材料科学工程导论mse-21磁性课件.ppt

第二十一章 磁性（magnetic properties） 磁偶極 (magnetic dipole) 磁場向量 磁矩來源 (magnetic moment) 反磁與順磁 (dia-, para-) 鐵磁、反鐵磁與亞鐵磁 (ferro-, antiferro-, ferri-),1,材料科学工程导论mse-21磁性,溫度對磁性影響 磁區 (domain) 與磁滯 (hysteresis) 軟磁材料 (soft-) 硬磁材料 (hard-) 高能硬磁材料 磁儲存、超導性,2,材料科学工程导论mse-21磁性,Magnesia: mineral ingredient of the philosophers stone, from Medieval Latin, from Greek, a kind of ore, from Magnesia, an ancient city of Asia Minor 磁：慈石,3,材料科学工程导论mse-21磁性,十二世紀：中國人航海 十八世紀：Coulomb研究磁石作用 1820：Oersted（1777-1851），電流偏折磁針 電荷使電場扭曲（distortion）：磁場 磁場是電場相對論性質副產品,4,材料科学工程导论mse-21磁性,磁性 發電機、變電器、馬達、收音機、電視、電話、計算機、視聽系統 鐵、某些鋼鐵、天然磁石 磁場對所有物質都有影響,5,材料科学工程导论mse-21磁性,磁偶極 (magnetic dipole) 磁場、磁力線 (field line) 想像的工具 (imaginary tool) 電流圈 (current loop)、磁棒 (bar),6,材料科学工程导论mse-21磁性,7,材料科学工程导论mse-21磁性,磁偶極 與電偶極相似 想像為一包含南北極小磁棒 由箭頭代表，由南指向北 磁場對磁偶極產生一力矩：順向,8,材料科学工程导论mse-21磁性,9,材料科学工程导论mse-21磁性,磁場向量 磁場強度 （magnetic field strength）H：外加磁場 如磁場由一圓柱形線圈（螺形線圈）產生 設線圈含有N密接圈、長度為L，電流I H = N I /L,10,材料科学工程导论mse-21磁性,磁感應（magnetic induction）B 磁通量密度（magnetic flux density） 物質內部磁場 B = H ：導磁率（permeability）,11,材料科学工程导论mse-21磁性,真空中 B0 = 0 H 0 ：真空導磁率 1.257 x 10-6 H/m,12,材料科学工程导论mse-21磁性,13,材料科学工程导论mse-21磁性,相對導磁率：/0 材料磁化程度 外加磁場引致磁感應之難易,14,材料科学工程导论mse-21磁性,磁化（magnetization）M B = 0 H +0 M B = B0 +0 M M = m H m ：磁化率（magnetic susceptibility）,15,材料科学工程导论mse-21磁性,B = 0 H +0 M =0 (1 +m) B = H =r0 H m = r 1,16,材料科学工程导论mse-21磁性,磁矩來源 磁性由電子磁矩而來 軌道運動 自旋,17,材料科学工程导论mse-21磁性,18,材料科学工程导论mse-21磁性,最基本磁矩：Bohr磁子（magneton）B Pauli soon introduced the atomic magneton and named it after Niels Bohr.（1925） 9.27 x 10-14 A-m2 自旋磁矩： B 軌道磁矩： mlB,19,材料科学工程导论mse-21磁性,20,材料科学工程导论mse-21磁性,原子磁矩 各電子磁矩總和 原子電子層或次層完全填滿：磁矩為零 He, Ne, Ar以及某些離子材料,21,材料科学工程导论mse-21磁性,反磁性（diamagnetism）與順磁性（paramagnetism） 反磁性：由外加磁場改變電子軌道運動而來 r < 1 所有材料中，弱,22,材料科学工程导论mse-21磁性,23,材料科学工程导论mse-21磁性,順磁性 某些固體材料：軌道運動與/或（and/or）自旋磁矩不完全註銷，永久磁矩 隨意指向 r 1 10-5 10-2,24,材料科学工程导论mse-21磁性,25,材料科学工程导论mse-21磁性,26,材料科学工程导论mse-21磁性,鐵磁性 大而永久磁化 Fe, Co, Ni, Gd 磁化率： 106,27,材料科学工程导论mse-21磁性,28,材料科学工程导论mse-21磁性,B = 0 M 電子自旋磁矩 偶合相互作用：電子自旋對齊 偶合作用受電子結構影響 磁域（domain）,29,材料科学工程导论mse-21磁性,飽和（saturation）磁化 最大（maximum）磁化 飽和磁通量密度 淨磁矩與原子數目乘積 Fe : Co: Ni = 2.22 : 1.72 : 0.6,30,材料科学工程导论mse-21磁性,例21.1 Ni 之飽和磁化與飽和磁通量密度 Ms = 0.60 B N N= 9.13 x 1028 atoms/m3 Ms = 5.1 x 105 A/m Bs = 0 Ms = 0.64 tesla,31,材料科学工程导论mse-21磁性,32,材料科学工程导论mse-21磁性,反鐵磁性（anti-ferromagnetism） 電子自旋對齊與磁場反向 MnO Mn2+，O2- Mn2+：淨磁矩，主要為自旋磁矩 鄰近Mn2+磁矩反向：淨磁矩=0,33,材料科学工程导论mse-21磁性,34,材料科学工程导论mse-21磁性,亞鐵磁性（ferrimagnetism） 淨磁矩來源 MFe2O4 Fe3O4：磁石,35,材料科学工程导论mse-21磁性,36,材料科学工程导论mse-21磁性,37,材料科学工程导论mse-21磁性,38,材料科学工程导论mse-21磁性,例21.2 Fe2O3 之飽和磁通量密度 立方晶包：8 Fe2+, 16 Fe3+ ， a = 0.839 nm Ms = N B N = nB/Vc 8 x 4 = 32 Ms = 5.0 x 105 A/m,39,材料科学工程导论mse-21磁性,設計例21.1 設計Ms 為 5.25 x 105 A/m磁石材料 nB = 33.45 Bohr magneton 8 5 + 4 (1-x) = 33.45 x = 0.181 用Mn取代,40,材料科学工程导论mse-21磁性,溫度對磁性影響 熱振動：磁矩轉向較易 溫度升高：磁化降低 Curie溫度（Tc）：M =0 Tc：768（Fe），1120（Co），335（Ni），586（Fe3O4） 0C Neel溫度：反鐵磁 M=0,41,材料科学工程导论mse-21磁性,42,材料科学工程导论mse-21磁性,磁域（domain）與磁滯（hysteresis） Hysteresis: Greek, a shortcoming, from husterein, to come late, from husteros, late 磁域：磁矩同方向區域 磁域界（domain boundary，wall） 磁域界磁矩方向逐漸改變 每一晶粒可能有多於一之磁域 M為各磁域磁化向量和,43,材料科学工程导论mse-21磁性,44,材料科学工程导论mse-21磁性,45,材料科学工程导论mse-21磁性,46,材料科学工程导论mse-21磁性,鐵磁與亞鐵磁B-H曲線 Ms：飽和磁化 ， （H） H = 0，i ：初始導磁率（initial permeability） H增加，磁域界移動，磁域逐漸改變，磁矩方向轉向，漸與磁場平行，單一磁域（飽和磁化）,47,材料科学工程导论mse-21磁性,H降低，B降低速率較低：磁滯 H = 0，Br ：殘留磁場密度（remanence） H降低，磁域界移動阻抗 B = 0，-Hc：保磁力（coercivity） 反向飽和磁化，-Br，+ Hc 消磁（demagnetizing）,48,材料科学工程导论mse-21磁性,49,材料科学工程导论mse-21磁性,50,材料科学工程导论mse-21磁性,軟磁材料 磁化-去磁環：磁能損失，熱 軟磁：交流磁場，變壓器核心 磁滯環面積小 i高，Hc小,51,材料科学工程导论mse-21磁性,52,材料科学工程导论mse-21磁性,53,材料科学工程导论mse-21磁性,54,材料科学工程导论mse-21磁性,飽和磁化由材料成份決定 磁化率，Hc與結構變數有關 缺陷或非磁性粒子阻礙磁域界移動：Hc增加,55,材料科学工程导论mse-21磁性,電阻 Eddy（渦）電流 減少能量損失：電阻率高 Fe-Si，Fe-Ni合金 陶屬亞鐵鹽 熱處理：方形磁滯環 （某些放大器、脈衝變壓器）,56,材料科学工程导论mse-21磁性,硬磁材料 高殘留磁場密度（remanence）、保磁力（coercivity）、飽和磁場密度、低初始導磁率 保磁力 能量積（BH）max 永久磁鐵消磁所需能量,57,材料科学工程导论mse-21磁性,58,材料科学工程导论mse-21磁性,59,材料科学工程导论mse-21磁性,一般硬磁材料 （BH）max ：2-80 kJ/m2 磁性鋼鐵，Cu-Ni-Fe合金（cunife），alnico（Al-Ni-Co），六方形ferrite（BaO-6Fe2O3）,60,材料科学工程导论mse-21磁性,硬磁材料含 W and/or Cr +C W, Cr 碳化物：阻礙磁域界運動 熱處理：極小單磁域晶粒 強磁Fe-Co微粒,61,材料科学工程导论mse-21磁性,高能硬磁材料 （BH）max 80 kJ/m2 SmCo5、Nd2Fe14B,62,材料科学工程导论mse-21磁性,SmCo5：Co, Fe與輕稀土元素 （BH）max ：120-240 kJ/m2 Hc高（9,000 Oe） 粉末冶金方法,63,材料科学工程导论mse-21磁性,Nd2Fe14B：Sm較貴重 Co：價格不穩定 （BH）max ：255 kJ/m2 Hc高（10,600 Oe）,64,材料科学工程导论mse-21磁性,磁化-消磁 磁域界運動：製程控制 小晶粒形狀、大小、方向 第二相顆粒特性與分佈 Nd2Fe14B：粉末冶金方法、快速固化,65,材料科学工程导论mse-21磁性,硬磁應用 馬達：硬磁電力需求較低、散熱問題小 尺寸較小，用於馬力小馬達 無線鑽床、螺絲起子、汽車（起動、電動窗、雨刷、洗窗噴射器、風扇）、錄影機、錄音機、時鐘、音響喇叭、耳機、助聽器、計算機周邊設備,66,材料科学工程导论mse-21磁性,磁儲存 錄音帶，錄影帶，錄影機，硬碟機，軟碟片，硬碟片，信用卡 計算機：半導體元件記憶體 硬碟：容量大，成本低 錄音與電視業：磁帶,67,材料科学工程导论mse-21磁性,磁儲存媒體：磁帶或磁片 轉錄或擷取：感應讀寫磁頭 感應讀寫磁頭：感應線圈，磁芯 數據資料：電子訊號產生磁場 磁化磁帶或磁片：儲存訊號,68,材料科学工程导论mse-21磁性,感應讀寫磁頭擷取儲存訊號 磁場改變：產生電子訊號（電壓） 放大與轉換,69,材料科学工程导论mse-21磁性,複合磁頭 感應寫磁頭 磁阻讀磁頭（magnetoresistive head） 磁頭電阻因磁場變化而改變 高靈敏度與數據資料轉換速率,70,材料科学工程导论mse-21磁性,鐵磁與亞鐵磁B-H曲線 Ms：飽和磁化 ， （H） H = 0，i ：初始導磁率（initial permeability） H增加，磁域界移動，磁域逐漸改變，磁矩方向轉向，漸與磁場平行，單一磁域（飽和磁化）,71,材料科学工程导论mse-21磁性,72,材料科学工程导论mse-21磁性,磁介質（medium, media） 微粒狀（paticulate）與薄膜型 微粒狀：針（needlelike）、刺（aciculate）狀： - Fe2O3, CrO2 高分子膜、金屬盤 微粒長軸與通過磁頭運動方向平行,73,材料科学工程导论mse-21磁性,74,材料科学工程导论mse-21磁性,薄膜型 高儲存密度、低成本 硬碟片 CoPtCr, CoCrTa：10-50 nm厚，晶粒10-30 nm 晶粒大小均勻、單一磁域,75,材料科学工程导论mse-21磁性,76,材料科学工程导论mse-21磁性,薄膜型 磁化方向與通過磁頭運動方向平行 高儲存密度：磁域堆積密度高 微粒由空隙隔離 108 vs. 2 x 109 bit/in.2 Cr, Cr合金,77,材料科学工程导论mse-21磁性,磁介質磁性：磁滯環方形、大 永久儲存、磁化反轉 微粒記錄媒體，Bs: 4,000-6,000 gauss 薄膜型，Bs: 6,000-12,000 gauss Hc: 1.5 x 105 2.5 x 105 A/m (2000-3000 Oe),78,材料科学工程导论mse-21磁性,超導性 與磁性有關、磁性應用 臨界溫度（Tc） 金屬：1-20 K 氧化物： 100K MgB2 （2001）,79,材料科学工程导论mse-21磁性,The Nobel Prize in Physics 1913 for his investigations on the properties of matter at low temperatures which led, inter alia, to the production of liquid helium,80,材料科学工程导论mse-21磁性,Heike Kamerlingh-Onnes (1853-1926),81,材料科学工程导论mse-21磁性,The Nobel Prize in Physics 1972 for their jointly developed theory of superconductivity, usually called the BCS-theory,82,材料科学工程导论mse-21磁性,John Bardeen (1908-91) Leon Neil Cooper (1930-) and John Robert Schrieffer (1931-),83,材料科学工程导论mse-21磁性,84,材料科学工程导论mse-21磁性,溫度、磁場、電流密度 BCS（Bardeen-Cooper-Schrieffer）理論 互相吸引電子對（Cooper pair） 熱振動、雜質散射劇降,85,材料科学工程导论mse-21磁性,第一（type I）與第二（type II）型 第一（type I）型：完全反磁， B =0 Al, Pb, Sn, Hg 第二型： T <Tc1， B =0 Tc1< T <Tc2：磁場穿透,86,材料科学工程导论mse-21磁性,87,材料科学工程导论mse-21磁性,88,材料科学工程导论mse-21磁性,89,材料科学工程导论mse-21磁性,90,材料科学工程导论mse-21磁性,第二型超導体 較實用 臨界溫度、臨界磁場較高 Nb-Ze，Nb-Ti，Nb-Sn,91,材料科学工程导论mse-21磁性,92,材料科学工程导论mse-21磁性,The Nobel Prize in Physics 1987 for their important break-through in the discovery of superconductivity in ceramic materials,93,材料科学工程导论mse-21磁性,J. Georg Bednorz (1950-) and K. Alexander Mller (1927-),94,材料科学工程导论mse-21磁性,95,材料科学工程导论mse-21磁性,96,材料科学工程导论mse-21磁性,97,材料科学工程导论mse-21磁性,氧化物超導体 室溫絕緣體 YBa2Cu3O7：92 K Bi2Sr2Ca2Cu3O10：110 K Tl2Ba2 Ca2Cu3O10：125 K HgBa2Cu2O8：153 K,98,材料科学工程导论mse-21磁性,99,材料科学工程导论mse-21磁性,77 K：液態氮（N2） 液態氦（He，helium），4 K 脆 線材應用,100,材料科学工程导论mse-21磁性,超導体應用 科學試驗與研究設備 核磁共振攝影（nuclear magnetic resonance imaging） 核磁共振能譜（nuclear magnetic resonance spectroscopy）,101,材料科学工程导论mse-21磁性,超導体應用 電力輸送 高能加速器 計算機高速開關、傳輸 磁浮列車,102,材料科学工程导论mse-21磁性,103,材料科学工程导论mse-21磁性,104,材料科学工程导论mse-21磁性,105,材料科学工程导论mse-21磁性,106,材料科学工程导论mse-21磁性,The Nobel Prize in Physics 1933 for the discovery of new productive forms of atomic theory,107,材料科学工程导论mse-21磁性,Erwin Schrdinger (1887-1961) Paul Adrien Maurice Dirac (1902-1984),108,材料科学工程导论mse-21磁性,The Nobel Prize in Physics 1932 for the creation of quantum mechanics, the application of which has, inter alia, led to the discovery of the allotropic forms of hydrogen,109,材料科学工程导论mse-21磁性,110,材料科学工程导论mse-21磁性,第二十一章 習題 2, 5, 7, 9, 11, 12, 14, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 25, 28, 30, 31, 35, 36, D2,111,材料科学工程导论mse-21磁性,