材料物理磁学部分3
(完整word版)磁学基础与磁性材料+严密第一章、三章以及第七章答案
磁性材料的分类第一章磁学基础知识答案：1、磁矩2、磁化强度3、磁场强度H4、磁感应强度 B磁感应感度，用B表示，又称为磁通密度，用来描述空间中的磁场的物理量。
其定义公式为中磁场的强弱使用磁感强度（也叫磁感应强度）来表示，磁感强度大表示磁感强；磁感强度小，表示磁感弱。
5、磁化曲线6、磁滞回线（）（6 磁滞回线 (hysteresis loop)：在磁场中，铁磁体的磁感应强度与磁场强度的关系可用曲线来表示，当磁化磁场作周期性变化时，铁磁体中的磁感应强度与磁场强度的关系是一条闭合线，这条闭合线叫做磁滞回线。
）7、磁化率磁化率，表征磁介质属性的物理量。
常用符号x表示，等于磁化强度M与磁场强度H之比。
对于各向同性磁介质，x是标量；对于各向异性磁介质，磁化率是一个二阶张量。
8、磁导率磁导率（permeability）：又称导磁系数，是衡量物质的导磁性能的一个物理量，可通过测取同一点的B、H值确定。
二矫顽力----内禀矫顽力和磁感矫顽力的区别与联系矫顽力分为磁感矫顽力（Hcb）和内禀矫顽力（Hcj）。
磁体在反向充磁时，使磁感应强度B降为零所需反向磁场强度的值称之为磁感矫顽力。
但此时磁体的磁化强度并不为零，只是所加的反向磁场与磁体的磁化强度作用相互抵消。
（对外磁感应强度表现为零）此时若撤消外磁场，磁体仍具有一定的磁性能。
使磁体的磁化强度M降为零所需施加的反向磁场强度，我们称之为内禀矫顽力。
内禀矫顽力是衡量磁体抗退磁能力的一个物理量，是表示材料中的磁化强度M退到零的矫顽力。
在磁体使用中，磁体矫顽力越高，温度稳定性越好。
(2)退磁场是怎样产生的？能克服吗？对于实测的材料磁化特性曲线如何进行退磁校正？产生：能否克服：因为退磁场只与材料的尺寸有关，短而粗的样品，退磁场就很大，因此可以将样品做成长而细的形状，退磁场就将会减小。
然而实际工作中，材料的尺寸收到限制，因此不可避免的受到退磁场的影响。
校正：由于受到退磁场的影响，作用在材料中的有效磁场Heff比外加磁场Hex要小。
材料物理基础-材料的磁学资料
数，是描述磁极周围任一点磁场力大小或磁极周
围磁场效应的物理量。
B 0 (H M ) 0 H 0 M 0 H J m
B的单位是特斯拉(Tesla)(T)或韦伯/米2(Wb／m2)
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磁化率与磁导率 磁化率χ是指单位磁场强度H在单位磁体中所感生出的 磁化强度M大小的物理量。它是表明物质被磁化能力 的大小和性质的物理量。
属
1/ T
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铁磁性(Ferromagnetism) 特点:（1）χ>0，且数值很大， 10-1 ~106数量级 （2）χ不但随T和H而变化，而且与磁化历史 有关 （3）存在磁性变化的临界温度（居里温度）。 当温度低于居里温度时，呈铁磁性；当温度高于
居里温度时，呈顺磁性。
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物质由原子组成，在原子系统中，原子核和电子
分别是带正电荷与负电荷的带电粒子，它们的运
动将产生磁距。但原子核的磁距很小，仅为电子
磁距的1／1836.5，可忽略。所以原子的磁矩主
要由电子运动产生。产生磁矩的原因有： 电子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
1.60211019 6.6256 1034 24 2 1 B 9.273 10 (A m ) 31 2 9.109534 10 2 3.1416
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电子的自旋磁距： 电子不仅绕核做轨道运动，而且自旋运动，电子 自旋角动量由自旋量子数s决定的，自旋角动量的
磁极化强度J，它们都是描述宏观物质磁性强弱的 物理量。
M
V
m
m
A/m
2
j J
J 0 M
11第五章：磁畴理论3
畴壁能外，退磁场能不可忽略（约为单畴球形颗粒的退磁能的一半）。
E半 E Ed半
R2 1800
1 2
2 9
0
M
2 s
R3
R2 1800
9
0
M
2 s
R
3
在临界尺寸时：Ed球 E半
2
9
0
M
2 s
单畴球形颗粒的能量： 单畴颗粒中，磁矩沿易磁化方向平行排列，故Fk最低，且H = 0，σ= 0， 又无交换能问题。
只需考虑退磁场能
Fd
1 2
0
NM
2 s
1 6
0
M
2 s
颗粒的总退磁能
Ed球
FdV
4 3
R
3
Fd
2
9
0
M
2 s
R
3
一、磁晶各向异性能较弱的颗粒的临界半径 这类颗粒在临界尺寸以上时，磁矩沿圆周逐渐改变方向，故需考虑交换
R0
3
R02 1800
9
0
M
2 s
R03
R0
9 1800
0
M
2 s
表达形式与立方晶体单畴相同，但 值不同。
将单畴与非单畴的能量加以比较，从而求得的临界尺寸，实际上是使球 形颗粒保持单畴的最大半径（即临界半径的上限）
估算得到的理论值，虽有实验事实的支持，但并未得到确证，从微磁 学观点来看，其处理方法是不完善的。
dr a
4A S 2
a
R 0
R2 r2 dr r
4A S 2 R
a
ln
第三章 磁学性能(磁性及其物理本质)
五、影响金属抗磁性及顺磁性的因素
；六、 磁化率的测量
磁秤 利用试样在非 均匀磁场中的受力情 况来确定它的磁化率。
利用与标准试样对比来确定它的磁化率。
但还有相当多的固溶体顺磁物质，特别是过渡族金属元 素是不符合居里定律的。它们的原子磁化率和温度的关系需 用居里-外斯定律来表达 。
居里-外斯定律
为居里温度 。 2. 磁化率与温度无关的顺磁质 碱金属Li、Na、K、Rb属于此类。
3.存在反铁磁体转变的顺磁体 过渡族金属及其合金或它们的化合物属于这类 顺磁体。它们都有一定的转变温度，称为反铁磁居 里点或尼尔点，以TN表示。当温度高于TN时，它们 和正常顺磁体一样服从居里-外斯定律，且△＞0； 当温度低于TN时，它们的χ随T的下降而下降，当 T→OK时，χ→常数；在TN处χ有一极大值，MnO、 MnS、NiCr、CrS-Cr2S、Cr2O3、FeS2、FeS等都属这 类。
顺磁体的χ-T 关系曲线示意图
四、金属的抗磁性与顺磁性 金属是由点阵离子和自由电子构成的，故金属的 磁性要考虑到点阵结点上正离子的抗磁性和顺磁性， 以及自由电子的抗磁性与顺磁性。 正离子的抗磁性源于其电子的轨道运动，正离子 的顺磁性源于原子的固有磁矩。 而自由电子的磁性的顺磁性源于电子的自旋磁矩， 自由电子的抗磁性源于共在外磁场中受洛仑兹力而 作的圆周运动，这种圆周运动产生的磁矩同外磁场 反向。 四种因素竞争的结果决定物质是否是抗磁体或 顺磁体。
电子循轨磁矩
电子的自旋磁矩
原子核的自旋磁矩
3.ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 物质的磁性及其物理本质
3.2.1 原子磁性
原子由原子核和核外电子构成，核外电子在各自 的轨道上绕核运动的同时还进行自转运动。因此，分 别具有轨道磁矩和自旋磁矩。
第三章材料的磁学性能
铁磁质自发磁化成若干个小区 域（自发磁化至饱和的小区域“磁 畴”），由于各个区域的磁化方向 各不相同，其磁性彼此相消，所以 大块铁磁质对外并不显示磁性。
1.抗磁体：χ 为负值，很小，约在10-6数量级。
2.顺磁体：χ 为正值，很小，约在10-3～10-6数量
级。
3.反铁磁体：χ 为正值，很小。 4.铁磁性体：χ 为正值，很大，约在10～106数量
级。
5.亚铁磁体：χ 为正值，没有铁磁性体大。
物质的磁性分类、磁性特征及磁化机制？？？
3.1.3 磁化曲线和磁滞回线
3.3.1铁磁质的自发磁化
3.3.1铁磁质的自发磁化
“分子场”来源于电子间的静电相互作用。 实验证明铁磁质自发磁化的起因是源于原子未被 抵消的电子自旋磁矩，而轨道磁矩对铁磁性几乎无贡 献。 物质具有铁磁性的基本条件： (1)物质中的原子有磁矩；
(2)原子磁矩之间有一定的相互作用。
铁磁性物质在居里温度以上是顺磁性；居里温 度以下原子磁矩间的相互作用能大于热振动能，显 现铁磁性。
非金属中除氧和石墨外，都是抗磁体。如 Si、S、 P以及许多有机化合物，它们基本上是以共价键结合 的，由于共价电子对的磁矩互相抵消，因而它们部 成为抗磁体。
在Cu、Ag、Au、Zn、Cd、Hg等金属中，由 于它们的离子所产生的抗磁性大于自由电子的顺磁 性，因而它们属抗磁体 。
所有的碱金属和除Be以外的碱土金属都是顺磁 体。虽然这两族金属元素在离子状态时有与惰性气 体相似的电子结构，似应成为抗磁体，但是由于自 由电子产生的顺磁性占据了主导地位，故仍表现为 顺磁性。
材料的磁性与磁学性质的研究
材料的磁性与磁学性质的研究磁性是指物质对外界磁场的响应，并产生与磁场有关的性质和现象。
磁性广泛存在于自然界中的各种材料中，包括金属、陶瓷、多晶材料等。
磁性的研究是材料科学领域的重要方向之一，对于深入理解材料的物理性质和发展磁性材料具有重要意义。
材料的磁性取决于其微观结构和化学成分。
一般来说，材料的磁性是由材料中的自由电子或离子在外加磁场下的运动所决定的。
在材料中，自由电子具有自旋和轨道角动量，这些角动量对于材料的磁性起着重要作用。
通过实验研究和理论模拟，科学家们可以深入探索材料的磁性特性，并进一步开发出具有特殊磁学性质的新材料。
磁性材料的研究始于古代中国和希腊，最早的磁石发现于唐代时期。
欧洲的大航海时代奠定了磁学研究的基础，其中包括William Gilbert对磁铁的研究。
到了18世纪，磁学研究逐渐发展为一个独立的科学领域，并与电学发展形成紧密联系。
庞大的磁学研究群体涌现出许多重要的科学家，例如安德烈-玛丽·安培、迈克尔·法拉第等。
他们通过实验和理论工作，为磁性材料研究奠定了坚实的基础。
材料的磁性可以分为软磁性和硬磁性。
软磁性材料具有高导磁率和低磁滞，适用于电感器、变压器等器件。
硬磁性材料则具有较大的磁畴耦合和高矫顽力，适用于制作永磁体等器件。
通过调控材料的微观结构和化学成分，科学家们可以制备出具有不同磁性的材料，满足不同领域和应用的需求。
磁学性质的研究涉及磁矩、磁畴、磁化率以及磁滞等。
磁矩是物质产生磁性的基本原因，它描述了材料中磁性粒子的磁性特性。
磁畴是材料中一种特殊的有序结构，它由一组具有同向磁矩的原子或磁性颗粒组成。
磁畴之间的耦合和磁畴壁的运动对于材料的磁性具有重要影响。
磁化率是衡量材料对外加磁场响应的指标，它可以分为顺磁性和抗磁性两种。
顺磁性材料在外加磁场下磁化，而抗磁性材料在外加磁场下反磁化。
磁滞是指材料在磁场变化时表现出的非线性行为，它反映了材料内部磁化的随时间的变化。
磁学知识点总结
磁学知识点总结磁学是物理学中的一个重要分支，研究磁场及其与物质相互作用的规律。
在我们的生活中，磁学的应用非常广泛，从电子产品到医学设备都离不开磁学的支持。
本文将对磁学的基本概念、磁场、磁性材料和磁感应等知识点进行总结。
一、磁学基本概念1. 磁场：磁场是一个具有磁性的物体周围的一种物理现象，磁场可以通过磁力线来表示。
磁力线从物体的北极出发，经过外部空间，最终回到物体的南极。
2. 磁极：所有磁体都有两个磁极，分别为北极和南极。
相同磁极之间互相排斥，不同磁极之间互相吸引。
3. 磁力：磁力是指物体受到磁场作用产生的力。
磁力的大小取决于物体的磁性和磁场的强度。
二、磁场1. 磁感线：磁感线是用来表示磁场分布情况的直观方式。
磁感线在磁体内部呈现闭合环形，而在磁体外部则呈现从北极到南极的形状。
2. 磁通量：磁通量是描述磁场通过某个平面的情况的物理量。
它的大小与磁场的强度以及通过某个平面的磁力线的数量有关。
3. 高斯定律：高斯定律指出，一个闭合曲面的磁通量等于该曲面所包围的磁性物体的磁极数。
三、磁性材料1. 铁磁性材料：铁磁性材料是指在磁场作用下会产生明显磁化现象的物质，如铁、镍和钴等。
铁磁性材料在磁场中可以形成强磁性区域，使得磁体具有磁性。
2. 抗磁性材料：抗磁性材料是指在磁场作用下不会产生磁化现象的物质，如铜和铝等。
抗磁性材料在磁场中没有形成强磁性区域，不具备磁性。
3. 软磁性材料：软磁性材料具有良好的磁导率和低的矫顽力，适用于电感器、变压器等电磁设备。
4. 硬磁性材料：硬磁性材料具有较高的矫顽力和矫顽强度，适用于制造永磁体。
四、磁感应1. 磁感应强度：磁感应强度是磁场对单位面积的磁通量的分布。
磁感应强度的单位是特斯拉（T）。
2. 磁场强度：磁场强度是指单位长度上的磁感应强度变化率，其方向与磁感线的方向相同。
磁场强度的单位是安培/米（A/m）。
3. 洛伦兹力：洛伦兹力是指带电粒子在磁场中受到的力。
洛伦兹力的大小与粒子的电荷、速度以及磁场的强度和方向都有关。
磁性物理第一章磁学基础知识
17
磁导率的不同定义： 1、起始磁导率μi 2、最大磁导率μmax
3、复数磁导率 ~
4、振幅磁导率μa
lim i
1
0
H0
B H
max
1
0
B
Hmax
~'i''
a
1
0
Ba Ha
18
5、增量磁导率μΔ
1 0
B H
6、可逆磁导率μrev
revlim H0
所有磁导率的值都是H的函数：
19
第二节 磁化状态下磁体中的静磁能量
4
用环形电流描述磁偶极子：
磁矩：μm iA单位：A ∙m2
二者的物理意义：
表j征m磁偶0μ极m子磁性强弱与方向
o 410－7Hm1
电子的轨道运动相当于一个恒定的电流回路，必 有一个磁矩（轨道磁矩），但自旋也会产生磁矩（自 旋磁矩），自旋磁矩是基本粒子的固有磁矩。
5
二、磁化强度 M (magnetization)
21
即，磁偶极子在磁场中磁位能：
U W Ld m lH sin d
mlH cos c, (取 c 0)
jm H
22
∴单位体积中外磁场能（即磁场能量密度）
FU
V
jm H
V J H
0M H 0M H cos
(J/m 3 )
FH 是各向异性的能量
23
二、退磁场与退磁场能量
d
磁矩为零。在外磁场作用下，电子运
动将产生一个附加的运动（由电磁感
O
T
应定律而定），出现附加角动量，感
生出与H反向的磁矩。因此：χd<0，且 | χd|～10－5，与H、T无关。
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磁晶各向异性能
单位体积的物质内，沿不同晶轴方向磁 化功和易磁化方向磁化功的差称为磁晶 各向异性能。
5.3 应力各向异性与磁弹性能
铁磁体在发生磁致伸缩效应时所产生的能量，称 为磁弹性能。磁致伸缩效应是由于外加应力改变 了铁磁体内部自发磁化而引起的。 应力各向异性：外加应力对自发磁化Ms的取向 有影响。
Fe, Ni, Co单晶不 同晶轴方向的磁 化曲线
磁晶各向异性类型源自单轴磁晶各向异性：如果单晶磁体只有一个易磁 化轴，称这类磁体具有单轴磁晶各向异性。通常 六角晶系的晶体，可具有单轴磁晶各向异性，如 Co单晶。 多轴磁晶各向异性：如果单晶磁体，有两个以上 的易磁化轴，称这类磁体具有多轴磁晶各向异性， 通常立方晶系的晶体，具有多轴磁晶各向异性， 如Fe、Ni等单晶体。
定义： 磁各向异性是指沿磁体不同方向磁化到相同状 态，所需要的磁场能大小不同的性质。或用相 同大小的磁场沿铁磁体不同方向磁化，所磁化 到的状态不同的现象。
从能量的观点，磁 体从退磁状态磁化 到饱和状态，磁化 曲线与磁化强度轴 之间所包围的面积， 即为磁化场对磁体 磁化过程所作的功 的大小。
磁场能
磁各向异性能
5.2 磁晶各向异性
晶体结构是各向异性的，当沿单晶磁体不同晶轴方 向磁化到相同状态，所需要的磁场能大小不同的性 质（或用相同大小的磁场沿铁磁单晶体不同晶轴方 向磁化，所磁化到的状态不同的现象）称为磁晶各 向异性。 易磁化轴：沿单晶磁体不同晶轴方向磁化到饱和状 态，所需要的磁场能最小的方向所对应的晶轴。 难磁化轴：沿单晶磁体不同晶轴方向磁化到饱和状 态，所需要的磁场能最大的方向所对应的晶轴。
不同方向磁化时，磁场对磁体做功 的不同，这称为磁各向异性能。
磁各向异性的类型
形状磁各向异性 磁晶各向异性 应力磁各向异性 感生磁各向异性 交换磁各向异性
5.1 退磁场和形状各向异性
退磁场
磁体在磁化时内 部产生减弱磁 化作用的相反 磁场的作用， 称为退磁场。 Hd = -NM N：退磁因子。
5.5 交换各向异性
在低矫顽力铁磁性材料与高矫顽力铁磁材料紧密接 触的界面处，经磁场处理后，由于交换作用，在界 面处引起的各向异性称为交换各向异性。 交换各向异性的起源：
交换各向异性机理示意图
6 磁化曲线与磁滞回线
定义： Bs：饱和磁感应强度 saturation magnetic flux density Br：剩余磁感应强度 remanence Hc：矫顽力 coercivity
MnO的耦合键角示意图
超交换作用原理示意图
铁磁性与反铁磁性的本质
当n>=5时，电子自旋只能取与3d电子自旋取向 构成反平行排列的状态，如果O1-与右侧磁性离 子间的交换积分A<0，导致O1-两侧磁性离子磁 矩间反铁磁性耦合。如果A>0，则导致铁磁性 耦合。 当n<5时，电子自旋只能取与3d电子自旋取向 相同的状态，如果O1-与右侧磁性离子间的交换 积分A<0，则导致铁磁性耦合，如果A>0，则 导致反铁磁性耦合。
退磁曲线
(BH)：最大磁能积
表征磁铁在气隙空 间所建立的磁能量 密度的最大值
5.4 感生各向异性
在材料制备过程中，采用适当工艺条件 使磁性原子对形成方向有序，或离子对 在某一方向的晶位（晶格点）上从优占 据所形成的磁各向异性，称为感生磁各 向异性。
产生感生磁各向异性的方法
（1）磁场热处理：对磁性材料热处理时加磁场，在磁 场作用，形成永久性的原子对或离子对方向有序。 （2）应力热处理：对磁性材料在热处理时加应力场， 在应力场作用下，由于逆磁致伸缩效应而产生各向 异性。 （3）冷加工：冷加工过程中，在一定工艺条件下可形 成织构而产生各向异性。 （4）生长感生各向异性：在助熔剂作用下，生长出磁 性单晶体，主要是在磁性薄膜制备中，以特定的生 长条件使磁性离子沿特定方向分布。
简单几何形状的退磁因子
旋转椭球体三个主轴 方向上的退磁因子之 和的关系： Na+ Nb + Nc =1
Na + Nb +Nc = 4 （CGS制）
旋转椭球体及其极限情况
简单几何形状的退磁因子
退磁场能和形状各向异性
退磁场能：均匀一致的铁磁体，在均匀磁化下，磁 体在自身产生的退磁场中所具有的位能，称为退磁 场能。 形状各向异性：开路磁体磁化过程中，必定产生退 磁场，退磁场的作用减弱外磁场的功效，对磁化有 真正作用的是有效磁化场：HA=H外-Hd。由于磁体 形状不同在不同方向上的退磁因子不同导致沿不同 方向磁化相应的磁场能也不同，所以沿不同方向磁 化到相同状态所需要的外磁场大小也不同，这种因 形状不同引起的磁各向异性的性质称为形状各向异 性。
铁氧体中的超交换作用类型
（3）双交换作用
Mn3+ O2Mn4+ OMn3+ Mn4+
O2Mn3+
以氧离子作为中间媒介，两个不同价态的过渡族离子间的交换相互作用。
例如：La1-xCaxMnO3中Mn离子有Mn3+和Mn4+。此时与超交换作用不同，氧离子 的一个p电子进入Mn4+中，该Mn4+离子变为Mn3+，而氧原子另外一边的Mn3+离 子中的一个电子交换到氧原子的p电子轨道，这样Mn3+离子变为Mn4+。由于 Mn4+离子中的电子是未半满(n<5)，跳入到Mn4+的电子自旋与Mn4+离子的电子 自旋平行耦合。而从Mn3+（电子填充也是未半满）离子跳入氧离子p轨道电子 自旋与跳到Mn4+离子的电子自旋方向必然是相同的。因此Mn3+离子的电子通 过氧离子作为中间媒介跳入到Mn4+离子，使Mn3+离子与Mn4+离子间呈铁磁性 耦合。称为双交换相互作用。
RKKY理论：4f电子是局域的，6s电子是游动的，f电子与s电子发
生交换作用，使s电子极化，这个极化了的s电子的自旋对f电子自旋
取向有影响，结果形成以游动的s电子为媒介，使磁性原子（或离 子）中局域的4f电子自旋与其近邻磁性原子的4f电子自旋产生交换
作用，这是一种间接交换作用。
适合于稀土金属
5 磁各向异性及能量
材料物理 （材料磁学部分）
（2）超交换作用
1934年，克拉默斯首先提出超交换模型（间接交换） 解释反铁磁性自发磁化的起因。
1950年，安德森（Anderson）发展上述理论，对超交
换作用进行具体计算，应用到亚铁磁性上。
（2）超交换作用
其思路为：O2-外层电子为2p6，p电子的空间分布呈哑铃状，当 氧离子与阳离子近邻时，氧离子的p电子可以激发到d 状态，而 与3d过渡族元素的阳离子的电子按洪德法则耦合，此时剩余的 未成对p电子则与另一近邻的阳离子产生交换作用，这种交换作 用是以氧离子为媒介的，称为超交换作用或间接交换作用。
4.2.3 RKKY理论
1954年：Ruderman、Kittel，解释Ag核磁共振吸收线增宽时，提 出导电的4s电子作为媒介，在核自旋间发生交换作用的模型。
1956-1957年：Kasuya、Yosida，在此模型基础上研究了Mn-Cu 合金核磁共振超精细结构，提出Mn的d电子和导电s电子交换作 用，使电子极化而导致Mn原子中d电子与近邻d电子的间接交互 作用模型。
磁晶各向异性常数K
理论上：指单位体积的单晶磁体，沿难磁化方向 磁化到饱和与沿易磁化方向磁化到饱和所需磁场 能的差。 实际中规定： （1）立方晶系是沿[111]轴方向与沿[100]轴方向， 单位体积的磁体磁化到饱和所需磁场能的差； （2）六角晶系是沿[1010]轴方向与沿[0001]轴方向， 单位体积的磁体，磁化到饱和所需磁场能之差。