=
9.27 *10^(-24) A·m2
*
10^(-3) oersted彼此影響而抵銷）；必須要如過渡元素[Tab.18-5]具有內層未填滿（能階）軌域才有可
能。每一個這樣的原子都是一個磁雙極。
(exchange interaction) ，使一個原子內的磁雙極排列會影響到其周圍的原子磁雙極排列。
| 材料科學導論 |
| 1. 磁雙極與磁矩 (Magnetic Dipoles and Magnetic Moments) |
| A. 電子的磁矩(magnetic moment)稱為Bohr magneton— |
| Bohr
magneton = =
9.27 *10^(-24) A·m2 |
| 其中：q = 電子的電荷，h = Planck’s constant |
| me
= 電子的質量。 1 A·m^2 = 4*
10^(-3) oersted |
| B. 電子的磁矩是由其繞原子核運動和自旋等兩個因素造成。[Fig.18-12] |
| C.
含有不成對價電子的原子並不會表現出永久磁矩（因為會與鄰近原子的不成對價電子 彼此影響而抵銷）；必須要如過渡元素[Tab.18-5]具有內層未填滿（能階）軌域才有可 能。每一個這樣的原子都是一個磁雙極。 |
| D.
大多數過渡元素與磁場反應時會使總磁矩為零。只有鐵、鈷和鎳會發生「交換作用」 (exchange interaction) ，使一個原子內的磁雙極排列會影響到其周圍的原子磁雙極排列。 |
| 2. 磁化強度、導磁率與磁場(Magnetization,
Permeability, and Magnetic Field) |
| A.
磁化(Magnetization)—使誘發感應(induced)或永久磁雙極與外加磁場反應排列;
增強磁場 的影響力，且要比無此磁化材料時儲存更大的能量。 |
| B.
磁場H = 0.4n I / l
(n = 線圈的圈數，l = 線圈的長度，I = 電流) [Fig.18-13] |
| C. 磁通量密度B (又稱為磁感應inductance，單位高斯)與磁場H成比例─ |
 真空─
B = H
(=
真空導磁率 = 1 gauss/oersted) |
材料─
B =  H
(=
導磁率 ，單位 gauss/oersted) |
D.
如果材料的磁矩加強磁場
>
|
| 如果材料的磁矩抵抗磁場
<
|
E.
常用相對導磁率
=/來形容一種磁性材料的影響。(類似介電常數,
即dielectric constant, 或 relative permittivity) |
| F. 所以磁化強度(Magnetization，M)也代表了因加入此材料在磁場核心所增加的磁通量。 |
所以
B =
H = H
+M
M |
| 因為M通常要比H大許多，所以常寫成
B = M。 |
G.
磁化率(magnetic susceptibility,
 )
是磁化強度與所加磁場的比例， 即材料所造成的磁場加強倍數─
= M/H |
| 3. 磁雙極與磁場的反應
(Interactions between Magnetic Dipoles and the Magnetic Field) [Fig.18-14] |
| A.
反磁性 (Diamagnetic Behavior)
|
| 外加磁場會使任何一種原子形成抵抗磁場的磁雙極，造成磁化小於零，稱之為反磁性 |
| [ (<
)
，相對導磁率
0.99995 ]。 |
| B. 順磁性 (Paramagnetism) |
| 任何含有不成對電子的原子都具有一磁矩。這些磁矩會隨外加磁場而排列，造成正的 |
|
磁化(>
)。但是因為磁雙極彼此並無作用，需要極強的磁場才能把所有的磁雙 |
|
極排列整齊。此外，一旦磁場移去，排列的現像就立刻消失。 [相對導磁率<
1.01] |
| C. 鐵磁性 (Ferromagnetism) |
| 鐵、鈷和鎳有內層未填滿的電子（能階）軌域，形成永久磁雙極，輕易的隨外加磁場 |
| 排列(因為「交換作用」)。小磁場即可造成大磁化強度。
[相對導磁率106] |
| D. 反鐵磁性 (Antiferromagnetism) |
| 一些材料如錳、鉻、MnO和NiO，其中的單獨磁矩非常強，但相鄰的磁雙極彼此相反 |
| 排列而抵銷(磁化為零)。[Fig.18-15] |
| E. 亞鐵磁性 (Ferrimagnetism) |
| 陶瓷材料中，不同的離子有不同的磁矩。在外加磁場中，A離子的磁雙極可能與磁場 |
| 順向排列，B離子卻與磁場反向排列。但因兩者磁雙極的強度不同，因而造成磁化。 |
| 4. 磁域構造與磁滯迴線 (Domain Structure and the Hysteresis Loop) |
| ─ 磁域：材料中的小區域，其中所有的磁雙極都同向排列。(<
50) |
| ─Bloch
walls：磁域與磁域間的邊界，類似晶界。(~0.1)
[Fig.18-16] |
| A. 磁場中磁域的移動 (Movement of Domains in a Magnetic Field) |
| 當有外加磁場時，幾乎排列好的磁域會長大─Bloch
walls一定要移動，而磁場提供了 |
| 移動所需要的力。過程則是：開始難，中間易，最後飽和。[Fig.18-17] |
| B. 除去磁場的效應 (Effect of Removing the Field) |
| 當除去磁場後，磁域的阻力使其不易恢復混亂排列。因此許多磁域仍保持原方向排列 |
| ，擁有部份磁性，稱之為殘磁(remanence) 。有大殘磁的材料可做永久磁鐵。[Fig.18-18] |
| C. 交變磁場的效應 (Effect of an Alternating Field) |
| 如加一反向磁場，磁域會開始順著反向排列。需加一矯頑磁場(coercive
field, Hc)才能將 |
| 磁域恢復呈混亂狀態。繼續增加反向磁場則會使磁域向相反方向排列而達到飽和。 |
| 磁場不斷變換方向，磁化-磁場做圖會形成一迴路，稱之為磁滯迴線(hysteresis
loop)。 |
| D. 磁致伸縮 (Magnetostriction) |
| 類似介電材料之電致伸縮，與雙極間之相互吸引與排斥有關。 |
| 5. 磁化─磁場曲線的應用 (Application of the Magnetization-Field Curve) |
| ─ 材料在磁場中的性質與其磁滯迴線的大小和形狀有關。[Fig.18-19] |
| A.
用在電氣方面的磁性材料 (Magnetic Materials for Electrical Applications) |
| 鐵磁性材料用在─電磁鐵的核心、馬達、變壓器、發電機等。 |
| 此類鐵磁性材料又稱為軟磁鐵
(soft magnet)，具有以下特性：高飽和磁化強度，高導 |
| 磁率，小矯頑磁力，和小的殘磁。小磁滯迴線，以減少操作時的能量損失。一些 |
| 重要的軟磁鐵列在Tab.18-6。 |
| 如果操作時的頻率太高，磁域來不及排列好，整個裝置就會因為雙極摩擦而發熱 |
| （如同介電材料）。 |
| 能量也會因渦電流而喪失。在操作時，磁場會在材料中生出感應電流，稱之為渦電流 |
| (eddy current)。尤其在高頻時更為嚴重。如果材料的電阻很高，渦電流即可減至最低。 |
| 由陶瓷材料製成的軟磁鐵因為其高電阻，所以較不易發熱。 |
| B. 用作電腦記憶體的磁性材料 (Magnetic Materials for Computer Memories) |
| 具有以下特性：方形的磁滯迴線，小的殘磁，低飽和磁化強度，小矯頑磁力。
|
| 含有錳、鎂、或鈷的Ferrite可以達到這種要求。 |
| C. 用作永久磁鐵的磁性材料 (Magnetic Materials for Permanent Magnets) |
| 永久磁鐵材料具有以下特性：大的殘磁，高導磁率，大矯頑磁場，與高能量 |
| (高BH值)。硬磁鐵
(hard magnet) 。[Tab.18-7] |
| 磁鐵的能量與磁滯迴線的大小有關─即B和H的最大乘積。[Fig.18-20]
�� 大的殘磁與 |
| 大矯頑磁場。 |
| 6. 居禮溫度 (The Curie Temperature) |
| 當溫度升高，熱量使磁域更易移動。因此飽和磁化強度、殘磁、和矯頑磁場都隨著 |
| 溫度的升高而降低。[Fig.18-22] 如果超過居禮溫度，其鐵磁性就會完全消失。 |
| 居禮溫度[Tab.18-8] 是由磁性材料的種類來決定，而且會隨著合金元素而改變。 |
| 居禮溫度以上磁雙極仍會隨著磁場而排列，但在磁場移去後就會成混亂排列。 |
| 成為順磁性材料。 |
| 7. 磁性材料 (Magnetic Materials) |
| A.
磁性金屬 (Magnetic Metals) |
| 純鐵、鎳和鈷並不常用來做電氣方面的應用。因為它們的高導電性和大磁滯曲線， |
| 造成過多的能量損失。它們也是頗糟糕的永久磁鐵，磁域會被輕易的重排，而且比起 |
| 較複雜的合金來其殘磁(remanence)和BH值太小。 |
| 加入一些缺陷可以改進鐵、鎳和鈷的磁性質。因為差排、晶界、點缺陷等可以阻止磁 |
| 域的移動。 |
| B. 鐵鎳合金 (Iron-Nickel Alloys) |
| 一些鐵鎳合金，如Permalloy，有高導磁率，非常適合做軟磁鐵。可以用作讀取電腦磁 |
| 片資料的磁頭─利用電磁感應來寫和讀。[Fig 18-23，並參見下一節的磁電阻性] |
| C. 矽鐵 (Silicon Iron) |
| 純鐵不適合做馬達或發電機；加入3-5%矽會(1)增進導磁率，(2)減少矯頑磁力 |
| (coercive force) (3)提高電阻，減小渦電流。 |
| D. 複合性磁鐵 (Composite Magnets) |
| 將薄層矽鐵疊成層狀可以進一步的提高電阻，減小渦電流。在低至中頻率非常適用。 |
| 在高頻時，渦電流造成的能量損失會更為明顯，因為磁域已無法及時順著磁場排列。 |
| 這種情形下，可以用含有磁域一樣大小磁性顆粒的聚合物。磁性顆粒會很容易的排列 |
| ，高電阻的聚合物也會阻礙渦電流。 |
| E. 金屬玻璃 (Metallic Glasses) |
| 金屬可以被急速冷卻作成薄片，再把非晶質的薄片疊成較大的材料。這類材料是軟磁 |
| 鐵性，具有高導磁率，而且因為沒有晶界，所以磁域可以輕易的移動。此外，其高電 |
| 阻也可以減少渦電流。 |
| F. 磁帶 (Magnetic Tape) |
| 必須具有方形的磁滯迴線，和小矯頑磁力，才能快速的傳輸資料。錄音和錄影用的磁 |
| 帶是用evaporating, sputtering,或把磁性小顆粒（如Fe2O3）放置在聚合物的帶子上而製成 |
| G. 複雜金屬合金永久磁鐵 (Complex Metallic Alloys for Permanent Magnets) |
| 一個顆粒只有一個磁域。因此沒有Bloch
walls，只有晶界─磁域只能旋轉而排列（需 |
| 更大的能量），不能移動Bloch walls。 |
| 可以用「相變」與「粉末冶金」方法來製造此類材料（如Alnico）。 |
| H. 亞鐵磁性陶瓷材料 (Ferrimagnetic Ceramic Materials) |
| 常見的陶瓷磁鐵ferrites具有尖晶石構造[Fig.18-26]。因其亞鐵磁性而具有強磁性。 |
| 以Fe3O4
(magnetite)為例─Fe2+Fe23+O42- [Fig.18-27] |
| Fe2+具有4個Bohr magnetons – octahedral site |
| Fe3+具有5個Bohr magnetons – octahedral site和tetrahedral site |
| 常見的陶瓷磁鐵ferrites還有石榴子石構造。如Y3Fe5O12
(YIG)。 |
| 8. 磁電阻性 (Magnetoresistive effec) |
| A. 磁電阻MR(Magnetoresistance) |
| 80/20 Permalloy (Ni0.80Fe0.20) [比電感磁頭好5倍~ 5Gb/in2] |
| B. 巨磁電阻GMR(Giant Magnetoresistance) |
| Fe/Cr superlattice [比電感磁頭好10倍~ 10Gb/in2] |
| C. 超巨磁電阻CMR(Colossal Magnetoresistance) |
| LaMnO3 [比巨磁電阻磁頭好25000倍] |