材料物理性能 磁 lx
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材料的磁学性能PPT课件
弱磁场下工作的软磁材料，要
求有较大的起始磁导率，信号变压 器、电感的磁芯。
最大磁导率 m a x
强磁场下工作的软磁材料，要 求有较大的最大磁导率。
磁滞 铁磁和亚铁磁材料在技术磁
化过程中存在不可逆过程，磁场
减小时 M 和 B 变化滞后。
剩余磁化强度 剩余磁感应强度
去掉磁场后的 M r , B r
矫顽力
具有小Hc值、高μ的瘦长形磁滞回线的材料，适宜 作软磁材料。
具有大的Mr和Hc、低μ的短粗形磁滞回线的材料适 宜作硬磁(永磁)材料。
而Mr／Ms从接近于 1 的矩形磁滞回线的材料，即 矩磁材料则可作为磁记录材料。
3.2 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。
M0,B0时所需要的退磁场强度 H C
磁滞损耗 磁滞回线所围的面积。
通常所说的磁滞回线及其表征参数是指磁化强度 随磁场强度的变化的曲线和参数。
M r 和 H C 随最大磁场强度的减
小而减小。
通过逐渐减小最大磁场的强 度，可实现退磁。
μ、Mr和Hc都是对材料组织敏感的磁参数，决定于 材料的组成、显微组织、形态和分布等因素的影响。 不同的磁性材料的应用范围也不同。
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
磁化曲线
物质的磁化强度、磁感应强度、磁导率等磁参量 随磁场强度增大的变化曲线。
材料的磁学性能
材料性能
第九章材料的磁学性能
§9.1材料的基本磁学性能 材料的基本磁学性能
3.磁感应强度
任何物质被磁化时，由于内部原子磁矩的有序排列， 任何物质被磁化时，由于内部原子磁矩的有序排列，除了外磁场外 和附加磁场H’ 的和乘以 还要产生一个附加磁场。在物质内部，外磁场 和附加磁场 还要产生一个附加磁场。在物质内部，外磁场H和附加磁场 µ0 称为磁感应强度B，单位为韦伯/米2（Wb/m2）。 称为磁感应强度 ，单位为韦伯/ 磁感应强度 亦即，通过物质内部磁场中某点， 亦即，通过物质内部磁场中某点，垂直于磁场方向单位面积的磁力 线数。它与磁场强度H 的关系是 线数。它与磁场强度 B=µ0(H+H’) 或 B=µ0(H+M) B=µ0(1+χ)H=µ0µrH=µH 式中µ 为相对磁导率； 为磁导率或导磁系数 它反应了磁感应强度B 或导磁系数， 式中 r为相对磁导率；µ为磁导率或导磁系数，它反应了磁感应强度 随 外磁场H变化的比率（或速率）。 外磁场 变化的比率（或速率）。 变化的比率
§9.1材料的基本磁学性能 材料的基本磁学性能 (2)原子、分子的磁矩 (2)原子、分子的磁矩 原子 原子（分子）磁矩是电子轨道磁矩和自旋磁矩的总和。 原子 （分子 ）磁矩是电子轨道磁矩和自旋磁矩的总和。 3d 过渡族金属和 稀土金属及合金的原子磁矩为 过渡族金属和4f µJ=gJ µB[J（J+1）]1/2 （ ） 式中： 式中： gJ=1+[J(J+1)+S(S+1)－L(L +1)]/[2J(J+1)]，gJ 为朗的 － ， （ lande）因子 ； J为原子总角量子数， 可用 洪德法则 计算 ； 为原子总角量子数， 洪德法则计算 ）因子； 为原子总角量子数 可用洪德法则计算； S为原子总自旋量子数；L为原子总轨道量子数。 为原子总自旋量子数； 为原子总轨道量子数 量子数。 为原子总自旋量子数 原子磁矩在磁场中的投影值是量子化的， 原子磁矩在磁场中的投影值是量子化的，它仅能取 µJ·H= gJ mJµB 式中： 原子总角动量方向量子数或原子总磁量子数 角动量方向量子数或原子总磁量子数,它 式中： mJ 为原子总角动量方向量子数或原子总磁量子数 它 可取0、 、 个数值。 可取 、±1、±2、 ±3… ± J，共2 J+1个数值。 、 ， 个数值 材料性能 第九章材料的磁学性能
磁性材料的力学性能与力学响应研究
磁性材料的力学性能与力学响应研究磁性材料既具有磁性能，又具备一定的力学性能。
了解磁性材料的力学性能以及其力学响应对于磁性材料的应用和研究具有重要意义。
本文将从材料的力学性能、力学响应和相关实验方法三个方面展开，介绍磁性材料在力学性能与力学响应研究中的相关内容。
首先我们来介绍磁性材料的力学性能。
力学性能是指材料在外力作用下的变形特性和力学性质。
在磁性材料中，力学性能可以通过弹性模量、硬度、抗压强度等指标来表征。
弹性模量是材料在弹性变形时恢复原状的能力，可以反映材料的刚度，是衡量材料刚性的重要参数。
硬度是材料抵抗外界形变力的能力，常用于评估材料表面硬度和耐磨性。
抗压强度是材料在受到压缩力时抵抗破坏的最大能力，是材料抵抗压缩形变的重要指标。
研究磁性材料的力学性能有助于深入了解其结构与力学特性之间的关系，并为磁性材料的制备和应用提供理论依据。
其次，我们将探讨磁性材料在外力作用下的力学响应。
力学响应是指材料在外界力的作用下所表现出来的不同变形和反应。
磁性材料可以表现出弹性、塑性和磁形状记忆等力学响应行为。
弹性是指材料在外力作用下产生的可恢复性变形，即材料在去除外力后能恢复原来的形状。
塑性是指材料在外力作用下产生的不可恢复性变形，当外力去除后材料无法完全恢复原样。
磁形状记忆是指材料在磁场作用下产生的可逆性形变。
研究磁性材料的力学响应有助于理解其特殊的力学行为，推动磁性材料在机械工程等领域的应用。
最后，我们将介绍一些常用的实验方法用于磁性材料的力学性能与力学响应研究。
例如，拉伸实验可以用来确定材料的弹性模量和抗拉强度。
压缩实验可以评估材料的抗压强度和变形特性。
针对磁形状记忆材料的研究，可以利用自制磁力传感器和形变计等设备进行磁场诱导的形变测量。
此外，扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)等仪器可以用于观察材料的微观结构和力学行为。
通过这些实验方法能够对磁性材料的力学性能与力学响应进行深入研究，并为相应应用提供实验依据。
材料物理性能 磁2
居里定律
居里-外斯定律
C T C T
3.相变及组织转变的影响
当材料发生同素异构转变时，晶格类型及原子间距
发生变化，会影响电子运动状态而导致磁化率的变 化。例如，正方晶格的白锡转变为金刚石结构的灰 锡时，磁化率明显变化。当材料发生其他相变时， 也会影响磁化率，影响的规律比较复杂。
1831—1879
居里定律
发明了磁秤（磁天平），实现了对弱磁性的测量。
根据大量的实验结果，总结出著名的居里定律。
抗磁体的磁化率不依赖磁场强度且一般不依赖于温度； 顺磁体的磁化率不依赖磁场强度且与温度成反比； 铁在某一温度（居里温度）以上失去磁性。
压电效应的发现； 放射性物质研究，发现了镭。
由此说明了地磁的成因和物质的磁性。
（1775-1836）
发现四 提出了分子电流假说。
揭示了物质磁性的本质。
电和磁本质上是统一的。
电磁感应现象
1831年，由法拉第发现。
俗称磁生电，直接导致了发电机的
发明，影响非常深远。
其它成果： 1834年，发现了电解定律，开创 了电化学学科。 发现了物质的抗磁性。 提出了电磁场这一概念。 法拉第，英国科学家
3
23
量子力学计算表明，当磁性物质内部相邻原子的电 子交换积分A为正时(A＞0)，相邻原子磁矩将同向平行 排列，从而实现自发磁化。这就是铁磁性产生的原因。 这种相邻原子的电子交换效应，其本质仍是静电力迫 使电子自旋磁矩平行排列，作用的效果好像强磁场一样。 外斯分子场就是这样得名的。 理论计算证明，交换积分A不仅与电子运动状态的 波函数有关，而且强烈地依赖于原子核之间的距离 (点 阵常数)。
I H 2r
方向由右手螺旋法则确定。 r
磁性材料的延展性与力学特性分析
磁性材料的延展性与力学特性分析磁性材料是一类具有特殊性能和特定应用领域的材料。
其磁性质和力学特性对于研究和开发新型磁性材料至关重要。
在本文中，我们将重点讨论磁性材料的延展性和力学特性，并探讨其在材料科学和工程中的应用。
一、磁性材料的延展性磁性材料的延展性通常指的是材料在外力作用下的变形和形变能力。
这主要与材料的晶体结构、原子间键合和晶界等因素有关。
一般来说，具有高延展性的磁性材料往往具有较好的可塑性和可加工性。
例如，金属铁在正常情况下是非磁性的，但通过添加其他元素（如镍、钼等），可以使其形成磁性。
铁镍合金是一种典型的延展性磁性材料，具有良好的可加工性和可塑性。
这些特性使得铁镍合金广泛应用于制造磁头、变压器和传感器等电子产品中。
另一方面，一些磁性材料具有较低的延展性。
例如，硬磁材料磁钢是一类延展性较差的磁性材料，其主要由铁、钴、镍等金属和稀土元素组成。
由于其晶体结构的特殊性，磁钢具有较高的磁导率和磁滞损耗，但其延展性相对较差。
这就限制了磁钢在一些应用中的使用，例如柔性电子设备和可变形材料中。
二、磁性材料的力学特性除了延展性外，磁性材料的力学特性是材料工程中重要的研究内容之一。
磁性材料的力学性能直接影响着其在工程中的应用和可持续发展。
1. 强度和硬度磁性材料的强度和硬度是评估其力学性能的重要指标。
一般来说，硬磁材料具有较高的硬度和强度，能够抵抗外界力的作用和变形。
而软磁材料通常具有较低的硬度和强度，能够在磁场中自由翻转和改变方向。
2. 弹性和塑性磁性材料的弹性和塑性是其力学特性的重要方面。
弹性是指材料在外力作用下发生变形后能够恢复原状的能力，而塑性是指材料在外力作用下发生变形后无法完全恢复原状的性质。
磁性材料通常具有较低的弹性模量和塑性变形。
这使得其在一些特殊应用中具有优势，例如声学设备和磁传导材料中。
3. 疲劳和蠕变磁性材料的疲劳和蠕变是指材料在长时间持续的外力作用下发生的损伤和变形。
这些现象会影响磁性材料的使用寿命和可靠性。
材料物理性能 干货
材料的电性能的差别主要由其外层电子来决定，而外层 电子由于受原子核和周围势场的影响，使电子分布在不同能 带上，从而导致了不同材料电性能的差别。
• 理想完整的晶体在绝对零度时的电阻为零. 电阻的产生总是伴随着晶体的不完整性。
为什么产生电阻？resistance
（1）温度引起晶格的热振动加大，使晶格对自由电子的散 射增大，产生电阻。thermal vibration
矫顽力Hc
磁滞现象：在退磁过程中，磁化强度落后于磁场强 度的现象。
磁滞损耗：磁滞回线所包围的面积（磁化一周所消 耗的功）
Q HdB
三、 磁各向异性与磁致伸缩
1、磁各向异性
沿铁磁体不同晶轴方向磁化的 难易程度不同，磁化曲线也不相
同。
同一铁磁物质的单晶
体，其磁化曲线随晶轴
方向不同而有所差别，
即磁性随晶轴方向而异。
磁致伸缩的大小与外磁场的大小有关
饱和磁化状态下的磁致伸缩系数s作为磁性材料的 一个磁性参数。不同的材料的磁致伸缩系数s也 是不同的：
s＞0的称为正磁致伸缩——正磁致伸缩是指沿磁 场方向伸长，而垂直于磁场方向缩短，例如铁就 是属于这一类。
s＜0的则称为负磁致伸缩。负磁致伸缩则是沿场磁 化方向缩短，在垂直于磁化方向伸长，镍属于这 一类。
载流子迁移率 electron mobility--- μ
( 物理意义为载流子在单位电场中的迁移速度)
μ= /E 电流密度——单位时间（1s）
通过单位截面积的电荷量）
J＝nq 电导率 σ =J/E
σ =nq／E σ =nqμ
1、电阻率
电导的宏观参数
Co 3d Mn 3d
3个未填满的状态 5个未填满的状态
3 B 5 不B 是铁磁性
材料的磁学性能
五、铁磁性及其物理本质
物质中相邻原子或离子的磁矩，由于相互作用而在某些区域中大致按同一方 向排列，当所施加的磁场强度增大时，这些区域的合磁矩定向排列程度会随之增 加到某一极限值的现象
永久磁矩，来源于电子自旋 净磁矩，无外场条件下（如图） 磁畴，晶体中自旋取向相同的区域
铁磁材料中，无外磁场条件 下，原子磁矩的定向排列
me
Ma
轨道磁矩在外场方向Z上的分量：
l,H ml B ml 0, 1, 2 ,
ml — 轨道磁量子数（空间量子数），共2l+1个
轨道磁矩
2）电子的自旋磁矩 s
电子自旋角动量（自旋动量矩）： Ps s(s 1)
s 1 2 — 自旋量子数
电子自旋磁矩： s 2B s(s 1)
电子自旋磁矩在外场方向Z上的分量： s,H 2msB ms = 1/2 — 自旋磁量子数
i1
N — 单位体积中原子（离子）数
Z — 每个原子（离子）的电子数
ri
0
— 第 i 个电子循轨运动的平均半径 — 真空磁导率
m、e — 电子的质量、电量
自由电子的抗磁性
源于自由电子因受到劳伦兹力的作用，而在垂直于外磁场的平面内作定向的 环绕运动所产生的附加磁矩，该附加磁矩也总是反平行于外磁场
自由电子的抗磁磁化率： 自由电子的总磁化率：
L
和
S
i
的矢量之和，即
J L S
由各电子的磁矩（或角动量）组合成原子的总磁矩（或总角
动量），主要有两种耦合方式：
①原子序数在32以下，为L-S 耦合，即
L ( (l )i ) S ( (s )i ) J 或 L( li ) S( si ) J
i
i
2.2材料物理性能-磁
原子中电子的轨道磁矩和电子的自旋磁矩构 成了原子固有磁矩，也称为本征磁矩
3.2.3 铁磁性材料的特性
铁磁性材料铁、钴、镍及其合金，稀土族元素镝以 及亚铁磁性材料铁氧体等都很容易磁化，在不很强的磁 场作用下，就可得到很大的磁化强度。 磁学特性与顺磁性、抗磁性物质不同，主要特点 表现在磁化曲线和磁滞回线上。
2.2 材料的磁学性能
我们经常观察到磁铁吸引铁片，同极相斥、异极相吸， 接触过磁铁的大头针用细线吊起会自动南北指向，磁铁上 的铁屑会形成毛刺并构成连线等等。 磁性是物质的基本属性之一。 外磁场发生改变时，系统的能量也随之改变，这时就表 现出系统的宏观磁性。
磁性不只是一个宏观的物理量，而且与物质的微观结构 密切相关。它不仅取决于物质的原子结构，还取决于原子 间的相互作用——键合情况、晶体结构。因此，研究磁性 是研究物质内部结构的重要方法之一。
铁磁体的形状各向异性
磁致伸缩 铁磁体在磁场中磁化，其形状和尺寸都会发生变化。 设铁磁体原来的尺寸为 l0 ，放在磁场中磁化时，其尺寸变 为 l ，长度的相对变化为，
称为线磁致伸缩系数。
l l0 l0
计算多晶体与磁化方向成 角的磁 致伸缩系数公式，
3.2.4 磁畴
磁性材料中磁化方向一致的小区域
磁畴的形状、尺寸、畴壁的类型与厚度总称为磁畴结构。 同一磁性材料，如果 磁畴结构不同，则其 磁化行为也不同
在磁化过程中磁畴变化
3.2.5 磁性材料
按磁滞特性可分为 软磁材料：矫顽力很低的磁性材料，亦即当材料在磁场中易 磁化，移出磁场后，获得的磁性便会全部或大部丧失 用于制造电感元件如变压器、电磁铁、磁头等以及电子开关
χ＝ M / H
H:外磁场强度
磁感应强度B 表示在外磁场H作用下材料内部的磁通量密度 磁导率μ
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第一节 磁性基本量及磁性分类
例：将Al磁化到磁感应强度与地球的磁感应强度相同 (6× 10-5T)，Al的磁化率X=16.5×10-6，求施加的外部磁 场强度。
《材料物理性能》——磁学性能
第一节 磁性基本量及磁性分类
材料的宏观磁性是组成材料的原子中电子 的磁矩引起的，产生磁矩的原因有两个 (1)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； (2)电子绕自身的旋转轴运动，产生自旋磁矩， 它比轨道磁矩要大得多。 因此可以把原子中每个电子都看作一个小磁 体，具有永久轨道磁 矩和自旋磁矩。
第一节 磁性基本量及磁性分类
3. 铁磁体
X>>1, 在较弱的磁场作用下，就能产生很大的磁化强度， 且M或B与外磁场强度H呈非线性关系变化。 例：纯铁 B0=10-6T时，其磁化强度M=104A/m FeSO4(顺磁性）， B0=10-6T时，其磁化强度M=0.001A/m 居里温度Tc
第一节 磁性基本量及磁性分类
注：电子绕原子核的轨道旋转对物质的抗磁性有贡献，电子的自旋 可能对顺磁性有贡献。
第一节 磁性基本量及磁性分类
2. 顺磁体
磁化率X为正值，约为10-3~10-6, 它们在磁场中受微弱的引 力。 可分为： 正常顺磁体： X∝ 1/T 稀土金属 X与温度无关的顺磁体： Pt, 钯，奥氏体不锈钢， Li, Na, K, Rb
B0 0 H
μ0为真空磁导率，μ0=4п×10-7 （H/m)
第一节 磁性基本量及磁性分类
一、磁学基本量：
4）相对磁导率μr： 5）磁化率X： 6) 磁化强度M：
r 0
ur 1
M H
单位体积内磁矩之和。
当M，B与H相互平行时，X和μr为标量，否则，它们为 多阶张量。 磁感应强度还可写成：
三、磁化曲线和磁滞回线
1. 磁化曲线
特征： 非线性的
Ms: 饱和磁化强度；
Bs: 饱和磁感应强度
(1) 起始磁导率（ui ): 磁化曲线起始部分 的斜率。 (2) 最大磁导率（um ): 磁化曲线拐点k处 的斜率
三、磁化曲线和磁滞回线
2. 磁滞回线
当H下降时，B---C---D---E Mr（C）: 剩余磁化强度 Br: 剩余磁感应强度 Hc（D）: 矫顽力 得封闭曲线：E—F—G--B (1) 退磁过程中M的变化落后于H的变化-磁滞现象； (2) 试样的磁化曲线形成一个封闭曲线---磁滞回线。 磁滞回线所包围的面积表征磁化一周时所消耗的功，称为磁滞损耗Q 。
B H 0 r H 0 (1 ) H 0 H 0 H 0 H 0 M
《材料物理性能》——磁学性能
磁性参数与介电参数的比较
p
1）H(A/m) ---E (V/m) : 导致极化的外部驱动力的量度； 2）M ( VS/m2） ----P (C/m2)：材料对外部作用场的响应的量度； 3 ) χ（） ----------- χ e 无量纲，描述材料对外部作用场的响应； 4）μ0--------------ε0 建立材料的相应参数和尺度参比量
第一节 磁性基本量及磁性分类
二、物质的磁性分类：
根据固体中电子与外部磁场之间交互作用的性质与强度，将材料分为5类： 与外部无响应（基本）：
抗磁性
顺磁性 反铁磁性 与外部磁场有强烈的相互作用： 铁磁性 亚铁磁性 X≥1 X≤ 1
第一节 磁性基本量及磁性分类
1. 抗磁体
内部磁场M与外部磁场H的方向相反（X<0, 受微弱的斥力。 可分为： “ 经典”抗磁体： X与T无关 “ 反常”抗磁体： X与T有关 前者的10~100倍） Cu, Ag, Au, Hg, Zn Bi, Ga, In, Zr-Cu (其X是 10-6), 它们在磁场中
eh B 0.927 1023 J T 1 4 mc
r
ivຫໍສະໝຸດ e一、原子本征磁矩 电子的自旋磁矩：电子除了做轨道运动还有自旋，因
此具有自旋磁矩。
eh s s 2s B 2 mc
原子中电子的轨道磁矩和电子的自旋磁矩构成了原子固有磁矩，也 称本征磁矩。 如果原子中所有电子壳层都是填满的，由于形成一个球形对称的集 体，则电子轨道磁矩和自旋磁矩各自相抵消，此时原子本征磁矩为零。
4. 亚铁磁体
X>1， 类似于铁磁体，但X没有铁磁体那么大。如磁铁矿、 铁氧体等。
5. 反铁磁体
X>0， 是小的正数，在温度低于某温度时，它的磁化率随温 度升高而增大，高于这个温度，其行为象顺磁体，如氧化镍、 氧化锰等。
《材料物理性能》——磁学性能
图2.1 五类磁体的磁化曲线示意图
第一节 磁性基本量及磁性分类
3) 磁感应强度B：材料在磁场强度为H的外加磁场作用下，会在材料内部产生一定的 的磁通量密度，称其为磁感应强度B。单位：特斯拉（T），或韦伯/米2（Wb/m2)，或 （VS/m2）
B H
式中：μ为磁导率，是材料的本征参数，表示材料在单位磁场强度的外加磁场作用 下，材料内部的磁通量密度。在真空中
第二章 磁学性能
刘欣 2011.09.26
第一节 磁性基本量及磁性分类
1.磁学基本量：
1）磁场强度H：一根通有I安培(A)直流电的无限长直导线，在距导线轴线r米(m)处产 生的磁场强度：
H
I 2r
(A/m)
2）磁偶极矩p：环形电流在其运动中心处产生一个磁矩（或称磁偶极矩)：
p IS
(A• m2)
《材料物理性能》——磁学性能
二、抗磁性
M S N F
抗磁性材料
《材料物理性能》——磁学性能
物质的抗磁性
电磁感应普遍存在
由于电磁感应 磁场中运动电子轨道发生 变化，产生抗磁性： 普遍存在；
值很小，通常被掩盖
《材料物理性能》——磁学性能
第二节 抗磁性和顺磁性
一切物质磁性的根源，来自原子磁性 原子磁矩有三个来源：
☼ 电子轨道磁矩；
☼ 电子自旋磁矩； ☼ 原子核磁矩。 原子核磁矩值很小，一般可忽略不计。
一、原子本征磁矩
电子的轨道磁矩：电子绕原子核运动，犹如一环形电
流，此环流也应在其运动中心处产生磁矩，称为电子 轨道磁矩。 eh l l B 4 mc 玻尔磁子