磁學與磁性材料導論.PDF

3.15 磁學基礎 C.A.Ross, 材料科學與工程學系, 麻省理工學院 參考資料： Jiles ，磁學與磁性材料導論 磁性數值與單位 H=磁場強度，A/m – 表示能量梯度或偶極的力矩 2 B=磁通量密度，T 或 Wb/m – 每單位面積通過的磁力線數 M=磁化強度， A/m – 磁矩，材料對場的反應 磁場強度由電流產生： 電流 i 在半徑r產生切線場 H = i/2 πr 或由磁性材料而來。 在自由空間中磁通量密度由 -7 B = μH μ= 4π*10 Henry/m 磁場強度決定 o o 但在材料中 B = μ (H + M) o 或 B = μ μH μ =相對磁導率 o r r 或 M = H(μ - 1) r 或 M = χH χ = (μ - 1) =磁化率 r 磁化強度與磁通量密度表示材料對於磁場場度H的反應。磁通量密度的場線是連續 的。 註，相同的表示式以cgs單位表示： B (Oersted) = H (Gauss) + 4πM (emu/cc) 在此 1 Oe = (1000/4π) A/m = 79.6 A/m -4 1 G = 10 T 1 emu/cc = 1 kA/m 不同種類的材料 反磁：原子沒有淨磁矩，但磁場會產生與外加場相反的小磁矩，磁化率為負的(μr 1) 。 順磁：原子有淨磁矩但自旋方向是任意排列。外加磁場會使其有弱的排列方向，因 此小的磁化率隨溫度的倒數而變(μ 1) 。 r 鐵磁有自發的磁化強度，及大的磁導率，其與樣品的經歷有關，具有非線性的磁滯 現象。 磁性行為的源由 電荷的移動使得電子的角動量產生磁化。 磁化由1)電子自旋，2)電子軌道運動而來。 成對電子的貢獻會互相抵銷，所以強磁效應發生在材料具有未成對的電子。 -24 2 一個電子具有1 μB (波耳磁子) = 9.27*10 Am 的動量 Stern-Gerlach與Zeeman的實驗指出了原子有磁化的量子現象。 我們預期在過渡金屬(未填滿3d軌域)及稀土元素(未填滿4f軌域)有大的磁性現象，因 為它們有大的淨自旋。 3+ 5 例如：Fe 有 3d ：預期每個原子有5μ (忽略軌道的貢獻) B 8 Fe 有 3d ：預期每個原子有2μB 鐵磁物質之鄰近原子因為交換耦合，會有自旋的自發排序。假若自旋有一角度θ ， 交換能= A (1 – cosθ) -20 在此A式交換常數，如對鐵而言是1.4*10 J 負A表示反向平行排列：材料是反鐵磁性或陶鐵磁性。 在居禮溫度之上，自旋是隨機排列，所以kT ~ A(對鐵而言是770°C) 排列整齊的自旋形成磁區，每個磁區通常