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第四章材料磁性能主讲:胡木林年3月《材料物理性能》1/78
5.1磁学现象及磁性 《材料物理性能》——材料磁性能外磁场发生改变时,系统能量也随之改变,这时就表现出系统宏观磁性。在学童时代,我们都接触过磁现象:磁铁吸引铁片,同极相斥、异极相吸,接触过磁铁大头针用细线吊起会自动南北指向,磁铁上铁屑会形成毛刺并组成连线等等。磁性是物质基本属性之一。磁性不只是一个宏观物理量,而且与物质微观结构亲密相关。它不但取决于物质原子结构,还取决于原子间相互作用——键合情况、晶体结构。所以,研究磁性是研究物质内部结构主要方法之一。2/78
磁学基本量 《材料物理性能》——材料磁性能环形电流在其运动中心处产生一个磁矩m(或称磁偶极矩)一个环形电流磁矩定义为:式中:I为环形电流强度,S为环流所包围面积,m方向可用右手定则来确定。将磁矩m放入磁感应强度为B磁场中,它将受到磁场力作用而产生转矩,其所受转矩为:磁矩与外磁场作用能称为静磁能。处于磁场中某方向磁矩所含有静磁能为,3/78
《材料物理性能》——材料磁性能磁场在真空中磁感应强度为B0,其磁场强度H与B0关系是,式中,称为真空磁导率。任何材料在外磁场作用下都会或大或小地显示出磁性,这种现象称为材料被磁化。一个物体在外磁场中被磁化程度,用单位体积内磁矩多少来衡量,称之为磁化强度M,将材料放入磁场强度为H自由空间,材料中磁感应强度为,式中称为束缚电流磁感应强度。4/78
《材料物理性能》——材料磁性能式中称为相对磁导率。绝对磁导率为:式中称为磁化率。5/78
物质磁性分类: 《材料物理性能》——材料磁性能依据物质磁化率,能够把物质磁性大致分为五类:抗磁体磁化率为很小负数,大约在10-6数量级。它们在磁场中受微弱斥力。金属中约有二分之一简单金属是抗磁体。依据与温度关系,抗磁体又可分为:①“经典”抗磁体,它不随温度改变,如铜、银、金、汞、锌等。?反常抗磁体,它随温度改变,且其大小是前者10一100倍,如铋、镓、锑、锡、铟、铜一锆合金中相等。6/78
《材料物理性能》——材料磁性能顺磁体磁化率为正值,大约在10-3~10-6数量级。依据与温度关系可分为:正常顺磁体,其随温度改变符合l/T关系,如,金属铂、钯、奥氏体不锈钢、稀土金属等。与温度无关顺磁体,比如锂、钠、钾、铷等金属。7/78
《材料物理性能》——材料磁性能在较弱磁场作用下,就能产生很大磁化强度。铁磁体是很大正数,且与外磁场呈非线性关系改变。详细金属有铁、钴、镍等。铁磁体在温度高于某临界温度后变成顺磁体。此临界温度称为居里温度或居里点,惯用Tc表示。铁磁体是我们要重点介绍磁性物质。8/78
《材料物理性能》——材料磁性能这类磁体有些像铁磁体,但值没有铁磁体那样大通常所说磁铁矿、铁氧体等属于亚铁磁体。亚铁磁体这类磁体是小正数,在温度低于某温度时,它磁化率同磁场取向相关;高于这个温度,其行为像顺磁体。反铁磁体详细材料有?一Mn、铬,还有如氧化镍、氧化锰等。9/78
《材料物理性能》——材料磁性能五类磁体磁化曲线示意图10/78
原子本征磁矩、抗磁性和顺磁性 《材料物理性能》——材料磁性能材料磁性起源于原子磁矩。原子磁矩包含:电子轨道磁矩、电子自旋磁矩和原子核磁矩。电子轨道磁矩电子绕原子核运动,如同一环形电流,此环流也应在其运动中心处产生磁矩,称为电子轨道磁矩。设电子运动轨道半径为,电子轨道运动速度为,电子电量为,质量为。运动轨道周期为:沿着圆形轨道电流为:运动轨道周期为:11/78
《材料物理性能》——材料磁性能所以,电子轨道磁矩为:所以,电子轨道磁矩是量子化。电子轨道磁矩在外磁场方向上分量,满足量子化条件:为玻尔磁子。12/78
《材料物理性能》——材料磁性能试验和理论证实原子核磁矩很小,只有电子磁矩几千分之一,通常不考虑它对原子磁矩贡献。电子除了做轨道运动还有自旋,所以含有自旋磁矩。试验测定电子自旋磁矩在外磁场方向上分量恰为一个玻尔磁子:原子中电子轨道磁矩和电子自旋磁矩组成了原子固有磁矩,也称本征磁矩。假如原子中全部电子壳层都是填满,因为形成一个球形对称集体,则电子轨道磁矩和自旋磁矩各自相抵消,此时原子本征磁矩为,电子自旋磁矩13/78
《材料物理性能》——材料磁性
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