材料物理性能-磁性能共80页文档

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。
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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

有交换相互作用
1、磁性的起源
磁畴：每个区域内部包含大量原子，这些原子的 磁矩都像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
单晶磁畴结构示意图
多晶磁畴结构示意图
1、磁性的起源
磁光效应：线偏振光透过放置磁场中的物 质，沿着磁场方向传播时，光的偏振面发 生旋转的现象。 对磁畴进行可视化
4、磁性材料的应用
由于软磁材料磁滞损耗小，适合用在交变磁场中，如 变压器铁芯、继电器、电动机转子、定子都是用软磁 材料制成。 常见的软磁材料有：铁、坡莫合金、硅钢片、铁铝合 金、铁镍合金等。
变压器
磁性传感器
4、磁性材料的应用
硬磁材料 I、具有较大的矫顽力， 典型值Hc＝104～106A/m； II、剩磁很大； III、充磁后不易退磁。 IV、高的稳定性 对外加干扰磁场和温度、 震动等环境因素变化的高 稳定性。
• 1991年，英国航空公司一架波音767，从曼谷起飞后不久 失事，造成233人遇难：经查实是笔记本电脑导致了机上 一台计算机失控；
• 1996年巴西空难、1998年台湾空难：乘客违规使用了手 机；
• 2000年1月，某航班从湛江起飞后航线偏离了10海里：发 现有乘客在起飞过程中使用手机；
• 2000年2月，某航班在郑州机场降落时，导航信号不正常： 发现有乘客在降落过程中使用手机，干扰了导航系统，使 飞机无法降落。
晶粒度与矫顽力
进一步减小， 各单畴晶粒发 生转动的可能 性将越来越大 （更容易转 动）。所以矫 顽力反而减小。
晶粒度与矫顽力
4、磁性材料的应用
磁滞回线围成的面积，可以简单理解为外磁场对磁性材料做的功 对于交流环境，温度累计会使得材料的温度急剧上升。

3)顺磁性来源于磁场的作用使自旋向上、向下的态密度发生变化； 4)它们都只能用量子力学来解释；磁化率与温度无关。
第三章 材料的磁性能
第一节 物质的磁性
3、铁磁性
在较弱的磁场作用下，就能产生很大的磁化强度。 Χ＞＞0， 104 物质具有铁磁性的基本条件：(1)物质中的原子有磁矩；(2) 原子磁矩之间有相互作用。实验事实：铁磁性物质在居里 温度以上是顺磁性；居里温度以下原子磁矩间的相互作用 能大于热振动能，显现铁磁性。 磁化强度与磁场成非线性关系。 具体材料有金属Fe、Co、Ni，某些稀土元素以及由Fe、 Co、Ni组成的合金等。
第一节 物质的磁性
1. 抗磁性：没有固有原子磁矩 2. 顺磁性：有固有磁矩，没有相互作用
3. 铁磁性：有固有磁矩，直接交换相互作用
4. 5. 6. 7. 反铁磁性：有磁矩，直接交换相互作用 亜铁磁性：有磁矩，间接交换相互作用 自旋玻璃和混磁性：有磁矩，RKKY相互作用 超顺磁性：磁性颗粒的磁晶各向异性与热激发的竞争
第三章 材料的磁性能
第一节 物质的磁性
1、抗磁性
物质的磁性不是由电子的轨 道磁矩和自旋磁矩本身所产 生，而是由外加磁场作用下 电子绕核运动所感生的附加 磁场造成的。
在与外磁场相反的方向诱导出磁化强度的现象称为抗磁性。 Χ＜0，M与H方向相反 ；磁化率Χ很小，-10-5 ～-10-6 产生的机理：外磁场穿过电子轨道时，引起的电磁感应使 轨道电子加速。根据楞次定律，由轨道电子的这种加速运 动所引起的磁通，总是与外磁场变化相反，因而磁化率是 负的。 注：任何物质在外场作用下均具有抗磁效应，但只有原子的 电子壳层完全填满了的电子物质，抗磁性才能表现出来。 （它出现在没有原子磁矩的材料中）
第三章 材料的磁性能

材料物理性能学-05
材料的磁学性能
材料科学与工程学院：马永昌
第五章 材料的磁学性能



5.1 磁学简史 5.2 原子的磁性 5.3 材料的磁性特征和结构 5.4 磁晶各向异性与磁致伸缩 5.5 磁畴结构 5.6 磁化过程
* 磁性与磁性材料的发展史 指南针 司马迁《史记》描述黄帝作战用 罗盘 宋朝《萍洲可谈》12世纪 磁石 最早的著作《De Magnete 》 W.Gibert 18世纪 奥斯特 电流产生磁场 法拉弟效应,安培定律 构成电磁学的基础 ,电动机、发电机等出现
5.3 物质磁性分类的原则
A.固有原子磁矩？B.相互作用？C.什么相互作用？
1. 抗磁性：没有固有原子磁矩 2. 3. 4. 顺磁性：有固有磁矩，没有相互作用 铁磁性：有固有磁矩，直接交换相互作用 反铁磁性：有磁矩，直接交换相互作用
5.
6.
亚铁磁性：有磁矩，间接交换相互作用
自旋玻璃和混磁性：有磁矩，RKKY
P
2m
(中子衍射、中子散射)
众所周知，电子轨道运动是量子化的，因而只有 分立的轨道存在，换言之、角动量是量子化的， 并由下式给出
P l
玻尔磁子
ML
0e
2m
l M Bl
(Bohr magneton)
自旋角动量与自旋磁矩
P
与自旋相联系的角动量的大小是ħ/2，因而自旋角动 量可写为： P s
µJ=µL-µs
µJ=µL+µs
自旋-轨道耦合
一个电子绕核(核电荷为Ze)旋转，看轨道与自旋的关系。
s
µL
结论：一个电子的L和s总是方 向相反，壳层中电子数目少于 最大数目一半时，所有电子的 L和 s都是相反。同时轨道磁 矩 µL和 µs也是反平行。

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（三）物质磁性的特殊性和多样性
1. 电子交换作用 原子内具有未成对的电子使得原子的固有磁矩不为零是物质磁性的 必要条件。但是，由于近邻原子共用电子（交换电子）所引起的静电作 用，及交换作用可以影响物质的磁性。交换作用所产生能量，通常用A 表示，称作交换能，因其以波函数的积分形式出现，也称作交换积分。 它取决于近邻原子未填满的电子壳层相互靠近的程度，并决定了原子磁 矩的排列方式和物质的基本磁性。一般地： 当A大于零时，交换作用使得相邻原子磁矩平行排列，产生铁磁性 （Iferromagnetism）。 当A小于零时，交换作用使得相邻原子磁矩反平行排列，产生反铁磁 性（Antiferromagnetism）。 当原子间距离足够大时，A值很小时，交换作用已不足于克服热运动 的干扰，使得原子磁矩随机取向排列，于是产生顺磁性 （Paramagnetism）
原子内的电子做循轨运动和自旋运动，所以必然产
生磁矩。前者称为轨道磁矩，后者称为自旋磁矩。
电子的循轨磁矩
Pl =
eh
4m
l(l 1)
电子的自旋磁矩
Ps
=
eh
2m
s(s 1)
e：单位电荷；h:普朗克常数；m:电子质量；l:轨 道量子数；s:自旋量子数。
原子核的磁矩比电子磁矩小三个数量级，一般情况 下可忽略不计。
1 弱抗磁性 例如惰性气体、金属铜、锌、银、金、 汞等和大量的有机化合物，磁化率极低，约为-10-6，并基 本与温度无关；
2 反常抗磁性 例如金属铋、镓、碲、石墨以及γ-铜 锌合金，其磁化率较前者约大10-100倍，Bi的磁化率χ比 较反常，是场强H的周期函数，并强烈与温度有关；
3 超导体抗磁性 许多金属在其临界温度和临界磁场 以下时呈现超导性，具有超导体完全抗磁性，这相当于 其磁化率χ=-1.

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

合成矢量受自旋-轨道耦合作用的控制：w=λL·S 形成总角动量： J=L+S (J=L-S，小于半满，J=L+S，大于半满)
2.晶场中的原子磁矩
晶场中电子受诸多相互作用的影响，总哈密顿量
H=Hw+ Hλ+ Hv+ Hs+ Hh Hw:原子内的库仑相互作用，如用n，l，m表征的电子轨道只能
容纳自旋相反的两个电子，在一个轨道上这两个电子的库仑 相互作用能(相互排斥，能量提高)。 Hλ:自旋-轨道相互作用能。 Hv:晶场对原子中电子的作用。 Hs:与周边原子间的磁相互作用 (交换相互作用和磁偶极相互作用)。
四类具有巨磁电阻效应的多层膜结构
磁学是一门即古老又年轻的学科。 磁学基础研究与应用的需求相互促进，在
国防和国民经济中起着重要作用。 磁学与其它学科交叉：信息、电气、交通、
生物、药物、天文、地质、能源、选矿等。 MEMS的发展不可避免的会使用各种类型
的磁性材料，而且是小尺寸复合型的材料。
静磁现象
第一类遵从居里定律：
cC/T
C称为居里常数
第二类遵从居里外斯定律：
cC/(T-qp) qp称为顺磁居里温度
如铁磁性物质在居里温度以上的顺磁性。
磁偶极子
未加场前 热运动， 总体无序排列
含有离散的磁矩的物质
加场后 顺场取向
外加磁场
郎之万顺磁性理论
假定顺磁系统包含N个磁性原子，每个原子具有的磁矩 M(Wbm)，当温度在绝对0度以上时，每个原子都在进行 热振动，原子磁矩的方向也作同样振动。在绝对温度 T(K)，一个自由度具有的热能是kT/2。原子磁矩在外磁 场作用下，静磁能U=MH。
静磁能的定义。
5.2 原子的磁性

在外加磁场的作用下，铁磁材料的磁化强度会发生变化， 呈现出不同的磁化曲线和磁滞回线。
磁化强度与材料的微观结构、晶体取向、杂质和缺陷等 有关。
磁化强度的测量通常采用磁强计或霍尔效应测量仪等设 备进行。
磁化曲线和磁滞回线
磁化曲线是描述铁磁材料在 磁场中被磁化的过程中，磁 感应强度随磁场强度变化的
曲线。
铁磁学涉及到材料的磁化、磁滞、磁畴结构等基本概念，以及与材料内部结构和电 子状态相关的物理机制。
铁磁学的重要性
01
铁磁材料在现代工业和科技领域 中具有广泛的应用，如电机、发 电机、变压器、磁记录、磁悬浮 等。
02
铁磁学的发展对于推动相关领域 的技术进步和产业升级具有重要 意义，同时也为新材料和新能源 的开发提供了理论基础。
铁磁材料的磁性能对磁记录和磁头的性能有着重要影响。高剩磁比和矫顽力使得铁磁材料能够在磁场 中保持稳定的磁化状态，从而提高了数据的存储密度和可靠性。此外，铁磁材料的耐腐蚀性和温度稳 定性也是选择和应用时需要考虑的因素。
磁流体和磁性分离
磁流体和磁性分离是利用铁磁材料的 磁性来实现物质分离的物理方法。在 磁流体中，铁磁颗粒被用来传递磁场； 在磁性分离中，铁磁颗粒被用来吸附 目标物质。
详细描述
铁磁材料的电导率受到多种因素的影响，如 温度、磁场、金属杂质等。在一定温度下， 随着磁场强度的增加，铁磁材料的电导率通 常会降低。金属杂质对铁磁材料的电导率也 有显著影响，通常会引入额外的散射机制， 降低电导率。
介电常数和介电损耗
总结词
介电常数衡量了电场作用下材料的极化程度，而介电损耗则反映了材料在电场作 用下的能量耗散。
数来表示。
铁磁材料的热膨胀系数随温 度的升高而增大，这是因为 材料内部的原子或分子的振 动幅度增大，使得原子之间

➢ 铁磁质的自发磁化是由于电子间的静电相互作用产
生的。根据键合理论，当原子相互接近(jiējìn)时，电子云
要相互重叠，电子要相互交换位置。交换力的作用
迫使相邻原子的自旋磁矩产生有序的排列。
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铁磁材料的原子(yuánzǐ)组态和原子(yuánzǐ)磁矩
自然界中的铁磁性材料(cáiliào)都是金属，它们的铁磁性来源于原
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统一(tǒngyī)的表
达式
交换(jiāohuàn)作
用能
1
e2
E 2 E0 K A 2 A( S a Sb )
2
R
Eex 2 A Sa .Sb
对于基态，要求Eex<0（以满足
能量最低原则）
A
铁磁性
顺磁性
Co
Ni
1. 若A<0,则，Sa与Sb相反，自旋反平行
常温下呈现为顺磁性。
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共五十二页
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第二节 铁磁性
• 物理本质(běnzhì)
外斯假说(jiǎ shuō)
• 自发极化
• 反铁磁性
• 亚铁磁性
• 磁相互作用
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3. 反铁磁性
x
x
x
TC
铁磁性
T
TN
反铁磁性
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T
TS
T
亚铁磁性
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反铁磁性的基本特征
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反铁磁性与亚铁磁性的特点
• 反铁磁晶体可以看做是由两个亚点阵组成，每个亚点
阵的离子磁矩平行排列而相互间的磁矩方向(fāngxiàng)却
反平行。即MA + MB = 0，自发磁化强度为零。

1831—1879
居里定律
发明了磁秤（磁天平），实现了对弱磁性的测量。
根据大量的实验结果，总结出著名的居里定律。
抗磁体的磁化率不依赖磁场强度且一般不依赖于温度； 顺磁体的磁化率不依赖磁场强度且与温度成反比； 铁在某一温度（居里温度）以上失去磁性。
压电效应的发现； 放射性物质研究，发现了镭。
由此说明了地磁的成因和物质的磁性。
（1775-1836）
发现四 提出了分子电流假说。
揭示了物质磁性的本质。
电和磁本质上是统一的。
电磁感应现象
1831年，由法拉第发现。
俗称磁生电，直接导致了发电机的
发明，影响非常深远。
其它成果： 1834年，发现了电解定律，开创 了电化学学科。 发现了物质的抗磁性。 提出了电磁场这一概念。 法拉第，英国科学家
居里定律
居里-外斯定律
C T C T
3.相变及组织转变的影响
当材料发生同素异构转变时，晶格类型及原子间距
发生变化，会影响电子运动状态而导致磁化率的变 化。例如，正方晶格的白锡转变为金刚石结构的灰 锡时，磁化率明显变化。当材料发生其他相变时， 也会影响磁化率，影响的规律比较复杂。
Ht H H
磁场强度的单位是A/m (安/米)。 磁化强度 M ：材料被磁化后，单位体积的磁矩 1 M mi V 磁化强度的单位是A/m (安/米)。mi为原子固有磁矩。
H M
磁化率χ：表征物质本身的磁化特性，量纲为1，其值可正、 可负。
M H
磁导率μ：反映了磁感应强度与外磁场强度的关系，即当 外磁场增加时磁感应强度增加的速率。
顺磁磁化过程示意图
(a)无磁场 (b)弱磁场 (c)强磁场