磁特性与磁性材料

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1、第2章固體材料的電性P2-21第8章磁特性與磁性材料8.1磁性理論8.2磁性材料分類8.3磁特性8.4軟磁材料8.5硬磁材料8.6鐵氧磁體8.7特殊磁性材料是重要的電工材料之一，除了在傳統的電機應用上扮演重要角色外，在先進的電子資訊工程領域中，亦扮演重要角色。磁性材料第2章固體材料的電性P2-212.1磁性理論材料的磁性理論，一般的基本電學與電磁學已有詳盡的介紹。以下我們簡單摘要磁性理論相關的物理量，材料內的磁學有關的物理量與單位依據電磁學的安培迴路定律可知，電流迴路會在週圍產生磁場，磁場強度H與電流i的關係為，H的單位為安培/米(奧斯特

2、)。相對感應的磁通密度為B，即單位面積通過的磁通量。B的單位為韋伯/米2(=104高斯)。在真空中B與H的關係可寫成。m0為真空中的導磁係數(magneticpermeability)。亨利/米。導磁係數在固體磁性材料內，既使沒有外加磁場，仍有磁的現象，這是因為材料內部有另一種磁的來源。電子在原子軌道上運動與本身自旋所產生的磁距(magneticmoment)，也會對磁通量密度有貢獻，因此可視為另一種磁的來源。磁距的大小。i為電子環狀運行產生的等效電流，A為軌道面積。在巨觀尺度上，我們定義材料內單位體積的磁矩M，稱為磁化強度(magnet

3、ization)。M與外加磁場H的關係可寫成，其中cm為磁化係數(magneticsusceptibility)。在加入磁化強度M後，B與H的關係改寫成其中相對導磁係數，導磁係數磁化係數cm。由上述公式的推導可知，材料的磁通量密度B性和與導磁係數m有密切的關係。磁性材料是依其磁特性來做分類。依照簡化的原子模型，電子以一特殊的圓形軌道繞著原子核做圓周運動，電子本身並做自旋運動。此外，原子核本身亦做自旋運動。由於電荷運動會產生電流，電子的這些軌道與自旋運動相當是原子尺度的電流迴路。一電流迴路會產生一個類似電偶極的磁偶極。因此每個原子的磁偶極矩

4、可視為電子軌道運動，電子自旋，原子核自旋所產生磁偶極的總和。由於原子核的質量較重，所以原子核自旋的速度遠小於電子自旋的速度。因此原子核自旋對應的電流遠小於電子自旋的等效電流貢獻，所以原子核自旋所造成的磁偶極相對其它兩個效應相比，可以忽略。見圖2.32(a)與(b)。磁偶極的強度可用磁偶極矩m來表示，如第2章固體材料的電性P2-21圖2.32磁偶極圖示(a)沿軸方向看(b)由側面看(2.102)與定義為(2.103)和(2.104)為磁性材料的相對導磁係數(relativepermeability)，為導磁係數。導磁係數已經包含材料的磁化效

5、應。因此H在真空與磁性介質的兩種情形皆相同。B則不同，必須使用取代。然而，一般情形並非如此簡單，因為磁性物質改變原始場的分佈。在範例2.11的情形，原始場不會受到磁性材料的改變。同樣地，在非磁均勻磁化率的情形中，相當磁性物質內有一等效的磁體積電流，加上邊界上的表面電流。然而，這都只要計算導磁係數即可。對非等向性磁性材料，H與B不平行，且兩者的關係可用矩陣表示(2.107)這種情況正如同非等向性介電材料的D與E關係。磁的單位磁物理量SI制cgs制磁通密度B=高斯(Gauss)磁場強度H=奧斯特(Oe)磁化強度M第2章固體材料的電性P2-21

6、2.2磁性材料分類反磁性反磁性(diamagnetism)：許多材料內一個原子的淨磁偶極矩為零，即各種的電子軌道和自旋運動所造成的磁偶極矩的平均總和為零。這些材料在外加磁場時，會感應一反向的淨磁偶極矩，這種磁化稱為反磁性(diamagnetism)。反磁性一般都非常微弱，磁化係數m的數量級僅約10-5。只有其它型式的磁性都顯現不出來時，才會被觀察出來，在電工材料的用途並不大。事實上所有的材料都具有此一特性，例如常見的導電金屬如銅(Cu)，銀(Ag)，金(Au)等材料，皆顯現反磁性。順磁性順磁性(paramagnetism)些材料既使在無外

7、加磁場下，每個原子具有不為零的淨磁矩。雖然每個原子的磁矩不為零，然而方向為散亂分佈，致使巨觀的淨磁矩為零。當有外加磁場時，每個各別的磁偶極矩受到一力矩作用，而使其朝磁場方向轉動，如圖2.33所示。這種磁化現象稱為順磁性(paramagnetism)。順磁性的磁化係數m數量級約在10-3~10-5。常見顯現順磁性的導電金屬如銅(Cu)，銀(Ag)，金(Au)等材料。一般順磁性的用途不大，絕熱去磁，超低溫冷凍技術，可將溫度降低到1°K以下。原理是：一定溫度下，順磁性材料內的磁距排列，因外加磁場作用變得更有序，可降低系統熵(亂度)，當移走磁場，

8、因系統絕熱，不增加熵(不破壞磁距排列亂度)，….。此外，其它還有一類磁性材料，例如鐵磁性(ferromagnetic)，反鐵磁性(antiferromagnetic)，以及鐵氧磁性(ferri