【正文】 學(xué)基礎(chǔ)－ 磁 性材料分類 主要磁性材料分類 3. 2 軟磁材料 用途： 發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)、變壓器、電磁鐵、各類繼電器與電感、電抗器的鐵心；磁頭與磁記錄介質(zhì)；計(jì)算機(jī)磁心等。 (鐵心 ) (2)硬磁材料 其矯頑磁力較大 ， 磁滯回線較寬 。 （ 3） 化學(xué)穩(wěn)定性：在 腐蝕介質(zhì)的環(huán)境中磁性隨時(shí) 間的變化 。 （ 1） 溫度穩(wěn)定性：磁性能隨溫度的變化 。Br 同時(shí) 、 (BH)max越大 ， Hg也越大 。 對(duì)通常的永磁體的應(yīng)用而言 ， Hg越大越好 。 磁場(chǎng)強(qiáng)度 （ Hg） 除與磁體的體積及氣隙體積有關(guān)外， 主要取決于磁體的 磁能積 （ BH） 。 主要作用是在磁鐵的兩磁極空間 (或稱空氣隙)產(chǎn)生磁場(chǎng) Hg。 Wr ：從總損耗中扣除渦流損耗和磁滯損耗所剩的部分 3. 1 磁學(xué)基礎(chǔ)－ 磁化過(guò)程與技術(shù) 磁參量 3. 1 磁學(xué)基礎(chǔ)－ 磁化過(guò)程與技術(shù) 磁參量 磁能積 （ BH） ： 磁鐵在氣隙空間所建立的磁能量密度 。 3. 1 磁學(xué)基礎(chǔ)－ 磁化過(guò)程與技術(shù) 磁參量 (四）磁性材料的技術(shù)磁參量 技術(shù)磁參量 內(nèi)稟磁參量 : MS、 Tc 外稟磁參量 : Hc、 Mr或 Br、磁導(dǎo)率、損耗、磁能積 MS: 飽和磁化強(qiáng)度 Hc：矯頑力 Mr或 Br：剩磁 主要取決于材料的化學(xué)成分 對(duì)材料結(jié)構(gòu)（如晶粒尺寸、晶體缺陷、晶粒取向等）敏感，可以通過(guò)適當(dāng)?shù)墓に嚫淖? 損耗： 軟磁材料磁化一周總的能量損耗 W， 由渦流損耗 ， 磁滯損耗 Wh和剩余損耗 Wr三部分組成 ， 通常以每公斤材料損耗的功率表示 ， 即 : W=We+Wh+Wr We：在交變磁化條件下，材料垂直于磁場(chǎng)的平面內(nèi)產(chǎn)生的渦流引起發(fā)熱產(chǎn)生的損耗。磁疇的磁化矢量已轉(zhuǎn)到最接近 H方向， M的增長(zhǎng)主要靠可逆轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)。 （ 2） M隨 H急劇增長(zhǎng)，不可逆疇壁移動(dòng)過(guò)程，的巴克豪森（ Barkhausen）跳躍。而疇壁附近的磁矩方向發(fā)生改變，使疇壁產(chǎn)生橫向移動(dòng)。外場(chǎng)愈強(qiáng)，材料的磁各向異性愈弱，則磁矩就愈偏向外場(chǎng)方向。磁化是通過(guò)磁疇的運(yùn)動(dòng)來(lái) 實(shí)現(xiàn)。磁疇的體積為 101～ 106cm3。每一個(gè)磁矩取向一致的自發(fā)磁化區(qū)域就叫做一個(gè)磁疇。 3. 1 磁學(xué)基礎(chǔ)－ 磁化過(guò)程與技術(shù) 磁參量 (一 ) 磁疇結(jié)構(gòu) 在鐵磁性材料中，原子磁矩平行排列，以使交換作用能最低。 當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度足夠高 ， 磁致伸縮趨于穩(wěn)定時(shí) ，磁致伸縮系數(shù) λ 稱為飽和磁致伸縮系數(shù) ， 用 λ s表示 。 材料磁致伸縮的相對(duì)大小用磁致伸縮系數(shù) λ表示 ， 即 ： λ=Δl/l 式中 ， Δl和 l分別表示磁場(chǎng)方向的絕對(duì)伸長(zhǎng)與原長(zhǎng) 。 單晶體的易磁化和難磁化方向 3. 1 磁學(xué)基礎(chǔ)－ 物質(zhì)的磁性 （五）磁致伸縮 磁性材料磁化過(guò)程中發(fā)生沿磁化方向伸長(zhǎng) (或縮短 )， 在垂直磁化方向上縮短 (或伸長(zhǎng) )的現(xiàn)象 ， 叫做磁致伸縮 。 （四）溫度對(duì)物質(zhì)磁性的影響 Tc χ 3. 1 磁學(xué)基礎(chǔ)－ 物質(zhì)的磁性 (四 ） 磁各向異性 磁性材料在不同方向上具有不同磁性能的特性 。 順磁質(zhì)： 朗之萬(wàn)（ Langevin）順磁性： 磁化率服從居里 (Curie)定律，即：χ =c/T。 3. 1 磁學(xué)基礎(chǔ)－ 物質(zhì)的磁性 H m m Dm k k Dk Dk Dm 產(chǎn)生抗磁性的原理 m：磁矩 Dm ：附加磁矩 Dk ：附加向心力 k：向心力 抗磁性具有普遍性 物質(zhì)是否表現(xiàn)出抗磁性要看物質(zhì)的抗磁場(chǎng)是否大于其順磁場(chǎng) 物質(zhì)內(nèi)部原子磁矩的排列 a:順磁性 b:鐵磁性 c:反鐵磁性 d:亞鐵磁性 3. 1 磁學(xué)基礎(chǔ)－ 物質(zhì)的磁性 由于原子間的交換作用使原子磁矩發(fā)生有序的排列，產(chǎn)生自發(fā)磁化，鐵磁質(zhì)中原子磁矩都平行排列 （ 在絕對(duì)零度時(shí) ) 3. 1 磁學(xué)基礎(chǔ)－ 物質(zhì)的磁性 鐵磁質(zhì)： 磁矩的有序排列隨著溫度升高而被破壞，溫度達(dá)到居里溫度（ Tc）以上時(shí)有序全部被破壞，磁質(zhì)由鐵磁性轉(zhuǎn)為順磁性。原子磁矩疊加的結(jié)果使宏觀物質(zhì)產(chǎn)生與外場(chǎng)方向相反的磁矩。順磁金屬主要有 Mo， Al， Pt， Sn等。順磁性是一種弱磁性。 （二）基本磁性參量 B=H+M 3. 1 磁學(xué)基礎(chǔ)－ 物質(zhì)的磁性 磁導(dǎo)率和磁化率 在真空中磁感應(yīng)強(qiáng)度 B與磁場(chǎng)強(qiáng)度 H間的關(guān)系為： B=μ0H 在磁性材料中： B=μ0（ H+ M） 在均勻的磁性材料中，上式的矢量和可改成代數(shù)和： B=μ0（ H+M） 磁性材料的磁導(dǎo)率定義為磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁場(chǎng)強(qiáng)度之比： μ=B/H μ 0 : 真空磁導(dǎo)率 。 磁感應(yīng)強(qiáng)度 (B ):物質(zhì)在外磁場(chǎng)作用下，其內(nèi)部原子磁矩 的有序排列還將產(chǎn)生一個(gè)附加磁場(chǎng)。 原子核的磁矩比電子磁矩小三個(gè)數(shù)量級(jí)，一般情況下可忽略不計(jì)。前者稱為軌道磁矩，后者稱為自旋磁矩。力矩（ M)的大小可由下式表示： M ? Is x A x H 定義 Pm= Is x A為通過(guò)電流為 Is、面積為 A的環(huán)型導(dǎo)體的磁矩。 將 B=0時(shí)的 H 值稱為矯頑磁力 Hc； Br稱為剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度 ， Bs稱為最大磁感應(yīng)強(qiáng)度 （ 飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度 ） 。 磁感應(yīng)強(qiáng)度滯后于磁場(chǎng)強(qiáng)度變化的性質(zhì)稱為磁滯性 。 導(dǎo)磁率實(shí)際上代表了磁性材料被磁化的容易程度 ， 或者說(shuō)是材料對(duì)外部磁場(chǎng)的靈敏程度； 磁化率 （ χ ） ： 磁化強(qiáng)度與磁場(chǎng)強(qiáng)度的比值 ， χ = M /H。 B=μ0(H+M) ， μ0是一個(gè)系數(shù) ， 叫做真空磁導(dǎo)率 。 單位體積內(nèi)磁矩矢量和稱為 M， 單位：安 /米； 磁感應(yīng)強(qiáng)度 （ B） ： 物質(zhì)在外磁場(chǎng)作用下 ， 其內(nèi)部原子磁矩的有序排列還將產(chǎn)生一個(gè)附加磁場(chǎng) 。 因此 ， 原子磁矩的產(chǎn)生是電子的循軌運(yùn)動(dòng) 、 電子自旋這二者組合的結(jié)果 。 原子內(nèi)的電子做循軌運(yùn)動(dòng)和自旋運(yùn)動(dòng) ， 這必然產(chǎn)生磁矩 ， 產(chǎn)生的磁矩分別稱為軌道磁矩 P1和自旋磁矩 Ps。 基本概念 “ 磁 ” 來(lái)源于電 。 磁性材料是電子工業(yè)的重要基礎(chǔ)功能材料，廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、電子器件、通訊、汽車和航空航天等工業(yè)領(lǐng)域，隨著世界經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，磁性材料的需求將空前廣闊。一切物質(zhì)都具有磁性。磁性材料廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)及聲像記錄用大容量存儲(chǔ)裝置如磁盤、磁帶，電工產(chǎn)品如變壓器、電機(jī)，以及通訊、無(wú)線電、電器和各種電子裝置中，是電子和電工工業(yè)、機(jī)械行業(yè)和日常生活中不可缺少的材料之一， 本章主要內(nèi)容 ? 磁學(xué)理論 —— 物質(zhì)的磁性、磁性的基本物理量 ? 磁性材料分類 —— 軟磁材料、永磁材料、半硬磁 材料 ? 磁性材料的基本性能與應(yīng)用 第三章 磁性功能材料 簡(jiǎn)介 磁性是物質(zhì)的基本屬性之一。早期的磁性材料主要是軟鐵、硅鋼片、鐵氧體等。 是最古老的功能材料。 常用的弱電接點(diǎn)材料有： Au系 （金） Ag系 （銀） Pt系（鉑） Pd系（鈀） （三）復(fù)合接點(diǎn)材料 通過(guò)合理工藝將貴金屬接點(diǎn)材料與非貴金屬基體材料結(jié)合在一起， 國(guó)外 90%以上的弱電接點(diǎn)采用復(fù)合接點(diǎn)材料。 銅系合金 如： CuW、 Cu石墨 ? 真空開(kāi)關(guān)接點(diǎn)材料 CuBiCe、 CuFeNiCoBi、 WCuBiZr合金等 （二）弱電接點(diǎn)材料 弱電接點(diǎn)電負(fù)荷及機(jī)械負(fù)荷都很小 ， 要求接點(diǎn)材料有極好的導(dǎo)電性 、 極高的化學(xué)穩(wěn)定性 、 良好的抗電火花燒損性和耐磨性 。 一般采用合金材料。 按電負(fù)荷的大小 ， 電接點(diǎn)分為：強(qiáng)電 、 中電和弱電 。 超導(dǎo)磁儲(chǔ)能系統(tǒng)所存能量幾乎可以無(wú)損耗的儲(chǔ)存下去 ， 其轉(zhuǎn)換率可高達(dá) 95%。 1. 電力輸送與儲(chǔ)存 目前有大約 30%的電能損耗在輸電線路上 ， 采用超導(dǎo)體輸電 ， 可大大減少損耗 ， 且省去了變壓器和變電所 。如超導(dǎo)量子干涉器件是一種高靈敏度的測(cè)量裝置，主要功能是測(cè)量磁場(chǎng)。 主要應(yīng)用在電力方面如超導(dǎo)電纜、超導(dǎo)磁體（如超導(dǎo)磁懸浮列車）、巨大環(huán)形超導(dǎo)磁體、超導(dǎo)磁分離等。 如：四硫富瓦稀四腈代對(duì)苯醌二甲烷 目前高分子超導(dǎo)體的最高臨界溫度僅僅達(dá)到 10K （三）超導(dǎo)材料的應(yīng)用 超導(dǎo)的應(yīng)用，基本上可以分為強(qiáng)電強(qiáng)磁和弱電弱磁兩大類。 2022年 4月 340m 長(zhǎng)的鉍系高溫超導(dǎo)導(dǎo)線試制成功。 最大缺點(diǎn)為脆性大 ， 加工困難 。 3. 金屬間化合物超導(dǎo)體 金屬間化合物超導(dǎo)體的臨界溫度與臨界磁場(chǎng)一般比合金超導(dǎo)體的高 ， 但此類超導(dǎo)體的脆性大 ， 不易直接加工成帶材或線材 。 當(dāng) H HC2 時(shí) ， B＝ μH 釩 、 鈮以及大多數(shù)合金或化合物超導(dǎo)體均屬于第二類 （二）超導(dǎo)材料 ? 元素超導(dǎo)體 ? 合金超導(dǎo)體 ? 金屬間化合物超導(dǎo)體 ? 陶瓷超導(dǎo)體 ? 高分子超導(dǎo)體 在低溫常壓下 ，具有超導(dǎo)特性的化學(xué)元素共有 26種 ， 由于臨界溫度太低 ， 無(wú)太大實(shí)用價(jià)值 Nb的 Tc 最高 ，僅為 1. 元素超導(dǎo)體 2. 合金超導(dǎo)體 合金超導(dǎo)體是機(jī)械強(qiáng)度最高 、 應(yīng)力應(yīng)變較小 、 磁場(chǎng)強(qiáng)度低 、 臨界電流密度高的超導(dǎo)體 ， 在早期得到實(shí)際應(yīng)用 。 （ 約瑟夫森語(yǔ)言并被后人證實(shí) ） 超導(dǎo)體的種類 （按邁斯納效應(yīng)分） 按照邁斯納（ Meissner） 效應(yīng)分類：第一類超導(dǎo)體和第二類超導(dǎo)體 ? 第一類超導(dǎo)體（軟超導(dǎo)體） 當(dāng) H HC 時(shí) ， B＝ 0（ B 為磁感應(yīng)強(qiáng)度） 當(dāng) H HC 時(shí) ， B＝ μH 第一類超導(dǎo)體只有一個(gè)臨界磁場(chǎng)，即 HC 只有一個(gè)特征值。 超導(dǎo)體的基本特性 特性四： 約瑟夫森（ B D Josephson） 效應(yīng) （承擔(dān)超導(dǎo)電的超導(dǎo)電子還可以穿越極薄絕緣體勢(shì)壘） 經(jīng)典力學(xué)中 ， 若兩個(gè)區(qū)域被一個(gè)勢(shì)壘隔開(kāi) ， 則只有粒子具有足夠的能量時(shí) ， 其才會(huì)從一個(gè)區(qū)域進(jìn)入另一個(gè)區(qū)域 。 當(dāng)溫度超過(guò)臨界溫度時(shí)，超導(dǎo)態(tài)就消失；同時(shí)，當(dāng)超過(guò)臨界電流或者臨界磁場(chǎng)時(shí)，超導(dǎo)態(tài)也會(huì)消失，三者具有明顯的相關(guān)性。 這一現(xiàn)象為邁斯納（ Meissner） 1933年發(fā)現(xiàn) ， 稱為邁斯納效應(yīng) 。 （一）超導(dǎo)體的基本特性 特性一： 完全導(dǎo)電性（零電阻） File和 Mills利用精確核磁共振方法測(cè)量超導(dǎo)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng) ，來(lái)研究螺線管內(nèi)超導(dǎo)電流的衰變 ， 得出的結(jié)論是超導(dǎo)電流的衰變時(shí)間不短于 10萬(wàn)年 。 定義： 超導(dǎo)電現(xiàn)象 ：材料的電阻隨溫度降低而減小并最終出現(xiàn)零電阻的現(xiàn)象 。 這種現(xiàn)象稱為汞的超導(dǎo)現(xiàn)象 。 二元系固溶體半導(dǎo)體 BiSb 三元系固溶體半導(dǎo)體 （碲鎘汞） Hg1xCdxTe （鎵砷磷） GeAs1xPx 最重要的紅外探測(cè)器材料 用于高速響應(yīng)器件 、 光通信等 半導(dǎo)體材料的應(yīng)用 半導(dǎo)體材料在集成電路上的應(yīng)用：最早用鍺單晶制造二極管和三極管；現(xiàn)在發(fā)展硅器件 ， 以硅單晶為基材的集成電路在電子器件中占主導(dǎo)地位 。 2. 化合物半導(dǎo)體 二元化合物 GaAs（砷化鎵）、 CdS鎘、 SiC、 GeS鍺、AsSe3硒等。 P型半導(dǎo)體逾量空穴處于受主能級(jí)。 例如 Si摻雜十億分之一 As時(shí) ， 其 Eg為 1019 J， Ed為 1021 J。 雜質(zhì)半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu) N型半導(dǎo)體逾量電子處于施主能級(jí)，施主能級(jí)與導(dǎo)帶底能級(jí)之差 Ed遠(yuǎn)小于禁帶寬度 Eg（ 相差近三個(gè)數(shù)量級(jí)）。 ? p型半導(dǎo)體 （ 空穴型 ， 受主型 ） Ⅳ A族元素 （ C、 Si、 Ge、 Sn） 中摻入以 Ⅲ A族元素 （ 如 B）時(shí) ， 摻雜元素的價(jià)電子少于純?cè)氐膬r(jià)電子 ， 它們的原子