第三章 材料的磁学性能

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。

材料性能学材料性能学是材料科学的一个重要分支领域，研究材料的性能与结构之间的关系。

材料性能包括力学性能、热学性能、电学性能、磁学性能、光学性能等多个方面。

材料性能的优劣直接影响材料的应用范围和效果。

力学性能是材料性能学的重要内容之一，涉及材料的强度、硬度、韧性、耐磨性等指标。

力学性能的研究可以通过各种试验方法来获得。

常见的试验包括拉伸试验、冲击试验、硬度试验等。

力学性能的好坏决定了材料在受力领域的应用范围，优秀的力学性能可以使材料承受更大的载荷，具有很好的抗疲劳和耐磨损能力。

热学性能是材料在热环境下的性能表现，主要包括热导率、热膨胀系数、热稳定性等指标。

热学性能的研究对于材料在高温、低温环境下的应用具有重要意义。

例如，高导热材料可以应用于散热器、热交换器等领域，而低热膨胀系数的材料则适用于高精度仪器、光学设备等需要保持稳定尺寸的领域。

电学性能是材料导电性能的表现，主要包括电导率、介电常数、电阻率等指标。

电学性能是材料应用于电子、电力工程等领域的基础。

例如，电导率高的材料可以用作导线、电极等；而具有高介电常数的材料适用于电容器、绝缘材料等。

磁学性能是材料在磁场中的性能表现，主要包括磁导率、磁饱和强度、磁滞损耗等指标。

材料的磁学性能在电子、通信、磁存储等领域有广泛应用。

例如，磁导率高的材料可以用于制造电感器件、变压器等。

光学性能是材料在光学领域的表现，主要包括透光性、折射率、反射率等指标。

材料的光学性能对于光学器件、光学传感器等的设计和制造非常重要。

例如，透明度高的材料可以用于玻璃、光电子器件等；而具有特定折射率的材料可以用于制造透镜、光纤等。

综上所述，材料性能学研究材料的力学性能、热学性能、电学性能、磁学性能、光学性能等多个方面。

材料性能的好坏直接影响材料的应用范围和效果。

在材料设计和应用领域中，常常需要从以上多个方面综合考虑，选择合适的材料。

单晶硅锭材料的磁性和磁学性能分析概述：单晶硅是一种重要的半导体材料，被广泛应用于太阳能电池、集成电路等领域。

在实际应用中，了解材料的磁性和磁学性能对于优化材料性能、提高设备效率至关重要。

本文将对单晶硅锭材料的磁性和磁学性能进行分析。

引言：单晶硅是由硅原子构成的晶体材料，由于其高度的晶体质量和优良的电学特性，被广泛用于制造光伏电池和集成电路。

然而，单晶硅材料通常被认为是无磁性的，这意味着它不会显示出自发的磁矩或 ferromagnetic 行为。

下面将详细分析单晶硅锭材料的磁性和磁学性能。

实验方法：在对单晶硅锭材料的磁性进行分析时，我们通常采用磁化率测试来确定材料的磁性质。

磁化率是描述材料对外磁场响应的物理量，用于衡量材料的磁化程度。

常见的磁化率测试方法包括交流磁化率测量、直流磁化率测量和磁化率随温度变化的测量。

结果与讨论：通过磁化率测试，我们发现单晶硅锭材料的磁化率非常接近于零，这意味着它几乎没有磁化的迹象。

这可以解释为单晶硅材料中的电子和核自旋之间的磁矩相互抵消，导致材料整体上具有无磁性的特性。

然而，尽管单晶硅材料本身没有磁性，但它可以被引入某些磁性杂质和缺陷，这可能会导致材料表面或局部区域出现磁化的迹象。

在单晶硅材料中引入磁性杂质和缺陷的一种常见方法是通过离子注入技术。

通过离子注入，可以将磁性杂质，如磁性离子（如铁、锰等）引入单晶硅材料中。

这些杂质的存在将导致单晶硅材料具有一定的磁化特性。

此外，在单晶硅材料中引入缺陷，如晶格缺陷、位错等，也可能导致磁化的出现。

这些缺陷可以破坏材料的平衡状态，导致磁化出现。

磁学性能分析主要关注单晶硅材料的磁滞回线和磁化强度。

磁滞回线描述了材料在外磁场作用下磁化强度随磁场变化的关系。

通过磁滞回线分析，可以了解材料的剩余磁化强度、饱和磁化强度等重要参数。

而磁化强度则是描述材料在外磁场作用下的磁化程度。

这两个参数可以反映材料的磁化程度和磁性能。

结论：通过对单晶硅锭材料的磁性和磁学性能分析，可以得出以下结论：1. 单晶硅材料本身通常具有无磁性，即几乎没有磁化的迹象。

电子材料的电学性能和磁学性能随着现代科技的快速发展，电子材料的使用范围也越来越广泛。

电子材料不仅应用于电子产品的制造，在机械、化学等领域也具有广泛的应用。

电子材料的性能是决定其使用效果的关键因素，其中电学性能和磁学性能是两个重要的方面。

电学性能是电子材料传导电流和储存电荷的能力。

电子材料的电学性能在制造电子产品时十分重要。

在研究电子材料的电学性能时，需要考虑其导电性、电流密度、电阻率、电容率等多个因素。

这些因素对于电子设备的性能和稳定性都具有非常重要的影响。

首先，导电性是衡量电子材料电学性能的一个重要指标。

电子材料的导电性可以决定电子材料中电荷的自由移动程度。

导电性良好的电子材料可以保证电子设备的正常工作，也能提高设备的性能。

例如，银、铜等金属便是具有良好导电性的电子材料，在电子设备中被广泛应用。

其次，电流密度是另一个影响电子材料电学性能的重要因素。

电流密度指的是电流的流动密度，是单位面积或单位横截面积内的电流强度。

当电流密度过大时，电子材料可能会出现过热、烧毁等问题，因此需要合理地控制电流密度，以防止电子设备的损坏。

除了导电性和电流密度，电阻率和电容率也是评估电子材料电学性能的重要参数。

电阻率是电流在电子材料中受到阻力的程度，它越小，电子材料的导电性越好。

电容率则指的是电子材料中储存电荷的能力，因为电容率越大，电子材料储存电荷的能力也就越强。

除了电学性能，磁学性能也是电子材料的重要性能之一，特别是在制造具有磁性的电子设备时。

磁学性能是指电子材料的受磁效应的特性，包括磁导率、磁饱和磁场强度等参数。

电子材料的磁导率是电子材料具有磁性时，磁场强度与磁化强度之比。

磁导率越大，说明电子材料明显地表现出磁性。

在制造电子设备中，常使用的磁性材料包括铁、镍等，这些材料具有较强的磁性能，能够高效地储存磁场，为设备的稳定运行提供了保障。

磁饱和磁场强度则是衡量电子材料饱和磁化的能力。

磁饱和磁场强度越大，说明电子材料饱和磁化的能力越强，也就意味着电子设备能够更好地应对外界磁场的影响。

《磁性材料》基本要求一、熟练掌握基本概念：(1) 磁矩：磁偶极子等效的平面回路的电流和回路面积的乘积，μm =iS ，方向由右手定则确定，单位Am 2。

(2) 磁化强度（M ）：定义单位体积磁性材料内磁矩的矢量和称为磁化强度，用M 表示，SI单位为A/m 。

CGS 单位：emu/cm 3。

换算关系：1 ×103 A/m = emu/cm 3。

(3) 磁场强度（H ）：单位强度的磁场对应于1Wb 强度的磁极受到1牛顿的力。

SI 单位是A ·m -1。

CGS 单位是奥斯特(Oe)。

换算关系：1 A/m =4π/ 103 Oe 。

(4) 磁化曲线：磁体从退磁状态开始到磁化饱和的过程中，磁感应强度B 、磁化强度M 与磁场强度H 之间的非线性关系曲线。

(5) 退磁曲线：磁滞回线在第二象限的部分称为退磁曲线。

(6) 退磁场：当一个有限大小的样品被外磁场磁化时，在它两端出现的自由磁极将产生一个与磁化强度方向相反的磁场。

该磁场被称为退磁场。

退磁场的强度与磁体的形状及磁极的强度有关存在：Hd=-NM 。

(7) 饱和磁感应强度Bs(饱和磁通密度) ：磁性体被磁化到饱和状态时的磁感应强度。

SI 单位是特斯拉[T]或[Wb·m -2]；CGS 单位是高斯(Gauss)。

换算关系：1 T = 104 G 。

(8) 磁导率：定义为磁感应强度与磁场强度之比μ＝Ｂ／Ｈ，表示磁性材料传导和通过磁力线的能力．单位为亨利／米（Ｈ·m -1）． (9) 起始磁导率：磁性体在磁中性状态下磁导率的极限值。

H B H i 00lim1→=μμ (10) 磁化率定义为磁化强度与磁场强度之比：χ= M /H(11) 居里温度：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，在此温度上，自发磁化强度为零。

(12) 磁各向异性：磁性材料在不同方向上具有不同磁性能的特性。

包括：磁晶各向异性，形状各向异性，感生各向异性和应力各向异性等。

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。

材料磁学性能实验报告学号：姓名：班级：一、叙述实验原理和实验方法实验目的：1．了解振动样品磁强计（VSM ）测量材料磁性能的测试方法。

2．测定材料的磁化曲线和磁滞曲线，了解饱和磁化强度、剩磁、矫顽力等磁参量。

实验原理：振动样品磁强计（VSM ）是一种磁性测量常用的仪器，在科研和生产中有着广泛的应用。

它是利用小尺寸样品在磁场中做微小振动，使临近线圈感应出电动势而进行磁性参数测量的系统。

与一般的感应法不同，VSM 不用对感应信号进行积分，从而避免了信号漂移。

另一个优点是磁矩测量灵敏度高，最高达到10-7emu ，对测量薄膜等弱磁信号更具优势。

如果一个小样品（可近似为一个磁偶极子）在原点沿Z 轴作微小振动，放在附近的一个小线圈（轴向与Z 轴平行）将产生感应电压：km t m G e g ==ωωδcos其中G 为线圈的几何因子，ω为振动频率，δ为振幅， m 为样品的磁矩，N 、A 为线圈的匝数和面积。

原则上，可以通过计算确定出g e 和m 之间的关系k ，从而由测量的电压得到样品的磁矩。

但这种计算很复杂，几乎是不可能进行的。

实际上是通过实验的方法确定比例系数k ，即通过测量已知磁矩为m 的样品的电压g e ，得到k =e g m ，这一过程称为定标。

定标过程中标样的具体参数（磁矩、体积、形状和位置等）越接近待测样品的情况，定标越准确。

永磁材料的全部技术参数都可以由VSM 测量得到。

永磁材料的技术参数（饱和磁化强度、剩磁、矫顽力和磁能积等）可以由磁化曲线和磁滞回线反映出来，如图1，温度特性可以由不同温度下的磁滞回线给出。

720200)5(43r x r z NA G -=μπ图4 永磁材料的磁化曲线和磁滞回线图二、描述实验过程1. 准备样品。

样品重量约30mg 左右，形状尽量呈圆形。

2. 将样品用胶水粘到样品杆上，并晾干一天或吹风机烘干使其固定良好。

3.将样品竖直固定于仪器固定杆上，将接头连接稳固，放入磁场中，开始测试。