材料物理性能-磁性能共80页

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。

原子的磁矩来源于电子的运动和原子核的自旋。
原子的磁矩
电子轨道磁矩 电子自旋磁矩 原子核自旋磁矩
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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
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3. 电子自旋磁 矩 电 子 自 旋 角 动 量 L s 和 自 旋 磁 矩 m s 取 决 于 自 旋 量 子 数 s ， s = 1 / 2 ，
Ls
s(s 1) 3 2
ms 2 s(s 1)B 3B
他们在外磁场z方向的分量取决于自旋磁量子数mss=1/2，即
Lsz
F=qH 其中H为外磁场的强度。
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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）。 磁偶极矩与真空磁导率0的比值称为磁矩，用m表示，即
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
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——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
B=H 其中称为材料的磁导率或绝对磁导率。

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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.

4. 亚铁磁体和反铁磁体
亚铁磁体有些像铁磁体，但χ值没有铁磁体那 样大，磁铁矿和铁氧体等属于亚铁磁体
反铁磁体的χ是小的正数，在温度低于某温度 时，它的磁化率同磁场的取向有关；高于这个 温度，其行为像顺磁体，如α-Mn、铬，氧化 镍和氧化锰。
7.2 原子和离子的固有磁矩
孤立原子本征磁矩
1. 电子轨道磁矩
任何物质在外磁场的作用下，由于物质内部的微观电流，还要产生一个附加的磁场。 亚铁磁体有些像铁磁体，但χ值没有铁磁体那样大，磁铁矿和铁氧体等属于亚铁磁体 说明电子轨道磁矩在磁场中的投影值是量子化的。
3.磁感应强度
在磁场中，单位速率的单位电荷所受的最大磁力定 义为磁感应强度，用B表示，单位为T
对于一般磁介质，无外加磁场时，其内部各磁矩的 取向不一，宏观无磁性。但在外磁场作用下，各磁 矩有规则地取向，使磁介质宏观显示磁性，这就叫 磁化。
任何物质在外磁场的作用下，由于物质内部的微观 电流，还要产生一个附加的磁场。外磁场和附加磁 场的和称为材料的磁感应强度。
在真空中，磁感应强度B与外磁场H成正比，即
B0 0H
04107Hm 1
M pm V
磁化强度表征磁介质本身的磁化程 度。在外磁场的作用下，在磁介质 内任取一个体积单元，要求这个体 积单元在微观上要足够大，即包含 足够数量的磁偶极子，但在宏观上 要足够小，即能表征该处的磁化强 度（M）。
磁性根源
电子绕原子核运动，产生电子轨道磁矩； 电子本身 自旋，产生电子自旋磁矩。
l
e 2mc
Pl
Pl mr2
nl：角量子数
h (2)
Pl nl
l
e 2mc
nl
当n=1，nl=1时，即1s电子轨道磁矩

6.3 磁性材料的自发磁发和技术磁发
3）磁畴：
（3）磁畴壁的能量：交换能 Eex ，磁晶各向异性Ek，二者是相互矛盾的。 另：由于原子磁矩的逐渐转向，各个方向上伸缩的难易程度不同产生磁弹 性能；
6.3 磁性材料的自发磁发和技术磁发
3）磁畴：
（4）磁畴的形成 a) 单晶：
交换能力----晶体自发磁发饱和，磁化方向沿晶体易磁化方向（Eex和Ek 为最小值）---产生磁极---退磁场---破坏已形成的自发极化---分畴
2）顺磁体：磁化率X为正值，约为10-3~10-6, 它们在磁场中受微弱的引 力。
可分为：
正常顺磁体： X∝ 1/T X与温度无关的顺磁体： Pt, 钯，奥氏体不锈钢，稀土金属 Li, Na, K, Rb
（1） 源自未填满的内电子壳层中那些未成对的电子具有的磁矩， 绝大多数的过渡金属和稀土金属具有顺磁性。 （2） 具有奇数个电子的原子或点阵缺陷。
式中：u为磁导率，是材料的本征参数，表示材料在单位磁场强度的外加磁场作用下，材 料内部的磁通量密度。在真空中
B0 0 H
μ0为真空磁导率，μ0=4п×10-7 （H/m)
6.1 磁性基本量及磁性分类
1.磁学基本量：
4）相对磁导率μr： 5）磁化率X： 6) 磁化强度M：
r
0
ur 1
主畴：长而大，且自发磁化方向是晶体的易磁方向
副畴：小而短的磁畴，副畴无上述固定关系 （2）磁畴壁：相邻磁畴的界限，有180度和90度， 实质上是具有一定厚度的过渡区，在其中过渡区中原子磁矩是逐步改变的。
特例：在整个过渡区中原子磁矩都平行于畴壁平面，
这种壁叫做Bloch壁。铁中这种壁厚大约为300个点阵常数。
具体机制：

ll3 2100 1 21 22 22 23 23 21 3
3 1 1 112 12 2323 3 1 3 1
磁化强度方向( 1,2,3 ) , 观测方向(1,2,3)
K1 , K2
易磁化方向 各向异性能 各向异性场HA
立方晶系各向异性
K1 0
K1
1 9
K2
<100>
0
2K 1 IS
0
K1
4 9
K2
<110>
1 42K1/Is
( 110 ):
K1
1 2
K2
/
I
s
4 K1 9K2,K1 0 K1 94K2,K1 0
<111>
1
1
3 K1 27 K2
烧伤病人的治疗通常是取烧伤病人的 健康皮 肤进行 自体移 植，但 对于大 面积烧 伤病人 来讲， 健康皮 肤很有 限，请 同学们 想一想 如何来 治疗该 病人
2、抗磁介质磁化机制
抗磁性起源于分子附加磁矩的感应磁化
抗磁质分子的固有磁矩为零。 但在外磁场作用下，每一分子沿 外磁场的反方向感应出附加磁矩， 使磁介质被磁化，在磁介质表面 产生磁化电流。由于附加磁矩的 方向始终与外磁场方向相反，所 以抗磁质表面的磁化电流方向与 顺磁质磁化电流方向相反，产生 的附加磁场方向与外磁场方向相 反，所以抗磁质内的总磁感强度 为：
➢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，就呈现铁磁性， 如图所示。 ➢当原子间距a与未被填满的电子 壳层直径D之比大于3时，交换能 为正值；小于3时，交换能为负值， 为反铁磁性。
交换能与铁磁性的关系
a/D ＞3时 交换能为正值；

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

磁畴壁示意图
居里温度：对于所有的磁性材料来说，并不是在任何温
度下都具有磁性。一般地，磁性材料具有一个临界温度 Tc，在这个温度以上，由于高温下原子的剧烈热运动， 原子磁矩的排列是混乱无序的。在此温度以下，原子磁 矩排列整齐，产生自发磁化，物体变成铁磁性的。
应用举例：〔电饭煲的控制〕
磁学根本概念：
材料的磁性能与磁性功能 材料幻灯片PPT
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磁学初步认识：
• 磁学现象的两个根本命题：
3、铁磁体，χ为很大的正数，在较弱磁场作用下可 以产生很大的磁化强度，如铁、钴、镍。
4、亚铁磁体，χ处于铁磁体与顺磁体之间，即通常 所说的磁铁矿、铁氧体等。
5、反铁磁体， χ为小正数，高于某一温度时其行为 与顺磁体相似，低于某一温度磁化率与磁场的取向有 关。
铁磁性材料 M
亚铁磁性材料
顺铁性材料 反铁磁性材料 H
• 1 磁及磁现象的根源是电流，或者说是电 荷 的运动。
• 2 所有的物质都是磁性体
电流(或运动电荷)
磁场 电流(或运动电荷)
安培分子电流学说： 组成磁铁的每个分子都具有一个小的分 子电流，经过磁化的磁铁其小分子电流 都定向规那么排列。
现代科学认为物质的磁性来源于组成物质中 原子的磁性： 1 原子中外层电子的轨道磁矩 2 电子的自旋磁矩 3 原子核的核磁矩
抗铁磁性材料
五种磁体的磁化曲线示意图
磁饱和性
磁性物质因磁化产生的磁场是不会无限制增加的，当 外磁场(或鼓励磁场的电流)增大到一定程度时，全部 磁畴都会转向与外场方向一致。这时的磁感应强度将 到达饱和值。

原子中电子的轨道磁矩和电子的自旋磁矩构 成了原子固有磁矩，也称为本征磁矩
3.2.3 铁磁性材料的特性
铁磁性材料铁、钴、镍及其合金，稀土族元素镝以 及亚铁磁性材料铁氧体等都很容易磁化，在不很强的磁 场作用下，就可得到很大的磁化强度。 磁学特性与顺磁性、抗磁性物质不同，主要特点 表现在磁化曲线和磁滞回线上。
2.2 材料的磁学性能
我们经常观察到磁铁吸引铁片，同极相斥、异极相吸， 接触过磁铁的大头针用细线吊起会自动南北指向，磁铁上 的铁屑会形成毛刺并构成连线等等。 磁性是物质的基本属性之一。 外磁场发生改变时，系统的能量也随之改变，这时就表 现出系统的宏观磁性。
磁性不只是一个宏观的物理量，而且与物质的微观结构 密切相关。它不仅取决于物质的原子结构，还取决于原子 间的相互作用——键合情况、晶体结构。因此，研究磁性 是研究物质内部结构的重要方法之一。
铁磁体的形状各向异性
磁致伸缩 铁磁体在磁场中磁化，其形状和尺寸都会发生变化。 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，
称为线磁致伸缩系数。
l l0 l0
计算多晶体与磁化方向成 角的磁 致伸缩系数公式，
3.2.4 磁畴
磁性材料中磁化方向一致的小区域
磁畴的形状、尺寸、畴壁的类型与厚度总称为磁畴结构。 同一磁性材料，如果 磁畴结构不同，则其 磁化行为也不同
在磁化过程中磁畴变化
3.2.5 磁性材料
按磁滞特性可分为 软磁材料：矫顽力很低的磁性材料，亦即当材料在磁场中易 磁化，移出磁场后，获得的磁性便会全部或大部丧失 用于制造电感元件如变压器、电磁铁、磁头等以及电子开关
χ＝ M / H
H:外磁场强度

磁感应强度B 表示在外磁场H作用下材料内部的磁通量密度 磁导率μ

IV, Ferromagnetic materials
The most important class of magnetic materials is the ferromagnets: iron, nickel, cobalt and manganese, or their compounds (and a few more exotic ones as well). The magnetization curve looks very different to that of a diamagnetic or paramagnetic material.
4π.10-7 which corresponds to the fundamental
physical constant μ0.
P
magnetic flux density :
M
m
V
(A/m, Gs)
B = μ0 (H + M ). M = χ mH B = μH= μ0 (1+χm)H ,
μ r= μ/ μ0
Magnetic Memory materials: -Fe2O3 , CrO2, Fe-Co et
al
Read/write heads
Mechanism:
Main applications Diskette
Tape
Magnetic drum
2 Optical Memory Optical storage materials: PC、PMMA、Epoxy et al. Mechanism:
write read
ROM
Mask ROM
EPROM
PROM EEPROM (Flash)

• 在SI单位制中，将B与H的比值定义为绝对磁导率：
=B / H
二、磁化状态下的静磁能
1、磁体中的磁场作用能量
处于磁场中的磁体，由于 本身的磁偶极矩和磁场间 的相互作用，所受力矩为： T = PmH mlHsin 式中为磁场强度与m到 +m连线方向之间的角度。
时磁体受到的力矩最小，处于稳定状态。从不等于零到 等于零，表明磁体在力矩作用下转到和磁场一致的方向。显 然这是要做功的。
两端磁极的距离为 l，矢量 l 从 -m 指向 +m 。
• 磁偶极子具有的磁矩为
pm= ml
• 磁偶极矩的单位是 Wb · m
图2 磁偶极子
磁矩
• 为表征磁偶极子磁性的强弱与方向，将与磁偶极子 等效的平面回路的电流和回路面积的乘积定义为磁 矩，即
m= iA • m的方向为垂直于回路的平面并与电流旋转方向组
• 当铁磁物质的温度比临界温度Tc高时，铁磁 性将转变成顺磁性，并服从居里外斯定律，
即f =C/(T-Tp), Tp是铁磁物质的顺磁居里温度。
温度高于Tc铁磁性物质的f 、（1/f )-T曲线
Ed
M 0
0 Hd dM
M 00
NMdM
1
2
0
N
M
2
• 上式的适用条件是磁体内部均匀一致，磁化是均匀的，这就
说明，均匀磁化的磁体的退磁场能量只与退磁因子N有关，即
与磁体的几何形状有关。不同形状的磁体，沿其不同方向磁
化时，则相应的退磁场能量是不同的。这种因磁体形状不同
而引起其能量各向异性的性质称为形状各向异性。退磁场能
磁感应强度的定义
在许多场合，确定磁场效应的量是B，而不是磁场强 度H。在SI单位制中，磁感应强度的定义：

➢ 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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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