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磁性物理与性能

2022/07/04 10:06
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【摘要】:
物质的磁性是指能激发磁场、并在外磁场中受到作用力的性质,是物质的一种固有属性,几乎所有物质或多或少都具有磁性。磁性是很重要的一种物理性能,在现代科学技术中应用得非常广泛。磁化率、磁导率以及矫顽力等参量对组织、结构很敏感,而饱和磁化强度和居里点等则只与合金相的数量和成分有关。因此,可根据磁化率和矫顽力的变化分析组织的变化规律,而根据饱和磁化强度和居里点对合金进行相分析,研究组织转变的动力学。

摘要∶物质的磁性是指能激发磁场、并在外磁场中受到作用力的性质,是物质的一种固有属性,几乎所有物质或多或少都具有磁性。磁性是很重要的一种物理性能,在现代科学技术中应用得非常广泛。磁化率磁导率以及矫顽力等参量对组织、结构很敏感,而饱和磁化强度和居里点等则只与合金相的数量和成分有关。因此,可根据磁化率和矫顽力的变化分析组织的变化规律,而根据饱和磁化强度和居里点对合金进行相分析,研究组织转变的动力学。
关键字∶磁性、磁场、物理、性能。
一、磁性物理(magnetic physics)
1、磁性物理的起源
      19世纪法国物理学家 A.-M.安培首先利用分子电流的假设解释了物质磁性的起因。安培认为物质分子中存在分子电流,并把物质的磁性归因于分子电流的磁效应。无磁性的分子具有对称的分子电流分布,不显示磁性。在外磁场作用下分子电流的分布失夫对称性,宏观上表现出磁性。安培的分子电流观点最初只是一种假设,但近代原子物理的发展表明,物质的磁性来源于分子内部的电流这一观点是正确的。

      按近代理论,原子或分子内部的每个电子绕原子核作轨道运动,等效于一个电流环,具有一定的磁矩;电子和原子核的自旋运动也相当于一个电流环,也具有一定的磁矩。这些磁矩能激发磁场。在外磁场中也要受到磁力矩的作用。无外磁场时各磁矩的取向由于热运动而作无规分布,其磁效应互相抵消,宏观上不显示磁性;有外磁场作用时,各磁矩趋向于一致的排列,单位宏观体积中的总磁矩不等干零, 宏观上显示磁性,此现象称为物质的磁化。
2、磁性物理的发展
      根据物质磁性的强弱或被磁化的程度大小可分为弱磁物质和强磁物质两大类。弱磁物质又可分为抗磁体和顺磁体两种。强磁物质主要是由铁族元素及它们的合金组成的铁磁体。铁磁体由于其很强的磁性和独特的磁化性质而得到广泛应用。铁磁学已成为磁性物理学中的一个重要分支。铁磁学除研究典型的铁磁性外,还要研究反铁磁性和亚铁磁性等性质。铁氧体是属半导体性质的非金属磁性材料,其很高的电阻率使涡流损失很小,广泛应用于微波领域,是继金属磁性材料后的新一代磁性材料。
3、磁性的特殊效应
      许多磁性材料具有特殊的效应,如磁光效应、磁力效应(包括磁致伸缩、力致伸缩、磁声效应等)、磁热效应和磁共振现象等,这些特殊效应都有重要应用。磁性物理学不仅要建立物质磁性的普遍理论,而且还要研究各种磁性材料的特性、微观机理、制备和应用等。

二、铁磁性及影响因素

       铁磁性金属的磁化矢量与外加磁场的方向一致,但它与顺磁金属的磁化特征有显著的不同,其主要特征∶1)磁化曲线比较复杂;2)不可逆磁化存在。

1、磁化曲线磁滞回线

铁磁材料的磁滞回线


      从图中可以看到, 将试样磁化到饱和状态后,逐渐减小磁场强度,则 B 也将随之减小。当H=0时,磁感应强度B并不等于零,而是保留着一定大小的B值,如图7-11中的 oc 线段,这就是铁磁金属的剩磁现象。去掉外加磁场后的磁感应强度称为剩余磁感应强度,用Br 表示。要使B 值继续减小,则必须加一个反向磁场,当H等于一定值Hc 时,如图中地 od线段,B值才等于零。Hc 为去掉剩磁的临界磁场,它表示铁磁金属保持剩余磁化的能力,称为矫顽力。        磁感应强度的变化落后于磁场强度的变化,这种现象称为磁滞效应。由于磁滞效应的存在,磁化一周得到一个闭合回线,称为最大磁滞回线。回线所包围的面积相当于磁化一周所产生的能量损耗,称为磁滞损失。

      铁磁金属的磁化特点;磁化率不是定值,而目变化很大;存在着磁滞现象∶很容易磁化并达到饱和状态。铁磁金属的磁化之所以有上述表现,现已清楚,是由于在它们内部存在看磁畴。(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。)磁畴的存在说明,在未加外磁场时, 铁磁金属内部的自旋磁矩已经自发地排向了同一方向,这种现象称为自发磁化。解释自发磁化要用自发磁化理论,它主要讨论磁有序的起因和条件与磁畴形成的原因和磁畴结构。

      金属内部的自发磁化是由于电子间的静申相互作用产生的。当两个原子相互接近时,它们的3d 层和 4s 层的电子可以相互交换位置,亦即发生交换作用,由此而产生的静电作用力称为交换力。由于交换力的作用迫使相邻原子的自旋磁矩产生有序排列,因交换作用所产生的附加能量称为交换能,用 Eex 表示 Eexe -Acos 中式中A为交换能积分常数;φ为两相邻原子的两个电子自旋磁矩间的夹角。

     由上式可以看到,交换能的正负取决于A和φ。A为正值时,φ等于零,Eex为最小,自旋磁矩自发排向同一方向,即产生自发磁化。若 A 为负值,φ等于180°,Eex为最小,自旋磁矩应呈反向平行排列,Eex 为最小。这种排列产生所谓反铁磁性。

      电子相互交换作用所产生的交换力迫使自旋磁矩同向平行排列,另一方面,由温度增高所引起的热运动破坏这种平行排列。热运动产生的无序倾向占优势的临界温度,称为居里点(居里温度)。它的存在是铁磁金属的特征之一。

2、磁晶各向异性与磁致伸缩磁晶各向异性与磁致伸缩是铁磁晶体的两个重要的特性。它们不仅在工程应用上有重要意义,而且对磁畴的大小、结构及取向等均有影响。
1)磁晶各向异性
      沿着铁磁晶体的各晶向磁化的难易不同称为磁晶各向异性。各向异性常数愈小,愈容易磁化。多晶铁磁体没有磁各向异性。
2)磁致伸缩
     铁磁晶体磁化对其长度发生变化的效应称为磁致伸缩。磁致伸缩的大小可用式中1为铁磁体的长度;△1为由磁化引起的长度磁致伸缩系数λ表示 2=-变化量。磁致伸缩效应是由于原子磁矩有序排列时,电子间的相互作用导致原子间距的自发调整而引起的。金属的点阵结构不同,磁化时原子间距的变化也不一样,故有不同的磁致伸缩性能。

3、磁畴的形成与磁畴结构
       理论上已说明了自发磁化的起因和条件,问题是自发磁化为什么要分成很多小的磁畴呢?从热力学的角度观察,形成磁畴是能量最小条件的必然结果。具体地说,形成磁畴是为了减少退磁场能和磁致伸缩能(磁弹性能)。

      在两相反磁畴之间形成一个过渡层,通常称为磁畴壁。畴壁内自旋磁矩的方向从一个磁畴逐渐过渡到另一个磁畴的方向,这种情况交换能为最低。于是,畴壁的自旋磁矩却偏离了晶体的易磁化方向,由此导致各向异性能增高。

      此外,由于磁致伸缩的变化使弹性能升高,所以形成磁畴壁需要一定的能量。畴壁总能量与畴壁的数量有关,畴壁愈多,能量愈高。当磁畴变小使磁致伸缩能减小的数量和畴壁形成所需要的能量相等时,即达到能量最小的稳定闭合磁畴组态。在没有外磁场时,通常磁畴呈细小扁平的薄片状或细长的棱柱状,大小约为10-6mm3,磁化矢量指向易磁化方向。在多晶体中,一个晶粒内可有数个磁畴。在磁场的作用下磁畴的大小和方向都可发生变化。

4、影响金属铁磁性的因素
      影响铁磁性的因素来自两个方面∶一是环境,如温度和应力等的影响;二是金属内部因素,如成分、组织和结构等的影响。

     从金属内部的因素考查,可把铁磁参量分为两类,即组织敏感性参量和组织不敏感参量。组织和结构不敏感参量不受组织和结构的影响或影响很小,属干这类参量的有 Ms((饱和磁化强度),λ s(饱和磁致伸缩系数),K(磁晶各向异性参数)和 Tc(居里温度)等,它们与合金的成分和铁磁相性质及数量有关。组织和结构敏感参量强烈地受组织、结构因素以及应力状态的影响,属干这类参量的有Hc(矫顽力), μ(磁导率),x(磁化率)和 Br(剩余磁感应强度)等,它们均与技术磁化有关。
三、磁性能

      磁性是金属及合金的很重要的一种物理性能,在现代科学技术中应用得非常广泛。磁化率、磁导率以及矫顽力等参量对组织、结构很敏感,而饱和磁化强度和居里点等则只与合金相的数量和成分有关。
1、磁性的基本概念
      物质在磁场中,由于受磁场的作用都呈现出一定的磁性,这种现象称为磁化。根据物质被磁化后对磁场所产生的影响,可以把物质分为三类∶使磁场减弱的物质称为抗磁性物质;使磁场略有增强的物质称为顺磁性物质;使磁场强烈增加的物质称为铁磁性物质。任何物质都是由原子组成的,而原子则是由原子核和电子所构成。近代物理证明,每个电子都在作着循轨和自旋运动,物质的磁性就是由于电子的这些运动而产生的。电子是有磁矩的,电子的磁矩是轨道磁矩和自旋磁矩的矢量和。

      原子核也有磁矩,不过它的磁矩很小,约为电子磁矩的 1/2000,故通常的情况可不予考虑。理论证明;当原子中的个次电子层被排满时,这个电子层的氮矩总和为零,它对原子磁矩没有贡献。若原子中的申子层均被排满,则原子没有磁矩。只有原子中存在着未被排满的电子层时,由于未被排满的电子层电子磁矩之和不为零,原子才具有磁矩。这种磁矩称为原子的固有磁矩。
2、磁性的基本量
      一个物体磁化的程度可用所有原子固有磁矩m矢量的总和Zm来表示,单位为A·m2;单位体积的磁矩称为磁化强度,用M表示,其单位为A·m-1。当一个物体在外加磁场中被磁化时,它所产生的磁化强度相当于一个附加的磁场强度,从而导致它所在空间的磁场发生变化。这时,物体所在空间的总磁场强度是外加磁场强度H和附加磁场强度M之和,H的单位也是 A·m-1。
      通过磁场中某点,垂直于磁场方向单位面积的磁力线数称为磁感应强度,用B表示,其单位为T(特斯拉)物质的磁化总是在外加磁场的作用下产生的。因此,磁化强度与外加磁场强度和物质本身的磁化特性有关,即 M=xH。式中H为外加磁场强度;系数x称为磁化率,无量纲。它表征物质本身的磁化特性。系数1+x称为相对磁导率,用μr表示。它与材料的本性有关,无量纲。磁导率用μ表示
3、金属的抗磁性与顺磁性

       金属被磁化后,磁化矢量与外加磁场的方向相反称为抗磁性。金属被磁化后,磁化矢量与外加磁场的方向相同称为顺磁性。

①抗磁性∶金属的抗磁性来源于电子的循轨运动受外加磁场作用所产生的抗磁矩。无论是电子顺时针运动,还是逆时针运动所产生的附加磁矩△M都与外加磁场的方向相反,故称为抗磁矩。既然,抗磁性是电子的循轨运动受外加磁场作用的结果,因此可以说,任何金属在磁场作用下都要产生抗磁性。抗磁金属的磁化率很小,约为10-5~10-6数量级,并且与磁场强弱和温度无关。

②顺磁性∶金属的顺磁性主要来源于原子(离子)的固有磁矩。在没有外加磁场时,原子的固有磁据呈无序状态分布,在宏观上并不呈现出磁性。若施加一定的外磁场时,由于磁矩与磁场相互作用,磁矩具有较高的静磁能。所谓静磁能是指原子磁矩与外加磁场的相互作用能,用EH表示,其大小等于EH=-μ0μ atHcos0为了降低静磁能,磁矩改变与磁场之间的夹角,于是便产生了磁化。随着磁场的增强,磁矩的矢量和在磁场方向上的投影不断地增大,磁化不断地增强。在常温下,要使原子磁矩转向磁场方向,除了要克服磁矩间相互作用所产生的无序倾向之外,还必须克服由原子热运动所造成的严重干扰,故通常顺磁磁化进行得十分困难。室温下的磁化率约为10-6数量级。如将温度降低到 OK,磁化率便可提高到10-4 数量级。对于顺磁金属只有当温度接近 OK 或外加磁场极强时才有可能达到磁饱和,即所有的原子磁矩都排向磁场方向。

      上述现象说明,温度对顺磁磁化的影响是十分显著的。对于固态金属,特别是过渡族金属,在一定的温度范围内,它们的磁化率和温度的关系服从居里-CT-△ 式中C为居里常数,它和原子磁矩有关;△对某种材料来字学祸诗栏心”说是常数,对不同材料可大于零或小于零。对于铁磁金属△为正值,它等于居里点或居里温度。所谓居里点即由铁磁转变为顺磁的临界温度。

4、抗磁金属与顺磁金属
      在磁场的作用下电子的循轨运动要产生抗磁矩离子的固有磁矩则产生顺磁矩;此外,还要看到,自由电子在磁场的作用下也产生抗磁矩和顺磁矩,不过它所产生的抗磁矩远小于顺磁矩,故自由电子的主要贡献是顺磁性。金属均由离子和自由申子所构成,因此对于一种金属来说,其内部既存在着产生抗磁性的因素,又存在着产生顺磁性的因素,属于哪种金属,取决于哪种因素占主导地位。金属的离子,由于核外电子层结构不同,可以分为两种情况∶一是它的电子壳层已全部被填满,即固有磁矩为零。二是离子有未被填满的电子层,即离子具有较强的固有磁矩。。

5、影响抗磁性与顺磁性的因素
1)同素异构转变与加工硬化的影响;
2)合金成份与组织的影响。

 

6、抗磁与顺磁分析的应用
1)测定Al-Cu合金的固溶度曲线
bm 是退火试样测得的结果,它所对应的组织是以铝为基的固溶体和 CuA12 相的混合物,随着铜含量的增多,CuAl2相的数量随之增多。曲线bf 所对应的组织是铜与铝所组成的单相固溶体。据计算,在合金固溶体中一个铜原子可影响14~15 个铝原子的顺磁性。因此,与两相混合物相比,它的磁化率随着含铜量的增加,迅速地降低。
2)研究铝合金的分解
      测量顺磁磁化率的变化不仅可以确定合金的固溶的曲线,而且还可用于研究淬火铝合金的分解情况。由于淬火状态铜和铝形成了过饱和固溶体,铜的抗磁作用对铝的顺磁影响较大,使合金的顺磁磁化率显著降低。退火状态的合金中,有94%的铜以 CuA12相的形式存在,因此铜对铝的顺磁性影响较小。

 

参考资料∶ 材料物理与力学性能、磁性物理学、磁性学。