第三章;磁学性能(材料的磁化特征及其基本参数)
第三章 材料的磁学性能
材料的磁学性能
物质的磁性 磁性的基本量 (磁矩,磁化强度M,磁化率,磁导率) 抗磁性与顺磁性(弱磁性) 铁磁性(强磁性) (磁滞回线,自发磁化,磁畴与技术磁化) 磁性材料及应用
磁性的基本量及单位
Magnetic Terminology & Units 一. 磁矩
磁矩
磁矩是表示磁体本质的一个物理量。任何一个封闭
的电流都具有磁矩ｍ=IS。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IΔS。
电子磁矩: 由电子的轨道磁矩和自旋磁矩组成.
磁性的基本量及单位
二. 磁化强度M
磁化强度M:单位体积内的磁矩矢量和: 后其磁性强弱的一个物理量。
m M V
i
单位体积的总磁矩 M（安／米）.M是描述磁质被磁化
M H
（ χ 无量纲 ）
χ称为磁化率或磁化系数,反映物质磁化的难易程度。
三. 磁场强度H和磁感应强度B
• Definitions of Three Magnetic Vectors:
Magnetic field, 磁场强度 Magnetization, 磁化强度 Magnetic induction, 磁感应强度
B M
B M
μ
Hs H
m = B/H
H
Two Units
Quantity Gaussian (cgs units) S.I. Units
Conversion factor (cgs to S.I.)
Magnetic Induction (B)
Applied Field (H) Magnetisation (M) Magnetisation (4pM)
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。
磁学性能课件
二、材料的磁学性能内容：材料磁性的本质、抗磁性、顺磁性及铁磁性）：（一）基本磁学性能材料所在空间的磁场强度是外加磁场强度H和材料磁化强度M之和：H总= H + M = H (1+χ)。
磁化率：χ，表示材料在磁场中磁化的难易程度。
Μ=χΗ。
根据磁化率的符号和大小，可将材料的磁性分为铁磁性、亚铁磁性、反铁磁性、顺磁性和抗磁性。
磁感应强度Β：通过磁场中某点，垂直于磁场方向单位面积的磁力线数。
Β = μΗ，μ：磁导率。
Β = μ0Η总=μ0 (1+χ) H。
μ0 (1+χ) =μ。
相对磁导率: μr= μ/μ0 = 1 + χ（一）基本磁学性能磁偶极子：强度相等、极性相反且其距离无限接近的一对“磁荷”。
p m = ml 。
磁极化强度：单位体积内磁偶极矩矢量和。
J=∑p m /∆V, J = μ0M对磁偶极子外加一夹角为θ的恒磁场，磁偶极子受到的作用力矩为Τ = pm ×H 。
当θ为0时，力矩为0，磁偶极子处于稳定状态。
在磁场作用下，磁偶极子将转向与磁场平行的方向，该过程中磁场对磁矩所做的功为：E = ∫Td θ= p m H cos θ。
静磁能：原子磁矩与外加磁场的相互作用能。
（二）抗磁性与顺磁性材料分类：抗磁性、顺磁性与铁磁性抗磁性：材料受外磁场H 作用后，感生出和H 相反的磁化强度，使磁场减弱。
磁化率χ＜0，抗磁性的磁化率约10-4–10-6，且和温度、磁场无关。
材料的抗磁性来源于将材料放入外磁场中时，外磁场对电子轨道运动产生洛仑兹力，附加磁矩方向与外磁场方向相反。
抗磁矩为外磁场对电子轨道运动的作用结果，任何材料在磁场作用下都产生抗磁性。
抗磁磁化率绝对值很小，只有在材料的原子、离子或分子固有磁矩为0时，才能观察出抗磁性。
Cu, Au, Ag 及大多数有机材料在室温下是抗磁性材料，超导态的超导体也是抗磁性材料。
形成抗磁矩的示意图（二）抗磁性与顺磁性 顺磁性：材料在外磁场中感生出和H 相同方向的磁化强度，使磁场略有增强。
第三章 材料的磁学性能
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，以及在磁场中所处状 态是否稳定的依据。
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对于顺磁质， 是一个很小的正值 对于抗磁质， 是一个很小的负值
＝＝
对于铁磁质， 则是一个较大的正值，且其 值随 外磁场强度的变化而变化，
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三、磁感应强度（magnetic induction strength）和 磁导率（ permeability ） 磁感应强度（B）：通过磁场中某点，垂直于磁 场方向单位面积的磁力线数。单位：特斯拉。
2
物质磁化理论有两种观点：分子电流观点和等效磁荷观点，两 种观点是等效的（不同的理解角度)。
●分子电流观点： 物质中的每个分子都存在一环形电流（分子中原子、离子
的电子循轨、自旋运动)，环形电流场产生磁场。 无外磁场时，各分子环流取向杂乱无章，作用抵消，不显磁性； 施加外磁场后，分子电流的磁矩在磁场场作用下趋于定向排列，
度， 这种现象称为剩磁现象。要使M降至0，必须施加一反向 磁场－Hc， Hc称为磁矫顽力。继续增加反向磁场至－ Hs，磁化强度达到－Ms。从－ Ms改为正向磁场，随H
的 增加，M沿另一曲线逐渐增大至Ms。 整个过程中M的变化总是落后于H的变化，这种现象称为
磁滞效应。
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铁氧体具有很高的Hc，而金属材料的Ms比较大。
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第二节 物质的磁性及其物理本质
1.原子的磁性
原子中的电子进行着绕原子核的循轨运动和绕本身 轴的自旋运动。这两种运动都相应地存在着恒定的 磁矩，可分别称为电子的循轨磁矩和自旋磁矩。
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循轨磁矩
2m
轨道磁矩受晶格场的作用，其方向是变化的， 不能形成一个联合磁矩，对外没有磁性作用
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第03章 磁学性能
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
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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。
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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
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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
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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)
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。
南昌大学 材料性能学重点 第三章 材料磁学性能
第三章材料磁学性能摘要：本章将论述材料磁性产生的机理；材料底顺磁性，抗磁性；材料磁学性能系数及其相互关系；铁磁性及物理本质；技术磁化。
具体内容安排如下：第一节磁性及物理本质掌握电子自旋磁矩、电子轨道磁矩、原子磁矩、分子磁矩；磁化强度、磁感应强度、磁化率磁导率的基本概念及相互关系。
理解物质磁性的分类方法及磁性类型。
第二节顺磁性与抗磁性理解顺磁性和抗磁性的机理和影响因素。
第三节铁磁性及物理本质理解磁化曲线的三个阶段特点；理解磁滞回线的特征；掌握自发磁化理论－外斯假说；理解温度对磁性的影响。
第四节铁磁性内能磁性的三大特点：磁各向异性；磁滞伸缩；磁形状各向异性。
磁体具有磁各向异性能；磁弹性能；磁各向异性能。
第五节磁畴及磁畴结构理解磁畴是如何形成的、磁畴的结构以及内部的本质问题。
第六节技术磁化理解技术磁化三个阶段及其机理分析；理解杂质、气孔对磁化有何影响。
第七节影响金属及合金因素介绍了影响金属磁性的因素，重点分析温度、应力、热处理对磁性的影响。
第八节前沿课题和讨论让学生了解磁性在生活中的应用，提高学生兴趣。
包括永磁材料、磁致冷材料、磁记录材料。
（共12个学时）第一节 磁性及其物理本质一、原子的本征磁矩在磁场中放入一种物质，会使物质所占有的空间磁场发上改变，有的使空间磁性增强，（例如Fe ）：有的使空间磁性减弱（Cu ）；根据物质磁化后对磁场的影响，把物质分为三类：使磁场减弱的物质称为抗磁物质；使磁场增强的物质称为顺磁性物质；使磁场强烈增加的物质称为铁磁性物质。
㈠原子的磁性任何物质都是有于原子构成的，原子又是带正电的原子核与带负电的电子构成。
电子绕原子核作循轨运动产生磁矩。
同时在自族运动时也会产生磁矩。
① 轨道磁矩B l l mcehl μπμ==4.L 为轨道角动量，e 为单位电荷，h 为普郎克常数，m 为电子质量，c 为光速。
② 电子的自旋磁矩由于电子的自旋运动而产生的磁矩称为自旋磁矩。
B s s mcehs μπμ22.== s 为自旋角动量，B μ为波尔磁子。
第三章;磁学性能(铁磁性及其物理本质)
磁畴壁的厚度本着能量最小原则。
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3.7.2 磁畴的起因与结构
磁畴的形状、尺寸、畴壁的类型与厚度总称为 磁畴结构。 形成磁畴是为了降低系统的能量（主要是降低 退磁能和磁弹性能）。因磁畴结构受交换能、 磁晶能、磁弹性能、畴壁能和退磁能的影响， 平衡状态时的磁畴结构，应使这些能量之和为 最小值。
向将逐渐转向外加磁场方向。该过程称为磁畴的旋转，即
磁畴旋转区Ⅲ。当晶体的单畴磁化强度矢量与外加磁场方
向完全一致时，即达饱和状态，完成整个磁化过程。
• 磁化曲线分区示意图
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3.9 影响金属及其合金铁磁性的因素
外部因素：温度、应力。 内部因素：成分、组织及热处理状态等。 （组织敏感性
参数和组织不敏感性参数） 属于组织不敏感的磁参数有饱和磁化强度Ms、磁致伸缩系
由于原子磁矩间的相互作用，晶体中相邻原子的 磁偶极子会在一个较小的区域内排成一致的方向。
因物质由许多小磁畴组成的。在未受到磁场作用时，
磁畴方向是无规则的，因而在整体上无外加磁场时不显
示磁性
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磁畴的结构
主畴： 大而长的磁畴，其自发磁化方向沿晶
体的易磁化方向。相邻主畴磁化方向相 反。
副畴： 小而短的磁畴，其磁化方向不定。
磁畴壁： 相邻磁畴的界限区域称为磁畴壁，分为两种：
（1）180º壁。相邻磁畴的磁化方向相反。
（2）90º壁。相邻磁畴的磁ppt化课件方向垂直。
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磁畴壁具有交换能ECX、磁晶能EK及磁弹性能。 磁交换能：逐渐转向比突然转向要容易进行， 因此交换能小，畴壁越厚交换能越小。 磁晶能：畴壁越厚，原子磁矩的逐渐转向，使 原子磁矩偏离了易磁化的方向，磁晶能增加。 磁弹性能：原子的逐渐转向，各个方向上的伸 缩难易不同，因此产生弹性能。 畴壁内的能量比磁畴内要高
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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，由于受到磁场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。 使磁场减弱的物质称为抗磁性物质 铜、银、 金、汞、锌等 使磁场强烈增加的物质称为铁磁性物质 铁， 钴、镍等 使磁场略有增加的物质称为顺磁性物质 锂、 钠、钾、铷等
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 磁极化强度:单位体积的磁偶极矩称为磁极化 强度
二、磁化率与物质磁性的分类
磁化率：当外加磁场后物质被磁化的难易程度，与 材料的温度有关。
磁化强度
但是当没有外加磁场时，材料内部原子或电子形 成的磁场时杂乱无章的，磁分子产生的磁场相互 抵消，因此对外通常不显示磁性。 概念引入: 前述材料原子核自旋运动，电子的绕 核运动及电子本身的自旋运动都将形成环形电流 产生磁性。 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
磁质的分类
三、磁导率
前述当物质被磁化后会影响其所处的外加磁场的变化，例如，铁磁体 就使其所处的磁场强烈的增加 设增加后的总磁场为B，外加磁场为H，磁化强度为M， 加入磁介质前磁感应强度B0=μ0H 加入磁介质后引起的附加磁感应强度B′ =μ0M 加入磁介质后总磁感应强度： B=B0+ B′ =μ0H+μ0M μ0为真空磁导率 根据B= μ0 (H+M ) 磁化率：χ=M/H B= μ0 (H+χH ) = μ0 (1+χ ) H 把令μ = μ0 (1+χ ) 1+χ= μr 则μ = μ0 (1+χ ) = μ0 μr B= μH或μ=B/H
μ称为磁导率（绝对磁导率），为材料内磁感应强度与磁场 强度导率和磁场的关系
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 动态磁化曲线（磁滞回线）