第6章 材料的磁性能
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dB dH
ua
lim
H 0
磁滞回线
退磁：随H减小，
M(B)减小.
退磁过程中MFra Baidu bibliotek变化
落后于H的变化，该 现象称为磁滞现象。 Mr…剩余磁化强度 Br…剩余磁 感应强度
Ms…饱和磁化强度
Bs…饱和磁感应强度 Hc…矫顽力（磁场）
电滞回线与磁滞回线的对比
6.2.1磁致伸缩与磁弹性能
1）铁磁体在磁场中磁化，其形状和尺寸都
和铁基两类；
铷铁硼系金属间化合物。
6.4.5 矩磁材料
1）磁滞回线近似于矩形的材料
2）用B-1/2Hm/Bm作为磁矩材料的参数 3）磁矩材料的主要要求：①高剩磁比Br/Bm, 有时要求高B-1/2Hm/Bm，②矫顽力HC小，③ 开关常数（Ha-H0）ts=SW小，④损耗小，⑤ 对温度、振动和时间稳定度好。
4）提高硬磁性能的方法
磁畴转向和畴壁移动是磁化过程机理。晶
粒小至单畴，则阻止畴壁移动而只有磁畴
转动，提高矫顽力；
烧结前磁致晶粒取向使外磁场一致。可提
高剩磁，提高最大磁积能。如铷铁硼类金
属间化合物材料.
5）重要硬磁材料
硬磁铁氧体 最重要的铁氧体钡恒磁：
BaFe12O19，它比金属者电阻大； 铝镍钴合金； 稀土永磁材料，为金属间化合物，分钴基
4）矩磁材料以尖晶石结构为主，有Co-Fe,
Ni-Fe, Ni-Zn-Co和Co-Zn-Fe等系统。
5）用途：作记忆材料，开关材料等。
9 2 R0 2 M S
2
6.5 磁性材料的其它性质与效应
6.5. 1超顺磁性 1）临界粒度 减小磁性材料的磁粉粒度， 使其小于只包含一个单畴的尺度，该临界 尺寸R0为： 9
M H
χ…单位体积磁化率.
相对磁导率μr与真空磁导率μ0及绝对磁导率 μ有关:
r
B / B0 / 0
r 1 , (1 ) 0
6.1.2物质的磁性分类
根据物质磁化率的特点，将物质的磁性分
为五类
1）抗磁性
磁化率χ为很小的负数（10-6级）
第6章 材料的磁性能
磁性研究的意义： 1）与物质的微观结构密切相关，原子及原子 结构，原子间的相互作用---键合情况和晶体结 构，研究磁性是研究物质内部结构的重要方法 2）磁性材料有广泛的应用，特别是在电子技 术，电子工业领域。
T mB
6.1磁学基本量及磁性分类
6.1.1磁学基本量 磁矩 m IS 磁矩在磁感应强度B中所受力矩
6.5.3 磁光效应
材料在外磁场作用下呈现光学各向异
性,使通过材料的光波偏振态发生改变.
1） 折射光偏振面旋转：旋光效应
2）反射光偏振面旋转：磁光克尔效应
T mB
磁矩与外加磁场的作用能称为静磁能U
U m B B0 0 H B H B 0H 0M
其中μ为磁导率， μ0 为真空磁导率。 磁化强度
M
m /V
材料的磁化强度可以认
为是材料在磁场中显示出净磁矩的结果。
作业
1)简述能带理论的基本内容 2)论述电子类载流子导电、离子类载流子和半 导体导电的机理及其导电影响因素 。 3) 试作图说明电滞回线与磁滞回线的特征和差 别，在图上标出相关的特征值符号并列出 其中文名称。 4)论述固体材料的热膨胀机理。 5）从材料结构的角度解释为什么无机材料的延 展性不如金属材料。
磁畴壁结构
（在铁中，磁畴壁约300个晶格常数的厚度）
单晶镍片上的铁磁畴图形
（用特殊方法显示出畴界）
6.3.2技术磁化理论
技术磁化过程，是外加磁场对磁畴的作用
过程，即外加磁场将磁畴的磁矩的方向转
到外磁场方向的过程。
两种方式的技术磁化：①磁畴壁的迁移②
磁畴的旋转
磁化曲线和磁滞回线是技术磁化的结果
破坏，矫顽力降为
R0 Size
零,出现超顺磁性。
6.5.2磁致电阻效应
1)概念:磁性材料的电阻率随磁化状态而改变 的现象
磁阻比
(R H R0 ) / R0 R / R0
2)1986年,在一些铁/铬超薄多层膜系统中发 现磁场引起电阻变化大于50%的现象,称为 巨磁电阻效应。
3)当磁场引使电阻率变化达到更高量级时, 称为庞磁电阻效应。
同磁性的离子磁矩平等排列，而不同磁性的离子 磁矩是反向平行排列。两种离子的磁矩相等相互 抵消，自发磁化强度为零，这是反铁磁性；如果 两种离子的磁矩不相等，反向平行的磁矩就不会
恰好抵消，二者之差表现为宏观磁矩，这就是亚
铁磁性。
3）磁畴
外斯假设认为自发磁化是以小区域磁畴存在的,
同一磁畴内各磁矩方向一致。各磁畴方向不同 杂乱排列时，总体不显磁性。 磁畴的方向与晶体取向有关。 大而长的磁畴：主畴，沿晶体易磁化方向。 副畴：较小，与晶体易磁化方向不一致。
6)磁铅石型铁氧体
• 为六方晶体。
6.4.3
软磁材料
1）软磁材料的特点是高的磁导率，低的矫顽 力和低铁芯损耗 2)畴壁含有沉淀相和杂质等不均匀相，它们对 畴壁运动起钉扎作用。结果提高矫顽力，降低 磁导率，提高了铁芯损耗。所以，减小各向异 性→改善初始磁导率→降低铁芯损耗 3)高频应用，涡流损失成为主要因素，铁氧体 电阻率高（是金属的106倍）宜于高频应用。
包括电子轨道磁矩，电子自旋磁矩和原子
核磁矩
如果原子中所有壳层电子全部填满，由于
电子轨道和自旋矩各自相互抵消，此时原
子本征磁矩为零。
2）抗磁性
电子的轨道运动即产生抗磁性，但只有原子 的电子壳层完全充满了电子的物质，抗磁性 才能表现出来。
电子壳层电子填满的物质均属抗磁性物质。 如惰性气体，离子型晶体，共价键的碳硅锗 硫磷等单质，大部分有机物
6)列出Griffith关于材料断裂的临界应力公式 并解释强度的尺寸效应（即大尺寸试件强 度偏低）。 7)无机材料及其表面釉层的热膨胀系数要怎 样设计才能改善材料的抗拉强度，说明原 因。 8)简述提高无机材料强度，改善材料韧性的 途径。 9)简述无机材料高温蠕变的几个阶段及其特 征，用位错运动理论解释之。 10）试总结提高无机材料透明性的措施
1）铁磁性产生的原因
铁磁性体自发磁化的根源是原子磁矩。而
且起主要作用的是电子自旋磁矩。 ①原子在电子壳层中存在没有被电子填满 的状态是产生铁磁性的必要条件。 ②原子核间的距离Rab与参加交换的电子距 核的距离（电子壳层半径）r之比大于3时， 成键电子交换积分为正。
2）反铁磁性和亚铁磁性
原子磁矩大小不同的两种离子（或原子）组成，相
例：如含锌的尖晶石，用于高频
软磁材料主要应用：
电感线圈，小型变压器，脉冲变压器，中频
变压器等的磁芯，录音磁头，磁放大器等。
6.4.4 硬磁材料
1）硬磁材料又称永磁材料，指磁化后保持较 强剩磁的材料，要求剩磁和矫顽力大。
2）用最大磁积能(BH)max来反映硬磁材料储
有磁能的能力 3）用途：在磁路系统中作永磁以产生恒定磁 场 如扬声器、助听器录音磁头、电视聚焦器、 磁电式仪表、磁强计、示波器等中用。
自于不同的磁矩。一种磁矩在一个方向上排列整 齐，另一种磁矩在相反方向排列整齐，大小不等， 两种之差就产生了自发磁化现象。
3）铁氧体按结构分类
尖晶石型、石榴石型、磁铅石型、钙
钛矿型、钛铁矿型和钨青铜型等6种。
4）尖晶石型铁氧体
通式：M2+O· 23+O3，立方晶系。 Fe
二价离子占据全部四面体空隙：正尖晶石。
R0
2
0M
2 S
2
…90°磁畴壁能密度
0
…真空磁导率MS …饱和磁化强度.
当一个晶粒中只包含一个单畴时,有利于提 高矫顽力.
2）超顺磁性
当粒径太小（小于临 界 尺 寸 R0) ， 热 扰
动加剧，矫顽力又
开始下降，当粒度 减小到某值时，热
HC
扰动能量大于交换 能，自发磁化完全
环境温度高于某一值TC后，铁磁性消失，
较变为顺磁性，此温度叫居里温度。
磁化曲线分区示意图
6.4 磁性材料
6.4.1 铁芯损耗
1）磁芯在不可逆交流磁化过程中所消耗的
能量，统称为铁芯损耗（铁损），它由磁 滞损耗、涡流损耗和剩余损耗三部分组成
2）磁滞回线所包围的面积表征磁化一周时 所消耗的功，称为磁滞损耗Q
2）顺磁性
χ€（10-3，10-6）
3)铁磁性 在较小的磁场作用下，就能产生很大的磁 化强度，且与外磁场关系非线性。温度高 于某值时，铁磁性消失，转变为顺磁性。
4)亚铁磁性 和铁磁性相似，但磁化率较小。
5)反铁磁性
磁化率是很小的正数
6.1.3原子本征磁矩、抗磁性和顺磁性
1）原子本征磁矩
会发生变化的现象称为磁致伸缩
l l0 l0
2）物体的磁致伸缩如受到限制，不能伸长，
则在物体内部产生感应力，这样产生的弹 性能，称为磁弹性能。
6.3磁性材料的自发磁化和技术磁化
6.3.1自发磁化理论 自发磁化：铁磁材料的磁性是自发产生的， 所谓磁化过程，只不过是把物质本身的磁 性显示出来，而不是外界向物质提供磁性 的过程。
4）磁畴壁
方向不一致的相邻磁畴的界限称为磁畴壁， 磁畴壁是一过渡区，有一定厚度。 多晶体各晶粒取向多不同，从而磁畴取向 不同，磁畴壁一般不能穿越晶界。 磁畴壁具有交换能，磁晶各向异性能及磁 弹性能，所以磁畴转向需要消耗能量。
磁畴的形状，尺寸、畴壁的类型和厚度总 称为磁畴结构 同一磁性材料，磁畴壁不同，磁畴结构不 同，磁化行为也不同，所以磁畴结构差异 是磁性差异的原因。
二价离子占据八面体空隙，三价子占据全部四
面体空隙和剩余的八面体空隙：反尖晶石结
构。
几乎所有的亚铁磁性铁氧体均为反尖晶石型。
5）石榴子石型铁氧体
稀土石榴石属立方晶系，通式： 3c Fe 2a Fe 3d O 12 M
其中M为稀土离子或钇离子，都 是三价。 a…八面体配位，c…十二面体配位， d…四面体配位
3）顺磁性
产生顺磁性的条件是原子的固有磁矩不为零。
条件：
①具奇数个电子的原子或点阵缺陷。
②内壳层未被填满的原子或离子，过渡元 素和稀土金属。 单位体积内金属的顺磁化率
M / H C /T
C为常数。大多数物质属于顺磁性物质。
6.2铁磁性和亚铁磁性材料的特征
6.2.1磁化曲线和磁滞回线 磁化曲线：M-H或B-H曲线（磁化曲线）非线 性是铁磁性物质的特征。 磁化至饱和后，磁化强度不再随外磁场的增 加而增加。 起始磁导率
Q
HdB
3）涡流损耗：交变磁场 感应电动势导 致涡电流，涡电流的大小和电阻率成
反比. 磁畴壁处还产生内部涡电流导致
感生电动势抵消外磁场，从而引起趋
肤效应。
4）除磁滞损耗、涡流损耗外的其他损 耗归结为剩余损耗。
6.4.2
铁氧体的磁性与结构
1）铁氧体是含铁酸盐的陶瓷磁性材料，一般 为多种金属的氧化物复合而成。 2）铁氧体磁性有自发磁化强度和磁畴，为亚 铁磁性，因其含多种金属的氧化物，其磁性来
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磁滞回线
退磁：随H减小，
M(B)减小.
退磁过程中MFra Baidu bibliotek变化
落后于H的变化，该 现象称为磁滞现象。 Mr…剩余磁化强度 Br…剩余磁 感应强度
Ms…饱和磁化强度
Bs…饱和磁感应强度 Hc…矫顽力（磁场）
电滞回线与磁滞回线的对比
6.2.1磁致伸缩与磁弹性能
1）铁磁体在磁场中磁化，其形状和尺寸都
和铁基两类；
铷铁硼系金属间化合物。
6.4.5 矩磁材料
1）磁滞回线近似于矩形的材料
2）用B-1/2Hm/Bm作为磁矩材料的参数 3）磁矩材料的主要要求：①高剩磁比Br/Bm, 有时要求高B-1/2Hm/Bm，②矫顽力HC小，③ 开关常数（Ha-H0）ts=SW小，④损耗小，⑤ 对温度、振动和时间稳定度好。
4）提高硬磁性能的方法
磁畴转向和畴壁移动是磁化过程机理。晶
粒小至单畴，则阻止畴壁移动而只有磁畴
转动，提高矫顽力；
烧结前磁致晶粒取向使外磁场一致。可提
高剩磁，提高最大磁积能。如铷铁硼类金
属间化合物材料.
5）重要硬磁材料
硬磁铁氧体 最重要的铁氧体钡恒磁：
BaFe12O19，它比金属者电阻大； 铝镍钴合金； 稀土永磁材料，为金属间化合物，分钴基
4）矩磁材料以尖晶石结构为主，有Co-Fe,
Ni-Fe, Ni-Zn-Co和Co-Zn-Fe等系统。
5）用途：作记忆材料，开关材料等。
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6.5 磁性材料的其它性质与效应
6.5. 1超顺磁性 1）临界粒度 减小磁性材料的磁粉粒度， 使其小于只包含一个单畴的尺度，该临界 尺寸R0为： 9
M H
χ…单位体积磁化率.
相对磁导率μr与真空磁导率μ0及绝对磁导率 μ有关:
r
B / B0 / 0
r 1 , (1 ) 0
6.1.2物质的磁性分类
根据物质磁化率的特点，将物质的磁性分
为五类
1）抗磁性
磁化率χ为很小的负数（10-6级）
第6章 材料的磁性能
磁性研究的意义： 1）与物质的微观结构密切相关，原子及原子 结构，原子间的相互作用---键合情况和晶体结 构，研究磁性是研究物质内部结构的重要方法 2）磁性材料有广泛的应用，特别是在电子技 术，电子工业领域。
T mB
6.1磁学基本量及磁性分类
6.1.1磁学基本量 磁矩 m IS 磁矩在磁感应强度B中所受力矩
6.5.3 磁光效应
材料在外磁场作用下呈现光学各向异
性,使通过材料的光波偏振态发生改变.
1） 折射光偏振面旋转：旋光效应
2）反射光偏振面旋转：磁光克尔效应
T mB
磁矩与外加磁场的作用能称为静磁能U
U m B B0 0 H B H B 0H 0M
其中μ为磁导率， μ0 为真空磁导率。 磁化强度
M
m /V
材料的磁化强度可以认
为是材料在磁场中显示出净磁矩的结果。
作业
1)简述能带理论的基本内容 2)论述电子类载流子导电、离子类载流子和半 导体导电的机理及其导电影响因素 。 3) 试作图说明电滞回线与磁滞回线的特征和差 别，在图上标出相关的特征值符号并列出 其中文名称。 4)论述固体材料的热膨胀机理。 5）从材料结构的角度解释为什么无机材料的延 展性不如金属材料。
磁畴壁结构
（在铁中，磁畴壁约300个晶格常数的厚度）
单晶镍片上的铁磁畴图形
（用特殊方法显示出畴界）
6.3.2技术磁化理论
技术磁化过程，是外加磁场对磁畴的作用
过程，即外加磁场将磁畴的磁矩的方向转
到外磁场方向的过程。
两种方式的技术磁化：①磁畴壁的迁移②
磁畴的旋转
磁化曲线和磁滞回线是技术磁化的结果
破坏，矫顽力降为
R0 Size
零,出现超顺磁性。
6.5.2磁致电阻效应
1)概念:磁性材料的电阻率随磁化状态而改变 的现象
磁阻比
(R H R0 ) / R0 R / R0
2)1986年,在一些铁/铬超薄多层膜系统中发 现磁场引起电阻变化大于50%的现象,称为 巨磁电阻效应。
3)当磁场引使电阻率变化达到更高量级时, 称为庞磁电阻效应。
同磁性的离子磁矩平等排列，而不同磁性的离子 磁矩是反向平行排列。两种离子的磁矩相等相互 抵消，自发磁化强度为零，这是反铁磁性；如果 两种离子的磁矩不相等，反向平行的磁矩就不会
恰好抵消，二者之差表现为宏观磁矩，这就是亚
铁磁性。
3）磁畴
外斯假设认为自发磁化是以小区域磁畴存在的,
同一磁畴内各磁矩方向一致。各磁畴方向不同 杂乱排列时，总体不显磁性。 磁畴的方向与晶体取向有关。 大而长的磁畴：主畴，沿晶体易磁化方向。 副畴：较小，与晶体易磁化方向不一致。
6)磁铅石型铁氧体
• 为六方晶体。
6.4.3
软磁材料
1）软磁材料的特点是高的磁导率，低的矫顽 力和低铁芯损耗 2)畴壁含有沉淀相和杂质等不均匀相，它们对 畴壁运动起钉扎作用。结果提高矫顽力，降低 磁导率，提高了铁芯损耗。所以，减小各向异 性→改善初始磁导率→降低铁芯损耗 3)高频应用，涡流损失成为主要因素，铁氧体 电阻率高（是金属的106倍）宜于高频应用。
包括电子轨道磁矩，电子自旋磁矩和原子
核磁矩
如果原子中所有壳层电子全部填满，由于
电子轨道和自旋矩各自相互抵消，此时原
子本征磁矩为零。
2）抗磁性
电子的轨道运动即产生抗磁性，但只有原子 的电子壳层完全充满了电子的物质，抗磁性 才能表现出来。
电子壳层电子填满的物质均属抗磁性物质。 如惰性气体，离子型晶体，共价键的碳硅锗 硫磷等单质，大部分有机物
6)列出Griffith关于材料断裂的临界应力公式 并解释强度的尺寸效应（即大尺寸试件强 度偏低）。 7)无机材料及其表面釉层的热膨胀系数要怎 样设计才能改善材料的抗拉强度，说明原 因。 8)简述提高无机材料强度，改善材料韧性的 途径。 9)简述无机材料高温蠕变的几个阶段及其特 征，用位错运动理论解释之。 10）试总结提高无机材料透明性的措施
1）铁磁性产生的原因
铁磁性体自发磁化的根源是原子磁矩。而
且起主要作用的是电子自旋磁矩。 ①原子在电子壳层中存在没有被电子填满 的状态是产生铁磁性的必要条件。 ②原子核间的距离Rab与参加交换的电子距 核的距离（电子壳层半径）r之比大于3时， 成键电子交换积分为正。
2）反铁磁性和亚铁磁性
原子磁矩大小不同的两种离子（或原子）组成，相
例：如含锌的尖晶石，用于高频
软磁材料主要应用：
电感线圈，小型变压器，脉冲变压器，中频
变压器等的磁芯，录音磁头，磁放大器等。
6.4.4 硬磁材料
1）硬磁材料又称永磁材料，指磁化后保持较 强剩磁的材料，要求剩磁和矫顽力大。
2）用最大磁积能(BH)max来反映硬磁材料储
有磁能的能力 3）用途：在磁路系统中作永磁以产生恒定磁 场 如扬声器、助听器录音磁头、电视聚焦器、 磁电式仪表、磁强计、示波器等中用。
自于不同的磁矩。一种磁矩在一个方向上排列整 齐，另一种磁矩在相反方向排列整齐，大小不等， 两种之差就产生了自发磁化现象。
3）铁氧体按结构分类
尖晶石型、石榴石型、磁铅石型、钙
钛矿型、钛铁矿型和钨青铜型等6种。
4）尖晶石型铁氧体
通式：M2+O· 23+O3，立方晶系。 Fe
二价离子占据全部四面体空隙：正尖晶石。
R0
2
0M
2 S
2
…90°磁畴壁能密度
0
…真空磁导率MS …饱和磁化强度.
当一个晶粒中只包含一个单畴时,有利于提 高矫顽力.
2）超顺磁性
当粒径太小（小于临 界 尺 寸 R0) ， 热 扰
动加剧，矫顽力又
开始下降，当粒度 减小到某值时，热
HC
扰动能量大于交换 能，自发磁化完全
环境温度高于某一值TC后，铁磁性消失，
较变为顺磁性，此温度叫居里温度。
磁化曲线分区示意图
6.4 磁性材料
6.4.1 铁芯损耗
1）磁芯在不可逆交流磁化过程中所消耗的
能量，统称为铁芯损耗（铁损），它由磁 滞损耗、涡流损耗和剩余损耗三部分组成
2）磁滞回线所包围的面积表征磁化一周时 所消耗的功，称为磁滞损耗Q
2）顺磁性
χ€（10-3，10-6）
3)铁磁性 在较小的磁场作用下，就能产生很大的磁 化强度，且与外磁场关系非线性。温度高 于某值时，铁磁性消失，转变为顺磁性。
4)亚铁磁性 和铁磁性相似，但磁化率较小。
5)反铁磁性
磁化率是很小的正数
6.1.3原子本征磁矩、抗磁性和顺磁性
1）原子本征磁矩
会发生变化的现象称为磁致伸缩
l l0 l0
2）物体的磁致伸缩如受到限制，不能伸长，
则在物体内部产生感应力，这样产生的弹 性能，称为磁弹性能。
6.3磁性材料的自发磁化和技术磁化
6.3.1自发磁化理论 自发磁化：铁磁材料的磁性是自发产生的， 所谓磁化过程，只不过是把物质本身的磁 性显示出来，而不是外界向物质提供磁性 的过程。
4）磁畴壁
方向不一致的相邻磁畴的界限称为磁畴壁， 磁畴壁是一过渡区，有一定厚度。 多晶体各晶粒取向多不同，从而磁畴取向 不同，磁畴壁一般不能穿越晶界。 磁畴壁具有交换能，磁晶各向异性能及磁 弹性能，所以磁畴转向需要消耗能量。
磁畴的形状，尺寸、畴壁的类型和厚度总 称为磁畴结构 同一磁性材料，磁畴壁不同，磁畴结构不 同，磁化行为也不同，所以磁畴结构差异 是磁性差异的原因。
二价离子占据八面体空隙，三价子占据全部四
面体空隙和剩余的八面体空隙：反尖晶石结
构。
几乎所有的亚铁磁性铁氧体均为反尖晶石型。
5）石榴子石型铁氧体
稀土石榴石属立方晶系，通式： 3c Fe 2a Fe 3d O 12 M
其中M为稀土离子或钇离子，都 是三价。 a…八面体配位，c…十二面体配位， d…四面体配位
3）顺磁性
产生顺磁性的条件是原子的固有磁矩不为零。
条件：
①具奇数个电子的原子或点阵缺陷。
②内壳层未被填满的原子或离子，过渡元 素和稀土金属。 单位体积内金属的顺磁化率
M / H C /T
C为常数。大多数物质属于顺磁性物质。
6.2铁磁性和亚铁磁性材料的特征
6.2.1磁化曲线和磁滞回线 磁化曲线：M-H或B-H曲线（磁化曲线）非线 性是铁磁性物质的特征。 磁化至饱和后，磁化强度不再随外磁场的增 加而增加。 起始磁导率
Q
HdB
3）涡流损耗：交变磁场 感应电动势导 致涡电流，涡电流的大小和电阻率成
反比. 磁畴壁处还产生内部涡电流导致
感生电动势抵消外磁场，从而引起趋
肤效应。
4）除磁滞损耗、涡流损耗外的其他损 耗归结为剩余损耗。
6.4.2
铁氧体的磁性与结构
1）铁氧体是含铁酸盐的陶瓷磁性材料，一般 为多种金属的氧化物复合而成。 2）铁氧体磁性有自发磁化强度和磁畴，为亚 铁磁性，因其含多种金属的氧化物，其磁性来