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材料的磁学性能

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材料物理性能-_磁学性能

材料物理性能-_磁学性能

磁化率，反映材料磁化的难易程度，无量纲， 可正可负，是物质磁性分类的主要依据。
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4. 磁感应强度和磁导率（P133） 材料在磁场强度为 H 的外加磁场（直流、交变或脉冲磁 场）作用下，会在材料内部产生一定的磁通量密度，称其为 磁感应强度B，即在强度为H的磁场中被磁化后，物质内磁场 强度的大小。 在真空中，磁感应强度为：
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二、技术磁化（P154）
对未经外磁场磁化的 ( 或处于退磁状态的 ) 铁磁体，它们 在宏观上并不显示磁性，这说明物质内部各部分的自发磁化 强度的取向是杂乱的。因而物质的磁畴决不会是单畴，而是
由许多小磁畴组成的。
技术磁化：在外磁场作用下，铁磁体从完全退磁状态磁化到 饱和的内部变化过程。
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铁磁体在外磁场中的磁化过程主要为畴壁的 移动和磁畴内磁矩的转向。
因而自发磁化强度降低，铁磁性消失。这一温度称为居里 点Tc。在居里点以上，材料表现为顺磁性。
23
4. 反铁磁性和亚铁磁性（P132、P144） 如果交换积分 A＜0时，则原于磁矩取反向平行排列能量最 低。如果相邻原子磁矩相等，由于原子磁矩反平行排列，原
子磁矩相互抵消，自发磁化强度等于零。这样一种特性称为
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磁学与电学基本物理量的比较 电学物理量 (单位) 磁学物理量 (单位)
J E P 0E
电流强度 I (A)
磁通量 Ф (Wb)
电流密度 J (A/m2)
电场强度 E (V/m)
磁通密度 B (Wb/m2)
磁场强度 H (A/m)
B H M H
r 1
电导率σ (Ω-1· m-1)
B0 0 H
式中μ0为真空磁导率
0 4 107 H / m
材料的磁学性能PPT课件

材料的磁学性能PPT课件


弱磁场下工作的软磁材料，要
求有较大的起始磁导率，信号变压 器、电感的磁芯。
最大磁导率 m a x
强磁场下工作的软磁材料，要 求有较大的最大磁导率。
磁滞 铁磁和亚铁磁材料在技术磁
化过程中存在不可逆过程，磁场
减小时 M 和 B 变化滞后。
剩余磁化强度 剩余磁感应强度
去掉磁场后的 M r , B r
矫顽力
具有小Hc值、高μ的瘦长形磁滞回线的材料，适宜 作软磁材料。
具有大的Mr和Hc、低μ的短粗形磁滞回线的材料适 宜作硬磁(永磁)材料。
而Mr／Ms从接近于 1 的矩形磁滞回线的材料，即 矩磁材料则可作为磁记录材料。
3.2 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。
M0,B0时所需要的退磁场强度 H C
磁滞损耗 磁滞回线所围的面积。
通常所说的磁滞回线及其表征参数是指磁化强度 随磁场强度的变化的曲线和参数。
M r 和 H C 随最大磁场强度的减
小而减小。
通过逐渐减小最大磁场的强 度，可实现退磁。
μ、Mr和Hc都是对材料组织敏感的磁参数，决定于 材料的组成、显微组织、形态和分布等因素的影响。 不同的磁性材料的应用范围也不同。
级。
3.反铁磁体：χ为正值，很小。 4.铁磁性体：χ为正值，很大，约在10～106数量
级。
5.亚铁磁体：χ为正值，没有铁磁性体大。
物质的磁性分类、磁性特征及磁化机制？？？
3.1.3 磁化曲线和磁滞回线
磁化曲线
物质的磁化强度、磁感应强度、磁导率等磁参量 随磁场强度增大的变化曲线。
第四章材料的磁学性能

第四章材料的磁学性能


这表明，自旋磁矩在空间只有两个可能的量子化方向。
用自旋量子数本征值s=1/2代入，即可得到一个电子的自旋磁矩的绝对值等于
原子磁矩
如果要确定一个原子的磁矩，并考虑核外电子多于一个电子的情况，则首先要了解原子中电子的分布规律以及原子中电子的角动量是如何耦合的。 电子壳层与磁性 在多电子原子中，决定电子所处的状态的准则有两条：一是泡利（Pauli）不相容原理，即是说在已知体系中，同一（n,l,ml,ms）量子态上不能有多于一个电子；二是能量最小原理，即体系能量最低时，体系最稳定。
磁场强度和磁感应强度的关系为 式中的 为磁导率，是材料的特性常数。表示材料在单位磁场强度的外磁场作用下，材料内部的磁通量密度，只和介质有关，表征磁体的磁性、导磁性及磁化难易程度。 的单位为H/m。
在真空中，磁感应强度为 式中0为真空磁导率。它是一个普适常数， 其值: 4π×10-7 单位: H（亨利）/m。
洪德法则
洪德法则是基于对光谱线的实验而建立的。其内容如下： 法则一：在Pauli原理允许下，给定的电子组态具有S最大值 法则二：在相应最大值时给出的L值应最大， 法则三：未满壳层中电子总角动量J分别由下述情况给出： J=L-S, 次壳层上的电子数不够半满数 J=L+S,次壳层上的电子数等于或大于半满数。
在均匀磁场中,磁矩受到磁场作用的力矩JF
J为矢量积,B为磁感应强度,其单位为Wb/m2 ,Wb (韦伯)是磁通量的单位。 磁矩在磁场中所受的力 ,对于一维为：
磁矩的意义
表征磁偶极子磁性强弱和方向的一个物理量。 磁矩是表征磁性物体磁性大小的物理量。 磁矩愈大,磁性愈强,即物体在磁场中所受的力也大。 磁矩只与物体本身有关,与外磁场无关。 和磁偶极矩具有相同的物理意义，但μm和jm各有自己的单位和数值，有如下关系
第九章材料的磁学性能

第九章材料的磁学性能

一．本章的教学目的与要求本章主要介绍材料抗磁性和顺磁性的物理本质，影响抗磁性和顺磁性的因素，铁磁性的基本性能：自发磁化，磁各向异性与磁致伸缩，磁滞回线，，反铁磁性的特点，影响铁磁性参数的因素。

二．教学重点与难点1.原子磁距（重点）2.抗磁性与顺磁性（重点）3.铁磁性与反铁磁性（重点）4.自发磁化（重点）5.磁各向异性（重点）6.磁致伸缩（重点）7.磁滞回线（重点）三．主要外语词汇磁性：magnetic 抗磁性：diamagnetism 顺磁性：paramagnetism 磁化率：magnetic susceptibility 铁磁性：ferromagnetic 反铁磁性：Anti ferromagnetic 原子磁矩：自发磁化：Spontaneous magnetization 磁各向异性：Magnetic anisotropy 磁致伸缩：Magnetostriction 磁畴：Magnetic domain 磁滞回线：Hysteresis loop 反铁磁性：Anti ferromagnetic四. 参考文献1.田莳. 功能材料.北京：北京航空航天大学出版社，19952.王润. 金属材料物理性能.北京：冶金工业出版社，19933.张帆，周伟敏.材料性能学.上海：上海交通大学出版社，20094.吴云书. 材料科学与工程基础. 北京：机械工业出版社，19905.赵建国. 纳米电缆材料的研究进展[J].材料工程，2008,7:83-85五．授课内容第一节 基本磁学性能1.磁场强度（magnetic field strength)：一根通有I 直* 流电的无限长直导线，在距导线轴线r 米处产生的磁场强度H 。

2．磁感应强度：材料在磁场强度为H 的外加磁场（直流，交变或脉冲磁场）作用下，会在材料内部产生一定磁通量密度，称其为磁感应强度（magneticflux density)，即在强度为H 的磁场被磁化后，物质内磁场强度的大小，单位特斯拉（T）或韦伯/米2（Wb/m 2）3.磁矩磁矩（magnetic moment ）是表示磁体本质的一个物理量。

材料性能学课件-第九章材料的磁学性能

材料性能学课件-第九章材料的磁学性能

合成的总角动量等于零，原子的总磁矩为零。所 以计算原子的轨道磁矩时，只考虑未填满的那些 壳层中的电子-这些壳层称为磁性电子壳层。
当某未满壳层中包含多个电子时，该支壳层的
电子按角动量耦合原则耦合成一个总角动量。原 子磁矩是和这个总角动量相联系的。
如Fe的原子序数26
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11
理论证明，当原子中的电子层均被排满时， 原子没有磁矩。只有原子中存在着未被排满的 电子层时，由于未被排满的电子层电子磁矩之 和不为零，原子才具有磁矩，这种磁矩称为原 子的固有磁矩。
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1. 原子结构的影响
所有的碱金属都是顺磁性的。碱土金属 (除Be外)也都是顺磁性的，以上两族金属元 素在离子状态时都与惰性气体相似，具有相 当的抗磁磁矩，但由于电子产生的顺磁性占 主导地位，故表现为顺磁性。稀土金属顺磁 性较强，磁化率较大，主要是因为这些元素 的原子4f层和5d层没有填满，存在着未能全 部抵消的自旋磁矩。
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4. 合金成分与组织的影响
当形成两相合金时， 在两相区范围内，其磁化 率随成分的变化呈直线关 系。
根据这些关系，结合 相图可对应画出磁化率随 成分的变化规律，如右图 所示：
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三、抗磁与顺磁磁化率的测量及应用
1. 用磁称法测量磁化率
由于抗磁与顺磁磁化率都很小，所 以要用较灵敏的测量方法，通常采用磁 称法进行测量，磁称也称为磁天平。
20XX年复习资料
大学复习资料
专 业： 班 级： 科目老师： 日 期：
第九章 材料的磁学性能
磁性材料具有能量转换、存储或改 变能量状态的功能，被广泛使用于计算 机、通讯、自动化、影像、仪器仪表、 航空航天、生物等技术领域，是重要的 功能材料。
材料磁学性能(材料科学基础)

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
第三章 材料的磁学性能

第三章 材料的磁学性能

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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，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。
31
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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第三章;磁学性能(材料的磁化特征及其基本参数)

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。
材料性能----磁学性能

材料性能----磁学性能


e 2 m l 0.5er 2 i F m r 2 e 2r He r 2 2 F F m r（ ） F H m l er H 4m
2 2
将左手掌摊平，让磁力线穿过手掌心，四 指表示正电荷运动方向，则和四指垂直的 大拇指所指方向即为洛伦兹力的方向。 运动电荷受到磁场的作用力，叫做洛伦兹力Δ F
基本磁学性能
Tc，居里温度 TN，奈尔温度
第一节
三 抗磁性与顺磁性
基本磁学性能
材料被磁化后，磁化矢量与外加磁场方向相反 的称为抗磁性 材料被磁化后，磁化矢量与外加磁场方向相同的 称为顺磁性 磁化曲线 磁化强度与磁场强度之间均呈直线关系 存在磁化可逆性
第一节
抗磁性
基本磁学性能
材料的抗磁性来源于电子循轨运动时受外加磁场作用所产生的抗磁矩 (1) 电子作轨道运动
程度可以用原子固有磁矩（矢量）的总和表示。单位体积磁矩称为磁化
强度M
P M
V
m
磁化强度M(附加磁场强度H’）不仅与外加磁场强度有关，也与物质本
性，磁化率（χ
）有关，
即：
M H B （H M） （ ）H 0 r H H 01 0
第一节
二 物质磁性的分类
第一节
顺磁性
基本磁学性能
产生条件：原子的固有磁矩不为零
顺磁物质磁化率是抗磁物质磁化率的1-1000倍，顺磁物质中抗磁性被掩盖了。
第一节
居里定律
基本磁学性能
少数物质原子的磁化率与温度成反比（即服从居里定律）

C T
相当一部分固体顺磁物质，原子的磁化率与温度的关系由居里-外斯 （Curie-Weiss）定律表示
180o畴壁：一个易磁化轴上有两个相反的磁化方向 90o 畴壁：易磁化轴互相垂直
材料物理性能-第6章-磁学性能

材料物理性能-第6章-磁学性能

1) 正常顺磁体，其 随温度变化符合 l／T关系，
如，金属铂、钯、奥氏体不锈钢、稀土金属等。
2) 与温度无关的顺磁体，例如锂、钠、钾、铷
等金属。
铁磁体 在较弱的磁场作用下，就能产生很大的磁化强度。
是很大的正数，且与外磁场呈非线性关系变化。
具体金属有铁、钴、镍等。 铁磁体在温度高于某临界温度后变成顺磁体。 此临界温度称为居里温度或居里点，常用Tc表示。
式中 m 称为磁化率。
2. 磁学物理量和电学物理量的对比记忆
一、电极化：在外电场作用下，介质内的质点（原子、分子、 离子）正负电荷重心的分离，使其转变成偶极子的过程。
或在外电场作用下，正、负电荷尽管可以逆向移动，但它们 并不能挣脱彼此的束缚而形成电流，只能产生微观尺度的相 对位移并使其转变成偶极子的过程。
设铁磁体原来的尺寸为l0 ，放在磁场中磁化时，其尺寸变 为 l ，长度的相对变化为，
原子的磁矩
《材料物理性能》——材料的磁性能 原子的磁矩
原子的磁矩
《材料物理性能》——材料的磁性能 原子的磁矩
《材料物理性能》——材料的磁性能 原子的磁矩
《材料物理性能》——材料的磁性能
抗磁性来源 理论研究证明，在外磁场作用下，一个电子的轨
道运动和自旋运动以及原子核的自旋运动都会发生变 化，产生一附加磁矩m。
二、磁化：是指在物质中形成了成对的N、S磁极。
三、电荷——磁极，电荷量——磁极强度
两个磁极间的相互作用力与两个电荷间的相互作用力表达式 相似。所不同的是公式中一个有真空介电常数o ，一个为真 空磁导率 o
偶极子：构成质点的正负电荷沿 电场方向在有限范围内短程移动， 形成一个偶极子
E -q
电偶极矩 ：=ql
材料的磁学性能

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。

材料的磁学性能


上穷碧落下黄泉，两处茫茫皆不见!
H
24
磁场
磁极之间的作用力是在磁极周围空间传递的，这里存在着 磁力作用的特殊物质，称之为磁场。 磁场是对磁极产生作用力的空间，采用磁场强度H和磁 通密度B来表示。 磁场是电磁场的组成部分，其特征可用场内运动着的带 电粒子所受的力来确定，这种力源于粒子的运动及其所带 电荷。
磁通量Φ :垂直于某一面积所通过的磁力线的多少。 单位韦伯，Wb。 Φ=B*S
磁通密度B： B = Φ /S，等于穿过单位面积的磁通量。 单位特斯拉T，Wb.m-2 。 B=F/IL，
磁介质（除超导体以外不存在磁绝缘的概念，故一切物质 均为磁介质）在磁场中发生的磁化对源磁场也有影响（场 的迭加原理）。
程divB = 0。
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从物理的角度来看到底哪一种观点更加合理、更加接近于 物质磁性起源的真实情况呢？
从目前来看，视乎分子 电流的观点更接近于真
实情况
a、电子的轨道磁矩来自电子的轨 道电流，支持分子电流的观点； b、狄拉克(Dirac)虽然从理论上预 言了“磁单极”的存在，但至今没有 发现“磁单极”，使磁偶极子的概念 失去了存在的基础。
H
40
（3）、磁化强度： Gauss单位制中，磁极化强度（J）与磁化强度（M） 相同，单位：G
J： 1G4104T
M：1G103Am1
41
H
42
三 磁化、磁化强度与磁矩
• 物质在磁场中由于受到磁场的作用而表现出 一定的磁性，该过程称为磁化。
• 能够被磁化的或能被磁性物质吸引的物质叫 做磁性物质或磁介质
H
26
H
27
澳大利亚南部的亚塔斯马尼亚岛总要发生鲸鱼搁浅事件！
H
29

材料的磁学性能与测试方法

材料的磁学性能与测试方法材料的磁学性能是指材料在磁场下的特性和行为。

磁学性能对于许多领域的应用至关重要，如电子设备、磁存储、能源转换等。

为了深入了解和评估材料的磁学性能，科学家和工程师们开发了各种测试方法和技术。

本文将介绍常见的材料磁学性能测试方法以及其应用。

一、磁矩与磁滞回线测试方法磁矩是一个材料在磁场中受磁化作用时所表现出的磁性强度。

磁矩可以通过磁滞回线测试方法进行测量。

该测试方法主要通过改变外加磁场的强度来测量材料的磁化强度。

磁滞回线图是磁矩随外加磁场变化的图像，通过分析磁滞回线图可以了解材料的磁化强度和磁滞损耗等。

二、磁化曲线测试方法磁化曲线测试方法主要用于测量材料的磁化特性。

这种方法通过在材料中施加不同大小的磁场，然后测量磁场对材料磁化程度的影响。

通过绘制磁化曲线，可以确定材料的磁化特性，如饱和磁化强度、剩余磁矩和矫顽力。

三、矫顽力和剩余磁矩测试方法矫顽力是指外加磁场移除后，材料保留的剩余磁矩。

矫顽力和剩余磁矩是材料磁学性能的重要指标之一。

这些指标可以通过磁化曲线测试方法中的回磁曲线来测量。

通过矫顽力和剩余磁矩的测量，可以评估材料的磁记忆效应，以及应用于数据存储等领域时的可靠性。

四、磁导率测试方法磁导率是材料对磁场的响应能力。

磁导率测试方法主要通过施加一个交变磁场，并测量材料的磁场强度和施加磁场的相位差来计算磁导率。

磁导率的测量可以用于评估材料的磁性能和应用于电磁设备中的性能。

五、饱和磁化强度测试方法饱和磁化强度是指材料在外加磁场逐渐增大的情况下，达到饱和状态时的磁化强度。

饱和磁化强度测试方法可以通过磁化曲线测试中的饱和磁化强度来测量。

饱和磁化强度是衡量材料磁性能的重要指标之一，对于电磁设备和磁性材料的设计和应用具有重要意义。

通过以上介绍的各种测试方法，我们可以准确测量和评估材料的磁学性能。

这些测试方法对于磁性材料的设计、磁性材料应用的改进以及电磁设备的开发都起到了至关重要的作用。

我们可以根据具体的需求选择合适的测试方法，以便更好地了解和利用材料的磁学性能。

第三章材料的磁学性能

第三章材料的磁学性能一，一，基本概念1. 1.磁畴：在未加磁场时铁磁金属内部已经磁化到饱和状态的小区域。

2. 2.磁导率：磁导率是磁性材料最重要的物理量之一，表示磁性材料传导和通过磁力线的能力，用μ表示，其中μ＝Ｂ／Ｈ．单位为亨利／米（Ｈ·m-1）．3. 3.自发磁化：在未加磁场时铁磁金属内部的自旋磁矩已经自发地排向了同一方向的现象．4. 4.磁滞损失：磁滞回线所包围的面积相当于磁化一周所产生的能量损耗。

5. 5.磁晶各向异性：6. 6.退磁场：非闭合回路磁体磁化后，磁体内部产生一个与磁化方向相反的磁场。

第三章材料的磁学性能随着近代科学技术的发展，金属和合金磁性材料，由于它的电阻率低、损耗大，已不能满足应用的需要，尤其是高频范围。

磁性无机材料除了有高电阻、低损耗的优点以外，还具有各种不同的磁学性能，因此它们在无线电电子学、自动控制、电子计算机、信息存储、激光调制等方面，都有广泛的应用。

磁性无机材料一般是含铁及其它元素的复合氧化物，通常称为铁氧体（ferrite）。

它的电阻率为10～106Ω·m，属于半导体范畴。

目前，铁氧体已发展成为一门独立的学科。

本章介绍磁性材料的一般磁性能，着重讨论铁氧体材料的性能与应用。

7.1磁矩和磁化强度7.1.1磁矩（1）定义在磁场的作用下，物质中形成了成对的N、S磁极，称这种现象为磁化。

与讨论电场时的电荷相对应，引入磁量的概念，并把磁量叫做磁极强度或磁荷。

将一对等量异号的磁极相距很小的距离，把这样的体系叫做磁偶极子。

在外磁场的影响下，磁偶极子沿磁场方向排列。

为达到与磁场平行，该磁矩在力矩T=Lq m Hsin (7.1)的作用下，发生旋转。

式中的系数Lq m定义为磁矩M(Wb·m)。

磁矩这一物理量是磁相互作用的基本条件，是物质中所有磁现象的根源。

磁矩的概念可用于说明原子、分子等微观世界产生磁性的原因。

（2）原子磁矩物质是原子核和电子的集合体，要理解物质的磁性起源，就要考虑原子具有的磁矩。

材料性能学 第二章 材料的磁学性能

式中： li—为轨道角量子数，可取0，1，2，3，…，n-1，分别 代表s、p、d、f层的电子态。
B : 为玻尔磁子，是磁矩的最小单位。=9.27×10-24Am2
②电子自旋磁矩
由电子自旋运动产生的磁矩称为自旋磁矩。用 ms 表示。
ms 2 Si (Si 1)B 为矢量，其方向平行于自旋轴。
式中： Si—为自旋量子数，其值为1/2。
第一节 基本磁学性能
1、 材料的磁性 早在公元前600年人们就发现天然磁石吸引铁的现象，现在的磁 铁多是人工制成的。以上物质具有吸引铁、钴、镍等物质的特性， 这种特性称之为磁性。 材料的磁性来源：电子(电荷)的循规和自旋运动以及原子核的 磁矩。但原子核的磁矩仅有电子磁矩的1/2000，一般可忽略。 注意：一切物质都具有磁性，任何空间都存在磁场。 1.1 磁矩 “磁”来源于“电”，任何一个封闭的电流都具有磁矩，其方 向与环形电流法线方向一致，大小为电流与封闭环形面积乘积。
第二节 抗磁性与顺磁性
原子的固有磁矩与磁场发生相互作用， 具有较高的静磁能。
EH ml • H ml H cos
为降低静磁能，外场须使磁矩发生转动， 改变二者之间夹角。
H
(a)无磁场
(a)无磁场
(b)弱磁场
(c)强磁场
第二节 抗磁性与顺磁性
注意：①常温下，使原子磁矩转向磁场方向，要克服磁矩间相互 作用所产生的无序倾向，克服原子热运动所造成的严重干扰，故 顺磁磁化十分困难。室温磁化率约为10-6。 ②将温度降低到0K，磁化率便可提高到10-4； ③顺磁金属只有当温度接近0K或外加磁场极强时才有可能达到磁 饱和，即所有原子磁矩都排向磁场方向。 2、影响抗磁性与顺磁性的因素 ①原子结构 规律：电子循规运动产生抗磁矩；离子固有磁矩则产生顺磁矩； 自有电子主要产生顺磁矩；磁性取决于哪种因素占主导地位。

第五章材料的磁学性能


(2) 自旋磁矩
每个电子本身作自旋运动，产生一个沿自旋轴方向的 自旋磁矩（electronic spin magnetic moment）。因此 可以把原子中每个电子都看作一个小磁体，具有永久 的轨道磁矩和自旋磁矩，如图5-4所示。实验测定电子 自旋磁矩在外磁场方向上的分量恰为一个玻尔磁子： （5-17）
ez l B l
式中，ml为电子运动状态的磁量子数，下角z表示外磁 场方向；μB为玻尔磁子(Bohr magneton)，是电子磁矩 的最小单位，其值为 eh B 9.27 1024 ( J T 1 )（5-16） 4me 式中 ， e ， h和 me 分别为电子电量、普朗克(Planck) 常量和电子质量。
5.1.1 磁学基本量
（1）磁感应强度和磁导率 1820年，奥斯特发现电流能在周围空间产生磁场， 一根通有I安培(A)直流电的无限长直导线，在距导线 轴线r米(m)处产生的磁场强度H（magnetic field strength）为：
H
I
(5-1)
2r
在国际单位制中，的单位为安培/米(A/m)。
磁矩（magnetic moment）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。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(图5-1)。在均匀磁场中，磁矩受到 磁场作用的力矩J J＝m×B (5-4) 式中，J为矢量积，B为磁感应强度，其单位为：
(1) 电子轨道磁矩 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。设r为电子运动轨 道的半径，L为电子运动的轨道角动量，ω为电子绕核 运动的角速度，电子的电量为e，质量为m。根据磁矩 等于电流与电流回路所包围的面积的乘积的原理，电 子轨道磁矩（electronic orbital magnetic moment）的 大小为： e e 2 2 Pe iS e( )r mr L (5-14) 2 2m 2m 该磁矩的方向垂直于电子运功轨迹平面，并符合右 手螺旋定则。它在外磁场方向上的投影，即电子轨道 磁矩在外磁场方向上的分量，满足量子化条件 (5-15) P m (m 0， 1 ， 2， ， l)
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如 场果 的磁 强场 度在H可真由空下中式形确成定的：磁感应强度为B0，则磁
B0=0H 0：真空磁导率（真空透磁率） 0=410-7亨利／米(H/m)
H——描述磁场的一个重要的物理量，无论在真 空或在磁介质中，H只表征传导电流的磁场特征， 与磁介质无关。
将材料放入磁场强度为H的自由空间，则材料中 的磁感应强度
B=H 其中称为材料的磁导率或绝对磁导率。
所以
B=B0+B=0H+0M=0(H+M)
其中M称为材料的磁化强度，其物理意义为材料 在外磁场中被磁化的程度。
——材料内部的磁感应强度可看成材料对自由
空部分间场的叠反加应而0成H和。磁化引起的附加磁场0M两
磁化强度M用单位体积内的磁矩多少来衡量，即
其中V为材料的体积，m为其中磁矩的矢量和。
磁性材料获得了越来越多的应用： 软磁材料：铁芯、电磁铁 硬磁材料：永久磁铁 磁记录材料：磁头、软盘、硬盘、磁带
普通物理——强调电与磁的交互作用
本章内容： 材料的磁学——材料磁学性质、来源？ 材料对外磁场的反应？本质原因？ 不同磁性材料的性能及其应用。
磁性与材料的微观结构的联系——通过磁性研 究材料的结构：键合情况、晶体结构。
2．顺磁体： >0，在10-3～10-6数量级。
如奥氏体， Pt，Pd，Li，Na，K，Rb等。
顺磁体的另一特征是其磁化率一般与绝对温度
成反比。
3．铁磁体： >0且很大，可达106数量级，与外
磁场呈非线性关系。 在点高或于居某里一温临度界。温 外度 磁场Tc变消成失顺仍磁保体留，一定Tc的称磁为化居率里 如Fe，Co，Ni，Y，Dy及其某些合金等。
B k Fmax qv
q：磁场中运动电荷的电量；v：电荷的运动速度； Fmax：电荷在磁场中所受的最大力，出现在电荷 运动速度与磁场方向垂直时；k：比例系数
国际单位制中通过选择合适的单位使k=1，则 B Fmax qv
单位：F为牛顿(N)，q为库仑(C)，v为米／秒 (m/s)，B为特斯拉(T)。 B是矢量，其方向是磁场方向，规定为该点所放 的小磁针平衡时N极所指的方向。
magnetic properties of materials)
人类最早认识的磁现象：磁石吸铁、指南北、分 磁极、磁偏角。磁针——以磁石使铁针磁化。
划时代的伟大发现——1820年，奥斯特，电流能 在周围空间产生磁场，首次将电与磁联系起来。
磁力——通过磁场传递。 磁场——通过对载流导体或运动电荷有力的作用 体现出来的——定义磁场中一点的磁感应强度
7．1 材料磁性能的表征参量和材料 磁化的分类
(Character parameters of magnetic properties of materials and classification of material magnetization)
7.1.1 材料磁性能的表征参量 (Character parameters of
外磁场强度H增大，则材料的磁化强度增大
M=H
其中称为材料的磁化率，即单位磁场强度可引
起的材料的磁化强度，是一个无量纲的量。
定义
r
0
为材料的相对磁导率，r也是无量纲的。可推导
B=H=0H+0M=0H+0H＝0(1+)H
所以
0
1
r
1
——绝对磁导率、相对磁导率r、和磁化率都
是描述材料在外磁场下磁化能力的物理量，他们
原子的磁矩来源于电子的运动和原子核的自旋。
电子轨道磁矩 原子的磁矩 电子自旋磁矩
原子核自旋磁矩
1. 磁矩
与电荷类似，将磁荷定义成磁的基本单位。两磁 极若分别有q1和q2磁荷的磁极强度，则其作用力
F
k
q1q2 r2
其中r为磁极间距，k为比例常数。 磁极q在外磁场中要受到力的作用，且有该力
F=qH 其中H为外磁场的强度。
4．亚铁磁体： >0，与铁磁体类似，但 小些。
如磁铁矿，铁氧体等。 磁化率不如铁磁体高，但其电阻大，产生的涡 流损耗小，适于制作电导率低的磁性材料。
5．反铁磁体： >0，且在低温时与磁场方向有
关，在高温时与顺磁体相同。 如-Mn，MnO，Cr2O3，Cr, CoO, ZnFeO4等。
铁磁体和亚铁磁体称为强磁体；抗磁体、顺磁体 和反铁磁体称为弱磁体，通常磁性材料为强磁体。
之间有固定的关系，知道其中的一个即可求出另 外的两个。
7.1.2 材料磁化的分类 (classification of material
magnetization)
根据材料 的磁化率， 将材料分 为五类
1. 抗磁体：<0且绝对值很小，在10-6数量级。
约一半金属是抗磁体，如Cu，Ag，Au，Hg， Zn、Bi、Ga、Sb、Sn、In等。
m=Pm/0
当磁偶极子与外磁场方向成一定角度时它将受到 磁场力的作用产生转矩，转矩力图使磁偶极矩 Pm处于能量最低方向。
磁偶极矩与外磁场的作用的势能称为静磁能
U＝－Pm·H＝－PmHcos
其中是Pm与H的夹角。
外磁场作用下磁场力 的作用转矩有使磁偶 极矩处于能量最低状 态的趋势。
2. 电子轨道磁矩
实际上磁极总是以正负对的形式存在，目前尚 未发现单独存在的磁极。 （此句要修正——《Science, 2009,9,3》）
将相互接近的一对磁极＋q和－q称为磁偶极子 真空中，单位外磁场作用在相距d的磁偶极子上
的最大的力矩 Pm＝qd
称为该磁偶极子的磁偶极矩（磁动量）。
磁表偶示极，矩即与真空磁导率0的比值称为磁矩，用m
7.2 孤立原子的磁矩 (Magnetic moment of isol(magnetic moments of
electrons and atomic nucleus)
从本质上说，一切材料的磁性都来源于电荷的运 动（或电流）。 材料的磁性源于原子（小磁铁）的磁性。
磁介质在磁场中发生磁化而影响磁场，所以磁介 质中的磁感应强度B等于真空中的磁感应强度B0 和由于磁介质磁化而产生的附加磁感应强度B之 和，即
B=B0+B
——磁感应强度B描述的是传导电流的磁场和磁 介质中磁化电流的磁场的综合场的特性。
电介质中的电场强度E为真空中的电场强度E0和 由于电极化而产生的附加电场强度E之和