第二章 材料的磁学(new)
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磁性功能材料(ppt 72张)
χ ：10-2-10-4
反铁磁性物质的磁结构及磁化率随温度的变化
反铁磁性：
磁化率和温度的关系在涅耳点(TN)有一转折。在TN点以下 为反铁磁性,χ 随温度升高而升高。在TN以上，χ随温度 升高而下降，表现如顺磁性行为。 反铁磁性物质中有A、B两个次晶格，其原子磁矩反平行 排列，且大小相等，自发磁化强度相互抵消，总磁矩为零。
抗磁性
物 质 磁 性 分 类 与外加磁 场的关系 顺磁性 反铁磁性 亚铁磁性 铁磁性
⑴ 抗磁性
χ： －（10-5 – 10-6 ）
抗磁性物质的磁结构及磁化率随温度的变化
抗磁性： 磁化率小于零，在外磁场的作用下产生一个与 外磁场方向相反且很小的附加磁场，其值和温 度无关。 抗磁性物质：He，Ne，Ar，H2，N2，C，Si， Ge等
（二）基本磁性参量 磁场强度(H)： 电流强度为i的电流在一个每米有N匝线圈的无 限长螺旋管轴线中央产生的磁场强度 H 为：
HNi
距离永磁体r处的磁场强度 H 为：
2 H km r / r l 0
m1为磁极的磁极强度，；r0是r的矢量单位； 磁化强度(M，σ): 单位体积磁性材料内原子磁矩的矢量和
Cr、Mn以及含有Cr、Mn的一些合金是反铁磁性的。
(4)
铁磁性
χ ：102-106
铁磁性物质的磁结构及磁化率随温度的变化
铁磁性：
在不大的磁化场下，该物质有较高的磁化强度，并达到饱和 状态； 磁化率随磁场非线性变化； 饱和磁化强度随温度升高而下降，并在一定温度Tc（居里温 度）下，铁磁性消失，变成顺磁性。 铁磁性物质： ①Fe、Co、Ni等纯金属。某些稀土元素如Gd（钆gá）等 ②含Fe、Co、Ni的合金及化合物； ③某些过渡元素组成的合金。
第二章 磁学性能
23 1 B
电子的自旋运动产生自旋磁矩，电子自旋磁矩大小为
eh s s 2s B 2mc
式中，s为电子自旋磁矩角动量。
电子自旋磁矩在外磁场方向上的分量恰为一个玻 尔磁子，即 sz=B
式中，符号取决于电子自旋方向，一般取与外磁 场方向z一致的为正，反之为负。
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，即本征磁矩。理论计算证明，如
反映磁化强度随磁场变化的速率。 量纲为1，其值可正、 可负，它表征物质本身的磁化特性。
将磁矩p放入磁感应强度为B的磁场中，它将受到磁场力的 作用而产生转矩，其所受力矩为L=p×B
此转矩力图使磁矩 p处于势能最低的方向。磁矩与外加磁场 的作用能称为静磁能。处于磁场中某方向的磁矩，所具有的 静磁能为 E= -p · B 在讨论材料的磁化过程和微观磁结构时，经常要考虑磁 体中存在的几种物理作用及其所对应的 能量，其中包括静磁 能。单位体积中的静磁能，即静磁能密度EH EH = -M· B = -MHcos 式中，为磁化强度M与磁场强度H的夹角。通常静磁能密度 EH在习惯上简称为静磁能。
抗磁体的磁化率与温度无关或变化极小。
凡是电子壳层被填满了的物质都属于抗磁性物质。 惰性气体，离子型固体（如氯化钠）等； 共价键的碳、硅、锗、硫、磷等通过共有电子而填满了 电子层，故也属于抗磁性物质； 大部分有机物质属于抗磁性物质。 金属中属于抗磁性物质的有铋、铅、铜、银等。
三、顺磁性
• 材料的顺磁性来源于原子的固有磁矩。
磁滞：从饱和磁化状态A点降低磁 场H时，磁感应强度B将不沿着原 磁化曲线下降而是沿AC缓慢下降。 剩余磁感应强度：当外磁场降为0 时，得到不为零的磁感应强度Br 矫顽力：将B减小到零，必须加的 反向磁场-Hc
电子的自旋运动产生自旋磁矩，电子自旋磁矩大小为
eh s s 2s B 2mc
式中，s为电子自旋磁矩角动量。
电子自旋磁矩在外磁场方向上的分量恰为一个玻 尔磁子，即 sz=B
式中，符号取决于电子自旋方向，一般取与外磁 场方向z一致的为正，反之为负。
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，即本征磁矩。理论计算证明，如
反映磁化强度随磁场变化的速率。 量纲为1，其值可正、 可负，它表征物质本身的磁化特性。
将磁矩p放入磁感应强度为B的磁场中，它将受到磁场力的 作用而产生转矩，其所受力矩为L=p×B
此转矩力图使磁矩 p处于势能最低的方向。磁矩与外加磁场 的作用能称为静磁能。处于磁场中某方向的磁矩，所具有的 静磁能为 E= -p · B 在讨论材料的磁化过程和微观磁结构时，经常要考虑磁 体中存在的几种物理作用及其所对应的 能量，其中包括静磁 能。单位体积中的静磁能，即静磁能密度EH EH = -M· B = -MHcos 式中，为磁化强度M与磁场强度H的夹角。通常静磁能密度 EH在习惯上简称为静磁能。
抗磁体的磁化率与温度无关或变化极小。
凡是电子壳层被填满了的物质都属于抗磁性物质。 惰性气体，离子型固体（如氯化钠）等； 共价键的碳、硅、锗、硫、磷等通过共有电子而填满了 电子层，故也属于抗磁性物质； 大部分有机物质属于抗磁性物质。 金属中属于抗磁性物质的有铋、铅、铜、银等。
三、顺磁性
• 材料的顺磁性来源于原子的固有磁矩。
磁滞：从饱和磁化状态A点降低磁 场H时，磁感应强度B将不沿着原 磁化曲线下降而是沿AC缓慢下降。 剩余磁感应强度：当外磁场降为0 时，得到不为零的磁感应强度Br 矫顽力：将B减小到零，必须加的 反向磁场-Hc
材料的磁学
（1）分子场假说
铁磁性物质内存在某种很强的分子场（力），约束着原 子，使内部各区域的原子磁矩一致排列。这种无外加磁场下
1
2
3.1 原子磁性及材料磁性
3.1.1 原子的磁性
量子力学哥本哈根学派领袖，1922年 获诺贝尔物理学奖，师从卢瑟福， 弟子有海森堡、泡利、狄拉克、朗道 等诺贝尔奖获得者
Bohr
(1885-1962)
3
JJ耦合: 各电子的L、S相互作用强， 先耦合为该电子的总磁矩，再叠加 为原子总磁矩 ；（Z>88)
二者均与 介质无关
(2) 磁矩（m） 环形电流周围的磁场 定价于磁偶极子周围的磁场:
N
N S N
H
m IS
S
m qml
S
O
H
m qel
电偶极距
7
磁偶极矩
静磁能：磁矩在外磁场作用下具有的势能（磁势能）：
Um 0m H
0 mH cos
相对磁导率
10
对于磁介质：
物质磁学和电学基本量的比较
磁学量 电学量
磁 化：磁介质在磁场中感生磁极 极 化：电介质在电场中感生电荷 磁场强度： H nI / L （真空） 电场强度： E U / d （真空） m 磁化强度： M i H 极化强度： i P e E m V V 磁感应强度：磁通密度 B 0 (H M ) H 绝对磁导率： 0 r 相对磁导率： r 1 m 磁 化 率： 电感应强度：电通密度 /电位移矢量 D 0 ( E P) E 绝对电容率： [介电常数] 0 r 相对电容率： 1 相对介电常数
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
磁学与磁性材料
磁学与磁性材料磁性材料是一类特殊的材料，具有吸引或排斥铁磁物质的能力。
磁学是研究磁现象和磁性材料的学科。
本文将对磁学和磁性材料的相关概念、应用和发展进行探讨。
一、磁学的基本概念磁学是物理学的一个分支，主要研究磁性现象和磁性材料的性质。
它涉及磁场、磁矩、磁感应强度和磁化强度等基本概念。
磁场是指周围存在磁流的区域，它可以由磁铁、电流或磁体产生。
磁矩是物质内部微小的磁元件，它具有带电粒子产生的磁性。
磁感应强度是磁场对空间中的磁性物体施加的作用力，可以用来描述磁场的强度和方向。
磁化强度是磁性材料在外磁场作用下磁化的程度。
二、磁性材料的分类与性质磁性材料可以根据其磁性质分为铁磁材料、顺磁材料和抗磁材料。
铁磁材料具有明显的自发磁化特性，如铁、镍、钴等。
顺磁材料受外磁场作用后，磁化方向和磁场方向一致，如氧化铁、铁氧体等。
抗磁材料不具备自发磁化特性且在外磁场下磁化弱，如铜、银等。
磁性材料的性质与其微观结构密切相关。
在铁磁材料中，微观磁矩相互作用导致自发磁化；在顺磁材料中，外加磁场作用下，电子磁矩与磁场方向一致；在抗磁材料中，微观磁矩相互作用导致自发磁化方向相反。
三、磁性材料的应用领域磁性材料在众多领域中都起着重要作用。
在电子技术领域，磁性材料广泛应用于电感器、变压器、磁盘驱动器等设备中；在能源领域，磁性材料用于制造磁能转换器件，如风力发电机、水力发电机等；在医学领域，磁性材料在核磁共振成像、磁控释药等方面具有广泛应用；在磁记录领域，磁性材料用于制造硬盘、磁带等存储设备。
四、磁学与磁性材料的发展趋势随着科学技术的不断进步，磁学和磁性材料领域也在不断发展。
一方面，磁学的理论模型和磁性材料的制备工艺不断改进，使得磁性材料的性能得到了提升；另一方面，新型磁性材料的研究和应用也不断推进，如自旋电子学材料、磁性纳米粒子等。
这些新材料和新技术的出现，不仅给电子技术、信息技术和能源技术等领域带来了新的发展机遇，还为科学家们研究磁学现象和磁性材料的本质提供了更多的实验条件和理论基础。
材料磁学性能-磁学性能(第二节)
1931年首次获得了磁畴壁的显微照片
磁畴
磁畴
磁畴壁
小箭头代表原子磁偶极子
1
在分子场假说的基础上，发展了自发磁化理论，解释了铁磁性的本质 在磁畴假说的基础上发展了技术磁化理论，解释了铁磁体在磁场中的行为 在磁畴的实验观察基础上发展了现代的铁磁性理论
2
1. 自发磁化理论
铁磁性材料的磁性是自发磁化产生的。磁化过程（又称感磁或充磁）：把物质本 身的磁性显示出来，而不是由外界向物质提供磁性的过程 （1）铁磁性产生的原因 铁磁性物质自发磁化的根源是原子（正离子）磁矩，而且在原子磁矩中起主要作 用的是电子自旋磁矩
若铁磁体的尺寸为l0，放在磁场中磁化时，其尺寸变为l，则长度的相对变化为：
λ = l−l0 l0 λ称为线磁致伸缩系数。随着外磁场的增强，铁磁体的磁化强度增强，这时⏐λ⏐
也随之增大。当磁化场H等于饱和磁化场HS时，磁化强度达到饱和值MS，此时
λ=λS，称为饱和磁致伸缩系数。对于一定的材料，λS是个常数
只有当原子核之间的距离Rab与参加交换 J 反铁磁性 铁磁性 顺磁性 作用的电子壳层半径r之比大于3时，交 + 换积分才有可能为正
铁、钴、镊以及某些稀土元素满足自发 磁化的条件
_
1 2 3 4 5 6 7 Rab/r
4
综上述，铁磁性的产生需要两个条件： 原子内部要有未填满的电子壳层 Rab/r之比大于3，使交换积分J为正 前者指的是原子本征磁矩不为零；后者指的是要有一定的晶体结构
10
（2）磁滞理论与磁滞回线（Hysteresis loop）
技术磁化理论说明了起始磁化曲线，而磁滞理论则用来说明退磁曲线（反向磁 化、反向迁移过程）
退磁过程：将试样磁化至饱和，然后慢 慢地减少H，直至取消外磁场，就要发 生磁畴的旋转，磁矢量松弛回复到最近 的易磁化方向，即B（或M）也将减少
磁畴
磁畴
磁畴壁
小箭头代表原子磁偶极子
1
在分子场假说的基础上，发展了自发磁化理论，解释了铁磁性的本质 在磁畴假说的基础上发展了技术磁化理论，解释了铁磁体在磁场中的行为 在磁畴的实验观察基础上发展了现代的铁磁性理论
2
1. 自发磁化理论
铁磁性材料的磁性是自发磁化产生的。磁化过程（又称感磁或充磁）：把物质本 身的磁性显示出来，而不是由外界向物质提供磁性的过程 （1）铁磁性产生的原因 铁磁性物质自发磁化的根源是原子（正离子）磁矩，而且在原子磁矩中起主要作 用的是电子自旋磁矩
若铁磁体的尺寸为l0，放在磁场中磁化时，其尺寸变为l，则长度的相对变化为：
λ = l−l0 l0 λ称为线磁致伸缩系数。随着外磁场的增强，铁磁体的磁化强度增强，这时⏐λ⏐
也随之增大。当磁化场H等于饱和磁化场HS时，磁化强度达到饱和值MS，此时
λ=λS，称为饱和磁致伸缩系数。对于一定的材料，λS是个常数
只有当原子核之间的距离Rab与参加交换 J 反铁磁性 铁磁性 顺磁性 作用的电子壳层半径r之比大于3时，交 + 换积分才有可能为正
铁、钴、镊以及某些稀土元素满足自发 磁化的条件
_
1 2 3 4 5 6 7 Rab/r
4
综上述，铁磁性的产生需要两个条件： 原子内部要有未填满的电子壳层 Rab/r之比大于3，使交换积分J为正 前者指的是原子本征磁矩不为零；后者指的是要有一定的晶体结构
10
（2）磁滞理论与磁滞回线（Hysteresis loop）
技术磁化理论说明了起始磁化曲线，而磁滞理论则用来说明退磁曲线（反向磁 化、反向迁移过程）
退磁过程：将试样磁化至饱和，然后慢 慢地减少H，直至取消外磁场，就要发 生磁畴的旋转，磁矢量松弛回复到最近 的易磁化方向，即B（或M）也将减少
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)
盐城师范学院化工学院
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
第二章 磁学性能 第一讲
U m B
磁场强度
根据产生磁场的方式，有两种表达式：
电流产生的磁场
一个每米有N匝线圈，通以电流强度为i (A)的无线 长螺线管轴线中央的磁场强度。
H Ni
( A/m)
磁铁在其周围产生的磁场
极强为m1的磁极，在距离 r 处产生的磁场强度是 单位极强 (m2=1wb) 在该处所受到的作用力 m1 F H k 2 ( A/m) m2 r
Ek K 0 K1 ( 2 2 2 2 2 2 ) K 2 2 2 2
(6.24)
K1、K2为晶体各向异性能常数。 铁在20℃时的值约为4.2×104J/m3，钴的值 为4.1×105J/m3，镍的值为-0.34×104J/m3。
磁性基本量总结
1.磁学基本量：
2.磁性参数与介电参数的比较
A/m
磁 感 应 强 度
特斯拉：T
1）H(A/m) ---E (V/m) : 导致极化的外部驱动力的量度； 2）B ( VS/m2） ----P (C/m2)：材料对外部作用场的响应的量度； 3) X（） ----------- Xe 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
TN
T
四、铁磁性 （1）很容易被磁化到饱和（只 需要很小的磁场） （2） f > 0，且为101～106 （3）也存在一个临界温度TC
（4）M－H呈非线性关系
代表性物质：11种金属元素和 众多的化合物和合金
铁磁性
X>>1, 在较低的温度下，铁磁物质中相邻原子磁偶极矩之间的交 换作用，其强度可以克服热起伏的影响，结果没有外部磁场的作用下， 相邻的偶极子也彼此整齐的排列。 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