第三章-材料磁学性能
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材料磁学性能(材料科学基础)
➢ 在外磁场中，这类磁化了的介质内部，B小于真空中的B0 ➢ 抗磁性物质的抗磁性一般很微弱，磁化率一般为-10-5 磁化率χ ＜0，相对磁导率μr ＜1，磁感应强度B < B0 ➢ 周期表中前18个元素主要表现为抗磁性，这些元素构成了陶 瓷材料中几乎所有的阴离子，如O2-、F-、Cl-、S2-等。
h
2
（3）磁感应强度
真空
B。＝。H 。
B 磁感强度（Wb·m-2） (magnetic flux density)
H 磁场强度（A·m-1）(magnetic field strength)
0 真空磁导率，4×l0-7（H／m） (亨/米）
介质 B0(HM )HM: 磁化强度
h
3
（4）磁化率 χ(magnetic susceptibility)
➢ 不具“永久磁矩” ：原子各层都充满电子（电子自旋磁矩相互抵消）
如锌(3d104s2)，具有各层都充满电子的原子结构，其电子磁矩相互 抵消，因而不显磁性。
h
5
（2）“交换”作用
铁具有很强的磁性，这种磁性称为铁磁性。铁磁性除与电子结构有关外， 还决定于晶体结构。
处于不同原子间的、未被填满壳层上的电子发生特殊的相互作用，这种 相互作用称为“交换”作用。这是因为在晶体内，参与这种相互作用的电子 已不再局限于原来的原子，而是“公有化”了，原子间好象在交换电子，故 称为“交换”作用。
由这种“交换”作用所产生的“交换能”J与晶格的原子间距有密切关系。 当距离很大时，J接近于零，随着距离的减小，相互作用有所增加。 J为正值，就呈现出铁磁性，J为负值，就呈现出反铁磁性。
a：原子间距 D：未被填满的电子壳层直h 径
a/D ＞3时 交换能为正值， 为铁磁性 a/D ＜3时 交换能为负值， 为反铁磁性
h
2
（3）磁感应强度
真空
B。＝。H 。
B 磁感强度（Wb·m-2） (magnetic flux density)
H 磁场强度（A·m-1）(magnetic field strength)
0 真空磁导率，4×l0-7（H／m） (亨/米）
介质 B0(HM )HM: 磁化强度
h
3
（4）磁化率 χ(magnetic susceptibility)
➢ 不具“永久磁矩” ：原子各层都充满电子（电子自旋磁矩相互抵消）
如锌(3d104s2)，具有各层都充满电子的原子结构，其电子磁矩相互 抵消，因而不显磁性。
h
5
（2）“交换”作用
铁具有很强的磁性，这种磁性称为铁磁性。铁磁性除与电子结构有关外， 还决定于晶体结构。
处于不同原子间的、未被填满壳层上的电子发生特殊的相互作用，这种 相互作用称为“交换”作用。这是因为在晶体内，参与这种相互作用的电子 已不再局限于原来的原子，而是“公有化”了，原子间好象在交换电子，故 称为“交换”作用。
由这种“交换”作用所产生的“交换能”J与晶格的原子间距有密切关系。 当距离很大时，J接近于零，随着距离的减小，相互作用有所增加。 J为正值，就呈现出铁磁性，J为负值，就呈现出反铁磁性。
a：原子间距 D：未被填满的电子壳层直h 径
a/D ＞3时 交换能为正值， 为铁磁性 a/D ＜3时 交换能为负值， 为反铁磁性
材料磁学性能unit3-浙江大学材料物理性能笔记
3.1.磁学概论磁偶极子：类似于电偶极子，在磁性材料中由南极和北极组成一个磁偶极子磁矩：Pm=IS静磁能：U = −PB对于通电的密绕螺线管，若螺线管高为l、线圈匝数为N、通过的电流为I，则螺线管内所产生的磁场强度H为：H=NI/lB=μH (μ为磁导率) μr=μ/μ0（相对磁导率）μ0=4π×107-H/mB=μ0（H+M） M为磁化强度（A/m）与H单位相同M=∑Pm/VM=χHμr=1+χχ为磁化率（无量纲）物质的磁性本源是电荷的运动原子磁性包括：电子轨道磁矩、电子自旋磁矩和原子核磁矩磁矩的最基本单位是玻尔磁子μB，μB=9.27×1024-A·m2物质的磁性不是由电子的轨道磁矩引起，而是主要由自旋磁矩引起“交换”作用：处于不同原子间的、未被填满壳层上的电子发生的特殊相互作用，参与这种相互作用的电子已不再局限于原来的原子，而是“公有化”了。
原子间好象在交换电子，故称为“交换”作用当原子间距Rab与未被填满的电子壳层半径r比Rab/r>3时，交换能H为正值，就呈现出铁磁性当Rab/r<3时，交换能H为负值，为反铁磁性根据物质磁化率，可以把物质的磁性大致分为抗磁性、顺磁性、铁磁性、反铁磁性和亚铁磁性抗磁性：磁化方向与外加磁场方向相反，即当磁化率χ或磁化强度M为负时，固体表现为抗磁性。
抗磁性物质的原子（离子）的磁矩应为零，即不存在永久磁矩顺磁性：在外加磁场作用下，每个原子磁矩比较规则地取向，材料显示极弱的磁性。
磁化强度M与外磁场方向一致，M为正，而且M严格地与外磁场H成正比χ = C /T C为居里常数，磁化率很小铁磁性：无论是否施加外磁场，都具有永久磁矩，且在无外加磁场或较弱的磁场作用下，就能产生很大的磁化强度反铁磁性：由于“交换”作用为负值，电子自旋磁矩反向平行排列。
在同一子晶格中有自发磁化强度，电子磁矩是同向排列的，在不同子晶格中，电子磁矩反向排列。
第03章 磁学性能
37
不变，故ω ，2 K = mr ω m和r不变，故ω
增大，使P 增大，即产生的附加磁矩△ 的方向与外H 增大，使Pl 增大，即产生的附加磁矩△P的方向与外H方
K = mr ω m和r不变，故ω 不变，故ω ，2
减小，使P 减小，也等于产生的附加磁矩△ 减小，使Pl 减小，也等于产生的附加磁矩△P的方向与外
7
磁场中某方向的磁矩所具有的静磁能为
上式是分析磁体相互作用， 上式是分析磁体相互作用，以及在磁场中所处状 态是否稳定的依据。 态是否稳定的依据。
8
二、磁化强度（magnetization）和磁化率（magnetic
susceptibility）
一个物体在外磁场中被磁化的程度， 一个物体在外磁场中被磁化的程度，用单位体积 内磁矩的多少来衡量， 内磁矩的多少来衡量，称之为磁化强度
10
磁化率三种表示形式： 表示单位体积的磁化率， χV表示单位体积的磁化率， 表示每摩尔的磁化率， χA表示每摩尔的磁化率， 表示单位质量（每克）的磁化率。 χg表示单位质量（每克）的磁化率。 不同磁介质其磁化曲线不同，曲线上任意一点都 对应着材料的某种磁化状态，它与坐标原点连线 对应着材料的某种磁化状态，它与坐标原点连线 的斜率即表示材料在该磁场下的磁化率。 的斜率即表示材料在该磁场下的磁化率。
2
根据磁质被磁化后产生的附加磁场 磁质分为三类： 磁质分为三类：
的大小和方向， 的大小和方向，可将
(1) 抗磁质 凡是附加磁场 相反， 相反， 强度略微地减弱的磁质。 强度略微地减弱的磁质。 (2) 顺磁质 凡是附加磁场 向相同， 向相同， (3) 铁磁质 凡是附加磁场 向相同， 向相同，
与外磁场
32
33
当原子中某一电子层被电子填满时， 当原子中某一电子层被电子填满时，该电子层的电子 云在空间的分布呈球形对称， 云在空间的分布呈球形对称，这时其电子循轨磁矩互 相抵消，其电子自旋磁矩也互相抵消， 相抵消，其电子自旋磁矩也互相抵消，即该层的电子 磁矩对原子磁矩没有贡献。 磁矩对原子磁矩没有贡献。 若原子中的所有电子层全被电子填满， 若原子中的所有电子层全被电子填满，如惰性元素则 不呈现原子磁矩，即该原子不存在固有磁矩。 不呈现原子磁矩，即该原子不存在固有磁矩。 Ar以及某些 以及某些离 He, Ne, Ar以及某些离子材料
不变，故ω ，2 K = mr ω m和r不变，故ω
增大，使P 增大，即产生的附加磁矩△ 的方向与外H 增大，使Pl 增大，即产生的附加磁矩△P的方向与外H方
K = mr ω m和r不变，故ω 不变，故ω ，2
减小，使P 减小，也等于产生的附加磁矩△ 减小，使Pl 减小，也等于产生的附加磁矩△P的方向与外
7
磁场中某方向的磁矩所具有的静磁能为
上式是分析磁体相互作用， 上式是分析磁体相互作用，以及在磁场中所处状 态是否稳定的依据。 态是否稳定的依据。
8
二、磁化强度（magnetization）和磁化率（magnetic
susceptibility）
一个物体在外磁场中被磁化的程度， 一个物体在外磁场中被磁化的程度，用单位体积 内磁矩的多少来衡量， 内磁矩的多少来衡量，称之为磁化强度
10
磁化率三种表示形式： 表示单位体积的磁化率， χV表示单位体积的磁化率， 表示每摩尔的磁化率， χA表示每摩尔的磁化率， 表示单位质量（每克）的磁化率。 χg表示单位质量（每克）的磁化率。 不同磁介质其磁化曲线不同，曲线上任意一点都 对应着材料的某种磁化状态，它与坐标原点连线 对应着材料的某种磁化状态，它与坐标原点连线 的斜率即表示材料在该磁场下的磁化率。 的斜率即表示材料在该磁场下的磁化率。
2
根据磁质被磁化后产生的附加磁场 磁质分为三类： 磁质分为三类：
的大小和方向， 的大小和方向，可将
(1) 抗磁质 凡是附加磁场 相反， 相反， 强度略微地减弱的磁质。 强度略微地减弱的磁质。 (2) 顺磁质 凡是附加磁场 向相同， 向相同， (3) 铁磁质 凡是附加磁场 向相同， 向相同，
与外磁场
32
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当原子中某一电子层被电子填满时， 当原子中某一电子层被电子填满时，该电子层的电子 云在空间的分布呈球形对称， 云在空间的分布呈球形对称，这时其电子循轨磁矩互 相抵消，其电子自旋磁矩也互相抵消， 相抵消，其电子自旋磁矩也互相抵消，即该层的电子 磁矩对原子磁矩没有贡献。 磁矩对原子磁矩没有贡献。 若原子中的所有电子层全被电子填满， 若原子中的所有电子层全被电子填满，如惰性元素则 不呈现原子磁矩，即该原子不存在固有磁矩。 不呈现原子磁矩，即该原子不存在固有磁矩。 Ar以及某些 以及某些离 He, Ne, Ar以及某些离子材料
第三章;磁学性能(材料的磁化特征及其基本参数)
强度的比值。 μr称为相对磁导率
四、磁化曲线和磁滞回线
磁导率和磁场的关系
磁滞：指铁磁材料的磁性状态变化时，磁化 强度滞后于磁场强度，它的磁通密度B与磁场 强度 H之间呈现磁滞回线关系 剩磁Br：磁滞回线中，外磁场 减小为零时， 铁磁质所具有的磁感应强度 矫顽力Hc：为使剩磁降低为零而施加的反向 外磁场强度 磁致损耗：铁磁材料在磁化过程中由磁滞现 象引起的能量损耗。经一次循环，磁滞损耗 等于磁滞回线的面积
一个环形电流的磁矩：Pm=ΙS Ι环形电流的强度， S是环形所包围的面积。
当有外加磁场后，环形电流的磁矩沿磁场规律排 列，在宏观上显示磁性。用磁化强度衡量物质磁 性强弱及磁化状态
磁化强度
磁化强度：单位体积的总磁矩
磁极化强度
材料受磁化后呈规律排列，宏观上显示磁极 （南北极），把微观的磁分子称为磁偶极 子，宏观所表示出的磁矩称为磁偶极矩jm
第三章 材料的磁学性能
材料的磁化特征及其基本参数
一、磁化现象及磁化强度 磁性与物质的微观结构相关，决定于原子
结构、原子间的相互作用，例如:键结合和 晶体结构等。 磁性是微观结构表现出来的一种宏观现象。 研究磁性也是研究材料物质内部微观结构 的方法。
磁化现象及磁化强度
一切物质都具有磁性，任何空间都存在磁场，只是强弱不同而已。 根本原因：
• 磁----电 • 磁现象的本质是由于带电物体运动的结果。 • 原子中电子的绕核运动、电子本身的自旋，都会产生磁场。 • 一个分子内部全部电子运动产生的磁场的总和叫做分子磁
场。 • 物质在磁场中，由于受到磁作用而呈现一定磁性称为磁化 • 凡是能被磁场磁化的物质称为磁介质（磁质）。
当物质处于磁场中时，会使磁场发生变化，不 同的物质所引起的磁场变化不一样。
四、磁化曲线和磁滞回线
磁导率和磁场的关系
磁滞：指铁磁材料的磁性状态变化时，磁化 强度滞后于磁场强度，它的磁通密度B与磁场 强度 H之间呈现磁滞回线关系 剩磁Br：磁滞回线中，外磁场 减小为零时， 铁磁质所具有的磁感应强度 矫顽力Hc：为使剩磁降低为零而施加的反向 外磁场强度 磁致损耗：铁磁材料在磁化过程中由磁滞现 象引起的能量损耗。经一次循环，磁滞损耗 等于磁滞回线的面积
一个环形电流的磁矩：Pm=ΙS Ι环形电流的强度， S是环形所包围的面积。
当有外加磁场后，环形电流的磁矩沿磁场规律排 列，在宏观上显示磁性。用磁化强度衡量物质磁 性强弱及磁化状态
磁化强度
磁化强度：单位体积的总磁矩
磁极化强度
材料受磁化后呈规律排列，宏观上显示磁极 （南北极），把微观的磁分子称为磁偶极 子，宏观所表示出的磁矩称为磁偶极矩jm
第三章 材料的磁学性能
材料的磁化特征及其基本参数
一、磁化现象及磁化强度 磁性与物质的微观结构相关，决定于原子
结构、原子间的相互作用，例如:键结合和 晶体结构等。 磁性是微观结构表现出来的一种宏观现象。 研究磁性也是研究材料物质内部微观结构 的方法。
磁化现象及磁化强度
一切物质都具有磁性，任何空间都存在磁场，只是强弱不同而已。 根本原因：
• 磁----电 • 磁现象的本质是由于带电物体运动的结果。 • 原子中电子的绕核运动、电子本身的自旋，都会产生磁场。 • 一个分子内部全部电子运动产生的磁场的总和叫做分子磁
场。 • 物质在磁场中，由于受到磁作用而呈现一定磁性称为磁化 • 凡是能被磁场磁化的物质称为磁介质（磁质）。
当物质处于磁场中时，会使磁场发生变化，不 同的物质所引起的磁场变化不一样。
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
材料的磁学性能
材料的磁学性能
材料的磁学性能是指材料在外加磁场下的磁化特性，包括磁化强度、磁导率、磁化曲线等。
磁学性能对于材料的应用具有重要的意义，尤其是在电子、通信、医疗等领域。
本文将从磁性材料的基本概念、磁性材料的分类、磁性材料的应用等方面进行介绍和分析。
磁性材料是指在外加磁场下会产生磁化现象的材料。
根据材料在外加磁场下的磁化特性，可以将磁性材料分为铁磁性材料、铁素磁性材料、铁氧体材料和软磁性材料等几类。
铁磁性材料在外加磁场下会产生明显的磁化现象，具有较高的磁导率和磁化强度，主要用于制造电机、变压器等电器设备。
铁素磁性材料具有较高的电阻率和磁导率，主要用于制造电感元件、磁芯等。
铁氧体材料具有较高的磁导率和磁化强度，主要用于制造微波器件、磁记录材料等。
软磁性材料具有较低的矫顽力和磁导率，主要用于制造变压器、电感器等。
磁性材料在电子、通信、医疗等领域具有广泛的应用。
在电子领域，磁性材料主要用于制造电感元件、变压器、磁芯等，用于电源、通信、计算机等设备中。
在通信领域，磁性材料主要用于制造微波器件、天线等，用于无线通信、卫星通信等设备中。
在医疗领域，磁性材料主要用于制造医疗设备、磁共振成像设备等，用于诊断、治疗等用途。
总之，磁性材料的磁学性能对于材料的应用具有重要的意义。
通过对磁性材料的基本概念、分类和应用的介绍和分析，可以更好地了解磁性材料的特性和用途，为相关领域的科研和生产提供参考和指导。
希望本文能够对读者有所帮助，谢谢阅读。
磁学性能
材料的磁学性能与检测
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。
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。
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。
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朗德因子
• HunJ d法 则：L 基 态总角S 量 数 J的取B 值P 法L 则 2 P S g BP J
➢ 未PJ填满电P子L的次P电S子层内，P在J Pauli原J理(允J许的1条)件下，总自旋量子数S和总轨道量子数L取最大值
➢ 次电J子层g未填J满(一J半 时1 ，)J=L-B S；次电子层g 满 一1半或J一(J半 以1)上 时2 S J ，((S JJ = L +1 S1 ))L(L1)
凡是电子壳层被填满了的物质都属抗磁体
顺磁性
• 有外磁场时，感生出与外磁场相同方向的磁性，成为顺磁性 ➢ 一些材料的自旋磁矩与轨道磁矩未完全被抵消，每个原子都有一个永久磁矩，无外磁场时，原子磁
矩无序排列，表现不出宏观磁性 ➢ 有外磁场时，各原子磁矩会沿外磁场方向择优取向，使材料表现出宏观磁性 • 磁化强度M与外磁场一致，且M∝H ； • 磁化率χ为正值，与温度的关系： ➢ 数量级在10-5 ~10-2之间 • 常见的顺磁性物质：Al、Pt等
第三章-材料磁学性能
提纲
• 3.1 材料的磁性概论 • 3.2 抗磁性和顺磁性理论 • 3.3 铁磁性理论 ➢ 分子场理论、反铁磁性、亚铁磁性 • 3.4 磁性能的评价
3.1 材料的磁性 • 最早的应用之一
“司南之杓，投之于地，其柢指 南”
——《论衡•是应篇》
其他应用
• 电极（马达） • 硬盘磁头
例：Fe——3d6
• n=3, l=2, ml=0, ±1, ±2 • S=5*1/2-1*1/2=2 • L=∑ml=2+1+0+(-1)+(-2)+2=2 • g=1.5, μJ=6.7μB
3.2.4 物质中的原子磁矩
• 孤立、自由的原子磁矩=原子组成物质时的原子磁矩？ ➢ 材料结构不同，物质中的原子磁矩有时会发生变化 • 铁氧体：八面体晶场
Curie-Weiss定律
C T p
顺磁居里温度
顺磁性
3.3 铁磁性理论
• 铁磁性 ➢ 有些物质放入外磁场中，能感生出和H相同方向的磁化强度，磁化率χ>0，但其数值很大，约101~106 ➢ 这些物质的磁化曲线M~H是非线性的复杂函数，反复磁化时出现磁滞现象，这类物质称为铁磁性物
质 • 特点 ➢ 不仅有固有原子磁矩，且原子磁矩小区间地自发平行取向，易顺外磁场方向排列 ➢ 很小的磁场可感生出很大的磁化强度M ➢ 当温度高于某个临界值Tc（居里温度）时，铁磁性将转变为顺磁性，服从Curie-Weiss定律 ➢ 典型代表：Fe、Co、Ni、Gd等
B0H
➢ μ：磁导率，μr：相对磁导率 • 磁化率χ：判断一般物质磁性强弱的物理量
B（ 0HM ） H
r
0
M H
r 1
3.2.1 原子的固有磁矩
• 原子磁矩 ➢ 电子 ➢ 原子核（可忽略不计） • 电子轨道磁矩
根据量子力学理论
根据经典原子结构模型
Pl
l(l1)，
h 2
l
iA e 2
M V 距一根通有电流的无限长直导线r米处的磁场强度
• 通电导体可产生磁场，一个通有电流的无限长螺旋管线圈中心处的磁场强度
• n：线圈匝数；L：线圈长度；I：电流强度
H I
2r
H nI L
磁感应强度
• 磁场H在空间会产生磁力线，单位面积上通过的磁力线为磁感应强度B
➢ μ0：真空磁导率，单位为T • 将磁性材料放入磁场空间，B由磁化强度M和磁场强度H共同决定
抵抗该变化，该附加感应电流的磁矩方向和外磁场方向相反 ➢ 抗磁性是电子的轨道运动产生，而任何物质又都存在这种运动，故可以说任何物质在外磁场作用下
都要产生抗磁性 • 磁化强度M成为负值，相对磁导率μr比1略小，磁化率χ为负值（约为-10-5数量级），与磁场、温度
无关 ➢ 所有材料都有抗磁性，但因为很弱，只有当其他类型的磁性完全消失时才能被观察楞到次定律 • 常见的抗磁性物质：Bi、Zn、Ag、Mg等金属，Si、P、S等非金属，有机高聚物及惰性气体
对于3d1 自由原子：
L 2(l 2)
S
1
•
➢2
J3 2
轨道冻结：部分冻结、完全冻结 一般只考虑自旋磁矩的贡献
八面体晶 场中：
L 1 S1
2 J1
2
• 金属及合金中的原子磁矩
➢ Fe的4s电子是自由电子，可在晶体中自由移动，已不属于某个原子，因此4s能级很宽
➢ 3d电子无法自由移动，但也并非局域在某个原子周围，3d能级成为能带，并与4s能带重叠
r2e2 r2lP l
Pl r2m ：电子运动的角动量
l
e 2m
：轨道旋磁比
l：角量子数，0,1,2…,n-1
l l(l1)
在外,H mlB
ml：磁量子数，0,±1, ±2…, ±l
➢ 内层电子充满电子
μB为玻尔磁子
➢ 只考虑未填满的次壳层中的电子的贡献
3.2.2 电子自旋磁矩
• 电子自旋是量子力学效应 ➢ 自旋运动的磁矩
➢ 自旋磁矩在磁场中的投影
• 只考s虑未2填满s的(次s壳层1中)电B 子的贡献
s：自旋量子数，取1/2
s,H 2msB
ms：自旋角动量方向量子数，取1/2
电子自旋磁矩在外磁场方向上 的分量恰为一个玻尔磁子μB
3.2.3 原子的总磁矩
• 电子轨道磁矩+自旋磁矩 ➢ LS耦合
➢ 因此，具有同样能量的电子可进入3d轨道，也可进入4s轨道，需要从能带理论角度解释原子磁矩
• 经验公式
➢ 当3d+4s电子数超过8时，
，n为4s+3d电子数
JH (1.6 0n)B
3d、4s能带
Slater-Pauling曲线
• 稀土金属中的原子磁矩 ➢ 产生磁性的4f电子处于5s25p6电子的内层，受到外层电子的屏蔽，很少受周围晶场的影响 ➢ 一般认为自由原子的磁矩就是材料中原子的磁矩
• 高能加速器
磁学与磁性材料的发展
法拉第
安培
韦伯
赫兹
麦克斯韦
磁性物质的分 子场假说，奠 定了现代磁学 的基础。
外斯
磁场强度
• 宏观磁体由许多有固有原子磁矩μ的原子组成
• 磁化强度：单位体积内原子磁矩矢量总和
M单位为A/m
➢ ➢ •
原子磁矩同向平行排列时，宏观磁性最强
原子磁矩排列紊乱时，不显示宏观磁性
3.2.5 材料磁性的分类
• 根据材料中原子和电子磁矩对外加磁场的响应（磁化率χ），磁性可分为
➢ 抗磁性
➢ 顺磁性
➢ 反铁磁性
➢ 铁磁性
➢ 亚铁磁性
弱磁性
强磁性 常用的磁性材料
抗磁性
• 外加磁场使材料中的电子轨道运动发生变化，感应出很小的磁矩，方向与外磁场相反，称为抗磁性 ➢ 在外磁场中，穿过电子轨道运动回路的磁通量会发生变化，电子轨道回路产生一个附加的感应电流