第五章-1 磁性材料(基础知识)(1)

磁场强度H：通过电流产生磁场来定义的磁场的强度，单位A/m；
i=1A d=1m
×
H=1A/m
1 A/m的磁场强度就是直径为1m的单匝线圈通以1A电流时，在其中心处产生 的磁场强度。
M H
2）磁感应强度 B
物质在外加磁场H的作用下，发生磁化，磁感应强度B是外磁场强度H与
磁化强度M的总和：
M 感应磁矩μ
m
H
O
H
感应电子轨道电流
抗磁性物质M与H的关系
χ-1
抗磁性物质的磁化率

不随温度而改变。
O
T
抗磁性物质的原子中电子磁矩互相抵消，合磁矩为零，即没有固有磁矩；
但是当受到外加磁场作用时，电子轨道运动会发生变化，而且在与外加
磁场的相反方向产生很小的感应磁矩。
常见的抗磁性物质：
① 惰性气体； ② 任何原子若电离至与惰性气体具有相同的电子排布，则都将是抗磁性； ③ 不含过渡元素的共价化合物（如CO2），大部分有机化合物； ④ 部分金属，如Bi、Zn、Cu、Ag、Au、Hg、Pb等； ⑤ 部分非金属，如Si、S、P等； ⑥ 超导材料是
原子中存在未被填满的电子壳层是物质具有磁性的必要条件。
过渡金属原子的电子组态和玻尔磁子数
铁氧体中几种金属离子的3d层电子数及自旋磁矩
P251
物质的磁性
轨道 运动 电子 自旋 运动
轨道 磁矩 自旋 磁矩 未配对对电子 原子磁矩
+
（超）交换相互作用
磁性
2. 磁化强度和磁化率
2.1 磁化强度和磁化率的定义
。 ，
T > TN：磁矩的有序排列被完全破环，成为混乱排列并转化为顺磁性， T ，χ
χ在奈尔温度处出现极大值。
常见的反铁磁性物质：
① Cr、Mn 、 Nd 、 Sm 、 Eu 等过渡元素或某些稀土元素； ② 过渡族元素的盐类及化合物，如MnO 、 CrO 、 CoO等。
3.5 亚铁磁性物质
μmL -
q qh PL， μ B 2m 4m
电子轨道角动量在空间的取向也是量子化的，其在磁场方向的分量只能是：
h PLH m l 2
ml 0 1 2 l
电子的轨道磁矩在磁场方向的分量只能为：
m LH -
q q h P LH ml -m l B 2m 2m 2
由反铁磁性转变为顺磁性，TN称为奈尔温度： 当T > TN时，反铁磁性物质处于顺磁状态，χ与T之间同样服从居里-外斯定律：

C C ，反铁磁性物质的Tc通常小于零，于是 。 T Tc T Tc
χ-1
O
T TN 反铁磁性物质χ与温度的关系
T < TN：随着T ，磁矩的反平行有序排列受到越来越大的破坏，因而χ
B （ 0 H M)
磁感应强度也称为磁通量密度，单位是特斯（T）或韦伯/米2（Wb/m2）。
磁感应强度与磁场强度的关系：
真空中： 介质中：
B 0 H
0
为真空磁导率， 0
4 10-7 H / m
B H （ 0 1 ) H 0 r H B r 1 为介质相对磁导率。 0 H
20
Er
20
Tm
32
3.4 反铁磁性物质
反铁磁性物质的原子（分子）具有固有磁矩，并且相互之间存在交换相互作用，
在一定温度下，固有磁矩反平行排列，并且磁矩大小相等，结果总的磁矩为零，
因此反铁磁性物质属于弱磁性材料，
0 ，一般为10-5 ~ 10-3。
反铁磁性物质中反平行排列的磁矩
当温度达到某个临界值TN以上时，无规热运动使固有磁矩的反平行排列被破环，
热运动使固有磁矩混乱取向，物体在宏观上对外不显示磁性；
当H≠0时：原子或分子的固有磁矩微弱的转向外磁场的方向，对外显示出弱磁性。
无外磁场
弱外磁场
强外磁场
M
1 χ
居里-外斯定律
居里定律 O H 斜率1/C Tp 顺磁性物质M与H的关系 T(℃)
顺磁性物质χ-1与T 的关系
顺磁性物质的磁化率随温度变化，并满足居里定律：
磁性材料按其导电性差异，可分为金属和铁氧体磁性材料两大类；
按其磁性能差异，又可分为软磁、永磁、旋磁、压磁以及磁光材料等类别。
主要内容 5-1 磁性物理基础知识
5-2 软磁材料
5-3 永磁材料
5-1 磁性物理基础知识
5-1-1 物质的磁性
5-1-2 磁性材料中的能量与磁畴
5-1-3 磁性材料的磁化和磁滞回线
磁化强度
物体置于外磁场H中时，将被磁化，用磁化强度表征物体被磁化的程度， 磁化强度等于单位体积中磁矩的矢量和，单位A/m：
m M V
磁化率
磁化强度与外磁场强度H满足关系式：
M H

（
M ） H
称为磁化率，是表征物质磁性的重要参数之一。
2.2 磁场强度 H 与磁感应强度 B 1）磁场强度 H
h 为普朗克常数。
在量子化的情况下，电子的轨道磁矩：
m L
qh - l (l 1) - l (l 1) B 4m
其中 B
qh 9.27 10 -24 A m 2 4m
电子轨道运动产生的磁矩只能以 B 为基本单位来改变其数值， B 是理论上最小的 磁矩，称为玻尔磁矩。
1.3 原子磁矩
原子磁矩等于原子中全部电子自旋磁矩的矢量和： 电子满壳层排布：电子对的自旋磁矩也相互抵消，因此没有净磁矩，相应的
原子没有磁性；
存在未配对电子：原子具有固有磁矩，因而有磁性。
具有未配对的电子的原子主要有两类：
过渡金属原子：3d轨道没有排满
稀土元素原子：4f轨道没有排满

q 2
面积：
A r 2
mL
1 q r 2 2
磁矩方向和角动量方向相反：
μ mL
q PL 2m
根据量子力学理论，电子的轨道是分立的，因此电子的
μ mL -
q PL 2m
轨道角动量量子化：
PL l (l 1)
h 2
(l 0 1 2 n 1)
铁磁性物质在一定温度以下，在很小的外磁场作用下就能被磁化到饱和，
0 ，
且数值很大，一般约为101 ~ 106，属于强磁性物质。
铁磁性物质具有固有磁矩，并且由于交换相互作用，使得原子磁矩自发平行
排列，称为自发磁化； 自发磁化是铁磁性物质的基本特征，也是铁磁性物质和顺磁性物质的区别所在。
稀土 元素
过渡 金属
以Fe为例，说明原子磁性的来源：
Fe原子有26个电子，在核外的排布方式为：1S2、2S2、2P6、3S2 、 3P6 、 3d6 、 4S2 3d亚壳层共有5个不同方向的轨道：
Fe原子的固有磁矩应该为4μB。 与此相类似，Co、Ni等原子3d壳层也没有被填满，具有固有磁矩； Zn原子中的电子满壳层排布，没有固有磁矩，不具有磁性。
第五章
磁 性 材 料
引言
磁性材料是古老而用途十分广泛的功能材料；是电子功能材料中极其重要的一类，
已成为现代工业和科学技术的支撑性材料之一。
磁性材料广泛应用于通信、自动化、电机、仪器仪表、广播电视、计算机、家用
电器以及医疗卫生等领域，如各类变压器、电感器、滤波器、磁头和磁盘、各类 磁体、换能器以及微波器件等。
前一种运动产生“轨道磁矩”，后一种运动产生“自旋磁矩”。
1）电子轨道磁矩
设质量为m的电子，绕原子核以匀速ν 作半径为r 的
PL
圆周运动，电子的轨道角动量PL为：
P mr L mr
2
+
r
μmL
m， ν
为电子圆周轨道运动的角速度。
电子作圆周运动相当于环形电流，会产生磁矩：
电流： I
C T
C为居里常数，T为热力学温度。
只有少数顺磁性物质满足服从居里定律，大多数顺磁材料遵守居里-外斯定律：
C T Tp
Tp为顺磁居里温度（顺磁居里点）。
常见的顺磁性物质：
① 某些过渡元素的金属、合金或者化合物，如MnAl、FeCl3、MnSO4等；
② 某些轻稀土元素；
③ 除Be以外的碱金属和碱土金属； ④ 顺磁盐类，如CuSO4、CrCl2等。 3.3 铁磁性物质
物质的磁性与物质结构中各种形式的电荷运动分不开，原子（离子）磁矩应该
是构成原子（离子）的所有基本带电粒子磁矩的叠加。但是实际上原子核磁矩 要比电子磁矩小三个数量级，在一般情况下可以忽略不计。因此，原子（离子） 磁矩主要来源于原子核外电子的磁矩。
电子在一定的轨道上绕原子核作轨道运动，同时还绕自身的轴线作自旋运动，
亚铁磁性物质的原子（分子）的固有磁矩由于交换相互作用而反平行排列，但
大小不同，因而具有一定的自发磁化，其宏观磁性与铁磁性相同； 亚铁磁性物质属于强磁性材料，
0 ，一般为100 ~ 104。
亚铁磁性物质中磁矩的有序排列
亚铁磁性物质与铁磁性物质相似，具有自发磁化和磁畴结构，存在磁滞现象。 常见的亚铁磁性物质：
5-1-4 磁性材料在交变磁场下磁特性
5-1-1 物质的磁性
1. 磁性来源
1.1 磁矩 ① 磁铁的磁矩 +p l -p ② 环形电流的磁矩 μ A
m
磁铁的磁矩方向是从磁铁的南极指向北极； 磁矩的大小：μ m=pl
环形电流的磁矩方向由右手螺旋定则决定； I
磁矩的大小：μm=I A
●
1.2 电子磁矩
① 铁氧体是典型的亚铁磁性材料； ② 某些金属间化合物，如稀土钴金属间化合物；
③ 过渡元素与非金属或半金属的化合物，如Cr、Fe、Co等与O、S、Te等的化合物。