材料的磁学性能磁性材料具有能量转换存储或改变能量状态的.DOCVIP

第九章 材料的磁学性能 磁性材料具有能量转换、存储或改变能量状态的功能。了解材料的磁性，不仅对于发展和应用新型磁性材料是必需的，而且对于研究材料结构及相变也是必需的 第一节 基本磁学性能 1 材料的磁性 本源：材料内部电子的循轨和自旋运动 轨道磁矩：由电子偱轨运动产生的磁矩。 L为轨道角量子数，0-n-1，mB为玻尔磁子=9.27×10-24Am2,磁矩的最小单元 自旋磁矩：电子自旋产生的磁矩 s为自旋量子数，1/2 原子核磁矩：电子磁矩的1/2000，忽略不计 运动电子的磁矩等于轨道磁矩和自旋磁矩的矢量和 原子分子是否有磁矩，决定于该原子分子的结构 次电子层排满，磁矩总和为零，对原子磁矩没有贡献 只有原子中存在未被排满的电子层时，各层电子磁矩之和不为零，原子才具有磁矩，称为原子的固有磁矩 例：Fe 原子结合成分子时，外层电子磁矩要发生变化，所以分子磁矩并不是单个原子磁矩的总和 原子磁性虽然是物质磁性的基础，但不能完全决定凝聚态物质的磁性。因为原子间的相互作用(包括磁的作用和静电的作用)往往对物质的磁性起着更重要的影响 2 材料的磁化 磁化：物质在磁场中由于受磁场的作用呈现出一定的磁性 无外加磁场时，固有磁矩的矢量和总和为零，宏观上不呈现出磁性。磁场并不改变固有磁矩的大小，只是改变了取向，因此，材料磁化的程度可用所有原子固有磁矩mi矢量的总和来表示 磁化强度：单位体积的磁矩 磁化强度：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 第二节 抗磁性与顺磁性 根据材料被磁化后对磁场所产生的影响,可把材料分为三类: 使磁场减弱的物质称为抗磁性材料 使磁场略有增强的物质称为顺磁性材料 使磁场强烈增加的物质为铁磁性材料 1 抗磁性的物理本质 材料的抗磁性来源于电子循轨运动时受到外加磁场作用所产生的抗磁距. 2 顺磁性的物理本质 材料的顺磁性主要来源于原子(离子)的固有磁距. 在没有外加磁场时, 呈无序状态分布,在宏观上不呈现出磁性. 当施加一定的外加磁场时, 为了降低静磁能,磁距必将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,磁距与磁场的夹角减小,磁距矢量在磁场方向上的投影不断增大,磁化不断增强. 3 影响材料抗磁性与顺磁性的因素 (1 ) 原子结构的影响 电子的循轨运动要产生抗磁距,离子的固有磁距产生顺磁距,自由电子的主要贡献是顺磁性. 材料都是由原子和电子所构成,其内部既存在产生抗磁性的因素,又存在产生顺磁性的因素,属于哪种磁性材料,取决于哪种因素占主导地位. 只有原子的电子完层完全填满了电子的物质，抗磁性才能表现出来，否则抗磁性就被别的磁性掩盖 惰性气体的原子磁距为零,在外磁场作用下只产生抗磁距,是典型的抗磁性物质 其他大多数非金属元素,形成分子时,由于共价键的作用,外层电子填满,分子不具有固有磁距,绝大多数非金属都是抗磁性物质,只有氧和石墨是顺磁性物质. 金属Cu、Ag、Au、Cd、Hg等,离子产生的抗磁性大于自由电子的顺磁性,因此是抗磁性的 材料的顺磁性来源于原子的固有磁矩。产生顺磁性的条件就是原子的固有磁矩不为零。 (a)具有奇数个电子的原子或点阵缺陷。 (b)内壳层未被填满的原子或离子。 所有的碱金属都是顺磁性的 碱土金属(Be除外)都是顺磁性的. 三价金属也是顺磁性的 稀土金属及过渡族元素具有强烈的顺磁性. (2 ) 温度的影响 温度对抗磁性一般没什么影响,但当金属熔化、凝固、同素异构转变,以及形成化合物时,由于电子轨道的变化和单位体积内原子数量的变化,使抗磁磁化率发生变化. 温度对顺磁性影响很大.顺磁物质原子的磁化率与温度的关系,一般通过居里定律来表示,即Χ=C/T,C是居里常数.对于过渡族金属元素,则用居里-外斯定律表达,即Χ=C’/(T+Δ) 对铁磁性物质来说居里点(居里温度)以上是顺磁性的,其磁化率大致服从居里-外斯定律 (3)相变及组织转变的影响 当材料发生同素异构转变时,由于晶格类型及原子间距发生了变化,会影响电子运动状态而导致磁化率的变化. 当材料发生其他相变时,也会影响磁化率,影响的规律比较复杂. 加工硬化使金属的原子间距增大而密度减小,从而使材料的抗磁性减弱. (4)合金成分与组织的影响 由弱磁化率的两种金属组成固溶体时,其磁化率和成分接近于直线的平滑曲线变化. 由抗磁性金属为溶剂、强顺磁金属(或铁磁金属)为溶质形成固溶体时,情况比较复杂. 固溶体合金有序化时,合金磁化率发生明显变化. 合金形成中间相(金属化合物)时,其磁化率将发生突变. 形成两相合金时,在两相区范围内,其磁化率随成分的变化呈直线关系. 4 抗磁与顺磁磁化率的测量及应用 (1 )用磁称法测量磁化率 (2)确定合金相图中的最大溶解度曲线 （3)研究铝合金的分解 (4)研究材料有序无序转变 (5)