第六章 材料的磁学性能1PPT课件

有交换相互作用
1、磁性的起源
磁畴：每个区域内部包含大量原子，这些原子的 磁矩都像一个个小磁铁那样整齐排列，但相邻的 不同区域之间原子磁矩排列的方向不同
单晶磁畴结构示意图
多晶磁畴结构示意图
1、磁性的起源
磁光效应：线偏振光透过放置磁场中的物 质，沿着磁场方向传播时，光的偏振面发 生旋转的现象。 对磁畴进行可视化
4、磁性材料的应用
由于软磁材料磁滞损耗小，适合用在交变磁场中，如 变压器铁芯、继电器、电动机转子、定子都是用软磁 材料制成。 常见的软磁材料有：铁、坡莫合金、硅钢片、铁铝合 金、铁镍合金等。
变压器
磁性传感器
4、磁性材料的应用
硬磁材料 I、具有较大的矫顽力， 典型值Hc＝104～106A/m； II、剩磁很大； III、充磁后不易退磁。 IV、高的稳定性 对外加干扰磁场和温度、 震动等环境因素变化的高 稳定性。
• 1991年，英国航空公司一架波音767，从曼谷起飞后不久 失事，造成233人遇难：经查实是笔记本电脑导致了机上 一台计算机失控；
• 1996年巴西空难、1998年台湾空难：乘客违规使用了手 机；
• 2000年1月，某航班从湛江起飞后航线偏离了10海里：发 现有乘客在起飞过程中使用手机；
• 2000年2月，某航班在郑州机场降落时，导航信号不正常： 发现有乘客在降落过程中使用手机，干扰了导航系统，使 飞机无法降落。
晶粒度与矫顽力
进一步减小， 各单畴晶粒发 生转动的可能 性将越来越大 （更容易转 动）。所以矫 顽力反而减小。
晶粒度与矫顽力
4、磁性材料的应用
磁滞回线围成的面积，可以简单理解为外磁场对磁性材料做的功 对于交流环境，温度累计会使得材料的温度急剧上升。

原子的磁矩来源于电子的运动和原子核的自旋。
原子的磁矩
电子轨道磁矩 电子自旋磁矩 原子核自旋磁矩
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1. 磁 矩
与电荷类似，将磁荷定义成磁的基本单位。两磁极若分别有q1和q2磁荷的磁极强度，则其
作用力
F
k
q1q2 r2
其中r为磁极间距，k为比例常数。 磁极q在外磁场中要受到力的作用，且有该力
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3. 电子自旋磁 矩 电 子 自 旋 角 动 量 L s 和 自 旋 磁 矩 m s 取 决 于 自 旋 量 子 数 s ， s = 1 / 2 ，
Ls
s(s 1) 3 2
ms 2 s(s 1)B 3B
他们在外磁场z方向的分量取决于自旋磁量子数mss=1/2，即
Lsz
F=qH 其中H为外磁场的强度。
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实际上磁极总是以正负对的形式存在，目前 尚未发现单独存在的磁极。 （此句要修正——《Science, 2009,9,3》）
将相互接近的一对磁极＋q和－q称为磁偶极子 真空中，单位外磁场作用在相距d的磁偶极子上的最大的力矩
Pm＝qd 称为该磁偶极子的磁偶极矩（磁动量）。 磁偶极矩与真空磁导率0的比值称为磁矩，用m表示，即
磁介质在磁场中发生磁化而影响磁场，所以磁介质中的磁感应强度B等于真空中的磁 感应强度B0和由于磁介质磁化而产生的附加磁感应强度B之和，即
B=B0+B
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——磁感应强度B描述的是传导电流的磁场和 磁介质中磁化电流的磁场的综合场的特性。
电介质中的电场强度E为真空中的电场强度E0和由于电极化而产生的附加电场强度E之 和
B=H 其中称为材料的磁导率或绝对磁导率。

二、材料的磁学性能内容：材料磁性的本质、抗磁性、顺磁性及铁磁性）：（一）基本磁学性能材料所在空间的磁场强度是外加磁场强度H和材料磁化强度M之和：H总= H + M = H (1+χ)。

磁化率：χ，表示材料在磁场中磁化的难易程度。

Μ=χΗ。

根据磁化率的符号和大小，可将材料的磁性分为铁磁性、亚铁磁性、反铁磁性、顺磁性和抗磁性。

磁感应强度Β：通过磁场中某点，垂直于磁场方向单位面积的磁力线数。

Β = μΗ，μ：磁导率。

Β = μ0Η总=μ0 (1+χ) H。

μ0 (1+χ) =μ。

相对磁导率: μr= μ/μ0 = 1 + χ（一）基本磁学性能磁偶极子：强度相等、极性相反且其距离无限接近的一对“磁荷”。

p m = ml 。

磁极化强度：单位体积内磁偶极矩矢量和。

J=∑p m /∆V, J = μ0M对磁偶极子外加一夹角为θ的恒磁场，磁偶极子受到的作用力矩为Τ = pm ×H 。

当θ为0时，力矩为0，磁偶极子处于稳定状态。

在磁场作用下，磁偶极子将转向与磁场平行的方向，该过程中磁场对磁矩所做的功为：E = ∫Td θ= p m H cos θ。

静磁能：原子磁矩与外加磁场的相互作用能。

（二）抗磁性与顺磁性材料分类：抗磁性、顺磁性与铁磁性抗磁性：材料受外磁场H 作用后，感生出和H 相反的磁化强度，使磁场减弱。

磁化率χ＜0，抗磁性的磁化率约10-4–10-6，且和温度、磁场无关。

材料的抗磁性来源于将材料放入外磁场中时，外磁场对电子轨道运动产生洛仑兹力，附加磁矩方向与外磁场方向相反。

抗磁矩为外磁场对电子轨道运动的作用结果，任何材料在磁场作用下都产生抗磁性。

抗磁磁化率绝对值很小，只有在材料的原子、离子或分子固有磁矩为0时，才能观察出抗磁性。

Cu, Au, Ag 及大多数有机材料在室温下是抗磁性材料，超导态的超导体也是抗磁性材料。

形成抗磁矩的示意图（二）抗磁性与顺磁性 顺磁性：材料在外磁场中感生出和H 相同方向的磁化强度，使磁场略有增强。

Performance and requirements
Fast access Non-volatility Unlimited R/W cycles
Low power Wide temperature range Low cost
Emerging memory
FeRAM Organic Memory Nano-Crystal Floating-Gate Flash Memory Phase Change Memory NRAM
4π.10-7 which corresponds to the fundamental
physical constant μ0.
P
magnetic flux density :
M
m
V
(A/m, Gs)
B = μ0 (H + M ). M = χ mH B = μH= μ0 (1+χm)H ,
μ r= μ/ μ0
10-4
10-5
10-6
Magnetic Bubble Memories
10-7
10-8
Semiconductor RAMs
10-9
10-10
Semiconductor ROMs
Main memory Cache
Cost per bit
10-9 10-8
10-7
10-6
10-5
10-4
10-3 10-2
write read
ROM
Mask ROM
EPROM
PROM EEPROM (Flash)
Flash
MOSFET + Floating Gate
Dielectric Tunnel oxide

磁学性能第一讲
天然磁体(磁铁矿）：
人 造 磁 体
磁铁的磁性两端最强， 中间最弱。
磁极：磁体上磁性最强的部分。它 的位置在磁铁的两端。
将一个磁铁分割为数段，每一段 磁体上仍然有N极和S极
指南针对人类文明发展起了 很大的作用，世界上最早的指南 针是我国战国时期制造的“司 南”。我国不但是世界上最早发 明指南针的国家，而且是最早把 指南针用在航海事业上的国家。 据记载，南宋的时候，航海的人 已经用“罗盘”来指示航向了。
2）原子磁矩 轨道磁矩：电子循规运动（绕核子在s、p、d、f等轨道运动）产生的磁
矩。 大小： I与闭合环面积S的乘积。 方向:垂直于电子运动的轨迹平面，符合右手定则。 自旋磁矩：电子自旋运动产生的磁矩，方向平行于自旋轴。 电子磁矩：轨道磁矩和自旋磁矩的矢量和。本征磁矩 原子核自旋产生的磁矩很小（重，速度很低），约为电子磁矩的1/2000，
❖ 圆电流产生的磁矩
Mm 0iS
i：电流强度(A) S：圆电流回线包围的面积(m2) Mm方向：右手定则
❖ 一根长为l (m)，极强为m (wb)的棒 状磁铁产生的磁矩。
Mm ml
方向：由S→N极
µ0Am2与wbm为同一量纲。
静磁能
磁矩与外加磁场的作用能称为静磁能，处于 磁场中某方向的磁矩所具有的静磁能
铁磁体的形状各向异性及退磁能
铁磁体在磁场中的能量为静磁能，包括
❖ 铁磁体与外磁场的相互作用能； ❖ 铁磁体在自身退磁场中的能量，称为退
磁能。
铁磁体的形状不同，其 退磁能不同，导致磁化 形为不同，称为形状各 向异性。
退磁场
当铁磁体表面出现磁极后， 除在铁磁周围空间产生磁场外， 在铁磁体内部也产生磁场，这一 磁场与铁磁体的磁化方向相反， 起到退磁作用，称为退磁场。

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5、亚铁磁体 • μr>>1,χ>0。 • 它是反铁磁体的一个变种，其内部的原子磁 矩之间存在着反铁磁相互作用，只是两种相 反平行排列的磁矩大小不同，导致了一定的 自发磁化。所以在外加磁场中的表现与铁磁 体相似。 • 亚铁磁体多为金属氧化物。Χ比铁磁体小。 • 例如：铁氧体（磁铁矿，Fe3O4）、V、Cr、 Mn、Fe、Co等与O、S、Te、P、As、Sb 等的化合物，钕铁硼磁体，稀土与金属间的
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三、正离子的顺磁性 • 正原子的顺磁性来源于原子的固有磁矩。 • 原子的固有磁矩就是电子轨道磁矩和电子自旋磁矩的 矢量和，又称本征磁矩，Pm。 • 如果原子中所有电子壳层都是填满的，由于形成一个 球形对称的集体，则电子轨道磁矩和自旋磁矩各自相 抵消，Pm=0，不产生顺磁性。 • 因此，产生顺磁性的条件就是： Pm≠0。在如下情况下， Pm≠0： 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。如过渡族金属（d壳层 没有填满电子）和稀土金属（f壳层未填满电子）。
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• 在B0=0时，由于原子的热运动，各原子的磁矩倾 向于混乱分布，此时原子的动能Ek∝kT。对外表 现出宏观磁特性H’=0。 • 当加上外加磁场时，外磁场要使原子磁矩Pm与 B0的夹角θ 减小。使原子磁矩转向外加磁场方向。 • 当外磁场逐渐增加到使能量U=-PmB0cosθ 的减 少能补偿热运动能量时，原子磁矩就一致排列了。 此时有kT=PmB0。
2
rj
22
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则可得：
2
抗
Ne 0
2
6m

j1
z
rj

ll3 2100 1 21 22 22 23 23 21 3
3 1 1 112 12 2323 3 1 3 1
磁化强度方向( 1,2,3 ) , 观测方向(1,2,3)
K1 , K2
易磁化方向 各向异性能 各向异性场HA
立方晶系各向异性
K1 0
K1
1 9
K2
<100>
0
2K 1 IS
0
K1
4 9
K2
<110>
1 42K1/Is
( 110 ):
K1
1 2
K2
/
I
s
4 K1 9K2,K1 0 K1 94K2,K1 0
<111>
1
1
3 K1 27 K2
烧伤病人的治疗通常是取烧伤病人的 健康皮 肤进行 自体移 植，但 对于大 面积烧 伤病人 来讲， 健康皮 肤很有 限，请 同学们 想一想 如何来 治疗该 病人
2、抗磁介质磁化机制
抗磁性起源于分子附加磁矩的感应磁化
抗磁质分子的固有磁矩为零。 但在外磁场作用下，每一分子沿 外磁场的反方向感应出附加磁矩， 使磁介质被磁化，在磁介质表面 产生磁化电流。由于附加磁矩的 方向始终与外磁场方向相反，所 以抗磁质表面的磁化电流方向与 顺磁质磁化电流方向相反，产生 的附加磁场方向与外磁场方向相 反，所以抗磁质内的总磁感强度 为：
➢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，就呈现铁磁性， 如图所示。 ➢当原子间距a与未被填满的电子 壳层直径D之比大于3时，交换能 为正值；小于3时，交换能为负值， 为反铁磁性。
交换能与铁磁性的关系
a/D ＞3时 交换能为正值；

V, Hysteresis loop
Memory devices
Ouห้องสมุดไป่ตู้line
Background Semiconductor
Conventional memory technologies Emerging memory technologies
1 Magnetic Memory
Magnetic Memory materials: -Fe2O3 , CrO2, Fe-Co et
al
Read/write heads
Mechanism:
Main applications Diskette
Tape
Magnetic drum
2 Optical Memory Optical storage materials: PC、PMMA、Epoxy et al. Mechanism:
τ = B × i × A × sinθ τ = B × m × sinθ
III, Diamagnetic and paramagnetic materials
Diamagnetic materials are those whose atoms have only paired electrons.
Advantage：low price, high storage density; disadvantage low access, large box
Applications:
CD
DVD
DVD-RW
3 Semiconductor memory Based on semiconductor devices； Advantage: fast access, high data storage, low power；

磁畴壁示意图
居里温度：对于所有的磁性材料来说，并不是在任何温
度下都具有磁性。一般地，磁性材料具有一个临界温度 Tc，在这个温度以上，由于高温下原子的剧烈热运动， 原子磁矩的排列是混乱无序的。在此温度以下，原子磁 矩排列整齐，产生自发磁化，物体变成铁磁性的。
应用举例：〔电饭煲的控制〕
磁学根本概念：
材料的磁性能与磁性功能 材料幻灯片PPT
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磁学初步认识：
• 磁学现象的两个根本命题：
3、铁磁体，χ为很大的正数，在较弱磁场作用下可 以产生很大的磁化强度，如铁、钴、镍。
4、亚铁磁体，χ处于铁磁体与顺磁体之间，即通常 所说的磁铁矿、铁氧体等。
5、反铁磁体， χ为小正数，高于某一温度时其行为 与顺磁体相似，低于某一温度磁化率与磁场的取向有 关。
铁磁性材料 M
亚铁磁性材料
顺铁性材料 反铁磁性材料 H
• 1 磁及磁现象的根源是电流，或者说是电 荷 的运动。
• 2 所有的物质都是磁性体
电流(或运动电荷)
磁场 电流(或运动电荷)
安培分子电流学说： 组成磁铁的每个分子都具有一个小的分 子电流，经过磁化的磁铁其小分子电流 都定向规那么排列。
现代科学认为物质的磁性来源于组成物质中 原子的磁性： 1 原子中外层电子的轨道磁矩 2 电子的自旋磁矩 3 原子核的核磁矩
抗铁磁性材料
五种磁体的磁化曲线示意图
磁饱和性
磁性物质因磁化产生的磁场是不会无限制增加的，当 外磁场(或鼓励磁场的电流)增大到一定程度时，全部 磁畴都会转向与外场方向一致。这时的磁感应强度将 到达饱和值。

3. 物质的顺磁性
来源：原子（离子）的固有磁矩。 无外H时：由于热运动的影响，固有磁矩取向无序，宏观上无磁性。 外H作用下：固有磁矩与H作用，有较高的静磁能，为降低静磁能，固 有磁矩改变与H的夹角，趋于排向外H方向，表现为正向磁化。在常温和 H不是很高的情况下，M与H成正比，磁化要克服热运动的干扰，磁矩难 以有序排列，故顺磁化进行十分困难，磁化率较小。 常温下顺磁体达到饱和磁化所需的H非常大，技术上难以达到，但温度 降至接近0K时，就容易了。 根据顺磁磁化率与温度的关系，可把顺磁体分为三类： 正常顺磁体：磁化率随温度升高而降低的顺磁体。 符合居里定律： 或居里－外斯定律：
根据磁化率符号和大小，可把磁介质分为五类。
亚铁磁性材料
顺磁性材料 反铁磁性材料
0
抗磁性材料
H
2. 磁化率与物质磁性的分类
1）抗磁体 χ为甚小负常数，约在10-6数量级，即M与H方向相反，在磁场中使磁场稍减弱， 受微弱斥力，约有一半的简单金属是抗磁体。分为： (1)“经典”抗磁体，χ 不随T变化，如铜、银、金、汞、锌等。 (2)反常抗磁体，χ 随T变化，为前者10～100倍，如铋、镓、锑、锡等。 2）顺磁体 χ为正常数，约为10－3～10－6数量级，即M与H方向相同，在磁场中使磁场稍增 强，受微弱引力，分为： （l）正常顺磁体，χ 随T变化，且符合与T反比关系，如铂、钯、奥氏体不锈钢、 稀土金属等。 （2）χ 与T无关的顺磁体，如锂、钠、钾、铷等。 3）反铁磁体 χ是甚小的正常数，当T高于某个温度时（尼尔温度TN），转换为顺磁体，T－ χ曲线？如α－Mn、铬、氧化镍、氧化锰等。 4）铁磁体 χ为很大的正变数，约在10～106数量级，且不大的H就能产生很大的M，在磁场 中被强烈磁化，受强大的吸力，如铁、钴、镍等。其M－H 、 χ－H曲线？ 5）亚铁磁体 类似铁磁体，但χ值没有铁磁体大，如磁铁矿（Fe3O4）等。