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。

顺磁性的磁化率约10-3–10-6。

顺磁性材料的原子有未配对电子，有固有磁矩。

受热扰动影响，原子磁矩混乱分布，在任何方向都没净磁矩，对外不显磁性。

在外加磁场下，为降低静磁能，磁矩与磁场夹角减小，有沿外磁场方向排列的趋势。

常温下使顺磁体达到饱和磁化程度所需磁场强度约为8* 108A/m 。

抗磁磁化顺磁磁化均是可逆的，没有剩余磁化。

磁化过程示意图顺磁性抗磁性（二）抗磁性与顺磁性影响材料顺磁性与抗磁性的因素1.原子结构的影响非金属大部分是抗磁性物质（硼、氧、石墨除外）。

金属大部分是顺磁性物质。

Cu, Ag, Au, Cd, Hg是抗磁性物质。

稀土金属有未填满的4f和5d电子层，顺磁性较强2.温度的影响温度对抗磁性影响小，对顺磁性影响大，一般随温度升高而下降铁磁性物质居里温度以上显顺磁性。

（二）抗磁性与顺磁性 影响材料顺磁性与抗磁性的因素3.相变及组织转变的影响材料发生同素异构转变时，电子运动状态发生变化，导致磁化率的变化。

白锡→灰锡：顺磁性变为抗磁性 加工硬化减弱材料的抗磁性。

高度加工硬化，Cu 由抗磁变为顺磁。

晶粒细化减弱材料的抗磁性4.合金成份与组织的影响弱磁化率的两种金属组成固溶体时，磁化率近似混合定律。

如Al-Cu 合金的α固溶体。

形成两相合金时，磁化率亦随成份直线变化。

固溶体合金有序化或形成中间相时，原子间结合力发生变化，从而磁化率发生明显变化。

磁化率随合金成分变化规律（三）铁磁性与反铁磁性铁磁性：磁化率远大于顺磁性的χ，10-106。

具有铁磁性的条件：1）原子有未配对电子；2）相邻原子间自旋磁矩倾向同向排列，处于自发磁化的状态。

居里温度：铁磁性材料的磁性转变温度。

T<Tc, 铁磁性；T>Tc, 自发磁化消失，呈顺磁性。

Mn: 3d54s2（三）铁磁性与反铁磁性反铁磁性: 邻近原子交换能积分常数＜0，相邻原子间的自旋趋于反向平行排列，原子磁矩相互抵消，宏观自发磁化强度为0。

α-Mn, Cr，许多金属氧化物(MnO, CuO, NiO, Cr2O3) ，硫化物(MnS) 和卤化物(FeF2, FeCl2, NiCl2) 也呈反铁磁性。

反铁磁性材料特征1.存在临界温度(T N)。

当T> T N时，反铁磁性转变为顺磁性，磁化率服从居里－外斯定律。

2.磁化系数在T N点有最大值，当T< T N时呈现反铁磁性3.T N点附近普遍存在热膨胀、电阻、比热、弹性等反常现象4.存在磁晶各向异性。

当样品为单晶时，沿不同晶轴方向测量的磁化率明显不同。

（三）铁磁性与反铁磁性 亚铁磁性：相邻原子间的自旋亦反向平行排列，但磁矩大小不同，相互不能完全抵消，有自发磁化。

磁化率远大于顺磁材料，但小于铁磁性材料，10 --103。

具有亚铁磁性的物质大部分是金属氧化物（铁氧体），属半导体，电阻率高，应用于高频磁化铁氧体常见结构有：1）尖晶石型( NiFe 2O 4);2）磁铅石型(BaFe12O 19); 3）石榴石型(Y 3Fe 5O 12); 4）钙钛矿型LaFeO 3铁磁性、亚铁磁性、反铁磁性特点：磁畴内原子磁矩平行或反平行排列。

统称为磁有序材料 磁性转变温度：铁磁性、亚铁磁性（居里点Tc ），反铁磁性（奈尔点Tn ）。

Tc 或Tn 温度以上呈顺磁性，以下处于磁有序状态。

铁磁性反铁磁性亚铁磁性（三）铁磁性与反铁磁性 铁磁性物质具有磁各向异性和磁致伸缩效应。

磁各向异性：铁磁物质磁化时，沿不同方向磁化所消耗的磁化功不同，从而产生不同的磁化强度。

立方晶系的各向异性能可用磁化强度矢量相对于三个立方边的方向余弦（α1 , α2 ,α3）来表示，各向异性能表示为E k = K 1(α12α22+α22α32+α12α32) + K 2(α12α22α32)K 1, K 2为磁各向异性常数。

当K2很小时，可只用K 1来描述E k 。

铁的K 1为正，[100]是易磁化方向；镍的K 1为负，[111]是易磁化方向，[100]是难磁化方向K 1, K 2为内禀特性，晶体的对称性越低，K 1＋K 2越大。

稀土组成的材料具有大的磁各向异性，可制备永磁材料(Sm 2Co 17, Nd 2Fe 14B)（三）铁磁性与反铁磁性退磁场：有限长的磁性材料两端出现正负磁荷，这些磁荷在材料内外产生一附加磁场，其方向与外加磁场的方向相反。

退磁场不仅降低磁性材料内部的磁场，还对磁滞回线的形状产生影响。

退磁场与材料的磁化强度、材料的形状成正比：H d =-NM ，N : 退磁因子。

当材料均匀磁化时，退磁因子仅和其形状有关。

N x + N y + N z = 1对于球体，N x = N y = N z = 1/3对于无限大的薄片，N x = N y = 0，N z = 1对于细长圆棒，N x = N y ≈1/2，N z ≈0表面磁荷及其产生的退磁场x（三）铁磁性与反铁磁性 磁畴：微小自发磁化区域。

畴壁：畴与畴之间的边界。

相邻两片状畴的磁矩夹角为180o 时，180o 畴壁；片状畴与三角畴之间磁矩相互垂直，90o 畴壁。

在畴壁内原子磁矩的方向逐渐转变。

根据原子磁矩转变的方式，畴壁分为布洛赫壁和奈尔壁。

布洛赫壁：畴壁内磁矩方向改变时始终与畴壁平面平行，畴壁面上无自由磁极，晶体的上下表面出现磁极;奈尔壁：畴壁的磁矩始终与薄膜表面平行地转变，畴壁两侧面出现磁极，稳定程度与薄膜厚度有关。

Fe-Si 合金在(001)晶面上观察到的磁畴布洛赫壁奈尔壁（三）铁磁性与反铁磁性单晶体磁畴结构磁畴形状尺寸、磁畴壁厚度由交换能E ex 、退磁场能E d 、磁晶各向异性能E k 及磁弹性能E σ决定。

退磁场能：将铁磁体分成畴的动力。

分畴越多，退磁能越小分畴越多，磁畴越小，畴壁面积越大，畴壁能越高。

形成封闭畴使退磁场能为0。

磁畴内磁矩排列在易磁化方向，磁晶各向异性能最低，但由此又出现由应力产生的磁弹性能。

各因素综合作用形成特定大小、形状、具有最低能量的磁畴。

没有外磁场时，磁畴通常呈细小扁平的薄片状或细长的棱柱状，大小约为10-6mm 3，磁化矢量指向易磁化方向单晶体磁畴结构示意图E d + E γE dE γ+ E σE γ+ E σ, E σ及90度E γ减小，180度E 增加（三）铁磁性与反铁磁性磁化曲线与磁滞回线铁磁合金有不可逆磁化及剩磁，磁化曲线明显不同于顺磁性金属（磁导率不是常数）。

磁导率是组织敏感参量。

掺杂物越少，内应力越小，磁导率越高。

磁滞效应：磁感应强度的变化落后于磁场强度的变化。

在外磁场停止作用后，铁磁质仍保留部分磁性。

矫顽力(H c)：铁磁性材料磁化到饱和以后，使其磁化强度降低到0所需要的反向磁场强度。

剩余磁感应强度(B r)：铁磁性材料磁化到饱和并去掉外磁场后，在磁化方向保留的磁感应强度。

（三）铁磁性与反铁磁性磁化曲线可分为四部分：可逆磁化阶段，不可逆壁移阶段，磁矩转动阶段，顺磁磁化阶段。

反磁化曲线亦由四部分组成。

磁化过程以畴壁位移和磁矩转动两种方式进行。

可逆不可逆畴壁运动过程中的能量变化（三）铁磁性与反铁磁性软磁材料磁滞回线窄小细长，高磁导率，低矫顽力(H c <102A/m)。

电阻率较高，磁变化时产生的涡流损耗小。

用途：适合于交变磁场的器件，如电磁铁或变压器的铁芯，发热量小，亦可用于电机和开关器件。

常用软磁材料：工业纯铁，硅钢片、磁性陶瓷材料（软磁铁氧体）及铁镍、铁铝合金，等。

恒磁导材料：磁导率对磁场的变化有高度稳定性，磁滞回线斜而狭长。

高斯织构立方织构（三）铁磁性与反铁磁性矩形磁材料：一经磁化，其剩余磁感应强度接近于饱和值，矫顽力很小。

在不同方向的磁场下磁化时处于+B s 或-B s 两种不同的剩磁状态。

磁记录用介质，锰-镁和锂-锰铁氧体。

硬磁（永磁）材料：磁滞回线肥大，高矫顽力(H c >102A/m) ，高剩余磁感应强度，高磁能积。

铁氧体、铝镍钴、稀土钴及稀土－铁类合金等。

Nd-Fe-B ，磁能积最大的永磁材料。

（三）铁磁性与反铁磁性影响铁磁性参数的因素温度：温度升高，原子趋于无规则排列，铁磁→顺磁（T c )，饱和磁感应强度、剩余磁感应强度及矫顽力减小变形增大，畴壁移动阻力增加，磁畴转动困难，导磁率减小，矫顽力增高。

剩余磁感应强度随形变量有最小值，随变形的增加而先降后增。

晶粒越小，导磁率越小，矫顽力越高。

多相合金的饱和磁化强度符合混合定律。

M s =∑M si P i钢的所有组织中除奥氏体为顺磁性外，其他组织如珠光体、贝氏体和马氏体均为强铁磁性组织。

对同一含碳量的钢，淬火态的M s小于退火态。

冷加工变形对工业纯铁磁性的影响不同频率下的磁化曲线（四）非晶态磁性材料非晶态磁性合金：原子呈长程无序排列且有优异磁特性的合金。

有以下特性：磁导率和矫顽力与铁镍合金基本相同。