磁性和磁性材料
凝聚态物理中的磁性与磁性材料
凝聚态物理中的磁性与磁性材料磁性是凝聚态物理中极其重要的研究领域，它涉及理论与实验方面的多个方向。
磁性材料作为磁性研究的核心，具有广泛的应用价值。
本文将介绍凝聚态物理中的磁性及其与磁性材料的关系。
一、磁性的基本概念磁性是物质在外加磁场下表现出的一种性质。
目前已知的磁性体系主要包括铁磁、亚铁磁、顺磁和抗磁体系。
在这四个体系中，铁磁体系是指在外加磁场下表现出较强磁化强度，而且在磁场消失后仍能保持较高磁化强度的物质。
亚铁磁体系则是在外加磁场下磁化强度较弱，而且在磁场消失后磁化强度也会迅速减小的物质。
顺磁体系是指在外加磁场下磁化强度与磁场强度成正比的物质。
抗磁体系是指在外加磁场下表现出较弱的抵抗磁化的能力。
磁性的基本概念对于理解磁性材料的特性以及应用具有重要的指导意义。
二、磁性材料的分类根据磁性材料的性质和结构特点，可以将其分为软磁材料和硬磁材料两大类。
1. 软磁材料软磁材料是指在变化的外加磁场下，其磁化过程能够快速地反应并达到非常高的磁导率，从而使得磁场能够有效地穿透和传导。
软磁材料一般具有高磁导率、低磁滞、低饱和磁感应强度等特点。
常见的软磁材料包括硅钢、镍铁合金等。
2. 硬磁材料硬磁材料是指在外加磁场下，其磁化能够较长时间地保持在较高的水平，并且在磁场消失后仍能保持一定的磁化强度。
硬磁材料一般具有高磁滞、高饱和磁感应强度等特点。
常见的硬磁材料包括钕铁硼、钫钴等。
三、磁性与凝聚态物理的关系磁性是凝聚态物理研究的重要方向之一，在现代凝聚态物理学中具有广泛的应用和深入的理论研究。
凝聚态物理学研究磁性的主要目标是揭示磁性现象背后的物理机制，建立与之相关的物理模型，并进行理论计算和实验验证。
通过研究磁性材料的物理性质，可以深入了解物质的结构、自旋和电子运动等基本特性，为先进材料的研发提供重要的理论基础和实验依据。
四、磁性材料的应用领域磁性材料具有广泛的应用价值，在多个领域中发挥重要作用。
1. 信息存储在计算机、磁盘、磁带等信息存储设备中，磁性材料作为存储介质，能够实现信息的读写和存储。
磁性材料
强磁质
M
P316
A
B
Illustration of magnetic ordering in a ferrimagnetic crystal. All Aatoms have their spins aligned in one direction and all Batoms have their spins aligned in the opposite direction. As the magnetic moment of an Aatom is greater than that of a Batom, there is net magnetization, M, in the crystal.
µ m
r
P
B
A magnetic dipole moment puts out a magnetic field just like bar magnet. The field B depends on µm.
磁学基础
orb
r I -e L
A
An orbitting electron is equivalent to a magnetic dipole moment orb.
8.磁畴与磁滞回线
磁畴(Magnetic Domain)理论是用量子理论 从微观上说明铁磁质的磁化机理。所谓磁 畴，是指磁性材料内部的一个个小区域， 每个区域内部包含大量原子，这些原子的 磁矩都象一个个小磁铁那样整齐排列，但 相邻的不同区域之间原子磁矩排列的方向 不同，如图所示。各个磁畴之间的交界面 称为磁畴壁。
I
(b)
I
(a) Consider a long solenoid. With free space as medium inside, the magnetic field is Bo. (b) A material medium inserted into the solenoid develops a magnetization M.
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。
磁学的基础概念和磁性材料特性
磁学的基础概念和磁性材料特性磁学是物理学的一个重要分支，研究物质中的磁性现象以及磁场的产生和作用。
磁学的研究内容非常广泛，从最基本的磁性概念到磁性材料的特性都是磁学的重要内容。
磁性是物质的一种基本性质，表现为物质在外磁场作用下产生磁化的能力。
根据物质对外磁场的响应，可以将物质分为顺磁性、抗磁性和铁磁性三类。
顺磁性是指物质在外磁场作用下，磁矩与外磁场方向相同，而磁化强度较弱，且随外磁场的增强而增加。
顺磁性物质中的原子或离子具有未成对的电子自旋，这些电子自旋在外磁场的作用下会被排列起来，从而产生顺磁性。
抗磁性是指物质在外磁场作用下，磁矩与外磁场方向相反，且磁化强度较弱。
抗磁性物质中的原子或离子的电子自旋总数为偶数，因此在外磁场的作用下，磁矩相互抵消，导致物质呈现出抗磁性。
铁磁性是指物质在外磁场作用下，磁矩与外磁场方向相同，且磁化强度较强。
铁磁性物质中的原子或离子具有未成对的电子自旋，并且这些电子自旋在外磁场的作用下会被排列起来，形成一个较强的磁矩。
铁磁性物质在外磁场的作用下，磁矩的排列会发生变化，从而产生明显的磁化。
磁性材料是指具有磁性的物质，广泛应用于电子、通信、磁存储等领域。
根据磁性材料的特性，可以将其分为软磁性材料和硬磁性材料。
软磁性材料是指在外磁场作用下，能够快速磁化和去磁化的材料。
软磁性材料具有低的矫顽力和高的磁导率，能够有效地吸收和放出磁场能量。
软磁性材料广泛应用于变压器、电感器等电子设备中，用于实现能量的传输和转换。
硬磁性材料是指在外磁场作用下，能够长时间保持磁化状态的材料。
硬磁性材料具有高的矫顽力和高的剩磁，能够产生强大的磁场。
硬磁性材料广泛应用于磁头、磁盘等磁存储设备中，用于实现信息的读写和存储。
除了软磁性材料和硬磁性材料，还存在一些特殊的磁性材料，如铁氧体、钕铁硼和钴磁体等。
这些材料具有特殊的磁性特性，可以在特定的应用领域中发挥重要作用。
总之，磁学是物理学的一个重要分支，研究物质中的磁性现象以及磁场的产生和作用。
磁性材料分类
磁性材料分类
磁性材料是指具有一定磁性的物质，根据其磁性特性的不同，磁性材料主要可以分为三类：铁磁材料、铁氧体材料和非铁磁材料。
1. 铁磁材料：铁磁材料是指能够持续保持较强磁性的材料，它们在外部磁场作用下，可以产生自发磁化，且除去磁场作用后，能够保持一定程度的剩磁。
典型的铁磁材料包括铁、镍、钴以及它们的合金，如铁氧体、钐铁氧体等。
这类材料在电磁机械、电磁传感器、磁记录介质等领域有广泛应用。
2. 铁氧体材料：铁氧体材料以含铁氧化物为主要成分，由铁氧体晶粒与其他成分组成的复合材料。
铁氧体材料具有优良的磁特性、高温稳定性、低价格等优点，广泛应用于电力电子、电子通信、电子计算机等领域。
根据铁氧体的晶粒结构不同，铁氧体材料又可以分为软磁铁氧体和硬磁铁氧体两类。
软磁铁氧体具有高导磁率和低磁滞损耗等特点，适用于高频的电感元件、变压器等；硬磁铁氧体则具有高矫顽力和高剩磁等特点，适用于永磁体、电机等领域。
3. 非铁磁材料：非铁磁材料是指在外加磁场下，几乎不发生自发磁化的材料。
常见的非铁磁材料包括铜、铝、木材、玻璃等。
这些材料的磁导率接近于1，磁化率极小，几乎不受磁场影响。
非铁磁材料在电子设备、通信设备、建筑装饰等领域有广泛应用。
总结起来，磁性材料主要分为铁磁材料、铁氧体材料和非铁磁
材料三类。
铁磁材料具有较强磁性和剩磁特性，适用于电磁机械等领域；铁氧体材料具有高温稳定性和优良的磁特性，广泛应用于电力电子领域；非铁磁材料几乎不受磁场影响，适用于电子设备和建筑装饰等领域。
磁性材料与磁性现象
磁性材料与磁性现象磁性是我们生活中常见的现象之一。
从古至今，人们一直在探索磁性的奥秘，并且发现了许多与磁性相关的材料。
磁性材料是指那些在外加磁场作用下会发生磁化的物质。
而磁性现象则是指磁性材料在不同条件下的行为和特性。
在本文中，我们将探讨磁性材料和磁性现象的一些基本概念和应用。
首先，让我们来了解一下磁性材料的分类。
根据磁性强度的不同，磁性材料可分为强磁性材料和弱磁性材料。
强磁性材料如铁、钴、镍等，在外加磁场的作用下，会被强烈地磁化，并能长久保持磁性。
而弱磁性材料如铝、铜等，只会被短暂磁化，并迅速失去磁性。
此外，还有一些非磁性材料，如塑料、木材等，它们无法被磁场磁化。
接下来，我们来探讨一下磁性现象。
最基本的磁性现象是磁铁吸引铁物体。
当磁铁靠近铁物体时，由于磁铁的磁场作用，铁物体内的微小磁性区域会重新排列，使得铁物体本身呈现出磁性，从而被磁铁吸引。
这个现象就是我们常说的磁性吸引。
除了磁性吸引，磁性材料还有一个重要的性质是磁性感应。
磁性感应是指材料在外加磁场的作用下产生的磁化程度。
我们通常用磁通量密度B来量化磁性感应的大小。
磁通量密度B越大，磁性材料的磁化程度就越高。
磁性感应的概念引出了磁性材料的另一个重要特性，即磁导率。
磁导率是描述磁性材料对磁场的响应能力的物理量。
磁导率越大，材料对磁场的响应能力就越强。
不同磁性材料的磁导率不同，这也决定了它们在实际中的应用。
除了磁性吸引、磁性感应和磁导率，磁性材料还有许多其他的磁性现象和特性。
例如，磁材料的磁滞回线是指在磁场强度逐渐增加或减小时，磁化强度的变化规律。
磁滞回线的形状和特性可以对材料的磁性进行定量描述，并用于磁性材料的制备和选型。
此外，在现代科技中，磁性材料还有许多重要的应用。
例如，我们身边常见的电动机、电磁铁等设备都需要使用磁性材料来实现磁场产生和控制。
另外，磁性材料在传感器、存储器、磁盘驱动器等领域也有广泛的应用。
磁性材料的不同特性和性能可以根据具体的应用需求进行设计和选择。
什么是磁性
什么叫磁性
磁，地球本身就是一个磁场，所以万物都有引力，那么磁性有哪些特性，我们今天来一一分析。
了解磁性，先了解磁性材料，可分为硬磁性和软磁性材料。
一、硬磁性材料：指磁化后，可以保持磁化后的状态，磁化后产品就带有磁性，脱离磁化工具一样还能保持有磁性，这一类称之为硬磁性，也可以解释为带记忆性的材料，称为硬磁性材料。
市场上常见的硬磁性有：1.硬磁铁氧体2.钕铁硼3.钕镍钴4.钛钴5.钐钴6. 铁铬钴7.橡胶磁8.钐铁氮9.铝铁碳等等，还有很多，符合上述特性的，就称为硬磁性。
二、软磁性材料：指材料能被磁化后，不能保持磁化后的状态，离开磁化工具就磁性消失，不带有记忆磁场的功能，这一类称为软磁性材料，其中要注意的一点是，本身能被磁化，只是不带记忆。
市场上常见的软磁性材料有：1.纯铁2.硅钢3.低碳钢4.坡莫合金5.铁镍合金 6.软磁铁氧体等等，常用于电磁铁，继电器，变压器等电子元件。
三、磁性，是一种看不见摸不着的特性，而单一的物体，受外磁场吸引或排斥的特性，称为该物体的磁性。
而我们生活的地球，就分N极，S极。
早在18世纪，欧州就提出，电流的磁效应，提出电和磁存在关联，磁性和电的运动结构有着密切的关系，磁性本身周围有一个场，是一种布满磁极周围的空间，称之为磁场，磁性物质的相互吸引或排斥，就是通过磁场进行的。
而我们应用的电磁铁，就是利用电能转换为磁性的一个过程。
磁悬浮产品，也是磁能电能之间的相互作用，而全世界对磁能的应用少之又少，随着科学的发展，磁性应用会越来越广泛，如电磁弹射起飞，磁悬浮列车，电磁铁，变压器，如果世界了解磁性越多，相信会像电能一样，应用在任何场所，且给人类带来更高科技有生活。
磁性材料分类
磁性材料的分类1、铁氧体磁性材料：一般是指氧化铁和其他金属氧化物的符合氧化物。
他们大多具有亚铁磁性。
特点：电阻率远比金属高，约为1-10（12次方）欧/厘米，因此涡损和趋肤效应小，适于高频使用。
饱和磁化强度低，不适合高磁密度场合使用。
居里温度比较低。
2 、铁磁性材料：指具有铁磁性的材料。
例如铁镍钴及其合金，某些稀土元素的合金。
在居里温度以下，加外磁时材料具有较大的磁化强度。
3 、亚铁磁性材料：指具有亚铁磁性的材料，例如各种铁氧体，在奈尔温度以下，加外磁时材料具有较大的磁化强度。
4 、永磁材料：磁体被磁化后去除外磁场仍具有较强的磁性，特点是矫顽力高和磁能积大。
可分为三类，金属永磁，例：铝镍钴，稀土钴，铷铁硼等；铁氧体永磁，例：钡铁氧体，锶铁氧体；其他永磁，如塑料等。
5、软磁材料：容易磁化和退磁的材料。
锰锌铁氧体软磁材料，其工作频率在1K-10M之间。
镍锌铁氧体软磁材料，工作频率一般在1-300MHZ6、金属软磁材料：同铁氧体相比具有高饱和磁感应强度和低的矫顽力，例如工程纯铁，铁铝合金，铁钴合金，铁镍合金等，常用于变压器等。
7 、损耗角正切：他是串联复数磁导率的虚数部分与实数部分的比值，其物理意义为磁性材料在交变磁场的每周期中，损耗能量与储存能量的2派之比。
8、比损耗角正切：这是材料的损耗角正切与起始导磁率的比值。
9 、温度系数：在两个给定温度之间，被测的变化量除以温度变化量。
10、磁导率的比温度系数：磁导率的温度系数与磁导率的比值。
11 、居里温度：在此温度上，自发磁化强度为零，即铁磁性材料（或亚磁性材料）由铁磁状态（或亚铁磁状态）转变为顺磁状态的临界温度。
专业术语:1 、饱和磁感应强度：(饱和磁通密度)磁性体被磁化到饱和状态时的磁感应强度。
在实际应用中，饱和磁感应强度往往是指某一指定磁场（基本上达到磁饱和时的磁场）下的磁感应强度。
2、剩磁感应强度：从磁性体的饱和状态，把磁场（包括自退磁场）单调的减小到0的磁感应强度。
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（6） 静磁能
在外磁场中处于磁化状态的磁体具有的能量－静磁能．
磁体中的单个分子环流在磁场中受到的安 培力矩为 L ( H ) , 磁体单位 m m 0 体积受到的总力矩 －当θ=0 时能量最低值 -μ0MH, 是稳定状态； 随着θ的增大,外力克服磁场作功, 能量增 大,θ=1800时,能量达到最大值+μ0MH． 磁体在自身的退磁场中也有位能－退磁场 能．用上式计算时须考虑到退磁场强度
－材料对外磁场的响应特性由磁化曲线和磁滞回线表征。
（1） 磁化曲线
实验测定：环形样品，初级线圈N1通电产生磁场样品磁化，次级线圈N2接磁通计测 量磁通，可得B~H曲线；根据 B 0 ( H M ) 可画出M～H曲线。
例，铝镍钴的起始磁化曲线： M～H曲线饱和（饱和 磁化强度Ms）， B~H曲线不饱和。
L Lm 0 m H 0 M H
M是磁化强度．总力矩大小为
L 0 MH sin
θ为磁化强度M与磁场H 的夹角. 当磁体转过θ角，外力克服磁场作功
W L d 0 MH cos C
0
Hd NM 是M的函数, 应由积分算得其
－适用于原子中电子轨道运动
(2) 磁化强度
m ,磁化强 －描写物质磁化状态－按安培分子环流假设，设分子磁矩为 度M 定义为
M
i
mi
V
,
[A m1 ]
(3) 磁场强度 H 和磁感应强度 B
－描述磁场的两个参量是磁场强度 H和磁感应强度 B ， H
Байду номын сангаас
的单位A m 1 ．常见的电流磁场有:
幅值:
Ud
M
M
0
0 H d d M
1 0 NM 2 2
此功转化为磁体在磁场中的位能. 适当选 取能量零点, 磁体在外场中的能量密度可 表为:
θ
H
－退磁场能与退磁因子 Ｎ有关，即与材料的形 状以及磁化方向有关－ 各向异性能．
UH 0 MH cos 0 M H
1.2 材料的磁化
rev lim
H 0
(7)不可逆磁导率 irr diff rev
描述不可逆磁化性质．
增量磁导率在ΔH→0时的极限值.
连接原点O与起始磁化曲线上任一点的直线的斜率称为总磁导率μtot . B μmax μ μdiff μmax μtot ΔB μi
ΔH
μrev H O
时B与H 间存在位
相差，磁导率只能 用复数表示.
(4)增量磁导率
1 B 0 H
(6)微分磁导率 diff
在恒定磁场上叠加一个小交变磁场所 表现出来的磁导率，Δ B和Δ H为交变 磁感应强度和磁场强度的峰值。
1 dB 0 d H
起始磁化曲线上任一点的斜率.
(5)可逆磁导率
B 0 H 4 M
（4） 磁化率和磁导率
M
H
磁场中的磁体的磁化强度M 与磁 场强度 H 的关系为
M H
称为磁体的磁化率．
(1)起始磁导率
i
B 0 H 0 H lim
1
H→0时磁导率的极限值,弱磁场下 重要参数. (2)最大磁导率
由此可将磁感应强度 B写作
max
N1 N2 M 磁通计
B
I0
10 6 4
磁化曲线的测量
铝镍钴的磁化曲线
（2） 磁滞回线
饱和后减小外磁场H ， B和M的值减小但不 沿初始磁化曲线返回 －当H＝0时仍保留一 定的B和M值，称为 剩磁Br或Mr． 增加反向外磁场， B和M 的值继续减小以致可使B 和M为零，此时的外磁场 的大小称矫顽力BHc(磁场 矫顽力）或MHc示（內禀 矫顽力），表征材料磁化 后保持磁化状态的能力．
1.1 静磁现象
(1 ) 磁矩
磁铁可以吸引铁屑－周围空间存在磁场－磁场可用磁力线来形象地描述 －磁力线从N极到S极形成闭合曲线,且永不相交. 通电导线也产生磁场－小磁体的磁场相当于小的平面电流 回路产生的磁场－平面电流回路的电流和回路面积的乘积 称为磁矩:
m
iS ,
[Am2 ]
m是矢量－右手螺旋
I 无限长载流导线的磁场： I H 方向－右手螺旋 2r
H
载流环形线圈圆心处的磁场： I H 2r 无限长螺线管的磁场 H nI I
H
在某些情况下,确定磁场效应的是磁感应强度B,定义为
B 0 ( H M ),
[T]
在真空中,M 0, B 0 H , B与 H 平行,在磁体不是. 上述量均为国际单位制(SI),文献中常采用高斯单位制 B 的单位是 (CGS).在CGS制中, H 的单位是奥斯特(Oe)， 高斯(Gs), 表为
B 0 (1 ) H
定义磁导率μ为 (3)复磁导率
1 B 0 H max
B 1 0 H
－磁导率是表征磁性材料的磁性、 导磁性及磁化难易程度的物理量, 是磁场的函数．根据磁化条件不 同，材料的磁导率有：
~ i
在交变磁场中磁化
对球体， N x N y N z
1 3
对沿长轴方向磁化的细长圆柱 体, Nz=0, N x N y 1 2 对沿垂直于表面磁化的无限大 平板，Nx=Ny=0, Nz=1
x
y
对退磁因子大的样品，磁化需要 很高的外加磁场：例如磁化 一个Hc=2A· m-1的坡莫合金球，使 其Ms=9×105A· m-1, 退磁场将达 Hd=(1/3)×9×105=3×105A· m-1 即外磁场是矫顽力的105倍。
磁性和磁性材料
主要参考书： (1)严 密 彭晓领编著，磁性基础与磁性材料，浙江大学出版社， 2006年出版. (2)姜寿亭 李 卫编著，凝聚态磁性物理，科学出版社，2003年 出版. (3)(美)R.C.奥汉德利著,现代磁性材料原理和应用,化学工业出 版社,2002年出版.
一
磁学基础知识
－描述物质磁性的一些主要物理量、材料的磁化过程、物质磁性和磁 性材料的分类.
O
H
（5） 退磁场
材料在外磁场中磁化时，在内部将产 生一个与其磁化强度 M 反向的磁场 H d, 称为退磁场: Hd NM N 称为退磁因子,取决于材料的形状. －如沿长轴磁化样品，细长的N≈0,短 粗的N很大.一般样品在0－1之间. z 可以证明,椭球体的 三个主轴方向退磁 因子间存在如下简 单关系: Nx N y Nz 1