第四章材料的磁学性能.
材料物理性能-_磁学性能
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4. 磁感应强度和磁导率（P133） 材料在磁场强度为 H 的外加磁场（直流、交变或脉冲磁 场）作用下，会在材料内部产生一定的磁通量密度，称其为 磁感应强度B，即在强度为H的磁场中被磁化后，物质内磁场 强度的大小。 在真空中，磁感应强度为：
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二、技术磁化（P154）
对未经外磁场磁化的 ( 或处于退磁状态的 ) 铁磁体，它们 在宏观上并不显示磁性，这说明物质内部各部分的自发磁化 强度的取向是杂乱的。因而物质的磁畴决不会是单畴，而是
由许多小磁畴组成的。
技术磁化：在外磁场作用下，铁磁体从完全退磁状态磁化到 饱和的内部变化过程。
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铁磁体在外磁场中的磁化过程主要为畴壁的 移动和磁畴内磁矩的转向。
因而自发磁化强度降低，铁磁性消失。这一温度称为居里 点Tc。在居里点以上，材料表现为顺磁性。
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4. 反铁磁性和亚铁磁性（P132、P144） 如果交换积分 A＜0时，则原于磁矩取反向平行排列能量最 低。如果相邻原子磁矩相等，由于原子磁矩反平行排列，原
子磁矩相互抵消，自发磁化强度等于零。这样一种特性称为
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磁学与电学基本物理量的比较 电学物理量 (单位) 磁学物理量 (单位)
J E P 0E
电流强度 I (A)
磁通量 Ф (Wb)
电流密度 J (A/m2)
电场强度 E (V/m)
磁通密度 B (Wb/m2)
磁场强度 H (A/m)
B H M H
r 1
电导率σ (Ω-1· m-1)
B0 0 H
式中μ0为真空磁导率
0 4 107 H / m
永磁材料的性能和选用
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磁滞回线在第二象限的部分称为退磁曲线， 它是永磁材料的基本特性曲线。退磁曲线中磁 感应强度Bm为正值而磁场强度Hm为负值。这 说明永磁材料中磁感应强度Bm与磁场强度Hm 的方向相反，磁通经过永磁体时，沿磁通方向 的磁位差不是降落而是升高。这就是说，永磁 体是一个磁源，类似于电路中的电源。 退磁曲线的磁场强度Hm为负值还表明， 此时作用于永磁体的是退磁磁场强度。退磁磁 场强度|Hm|越大，永磁体的磁感应强度就越小。 退磁曲线的两个极限位置是表征永磁材 料磁性能的两个重要参数。退磁曲线上磁场强 度H为零时相应的磁感应强度值称为剩余磁感 应强度，又称剩余磁通密度，简称剩磁密度， 符号为Br。退磁曲线上磁感应强度B为零时相 应的磁场强度值称为磁感应强度矫顽力，简称 矫顽力，符号为HcB或BHc，常简写为Hc。
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依据铝镍钴永磁材料矫顽力低的特点，在使用过程中， 严格禁止它与任何铁器接触，以免造成局部的不可逆退磁或 磁通分布的畸变。另外，为了加强它的抗去磁能力，铝镍钴 永磁磁极往往设计成长柱体或长棒形。 铝镍钴永磁硬而脆，可加工性能较差，仅能进行少量磨 削或电火花加工，因此加工成特殊形状比较困难。
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1．3内禀退磁曲线 退磁曲线和回复线表征的是永磁材料对外呈现的磁感应 强度B与磁场强度H之间的关系。还需要另一种表征永磁材料 内在磁性能的曲线。 由铁磁学理论可知，在真空中磁感应强度与磁场强度间 的关系为
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上式表明，磁性材料在外磁场作用下被磁化后大大加强 了磁场。这时磁感应强度B含有两个分量，一部分是与真空 中一样的分量，另一部分是由磁性材料磁化后产生的分量。 后一部分是物质磁化后内在的磁感应强度，称为内禀磁 感应强度Bi，又称磁极比强度，J。描述内禀磁感应强度Bi(J) 与磁场强度H关系的曲线称为内禀退磁曲线，简称内禀曲线。
第四章第一讲材料科学与工程基础(顾宜
幻灯片20
(1)纯弹性型
A陶瓷、岩石、大多数玻璃
B高度交联的聚合物
C以及一些低温下的金属材料。
(2)弹性-均匀塑性型
A许多金属及合金、
B部分陶瓷
C非晶态高聚物。
(3)弹性-不均匀塑性型
A低温和高应变速率下的面心立方金属，
B某些含碳原子的体心立方铁合金
C以及铝合金低溶质固溶体。
K=σ/(ΔV/V)=6.89Mpa/[1-0.9883]=193.7Mpa
E=σ/ε=516.8Kpa/2.1%=24.6Mpa
ν=0.5(1-E/3K)=0.48
幻灯片36
金属晶体、离子晶体、共价晶体等的变形通常表现为普弹性，主要的特点是：
A应变在应力作用下瞬时产生，
B应力去除后瞬时消失，
C服从虎克定律。
比例极限
弹性变形时应力与应变严格成正比关系的上限应力
p = F p / S 0
条件比例极限
tan’/tan=150%
p50
代表材料对极微量塑性变形的抗力
切线
幻灯片45
（条件）弹性极限最大弹性变形时的应力值。
弹性比功弹性应变能密度。材料吸收变形功而又不发生
永久变形的能力W=/2=2/2E
残留变形时的应力
高分子材料通常表现为高弹性和粘弹性
幻灯片37
幻灯片38
2.有机聚合物的弹性、粘弹性
Elasticity and Visco-elasticity of Polymers
⑴高弹性，即橡胶弹性(rubberlike elasticity)
①弹性模量小、形变大。
A一般材料，如铜、钢等，形
变量最大为1左右，
第四章材料结构与磁学性能
第4章 材料的结构与磁学性能4.1 固体物质的磁性来源4.2 固体物质的磁性分类4.3磁畴与磁化曲线4.4 铁氧体的结构与性能4.5磁性材料的结构与性能4.6 磁性材料的物理效应第4章 材料的结构与磁学性能进入21世纪以来，新材料的重要性逐步被人们认知，磁性材料的理论、生产及其应用也得到了快速发展，已经成为信息、航空航天、通信、人体健康等领域的重要材料基础。
本章主要介绍固体物质磁性的基本知识，包括磁性来源、磁性分类、磁畴与磁化曲线、铁氧体的结构与性能、磁性材料的物理效应及磁性材料的主要应用等，重点阐述铁氧体磁性材料的结构与性能。
4.1 固体物质的磁性来源物质在不均匀磁场中受到磁力作用的性质，称为磁性，是物质的基本物理属性。
最直观的表现是两个磁体之间的吸引力和排斥力。
物质的磁性来源于原子，原子的磁性来源于核外电子和原子核。
原子结合起来产生宏观物质的磁性，因此任何物质均具有磁性，磁性强的一般称为磁性材料，习惯上的非磁性或者无磁性只是弱磁性不易被人们觉察而已。
具有广泛应用的磁性材料的性能则受到晶体结构和显微结构的显著影响，是理论研究和生产控制的重要内容。
4.1.1磁矩（magnetic moment ）磁体上磁性最强的部分称为磁极，磁极有N 、S 极，以正负对的形式存在，磁极的周围存在磁场。
磁极上带有的磁量叫磁荷或磁极强度，两个磁荷（磁极强度）q 1、q 2之间的相互作用力F 的大小为：221r q q k F = 4.1 式中r 为磁极间距，k 为常数。
紧密结合在一起的正负磁极称为元磁偶极子，尚没有观察到磁单极子的存在。
定义偶极子的磁偶极矩p:qr p = 4.2又称为磁偶极子的力矩，方向由S 极指向N 极。
任何一个封闭的电流都具有磁矩，其方向与环形电流法线的方向一致，其大小为电流与封闭环形的面积的乘积:S I m ∆= 4.3磁矩m 的单位为安培平方米A ·m 2，磁矩是表示磁体本质的一个物理量，与磁偶极矩的关系为：m p 0μ= 4.4μ0是真空的磁导率，μ0＝4π×10-7（H/m ）。
材料磁学性能-磁学性能(第四节)
50Cu 34Fe7Al 15Ni35Co 4Cu5Ti
0.95
5900
2600
0.54
44000
12000
0.34
54000
6400
0.76
123000 36000
BaO-6Fe2O3
0.32
240000 20000
TC （oC）
⎯ 760 410 860
860
450
电阻率 ρ ( Ω·m )
部分磁粉的性能
γ-Fe2O3 CrO2 CoFe 金属颗粒 钡铁氧体
比表面积 （m2/g）
15∼50
15∼40
20∼50
30∼60
25∼70
颗粒尺寸 （nm） 270∼500 190∼400 150∼400 120∼300 500∼200
颗粒体积 （10-5μm3） 30∼200 10∼100 5∼100
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理想的磁光存储材料应具备以下基本性能：
材料的饱和磁化强度MS应偏小，以使磁光存储薄膜的磁化矢量垂直于膜面 薄膜的磁滞回线必须是矩形，即剩磁比为1，从而确保良好的记录开关特性 适中的居里温度，否则记录用半导体激光器的功率要增大 稳定的记录位尺寸d可以粗略地用d ∝1/HC表示，因此材料的矫顽力要足够大 记录材料要有高的热传导率，当激光作用时，记录介质能快速升温和冷却 热稳定性好，在记录/擦除激光光束反复作用下，材料的结构不发生变化 优良的抗氧化、抗腐蚀性能，要求存储介质经长期存放后性能不变 大面积成膜容易
易去磁，即磁滞回线很窄
高的磁导率和小的矫顽力要求材料的结构尽 量均匀，没有缺陷，在磁学上各向同性
若要在交变磁场中用作软磁材料，铁磁体应 有较大的电阻率，这可以通过材料的合金化 来做到，如铁-硅合金、铁-镍合金等
磁学性能
物质的磁性
铁氧体
磁性材料
物质的磁性
一 、磁化、磁化强度和磁化率
1、磁化
物质在磁场中由于受磁场的作用而表现 出一定的磁性，这种现象就称之为磁化。
2、磁化强度
磁化强物理量 —— 单位体积的总磁矩
M
Pm V
3、磁化率
M H
Bi,Cu,Ag,Au 等金属具有这种性质
抗磁性物质放入外磁场中，外磁场使电
子轨道改变，产生一个磁矩，该磁矩的
方向与外磁场方向相反
抗磁性物质的抗磁性一般很微弱，磁化
率一般约为-10-5，为负值
顺磁性
顺磁性物质的主要特征是不论外加磁
场是否存在，原子内部存在永久磁矩。 无外加磁场时，顺磁物质的原子做无 规则的热振动，宏观看来，没有磁性； 外加磁场作用下，每个原子磁矩比较 规则的取向，物质显示极弱的磁性。
铁氧体和铁磁性物质的异同
同：磁性较强 异：铁氧体磁性来自两种不同的磁 矩， 一种磁矩在一个方向排列整齐， 另一种在相反的方向排列。 这两种磁矩方向相反，大小不等。 因此，铁氧体又称为亚铁磁体。
磁性材料
• 软磁材料 • 硬磁材料 • 矩磁材料
一、 软磁材料
1、主要特点 具有较高的磁导率和较 高的饱和磁感应强度。
三、矩磁材料
具有高磁导率、高电阻率
可作磁性记忆元件
高分子材料的磁学性能
1、大多数体系为抗磁性材料 2、顺磁性仅存在于两类有机物
（1）含有过渡金属 （2）含有不饱和键、自由基
称为磁化率或磁化系数，它把物 质的磁化强度与外磁场强度联系 了起来，它的大小反映了物质磁 化的难易程度，是材料的一个重 要的磁参数，同时，它也是物质 磁性分类的主要依据。
电子材料的电学性能和磁学性能
电子材料的电学性能和磁学性能随着现代科技的快速发展，电子材料的使用范围也越来越广泛。
电子材料不仅应用于电子产品的制造，在机械、化学等领域也具有广泛的应用。
电子材料的性能是决定其使用效果的关键因素，其中电学性能和磁学性能是两个重要的方面。
电学性能是电子材料传导电流和储存电荷的能力。
电子材料的电学性能在制造电子产品时十分重要。
在研究电子材料的电学性能时，需要考虑其导电性、电流密度、电阻率、电容率等多个因素。
这些因素对于电子设备的性能和稳定性都具有非常重要的影响。
首先，导电性是衡量电子材料电学性能的一个重要指标。
电子材料的导电性可以决定电子材料中电荷的自由移动程度。
导电性良好的电子材料可以保证电子设备的正常工作，也能提高设备的性能。
例如，银、铜等金属便是具有良好导电性的电子材料，在电子设备中被广泛应用。
其次，电流密度是另一个影响电子材料电学性能的重要因素。
电流密度指的是电流的流动密度，是单位面积或单位横截面积内的电流强度。
当电流密度过大时，电子材料可能会出现过热、烧毁等问题，因此需要合理地控制电流密度，以防止电子设备的损坏。
除了导电性和电流密度，电阻率和电容率也是评估电子材料电学性能的重要参数。
电阻率是电流在电子材料中受到阻力的程度，它越小，电子材料的导电性越好。
电容率则指的是电子材料中储存电荷的能力，因为电容率越大，电子材料储存电荷的能力也就越强。
除了电学性能，磁学性能也是电子材料的重要性能之一，特别是在制造具有磁性的电子设备时。
磁学性能是指电子材料的受磁效应的特性，包括磁导率、磁饱和磁场强度等参数。
电子材料的磁导率是电子材料具有磁性时，磁场强度与磁化强度之比。
磁导率越大，说明电子材料明显地表现出磁性。
在制造电子设备中，常使用的磁性材料包括铁、镍等，这些材料具有较强的磁性能，能够高效地储存磁场，为设备的稳定运行提供了保障。
磁饱和磁场强度则是衡量电子材料饱和磁化的能力。
磁饱和磁场强度越大，说明电子材料饱和磁化的能力越强，也就意味着电子设备能够更好地应对外界磁场的影响。
第四章材料的磁学
动画
4.3.3 铁磁材料的相互作用能
铁磁性材料内存在的相互作用能量，直接影响 到铁磁材料中磁畴的形成及其具体结构图形。
五种相互作用能： 交换能Fex 磁晶各向异性能Fk 磁弹性能Fσ 退磁场能Fd 外磁场能FH
动态磁滞回线：材料在交变磁场作用下被反复 磁化形成的磁滞回线。
M
自由能
FETS dFdETdSSdT
dE = T dSP dV0H dM
SdTPdV0HdM
该式告诉我们：等温、等容过程中，磁场做的磁 化功等于体系自由能的增加。
只是等容过程，可以得出：
F T
M
S
F M
T
0H
如果能从理论上给出自由能的 表达式 F(M ,T ) ，则可获得 一定温度下的 M-H 关系式。
在畴壁的一侧，原子磁矩指向某个方向，假设在畴壁 的另一侧原子磁矩方向相反。在畴壁内部，原子磁矩 必须成某种形式的过渡状态。
畴壁由很多层原子组成。为了实 现磁矩的转向，从一侧开始，每 一层原子的磁矩都相对于磁畴中 的磁矩方向偏转了一个角度，并 且每一层的原子磁矩偏转角度逐 渐增大，到另一侧时，磁矩已经 完全转到和这一侧磁畴的磁矩相 同的方向。
很强的小区域 。 磁畴的体积约为 10-12 m3 。
任何铁磁体和亚铁磁体，在温 度低于居里温度Tc时，都是磁 畴组成的。
磁畴是自发磁化到饱和 （即其中的磁矩均朝一个方向 排列）的小区域。
相邻磁畴之间的界线叫磁畴壁
磁畴壁是一个有一定厚度 的过渡层，在过渡层中磁矩方 向逐渐改变。
既然磁畴内部的磁矩排列是整齐的，那么在磁畴壁处 原子磁矩又是怎样排列的呢？
T , P
0M
G P
T ,H
V
知道了G,即可求出磁化强度。
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角动量和磁矩在空间都是量子化的，它们在外磁场 方向的分量不连续，只能有一组确定的间断值，这些 间断值取决于磁量子数ml，
( pl ) H ml
l 0,1,2,, n 1
( l ) H ml B
共n个可能值 共2l＋1个可能值
ml 0,1,2,,l
l l pl
磁性材料的分类
–软磁材料 –硬磁材料
5.1基本磁学概念
物质的磁性来源：电子的运动以及原子、电子内部的永 久磁矩。
磁矩
“磁”来源于“电”。 – 任何一个封闭的电流都具有磁矩μm。 – 磁矩定义为 m ISn – 式中： μ m为载流线圈的磁矩，n为线圈平面的 法线方向上的单位矢量，S为线圈的面积，I为 线圈通过的电流。单位为A· m2 磁偶极子产生的偶极矩为jm ，
l l (l 1)
e 2me
令
eh B 4me
式中 B称为玻尔(Bohr)磁子，作为电子磁矩的单 位，它有确定值为9.27×10-24Am2
l l (l 1) B
当电子处于l＝0，即s态时，角动量与轨道磁矩都为零。
当l不为0时，电子轨道磁矩不是玻尔磁子的整数倍。
其值: 4π×10-7 单位: H（亨利）/m。
对于一般磁介质,无外加磁场时,其内部各磁矩的取向不 一,宏观无磁性。 但在外磁场作用下,各磁矩有规则地取向,使磁介质宏观 显示磁性,这就叫磁化。
磁化强度M
磁化强度M 在外磁场H的作用下，磁体被磁化的方向和强度。表征 H 4M
这里， B 的单位为高斯 G ，磁场强度 H 的单位为奥 斯特Oe。磁性常数（真空磁导率）为1，单位是G/ Oe M是磁极密度，4πM 是磁通线的密度。 1G＝10－4T；1Oe＝103/4π=79.577A/m 1e.m.u(磁矩）＝10－3Am2
磁导率
绝对磁导率 µ 相对磁导率 µ r= µ /µ 0 起始磁导率 µ i （H接近于0） 复数磁导率 µ
第五章 材料的磁学性能
纳米磁硫体 磁流体密封
稀土永磁材料：钕铁硼合金
学习内容
掌握材料磁性本质，熟悉磁畴，磁滞回 线，磁导率等概念。 熟悉表征材料磁学性能的物理量的公式 表达及物理意义， 熟悉铁磁体及磁滞回线。
了解磁记录材料，磁储存材料，硬软磁材料 及其应用。
磁性材料
磁性材料包含
– 金属基材料 – 无机材料(含铁及其他元素的复合氧化物，通常称 为铁氧体) – 纳米材料（纳米材料的磁性有其特殊性）
原子内的电子运动服从量子力学规律，由电子轨道运动 产生的动量矩应由角动量来代替，角动量是量子化的。
当电子运动状态的主量子数为n时，角动量由角量子数l 来确定，角动量pl的绝对值为：
pl l (l 1)
l的可能值为： l 0,1,2,, n 1
h 2
h为普朗克常数
量子化情况下，对应于角动量的磁矩 为
' j "
磁导率 有效磁导率、永久磁导率、表观磁导率、振幅磁 导率、可逆磁导率、切变磁导率、脉冲磁导率、 最大磁导率、等等。
相对磁导率r
相对磁导率定义 材料的磁导率与真空磁导率0之比 r为无量纲的参数
r
0
磁化率χ与相对磁导率之间的关系：
r 1
M
m
V
M的大小与外磁场强度成正比
B 0(M H ) 0 rH
M H ( r 1) H
χ叫做磁化率，仅与磁介质 性质有关，反映材料磁化的 能力，也是无量纲参数
磁学单位
除了SI单位制以外，还有一种高斯（Gauss） 单位制，当使用高斯单位制时，磁感应强度 的表达式为
磁场强度和磁感应强度的 关系为
B H
式中的 为磁导率，是材 料的特性常数。表示材料 在单位磁场强度的外磁场 作用下，材料内部的磁通 量密度，只和介质有关， 表征磁体的磁性、导磁性 及磁化难易程度。 的单位为H/m。
在真空中，磁感应强度 为
B0 0 H
式中0为真空磁导率。 它是一个普适常数，
e l 2me
此处γ l为轨道磁力比
电子自旋磁矩
证明电子具有自旋的实验由斯特恩-盖拉赫 （Stern-Gerlah）作出。 电子自旋角动量取决于自旋量子数s，
jm 0 m
磁场强度
磁场强度H
如果磁场是由长度为l， 电流为I的圆柱状线圈 （N匝）产生的，则
NI H l
H的单位为A/m
磁感应强度
磁感应强度B 表示材料在外磁场 H的作用下在材料 内部的磁通量密度。 B的单位: T 或 Wb/m2
在许多场合，确定磁场效应 的量是磁感应强度B，而不 是磁场强度H
–
jm ml
单位为Wb· m
在均匀磁场中,磁矩受到磁场作用的力矩JF
J F m B
J 为矢量积,B为磁感应强度,其单位为Wb/m2 ,Wb (韦伯) 是磁通量的单位。
F
磁矩在磁场中所受的力 ,对于一维为：
dB FX＝ m dx
磁矩的意义
表征磁偶极子磁性强弱和方向的一个物理量。 磁矩是表征磁性物体磁性大小的物理量。 磁矩愈大,磁性愈强,即物体在磁场中所受的力 也大。 磁矩只与物体本身有关,与外磁场无关。 和磁偶极矩具有相同的物理意义，但μm和jm 各有自己的单位和数值，有如下关系
Χ和只有当B、H、M三个矢量互相平行时才为标量，否则，它 们为张量。
磁化状态下的磁体中的静磁能量
磁场作用能量
FH 0 M H
磁体受到外磁场作用所具有的磁场能量密度。 磁畴与技术化理论中经常用到
退磁场能量
Fd
M 0
1 0 H d dM＝ 0 NM 2 2
H＝H0+Hd
N为退磁因子，Hd为退磁场
磁性起源
材料的宏观磁性来源于原子磁矩 原子磁矩的来源：
1)电子围绕原子核的轨道运动，产生一个非常小的磁场， 形成一个沿旋转轴方向的轨道磁矩； 2)每个电子本身自旋运动，产生一个沿自旋轴方向的自 旋磁矩； 3）原子核磁矩。 原子核磁矩的值很小，一般可以忽略不计。
电子轨道磁矩