第九章材料的磁学性能

1. 第九章材料的磁学性能 第一节基本磁学性能 第二节抗磁性与顺磁性 第三节铁磁性与反铁磁性

2. 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（magnetic flux 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/m2）

4. (3)磁矩 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

5. Orbital • Spin 原子磁矩有3个来源 ①电子轨道磁矩； 物质具有磁性的根源。 ②电子自旋磁矩； 值很小 ③原子核磁矩。

6. (4)磁化强度 磁化：外磁场作用下，各磁矩有规则的取向，使磁介 质宏观显示磁性，这就叫磁化。 磁化的物理意义是单位体积的磁矩。

7. 其中M为磁化强度（intensity of magnetization）,它表征 物质被磁化的程度。 M可正、可负，由磁体内磁矩矢量和的方向决定，因而 磁化了的磁介质内部的磁感强度B可能大于，也可能小 于磁介质不存在时真空中的磁感应强度B0。

8. (5)磁性的本质 磁现象和电现象在着本质的联系。物质的磁性和原子、 电子结构有着密切的关系。 电子的磁矩：电子的轨道磁矩和自旋磁矩组成 电子的自旋磁矩＞＞轨道磁矩 孤立原子 不具磁性 ：原子各层都充满电子，其电子磁矩相互抵消 具有“永久磁矩”：有未被填满的电子壳层其电子的自旋磁矩未被抵消(方向相反的电子自旋磁矩可以互相抵消)。

9. 例如，铁原于的原子序数为26，共有26个电子，电子例如，铁原于的原子序数为26，共有26个电子，电子 层分布为：1s22s22p63s23p63d64s2。可以看出，除 3d子层外各层均被电子填满，自旋磁矩被抵消。 根据洪特法则，电子在3d层中应尽可能填充到不同 的轨道，并且它们的自旋尽量在同一个方向上(平行 自旋)。因此5个轨道中除了有一条轨道必须填入2个 电子(自旋反平行)外，其余4个轨道均只有一个电子， 且这些电子的自旋方向平行，由此总的电子自旋磁 矩为4 μB。

10. 第二节 抗磁性与顺磁性 根据物质的磁化率，可以把物质的磁性分为五类。

11. 依据原子的磁矩结构，铁磁性分为两类： (1)本征铁磁性材料：在某一宏观尺寸大小的范围内，原 子磁矩的方向趋于一致，此范围称为磁畴（一般为1—2 微米，每个磁畴可以看作是具有一定自发磁化强度的小 永磁体），这种铁磁性称为完全铁磁性。 Fe,Co,Ni,Gd,Tb,Dy,等元素及其合金、金属间化合物, FeSi, NiFe, CoFe, SmCo, NdFeB,CoCr等

12. x＞0，μr ＞1 室温下磁化率可达103。 较弱磁场 较高的磁化强度； 外磁场移去保留较强磁性； 强磁性来源——很强的内部交换场 基本特征-------自发磁化 居里点温度Tc以上，自发磁化强度变为0，铁磁性消失, 材料表现为强顺磁性。

13. (2)亚铁磁性 大小不同的原子磁矩反平行排列，二者不能完全抵消， 相对于外磁场表现出一定的磁化作用，称此种铁磁性为 亚铁磁性（铁氧体）。 各种铁氧体系材料（Fe,Co,Ni氧化物）Fe,Co等与重稀 土类金属形成金属间化合物

14. (3)反铁磁性：反铁磁性，由于交换作用，相邻晶胞中的(3)反铁磁性：反铁磁性，由于交换作用，相邻晶胞中的 单电子自旋反向排列，引起相邻磁矩反向排列，在铁电 性材料中有反铁电性。

15. (4)抗磁性 磁化强度 M＜0 Bi，Cu，Ag，Au 磁矩m =0 x＜0， χ≈-10-6，μr＜1， B ＜ B0 抗磁性来源——原子轨道中电子轨道的变化 外磁场中，感生一个磁矩，与外磁场方向相反，表现为 抗磁性。 抗磁性物质的抗磁性一般很微弱，陶瓷材料的大多属于 是抗磁性的

16. （5）顺磁性 磁化强度 M ＞0 ，过渡元素、稀土元素、钢系元素 原子内部存在永久磁矩m 无外磁场，宏观无磁性； 有外磁场，显示极弱磁性。 磁化率很小室温下约为10-5 x＝C/T。C：居里常数。 x＞0，μr ＞ 1 M与外磁场H成正比 抗磁性和顺磁性，其磁化率的绝对值都很小，因而都 属弱磁性

17. M H 一、材料抗磁性与顺磁性的物理本质 1.抗磁性 抗磁性：材料被磁化后，磁化矢量与外加磁场方向相反 地称为抗磁性。 Cu,Ag,Au C,Si,Ge N,P,As,Sb,Bi S,Te,Se F,Ci,Br,I He,Ne,Ar,Kr,Xe,Rn 原因:主要是原子中电子轨道状态 的变化。

18. 电子循轨运动所产生的轨道磁矩大小为:

19. 2.顺磁性： 无外磁场作用时，材料中的原子磁矩无序排列，材料不 表现宏观磁性，受到外磁场作用时，原子磁矩能通过旋 转而沿外场方向择优取向，表现出宏观磁性，这种磁性 叫顺磁性。

20. 二、影响材料抗磁性与顺磁性的因素 （1）惰性气体：磁矩为零，只能产生 抗磁矩。 （2）绝大多数非金属都是抗磁性物质，只有氧 和石墨是顺磁性物质。 1原子结构的影响 （3）对于金属，自由电子运动产生抗磁矩，离 子和自由电子产生顺磁矩，其中自由电子所产 生的顺磁性是比较小的，故只有当内层电子未 被填满，自旋磁矩未被抵消时，才可能产生较 强的顺磁性。 金属Cu，Ag，Cu，Cd，Hg等是抗磁性； 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 3价金属也是顺磁性的 Ti, V, Cr, Mn等过渡族元素，强烈的顺磁性

21. （1）温度对抗磁性一般没什么影响 2 温 度 的 影 响 （2）温度对顺磁性影响很大，可以认为，顺磁物质的磁化是磁场克服原子和分子热运动的干扰，使原子磁矩排向磁场方向的结果 居里定律： 只有部分顺磁物质能准确的符合这个定律，而相当多的 固溶体顺磁物质，特别是过渡族金属元素，居里定律不 适用了。

22. 过渡族金属元素原子磁化率和温度的关系要用居里-外斯过渡族金属元素原子磁化率和温度的关系要用居里-外斯 定律表达，即 3.相变及组织转变的影响 （1）当材料发生同素异构转变时，由于晶格类型及原子 间距发生了变化，会影响电子运动状态而导致磁化率的变化。 （2）加工硬化使金属的原子间距增大而密度减小，从而 使材料的抗磁性减弱。

23. 4.合金成分与组织的影响 (1)当低磁化率的金属，如Cu、Ag、Mg、Al等形成固溶 体时，其磁化率与成分呈平滑的曲线关系，这说明形成 固溶体时原子之间的结合键发生了变化。 （2）如果在抗磁性金属Cu、Ag、Au中溶入过渡族的 强顺磁性的元素，如Pd，则将会使其磁性发生复杂变化。 （3）如果在抗磁性金属中加入Fe,Co,Ni等铁磁性金属， 则可使合金的x剧增，甚至在低浓度时就能成为顺磁性的

24. 不是常数， 随 而变 有剩磁现象 有居里温度（ ） ，铁磁质→顺磁质 ， : 第三节 铁磁性与反铁磁性 所谓磁化过程(又称感磁或充磁）不过是把物质本身的磁性显示出来，而不是由外界向物质提供磁化的过程。

25. 铁磁性物质的磁化特性与抗磁和顺磁物质的区别体现在：铁磁性物质的磁化特性与抗磁和顺磁物质的区别体现在： （1）磁化曲线为非线性 （2）存在磁饱和与磁滞现象 （3）磁化是不可逆的，交变磁化时形成磁滞回线 （4）磁化率及磁化强度远高于抗磁和顺磁性

26. 3d壳层的电子结构

27. 一自发磁化 1.定义：在没有外磁场的情况下，材料所发生的磁化称 为自发磁化。 2.自发磁化的根源：原子（正离子磁矩）， 而且在原子 磁矩中起主要作用的是电子自旋磁矩. 3.交换作用：铁磁性除与电子结构有关外，还决定于晶 体结构。实践证明，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。

28. 4.交换能：根据键合理论可知，原子相互接近形成分子4.交换能：根据键合理论可知，原子相互接近形成分子 时，电子云互相重叠，电子要相互交 换。对于过渡族 金属原子的3d状态与4s态能量相差不大，因此它们的 电子云也将重叠，引起了3d层与4s层的电子可以相互 交换位置，这种交换产生一种交换能，此交换能有可 能迫使相邻原子自旋磁矩产生有序排列(或同向排列起来）。 A:交换能积分常数；S1,S2分别是两个电子的自旋动量 矩矢量；φ是两个自旋动量矩夹角；S是S1,S2的模，因 S1,S2是同类电子，所以它们的模相等。

29. 5.交换能与铁磁性的关系：由这种“交换”作用所产生的5.交换能与铁磁性的关系：由这种“交换”作用所产生的 “交 换能”积分常数与晶格的原子间距有密切关系。当距离很 大时，积分常数接近于零。随着距离的减小，相互作用有所 增加，积分常数为正值，就呈现出铁磁性。当原子间距a与 未被填满的电子壳层半径r之比大于3时，交换能为正值， 交换能积分常数为负值，为反铁磁性。 交换能积分常数 a/r 交换能与铁磁性的关系

30. 6.产生铁磁性的条件 （1）原子内部要有未填满的电子壳层（原子本征磁矩 不为0） （2）a/r之比大于3使A为正，即指的是要有一定的晶体 结构。

31. 7.铁磁性材料的居里温度 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，物体变成铁磁性或亚铁磁性. 居里温度 是铁磁体或亚铁磁体的相变转变点 Tc 顺磁态 铁磁态或亚铁磁态

32. 三、磁各向异性与磁致伸缩 1.磁各向异性 当铁磁物质磁化时，沿不同方向所产生的磁化强度不同， 即沿不同方向磁化所消耗的磁化功不同，这说明磁化矢量 （M）在不同晶向上有不同的能量， M沿易磁化方向时 能量最低，沿难磁化方向时能量最高。磁化强度沿不同 晶轴方向的不同称为磁性的各向异性性能。

33. 磁各向异性的原因：在晶体的原子中，一方面受空间磁各向异性的原因：在晶体的原子中，一方面受空间 周期变化的不均匀静电场作用，另一方面邻近原子间 电子轨道有交换作用。 通过电子的轨道交叠，晶体的磁化强度受到空间点阵的 影响，由于自旋-轨道相互作用，电荷分布为旋转椭球 形而不是球形，非对称与自旋方向密切相关，所以自旋 方向相对于晶轴的转动将使交换能改变，同时也使原子 电荷分布的静电相互作用能改变，这两种效应都会导致 磁各向异性。

34. 2.磁致伸缩效应 铁磁物质磁化时，沿磁化方向发生长度的伸长或缩短的 现象称为磁致伸缩效应。 λ为磁致伸缩系数

35. 磁致伸缩的原因：磁致伸缩是原子磁距有序排列时电子磁致伸缩的原因：磁致伸缩是原子磁距有序排列时电子 间的相互作用导致原子间距调整而引起的。晶体点阵结 构不同，磁化时原子间距的变化情况也不同，因此呈现 不同的磁致伸缩能。从铁磁体的磁畴结构变化来看，材 料的磁致伸缩效应是其内部各个磁畴形变的外观表现。

36. 四、磁畴 1.磁畴定义:是指磁性材料内部的一个个小区域，每个区 域内包含大量原子，这些原子的磁矩都象一个个小磁铁 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。 宏观物体一般总是具有很多磁畴，这样，磁畴的磁矩方 向各不相同，结果相互抵消，矢量和为零，整个物体的 磁矩为零，它也就不能吸引其它磁性材料。

37. 磁性材料在正常情况下并不对外显示磁性。只有当磁性磁性材料在正常情况下并不对外显示磁性。只有当磁性 材料被磁化以后，它才能对外显示出磁性。

38. → N S N ↓ ↑ ↓ ↑ ↑ S S N ← ↑ ↓ ↑ ↓ 38 退磁能：由于铁磁体产生的外磁场与内磁场的方向相反，从而使铁磁体的磁性减弱，造成磁化能增加 当磁畴变小使磁致 伸缩能减小的数量 和畴壁形成所需要 的能量相等时，即 达到了能量最小的 稳定闭合状态。

39. 任何铁磁体和亚铁磁体，在温度低于居里温度Tc时，都是由磁畴组成的。 磁畴是自发磁化到饱和（即其中的磁 矩均朝一个方向排列）的小区域。 相邻磁畴之间的界线叫磁畴壁 磁畴壁是一个有一定厚度的 过渡层，在过渡层中磁矩方 向逐渐改变。

40. 磁畴的线尺寸：通常约为0.1～0.01cm 多晶体 可能其中的每一个晶粒都是由一个以上的磁畴组成的； 因此一块宏观的样品包含许许多多个磁畴； 每一个磁畴都有特定的磁化方向； 整块样品的磁化强度则是所有磁畴磁化强度的向量和。 在一块不经外磁场磁化的样品中、磁畴的取向是无序的，故磁畴的向量之和为零，因此，整块磁体对外不显示磁性。

41. 五、磁化曲线与磁滞回线 1. 磁化曲线的三种形式

42. 2、磁化曲线与磁畴的关系 42

43. 3、磁滞回线 磁滞：磁感应强度的变化总是落后于磁场强度的变化，这种现象称为磁滞效应。 43

44. (1)饱和磁感应强度Bs:(saturation magnetic flux density): 是指在指定温度（250C或1000C下，用足够大的磁场强 度磁化物质时，磁化曲线达到接近水平时，不再随外磁 场增大而明显增大。 (2)剩余磁感应强度Br（remanence):铁磁物质磁化到 饱和后，又将磁场强度下降到零时，铁磁物质中残留 的磁感应强度，即为Br，成为剩余磁感应强度，简称剩磁。 (3)矫顽力Hc（coercivity）：铁磁物质磁化到饱和后，由 于磁滞现象，要使磁介质中B为零，必须有一定的反向磁 场强度H，磁场强度称为矫顽力

46. 4、磁滞回线与磁畴的关系

47. 5.磁滞损耗 当铁磁材料处于交变磁场中时，它将沿磁滞回线反复被 磁化→去磁→反向磁化→反向去磁，在此过程中 要消 耗额外的能量，并以热的形式从铁磁材料中释放，这种 损耗称为磁滞损耗。 磁滞损耗与磁滞回线所围面积成正比。

48. 6.软磁材料和硬磁材料 具有小Hc值，高μ值得瘦长磁滞回线的材料属于软磁 材料。 硬磁材料指材料被外磁场磁化后，保持较强剩磁的磁 性材料。 高饱和磁化强度和高剩余磁感应强度，高矫顽力，具 有较大的磁能积。

49. χ T Tn 六反铁磁性 A<0，使相邻原子间的自旋趋于反向平行排列，原子磁 矩互相抵消，不能形成自发磁化区域。 Tn：奈尔温度，表征了 相邻原子自旋反向排列 被完全破坏的温度。

50. Br Br μm Hc Hc μm ε 七影响铁磁性参数的因素 1.温度 温度升高，饱和磁感应强度，剩余磁感应强度，矫顽力 减小 2.形变和晶粒度 晶粒越细，磁导率越 低，矫顽力越高