第二章 磁性材料

Eex 2 A 1 2 cos
铁磁性物质的磁结构及 磁化率随温度的变化
1和2为电子1和2的自旋角动量；为两自旋间的夹角；A叫交换积分，它和相邻原子中的两 个电子交换位置所对应的能量有关，它以积分的形式表示。若A0，则=0时交换能最低，即 两自旋平行时最稳定；若A0，两自旋反平行时最稳定。铁磁性物质的A0，交换力使磁体中 所有的相临原子的磁矩同向平行排列，即自发磁化到饱和，这个过程叫自发磁化。在铁磁体 内存在着若干自发磁化的区域----磁畴。在每个磁畴内，自发磁化到饱和。各个磁畴的磁化方 向各不相同，因此大块铁磁性物质整体上不显示强磁性。 * 铁磁性物质包括：①Fe、Co、Ni等纯金属。某些稀土元素如Gd（钆gá ）等也是铁磁性物质； ②含Fe、Co、Ni的合金及化合物；③某些过渡元素组成的合金。
1
•
反铁磁性物质的磁结构 及磁化率随温度的变化
3.2、物质的磁性
⑸．亚铁磁性 * 介于铁磁性与反铁磁性之 间，这类物质也有两个次 晶格，其自发磁化的磁矩 方向相反，但大小不等， 则总的磁矩为两反平行排 列磁矩的向量和，不为零。 * 亚铁磁性也有很强的铁磁 性，可以是软磁性能，也 可以是永磁性能。 * 目前，大量使用的铁氧体 即属于亚铁磁性物质。
B B-H曲线0点处的斜率叫做起始磁导率。 i lim H 0 H 作法：先作出弱场中的μ -H曲线，然后将H外推到零而将它定出。但在
工业应用中，为了简便起见，常常规定在某一弱场下之磁导率为μ i。在 多数情况下，规定弱场的值为1mOe和5mOe，而将这种起始磁导率分别 记作μ 1和μ 5。若改用MKSA制，则上述磁场对应为0.8mA/cm(0.08A/m) 和4mA/cm(0.4A/m)，因此相应的起始磁导率可记作μ 0.8和μ 4。 * 沿一条磁化曲线上，磁导率之最大值称为最大磁导率，以μ m表示；它 可以从磁化曲线的原点作磁化曲线的切线来确定。 c、矫顽力Hc B-H饱和磁滞回线使B=0时所对应的反磁化场的大小。 反映了反磁化过程 的难易程度.
3、物质的磁性
3.1、原子磁性 物质的磁性来源于原子磁性，原子的磁性来源于电子的轨道运动和自旋运动产生的 磁矩。 ⑴．电子轨道磁矩 电子绕轨道运动，相当于一个环形电流。若电子的电荷为-e，绕轨道运行之周期为 T，则相应的电流
e i ，所形成的磁矩为iS，此处S为环形电流所包围的面积。原子 T
的本征特征。
铁磁性物质的M-H磁化曲线 及磁滞回线
2、磁化曲线、磁滞回线
2.2 B-H磁化曲线及磁滞回线 （实用、应用曲线） • 考虑到磁场H的影响，B-H 曲线更为实用。 • Bs----饱和磁感应强度； • Br----剩余磁感应强度； • Hc----矫顽力。 • 若磁化不到饱和，其回线叫 小回线，不反映材料本身的 特征。
第二章 磁性材料
第一节 铁磁学基础
铁磁学、电子理论和金属学是功能材料的 三大基础理论。 对磁性材料来说，铁磁学无疑是重要基础。 而铁磁学中的磁弹性效应、因瓦效应及超导现 象则是弹性合金、膨胀合金和超导合金的基础。
1、磁参量的定义及单位
1. 1、磁极和磁荷 磁体的两端磁性特别强，该部分叫做磁极，称为N（北）极 和S（南）极。实际上，并不存在磁荷，但可认为对应于电荷， 存在磁荷。磁荷的强度称为磁极强度。令P为磁极强度，+P代 表N极强度，-P代表S极强度，则两个磁极间的作用力为：
1、磁参量的定义及单位
1. 2、磁场 通电导线产生磁场，永磁体也产生磁场。磁极P在 磁场H中所受的力F可表示成： F=PH 因此，磁场强度的定义（CGS制） ：1emu磁极强度磁体 受力为1dyne(达因)时，磁极所在处的磁场强度为1Oe。 对于一个直径为D米的单匝环型线圈通过iA电流，中心 点磁场为： H=i/D （A/m） • 磁场强度的定义（MKSA制） ：直径为1米的单匝环型 线圈通过1A电流，中心点磁场为1A/m。 • 1A/m=410-3Oe。
强磁性材料的B-H磁化曲线及磁滞回线
2.2 B-H磁化曲线及磁滞回线（实用、应用曲线）
a、饱和磁感应强度Bs （MKSA） B S 0 H S 0 M S
（CGS）
B S H S 4M S
饱和磁感应强度Bs不可能成为直线。 b、起始磁导率 i ( 0 ) ，最大磁导率 m
1、磁参量的定义及单位
1.3、磁矩 * 一棒状磁体在均匀磁场中受力矩 作用：
l L ( F sin ) 2 P l H sin 2
P·称为磁矩。 l * 一个通电的线圈（面积S）的磁 矩和iS成正比。 * CGS制中，磁矩的单位为emu。 图 MSKA制中，单位为Wbm或Am2。 为了有所区分，前者Pl称为磁偶 极矩jm，后者称为磁矩Mm。
1、磁参量的定义及单位
1.6、磁化率、磁导率
M • 磁化率（指体积磁化率）: H B • 磁导率 H
• 无量纲。在CGS制中，B H 4M，故
1 4 。
• MSKA制中， B 0 H 0 M 0 H J
故
0 (1 )
2、磁化曲线、磁滞回线
3.1、原子磁性
（2）电子自旋磁矩 若把电子沿轨道绕核运动看作是公转的话，电子和地球一样也有自 转，叫做电子的自旋。电子自旋也产生磁矩。 一个电子自旋磁矩在外磁场方向的大小正好是一个玻尔磁子，但其 方向可能和外磁场的方向平行或反平行。总的自旋磁矩是各个自旋磁
矩的向量和。对于充满了电子的壳层，其总的自旋磁矩也为零。
磁棒在均匀磁场中受力矩示意图
1、磁参量的定义及单位
1.4、磁化强度和磁极化强度
• 磁化强度：单位体积磁体中磁矩的向量和。M
M
V
m
• CGS 制 中 ， 单 位 为 emu/cm3。MSKA 制 中 ， 单 位 为
Am2/m3=A/m
• 磁极化强度：单位体积磁体中磁偶极矩的向量和。
j J
3.2、物质的磁性
⑷．反铁磁性
• 物质的反铁磁性特征：表现在磁化率 和温度的关系上。在涅耳点(TN)有一 转折。在TN点以下为反铁磁性,χ 随 温度升高而升高。在TN以上，χ 随温 度升高而下降，表现如顺磁性行为， 服从居里-外斯定律。 以 和T作图为一直线。此直线和T轴 交在原点的左侧，即0，这和通常 的顺磁性物质(0)是不一样的。 原因：这类金属及合金和铁磁性物质类似，也存在着相邻原子的电子自旋之间的交 换能，也存在着自发磁化的过程。但反铁磁性物质中有A、B两个次晶格，由于它 们之间的交换积分A0，所以A、B两个次晶格相邻原子磁矩反平行排列，且大小相 等，自发磁化强度相互抵消，总磁矩为零。 Cr、Mn以及含有Cr、Mn的一些合金是反铁磁性的。
3、物质的磁性
3.2、物质的磁性
物质的磁性主要包括：抗磁性、顺磁性、铁 磁性、反铁磁性和亚铁磁性。下面重点描 述其特点。 ⑴．抗磁性 • 有一类物质，其磁化率小于零，并且和温 度无关。如果将它悬于有梯度之磁场中， 它将向磁场减弱的方向移动，此类物质称 为抗磁性物质。 • 电子壳层完全被填满的原子没有净磁矩， 由这些原子所组成之物质一般为抗磁性的， 如惰性气体He、Ne· Ar等。多数双原子气 体，如H2、N2等也是抗磁性的，因为当原 子形成分子时，将使电子外壳层填满，而 抗磁性物质的磁结构及磁化率 使一个分子无净磁矩。一些离子固体，如 随温度的变化 NaCl以及共价晶体如C、Si、Ge也都是抗 磁性的。金属多数是顺磁性的，但也有些 是抗磁性的，如Bi和Sb就有负值较大的抗 磁磁化率。
3.2、物质的磁性
⑵．顺磁性 * 按照顺磁性理论，认为顺磁性物 质中每个原子有一定的磁矩，但 这些磁矩的方向是紊乱的。其磁 化率 虽小，但大于零。此外， 其质量磁化率随温度的变化满足 居里—外斯定律。既： C T 其中，C—居里常数；--常数。 * 原子(离子)的电子壳层未填满时, 就有净磁矩，由这些原子（离子） 组成的物质是顺磁性的。多数金 属是顺磁性的，如稀土元素；含 过渡族元素的盐类。
F k
P P2 1 d2
其中：P1和P2——两磁极的磁极强度； d——两磁极的距离； k——比例系数。CGS单位制k=1，MKSA单位制， 0=410-7 H/m(亨利/米)。
k 1 4
0
P的单位：CGS单位制P无单位，用emu表示；MKSA单位制中 为Wb（韦伯），就是在真空中距离1米的相等的两磁极的相互 作用力为6.33104N时的磁极强度为1Wb。 1Wb=108/4 emu。
磁化曲线和磁滞回线反映了物质在磁化
和反磁化过程中的物理现象。根据磁性特
点，物质可分为：顺磁性、抗磁性、反铁 磁性、铁磁性、亚铁磁性等。在外加磁场 时，这些物质具有不同的磁化现象。
2、磁化曲线、磁滞回线
2.1 M-H和J-H磁化曲线及磁滞回线 M-H和J-H曲线为内禀曲线，反映材料的内禀特性。
抗磁（a）、顺磁或反铁磁（b）和铁磁性（c）材料的磁化曲线
抗磁、顺磁或反铁磁材料无磁滞现象，M、J绝对值低，随H增加，抗 磁性物质的M为负值。
2、磁化曲线、磁滞回线
2.1 M-H和J-H磁化曲线及磁滞回线
铁磁性物质在磁化和退磁时的曲线
不同，存在磁滞现象，M的绝对值
高，磁场足够大时成为一条水平线。
Ms----饱和磁化强度； Mr----剩余磁化强度；
MHc---Βιβλιοθήκη Baidu内禀矫顽力，是材料
中各电子轨道的磁矩的方向是空间量子化的，磁矩的最小单位为 B ，称为玻尔磁子， 它是一个常数，其数值为： （MKSA） B 9.27 10 24 A m 2 （CGS）
B 9.27 10 21 erg / Oe
电子循轨运动之磁矩大小和轨道角动量的大小有关，因此它是角量子数l的函数。 从量子力学计算，角量子数为l的轨道电子磁矩为：l l (l 1) B 式中l=0，1，2，……n-1。 若一原子中有很多电子，则由各个电子形成的轨道总磁矩是各个电子轨道磁矩的向 量和。因此在原子壳层完全充满电子的情况下，由于电子轨道在空间的对称分布，原 子的总磁矩为零。
顺磁性物质的磁结构及 磁化率随温度的变化
3.2、物质的磁性
⑶．铁磁性 • 铁磁性物质的特征： a）在不大的磁化场下，该物质有较高的磁化强度，并达 到饱和状态； b）磁化率随磁场为非线性变化； c）有磁滞现象； d）饱和磁化强度随温度升高而下降，并在一定温度Tc （居里温度）下，铁磁性消失，变成顺磁性。 * 为什么铁磁性物质有如此独特的性能呢？ • 认为在相邻原子的电子自旋之间存在交换能，
小 结
在CGS制
B H 4M M 在MKSA制 H 1 4
B 0 H 0 M 0 H J J 0 M M H B H

(CGS)：在真空中，B=H，μ =1。 单位：H—Oe，B—Gs，M—Gs，χ —Gs/Oe，μ —Gs/Oe。 （MKSA）：在真空中， 0 H , 0 4 10 7 亨利/米。 B 单位：H—A/m，B—Wb/m2，M—A/m，J--Wb/m2χ —无量纲，μ —H/m 在两制中的数值关系： H：1A/m=4π 10-3Oe B：1Wb/m2=104Gs M：1 A/m=10-3Gs χ ：MKSA制中之χ 值是CGS制中之χ 值的4倍。 其它的磁参量可参照相关的单位换算表。
V
m
0
M
V
m
0 M
• CGS制中，M=J。MSKA制中，单位为Wb/m2。
1、磁参量的定义及单位
1.5、磁感应强度
• 也称磁通密度，为磁体中单位面积通过的磁力线数， 以B表示。 • B、H、M之间的关系： • CGS制中， B H 4M • B和H及M的量纲是一致的。但习惯上采用不同的名字。 B—Gs，H—Oe，M—emu/cm3。 • MSKA制中， B 0 H 0 M 0 H J • B和H及M的量纲是不同的。B—Wb/m2 或T，H—A/m， M—A/m，J—Wb/m2。 • 1T=104Gs