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陶瓷材料的磁特性
2022年08月24日 发布 分类:粉体入门 点击量:276
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陶瓷的许多磁特性类似于其介电特性。磁极化和介电极化、永久电偶极子和永久磁偶极子、自发磁化和自发电矩以及磁现象和介电现象之间的其他相似性也很明显。然而存在单独的正电荷和负电荷(单极),却并不存在相应的磁单极,这是因为磁场起因于自旋电子或通电线圈。

随着固体电子学领域的日益扩展,陶瓷材料的磁特性显得愈加重要。虽然人们早已知道天然磁铁(Fe203)的磁性是有用的,而且在13世纪开始用于指南针,但是直到1946年JL.Snoeck 才在荷兰 Philips 实验室研究出强磁性、高电阻率、低弛豫损耗的氧化物陶瓷。磁性陶瓷常用作高频器件,由于陶瓷中的亚铁磁氧化物有较高的电阻率,使它比金属优越得多;近30年来,随着这种技术的发展,磁性陶瓷在收音机、电视和电子器件方面的应用日益增加。磁性陶瓷在数字计算机中用做开关时间快的记忆元件,这是导致计算机技术蓬勃发展的主要原因。在一些微波器件和依靠永磁的器件中,磁性陶瓷作为各种专用的电路元件而起重要的作用。

磁现象

磁铁吸引铁、钴、镍等物质的性质称为磁性。磁铁两端磁性强的区域称为磁极,一端为北极(N极),一端为南极(S极)。实验证明,同名磁极相互排斥,异名磁极相互吸引。

铁中有许多具有两个异性磁极的原磁体,在无外磁场作用时,这些原磁体排列紊乱,它们的磁性相互抵消,对外不显示磁性。当把铁靠近磁铁时,这些原磁体在磁铁的作用下,整齐地排列起来,使靠近磁铁的一端具有与磁铁极性相反的极性而相互吸引。这说明铁中由于原磁体的存在能够被磁铁所磁化。而铜、铝等金属是没有原磁体结构的,所以不能被磁铁所吸引。


1、抗磁性材料

抗磁性是普遍存在的,它是所有物质在外磁场作用下毫不例外地具有的一种属性。外磁场穿过电子轨道时,引起的电磁感应使轨道电子加速。根据焦耳-楞次定律,由轨道电子的这种加速运动所引起的磁通,总是与外磁场变化相反,因而磁化率k总是负的。

任何物体在磁场作用下,都会产生抗磁性效应。但因抗磁性很弱,若物体具有顺磁性或序磁性(见铁磁性)时,抗磁性就被掩盖了。因此,从原子结构来看,呈现抗磁性的物体是由具有满电子壳层结构的原子、离子或分子组成的,如惰性气体、食盐、水以及绝大多数有机化合物等。由于迈斯纳效应,超导体是理想的抗磁体(见超导电性)。抗磁磁化率与磁场和温度无关。但也有例外,如石墨、铋等。

2、顺磁性材料

一些物质在受到外磁场作用后,感生出与外磁场同向的磁化强度,其磁化率大于零,但数值很小,仅为10-510-3数量级,这种材料称为顺磁性材料。顺磁性物质的磁化率与温度有密切关系。顺磁性物质包括稀土金属和铁族元素的盐类等。

顺磁性有其重要的应用,从顺磁物质的顺磁性和顺磁共振可以研究其结构,特别是电子组态结构;顺磁微波量子放大器是早期研制和应用的一种超低噪声的微波放大器,促进了激光器的研究和发明,在生命科学中,如血红蛋白和肌红蛋白在未同氧结合时为顺磁性,同氧结合后转变为抗磁性,这两种弱磁性的相互转变反映了生物体内的氧化还原过程 ,其磁性研究成为生命现象的一种方法;目前医学上从核磁共振成像技术发展到电子顺磁共振成像技术,可以显示生物体内顺磁物质(如血红蛋白和自由基等)的分布和变化,此外某些测氧仪利用了顺磁性的原理。


顺磁共振波谱仪

碱金属和除、钴、镍以外的过度元素都具有顺磁性。

3、磁畴

铁磁体材料在自发磁化的过程中为降低静磁能而产生分化的方向各异的小型磁化区域,每个区域内部包含大量原子,这些原子的磁矩都像一个个小磁铁那样整齐排列,但相邻的不同区域之间原子磁矩排列的方向不同,如下图所示。


在铁磁性物质内部,由于原子的磁矩不等于零,每一个原子的表现就好似微小的永久磁铁。假设聚集于一个小区域的原子,其磁矩都均匀地同向平行排列,则称这小区域为磁畴或外斯畴。使用磁力显微镜可以观测到磁畴。

磁畴的种类分为:

a)单独磁畴。

b)两个异向磁畴。

c)多个磁畴,最小能量态。

磁畴所生成的磁场以带箭头细曲线表示。磁化强度以带箭头粗直线表示。

三种铁磁性物质:纯铁、硅铁和钴,磁畴结构如图。纯铁(图2a)的磁畴结构为迷宫形状,硅铁(图2b)则是针叶形状,钴(图2c)的磁畴结构与纯铁和硅铁都不相同。

磁畴

磁畴

磁畴的形状、尺寸、磁畴壁的厚度由交换能、退磁场能、磁晶各向异性能及磁弹性能来决定。平衡状态的磁畴结构,应具有最小的能量。


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