第三章 材料的磁学性能

一， 一，      基本概念 1. 1.      磁畴：在未加磁场时铁磁金属内部已经磁化到饱和状态的小区域。 2. 2.      磁导率：磁导率是磁性材料最重要的物理量之一，表示磁性材料传导和通过磁力线的能力，用μ表示，其中μ＝Ｂ／Ｈ．单位为亨利／米（Ｈ·m-1）． 3. 3.      自发磁化：在未加磁场时铁磁金属内部的自旋磁矩已经自发地排向了同一方向的现象． 4. 4.      磁滞损失： 磁滞回线所包围的面积相当于磁化一周所产生的能量损耗。 5. 5.       磁晶各向异性： 6. 6.       退磁场：非闭合回路磁体磁化后，磁体内部产生一个与磁化方向相反的磁场。 第三章 材料的磁学性能 随着近代科学技术的发展，金属和合金磁性材料，由于它的电阻率低、损耗大，已不能满足应用的需要，尤其是高频范围。 磁性无机材料除了有高电阻、低损耗的优点以外，还具有各种不同的磁学性能，因此它们在无线电电子学、自动控制、电子计算机、信息存储、激光调制等方面，都有广泛的应用。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（ferrite）。它的电阻率为10～106Ω·m，属于半导体范畴。目前，铁氧体已发展成为一门独立的学科。 本章介绍磁性材料的一般磁性能，着重讨论铁氧体材料的性能与应用。 7.1磁矩和磁化强度 7.1.1磁矩 （1）定义 在磁场的作用下，物质中形成了成对的N、S磁极，称这种现象为磁化。与讨论电场时的电荷相对应，引入磁量的概念，并把磁量叫做磁极强度或磁荷。将一对等量异号的磁极相距很小的距离，把这样的体系叫做磁偶极子。 在外磁场的影响下，磁偶极子沿磁场方向排列。为达到与磁场平行，该磁矩在力矩 T=LqmHsin                                      (7.1) 的作用下，发生旋转。式中的系数Lqm定义为磁矩M(Wb·m)。 磁矩这一物理量是磁相互作用的基本条件，是物质中所有磁现象的根源。磁矩的概念可用于说明原子、分子等微观世界产生磁性的原因。 （2）原子磁矩 物质是原子核和电子的集合体，要理解物质的磁性起源，就要考虑原子具有的磁矩。现在我们可以从以下三方面来分析原子中的磁矩。 ① 电子轨道运动产生的磁矩 ② 电子自旋产生的磁矩 ③ 原子核的磁矩 7.1.2磁化强度 磁化强度的物理意义是单位体积中的磁矩总和。设体积元△V内磁矩的矢量和为∑M，则磁化强度M为 (7.2)    式中Mi的单位为Wb·m，V的单位为m3，因而磁化强度M的单位为Wb·m2，即与磁场强度H的单位一致。 电场中的电介质由于电极化而影响电场，同样，磁场中的磁介质由于磁化也能影响磁场，即磁性体对于外部磁场H的反映强度。 磁场强度H、磁化强度M有关系式 B≡0H+M=H                             (7.3) 式中为介质的磁导率，只与介质有关。该式采用MKS单位制表示。因此磁化强度M表征物质被磁化的程度。对于一般磁介质，无外加磁场时，其内部各个磁矩的取向不一，宏观无磁性。但在外磁场作用下，各磁矩有规则的取向，使磁介质宏观显示磁性，这就叫磁化。 定义为介质的相对磁导率，则 M=（r－1）H                      (7.4) 定义为介质的相对磁化率或=0r为介质的磁化率，则可得磁化强度与磁场强度的关系 (7.5) 式中比例系数r仅与磁介质性质有关，它反映材料的磁化能力。 为了便于直观地理解磁性相关的基本物理量，可以将其与电学量的基本物理量进行对比，见表7-1。 表7-1  磁学和电学基本物理量的比较 磁学基本物理量 电学基本物理量 名称 单位 名称 单位 磁极强度q 韦伯Wb 电荷量q 库仑C 磁矩m Wb·m 电偶极矩p C·m 磁化强度M Wb/m2（特斯拉T） 极化强度P C/m2 磁通量 Wb 电流强度I A 磁通密度B Wb/m2 电流密度J A/m2 磁场强度H A/m 电场强度E V/m 磁导率 H/m(亨利/米) 电导率 1/·m 磁阻 1/H 电阻 · 磁势Vm A·turns 电动势V V         7.2物质的磁性 物质的磁性由于原子磁矩不同的表现，使原子磁矩与磁场的作用、磁化强度与磁场强度的关系曲线、磁化率与温度的关系等具有不同的特点，下面讨论各种不同类型的磁性。 7.2.1顺磁性 由于电子自旋没有互相抵消，不论外加磁场是否存在，原子内部存在永久磁矩。在没有外磁场的作用时，由于物质中的原子做无规则的热振动，各个磁矩的指向是无序分布的，没有形成宏观磁化现象。但是在外加磁场的作用下，这些磁矩沿磁场方向排列，物质显示极弱的磁性，这种现象叫顺磁性。磁化强度M与外磁场方向一致，M为正，而且M严格地与外磁场H成正比。 顺磁性物质的磁性除了与H有关外，还依赖于温度。其磁化率与绝对温度T成反比。 (7.6) 式中T为绝对温度(K)；C称为居里常数，取决于顺磁物质的磁化强度和磁矩大小。顺磁性物质的磁化率一般很小，室温下约为10-5。 7.2.2铁磁性 具有铁磁性物质的磁化率为正值，而且很大。如Fe，Co，Ni，室温下磁化率可达103数量级，属于强磁性物质。一般磁介质的B-H为线性关，即B＝H，不变，而对于铁磁体，B-H为非线性，随外磁场变化。 铁磁体的铁磁性只在某一温度以下才表现出来，超过这一温度，由于物质内部热骚动破坏电子自旋磁矩的平行取向，因而总磁矩为零，铁磁性消失。这一温度称为居里点TC。在居里点以上，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， （7.7） 式中C为居里常数。 铁磁性物质和顺磁性物质的主要差异在于：即使在较弱的磁场内，前者也可得到极高的磁化强度，而且当外磁场移去后，仍可保留极强的磁性。 7.2.3反铁磁性 反铁磁性体的原子磁矩在同一子晶格中，无外磁场的作用时，磁矩是同向排列的，具有一定的磁矩；在不同的子晶格中磁矩是反向排列。两个子晶格中自发磁化强度大小相同，方向相反，整个晶体M＝0。反铁磁性物质大都是非金属化合物，如FeO，NiF2及各种锰盐。 不论在什么温度下，都不能观察到反铁磁性物质的任何自发磁化现象，因此其宏观特性是顺磁性的，M与H处于同一方向，磁化率r为正值。 7.2.4抗磁性 当磁化强度M为负时，固体表现为抗磁性。抗磁性物质的磁化强度是磁场强度的线性函数。Bi，Cu，Ag，Au等金属具有这种性质。在外磁场中，这类磁化了的介质内部，B小于真空中的B0。构成抗磁性材料的原子（离子）的磁矩为零，即不存在永久磁矩，而前面所讨论的铁磁性、反铁磁性、顺磁性等都是源于原子磁矩而产生的磁性。当抗磁性物质放入外磁场中，外磁场使电子轨道改变，围绕原子核作回旋轨道运动的电子按照楞次定律会产生感生电流，此感生电流产生与外加磁场方向相反的磁场，这便是反磁性产生的根源。所以抗磁性来源于原子中电子轨道状态的变化。抗磁性物质的抗磁性一般很微弱，磁化率一般约为-10-5，其绝对值很小。符合抗磁性条件的就是那些填满了电子壳层的原子和离子，因此周期表中前18个元素主要表现为抗磁性。这些元素构成了无机材料中，几乎所有阴离子，如O2-，F-，Cl-，S2-，SO42-，CO32-，N3-，OH-等。在这些阴离子中，电子填满壳层，自旋磁矩平衡。 7.3磁畴的形成和磁滞回线 7.3.1磁畴的形成 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自发磁化的小区域，即磁畴。对于处于退磁化状态的铁磁体，它们在宏观上并不显示磁性，这说明物质内部各部分的自发磁化强度的取向式杂乱的。因而物质的磁畴不会是单畴，而是由许多小磁畴组成的。磁畴形成的原因有“交换”作用和超交换作用。 7.3.1.1“交换”作用 磁偶极子类似于一个小永久磁体，因此在其周围形成磁场，这一磁场必然会对其它磁矩产生作用，使磁矩在特定方向取向，由于磁矩的相互作用，使其取向趋于一致。实际上这是由于电子的静电相互作用造成的，也即“交换”作用。 这一现象也可从电子的“共有化”运动得到解释。 7.3.1.2超交换作用 在某些材料中过渡金属离子不是直接接触，直接接触交换作用很小，只有通过中间负离子氧起作用。 在尖晶石结构中实际上存在A-A，B-B，A-B三种可能位置.因而存在三种交换作用。由于各种原因，这些化合物中只有其中的一种超交换作用占优势。 7.3.1.3磁畴的形成 由于铁磁体具有很强的内部交换作用，铁磁物质的交换能为正值，而且较大，使得相邻原子的磁矩平行取向，发生自发磁化，在物质内部形成许多小区域，即磁畴。这种自生的磁化强度叫自发磁化强度MS。因此自发磁化是铁磁物质的基本特征，也是铁磁物质和顺磁物质的区别所在。 大量实验证明，为了保持自发磁化的稳定性，必须使强磁体的能量达最低值，因而就分裂成无数微小的磁畴，形成磁畴结构。每个磁畴的体积大约为10-9cm3，约有1015个原子。 铁磁性的自发磁化和铁电性的自发极化有相似的规律，但应该强调的是它们的本质差别；铁电性是由离子位移引起的，而铁磁性则是由原子取向引起的；铁电性在非对称的晶体中发生，而铁磁性发生在次价电子的非平衡自旋中；铁电体的居里点是由于熵的增加（晶体相变），而铁磁体的居里点是原子的无规则振动破坏了原子间的“交换”作用，从而使自发磁化消失引起的。 7.3.2磁滞回线 铁磁体在未经磁化或退磁状态时，其内部磁畴的磁化强度方向随机取向，彼此相互抵消，总体磁化强度为零。如果将其放入外磁场H中，其磁化强度M随外磁场H的变化是非线性的。 下面简单的介绍磁畴壁运动模型。在消磁状态下，畴壁受内应力等障碍物的钉扎作用，畴壁难以运动。在外磁场的作用下，由于各磁畴的磁矩发生转向而引起磁畴壁的移动，在磁畴壁的移动过程中，如果磁场较弱，不足以克服内应力等障碍物的钉扎作用，畴壁难以运动，当外磁场取消后，铁磁体即可回到消磁状态，即处于可逆的畴壁移动区域。随着外加磁场强度的增大，钉扎作用不足以抵消外磁场的作用，畴壁试图克服钉扎作用而移动，此时，争脱开障碍物钉扎作用的畴壁，发生雪崩式的移动。畴壁移动是突然和不连续的，从而磁化也是不连续的。用电气放大作用进行探测，会有不规则的噪声出现。称此为Barkhausen效应或噪声。在此之后，进入到可逆的磁畴旋转区。进而达到饱和磁化状态。