飽和過(guò)程或稱平行過(guò)程。磁化曲線極平緩地趨近于程度線而到達(dá)飽和形狀。反磁化過(guò)程退磁曲線和磁滯回線在磁滯回線上，由C點(diǎn)的磁化形狀到C’點(diǎn)的磁化形狀，稱為反磁化過(guò)程。與反磁化過(guò)程相對(duì)應(yīng)的BH曲線稱為反磁化曲線。反磁化過(guò)程第一節(jié)鐵磁學(xué)根底1.1物質(zhì)的磁性1.2磁化過(guò)程與技術(shù)磁參量〔一〕磁疇構(gòu)造〔二〕磁疇挪動(dòng)與磁化過(guò)程，反磁化過(guò)程〔三〕鐵磁體中的磁自在能〔四〕磁性資料的技術(shù)磁參量〔五〕磁性資料的穩(wěn)定性1.3磁性資料分類〔三〕鐵磁體中的磁自在能交換能靜磁能退磁場(chǎng)能磁晶各向異性能磁彈性能⑴交換能：交換能屬于近鄰原子間的靜電相互作用能。它比其它各項(xiàng)磁自在能大102-104數(shù)量級(jí)。它使強(qiáng)磁性物質(zhì)相鄰原子磁矩有序陳列，即自發(fā)磁化。其他各項(xiàng)磁自在能不改動(dòng)其自發(fā)磁化的本質(zhì)，而僅改動(dòng)其磁疇構(gòu)造。在3d金屬如Fe，Co，Ni，中，當(dāng)3d電子云重疊時(shí)，相鄰的3d電子存在交換作用。交換能Eex與兩個(gè)電子自旋磁矩的取向有關(guān)，表達(dá)為σ是以普朗克常數(shù)為單位的電子自旋角動(dòng)量。Φ為相鄰原子3d電子自旋磁矩的夾角，A為交換積分常數(shù)。在平衡形狀，相鄰原子3d電子自旋磁矩的夾角遵照能量最小原理。為什么鐵磁性資料中會(huì)出現(xiàn)磁疇呢？⑵靜磁能：強(qiáng)磁性物質(zhì)的磁化強(qiáng)度與外磁場(chǎng)的相互作用能稱為靜磁能M—磁化強(qiáng)度；H—外磁場(chǎng)；θ—M和H的夾角〔3〕磁晶的各向異性能EK從晶體的易磁化方向轉(zhuǎn)到難磁化方向所需做的功叫磁晶各向異性能EK對(duì)于不同的晶體構(gòu)造有不同的表達(dá)式。立方晶體：〔4〕磁彈性能Eσ當(dāng)鐵磁體內(nèi)存在內(nèi)應(yīng)力或有外應(yīng)力作用時(shí)，磁致伸縮與應(yīng)力發(fā)生相互作用，與此相關(guān)的能量稱為磁彈性能?！?〕退磁場(chǎng)能退磁場(chǎng)在開路形狀下，一個(gè)有限大小的樣品被外磁場(chǎng)磁化時(shí)，在它的兩端將產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)。該磁場(chǎng)的方向與磁體的M方向相反，并使磁體產(chǎn)生退磁傾向，叫做退磁場(chǎng)Hd。退磁場(chǎng)能：物質(zhì)的磁化強(qiáng)度和其本身的退磁場(chǎng)的相互作用能稱為退磁場(chǎng)能。N稱為退磁因子，與鐵磁體的外形有關(guān)沿長(zhǎng)軸磁化的細(xì)長(zhǎng)樣品，N≈0，短粗的樣品，N那么很大宏觀磁體內(nèi)磁疇？？交換能磁晶各向異性能退磁場(chǎng)能

第一節(jié)鐵磁學(xué)根底1.1物質(zhì)的磁性1.2磁化過(guò)程與技術(shù)磁參量〔一〕磁疇構(gòu)造〔二〕磁疇挪動(dòng)與磁化過(guò)程，反磁化過(guò)程〔三〕鐵磁體中的磁自在能〔四〕磁性資料的技術(shù)磁參量〔五〕磁性資料的穩(wěn)定性1.3磁性資料分類(四〕磁性資料的技術(shù)磁參量技術(shù)磁參量MS:飽和磁化強(qiáng)度Tc：居里溫度Hc：矯頑力Mr：剩磁主要取決于資料的化學(xué)成分對(duì)資料構(gòu)造〔如晶粒尺寸、晶粒取向、晶體缺陷、摻雜物等〕敏感，可以經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)墓に嚫膭?dòng)外稟磁參量:Hc、Mr，磁導(dǎo)率，磁損耗磁能積等內(nèi)稟磁參量:MS、Tc飽和磁化強(qiáng)度MS有兩個(gè)鐵磁相時(shí)居里溫度Tc:

鐵磁性或亞鐵磁性轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾判缘呐R界溫度粘性磁導(dǎo)率粘性磁導(dǎo)率靜態(tài)磁導(dǎo)率：直流磁場(chǎng)中測(cè)得的磁導(dǎo)率起始磁導(dǎo)率：磁化曲線起始點(diǎn)的斜率〔技術(shù)上規(guī)定〕最大磁導(dǎo)率：B-H曲線上B與H比值的最大值。接近臨界場(chǎng)，與資料內(nèi)摻雜物，內(nèi)應(yīng)力等有關(guān)，是組織敏感參量動(dòng)態(tài)磁導(dǎo)率：在交流磁場(chǎng)中測(cè)得的磁導(dǎo)率

彈性磁導(dǎo)率，與磁性資料存貯的能量成正比。磁導(dǎo)率：B-H曲線上任何一點(diǎn)的B與H的比值都稱為磁導(dǎo)率。決議功能器件的靈敏度剩磁：鐵磁體磁化到技術(shù)飽和并去掉外磁場(chǎng)后，在磁化方向保管的Mr或者Br統(tǒng)稱為剩磁。Mr稱為剩余磁化強(qiáng)度，Br稱為剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度矯頑力：鐵磁體磁化到技術(shù)飽和后，使它的磁化強(qiáng)度或者磁感應(yīng)強(qiáng)度降低到零所需求的反向磁場(chǎng)稱為矯頑力。磁損耗：軟磁資料在磁化和反磁化過(guò)程中所損失的能量。由渦流損耗We，磁滯損耗Wh和剩余損耗Wr三部分組成，通常以每公斤資料損耗的功率表示，即W=We+Wh+Wr 渦流損耗We：在交變磁化條件下，資料垂直于磁場(chǎng)的平面內(nèi)產(chǎn)生的渦流引起發(fā)熱產(chǎn)生的損耗。循環(huán)磁化一周的渦流損耗與資料的電阻率、厚度D、磁感變化幅度Bm關(guān)系如下:磁滯損耗Wh：在循環(huán)磁化條件下，資料每循環(huán)磁化一周所耗費(fèi)的能量，它也以熱的方式表現(xiàn)出來(lái)，其大小與磁滯回線的面積呈正比。剩余損耗Wr：從總損耗中扣除渦流損耗和