材料的磁学性能PPT课件
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磁性功能材料(ppt 72张)
χ ：10-2-10-4
反铁磁性物质的磁结构及磁化率随温度的变化
反铁磁性：
磁化率和温度的关系在涅耳点(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。 反铁磁性物质中有A、B两个次晶格，其原子磁矩反平行 排列，且大小相等，自发磁化强度相互抵消，总磁矩为零。
抗磁性
物 质 磁 性 分 类 与外加磁 场的关系 顺磁性 反铁磁性 亚铁磁性 铁磁性
⑴ 抗磁性
χ： －（10-5 – 10-6 ）
抗磁性物质的磁结构及磁化率随温度的变化
抗磁性： 磁化率小于零，在外磁场的作用下产生一个与 外磁场方向相反且很小的附加磁场，其值和温 度无关。 抗磁性物质：He，Ne，Ar，H2，N2，C，Si， Ge等
（二）基本磁性参量 磁场强度(H)： 电流强度为i的电流在一个每米有N匝线圈的无 限长螺旋管轴线中央产生的磁场强度 H 为：
HNi
距离永磁体r处的磁场强度 H 为：
2 H km r / r l 0
m1为磁极的磁极强度，；r0是r的矢量单位； 磁化强度(M，σ): 单位体积磁性材料内原子磁矩的矢量和
Cr、Mn以及含有Cr、Mn的一些合金是反铁磁性的。
(4)
铁磁性
χ ：102-106
铁磁性物质的磁结构及磁化率随温度的变化
铁磁性：
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； 磁化率随磁场非线性变化； 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。 铁磁性物质： ①Fe、Co、Ni等纯金属。某些稀土元素如Gd（钆gá）等 ②含Fe、Co、Ni的合金及化合物； ③某些过渡元素组成的合金。
材料的磁学性能-材料性能学-金属力学性能-课件-北京工业大学-09
性能
§9.2材料的抗磁性与顺磁性
第二节 材料的抗磁性与顺磁性
一、材料抗磁性与顺磁性的物理本质
M 顺磁
0
抗磁
H
材料性能
第九章材料的磁学性能
§9.2材料的抗磁性与顺磁性
1.抗磁性
材料被磁化后，磁化矢量与外加磁场方向相反的称为抗磁 性，χ<0。 材料的抗磁性来源于电子循轨运动时受外加磁场作用所产生 的抗磁矩。 电子循轨运动所产生的轨道磁矩为 ml=0.5eωr2。 式中：e为电子电荷；ω为电子循轨运动的角速度；r为轨道半 径。 电子循轨运动的受力状态如图。
材料性能
第九章材料的磁学性能
§9.1材料的基本磁学性能
3.磁感应强度
任何物质被磁化时，由于内部原子磁矩的有序排列，除了外磁场外 还要产生一个附加磁场。在物质内部，外磁场H和附加磁场H’ 的和乘以
μ0 称为磁感应强度B，单位为韦伯/米2（Wb/m2）。
亦即，通过物质内部磁场中某点，垂直于磁场方向单位面积的磁力 线数。它与磁场强度H 的关系是 B=μ0(H+H’) 或 B=μ0(H+M) B=μ0(1+χ)H=μ0μrH=μH 式中μr为相对磁导率；μ为磁导率或导磁系数，它反应了磁感应强度B 随外磁场H变化的比率（或速率）。
χ＝C’/(T+Δ)
式中C’是常数，Δ对某一种物质也是常数，其值可大于0和小于0。 铁磁性物质在居里点以上是顺磁性的，其磁化率大致服从居里—外斯 定律，这时的Δ为-θ，θ表示居里温度。
材料性能
第九章材料的磁学性能
§9.2材料的抗磁性与顺磁性
3.相变及组织转变的影响
材料发生同素异构转变，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。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。但影响的规律比较复杂。 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。例如，当高度加工硬化时，铜可以由 抗磁变为顺磁。退火与加工硬化的作用相反，能使铜的抗 磁性重新得到恢复。 材料性能 第九章材料的磁学性能
§9.2材料的抗磁性与顺磁性
第二节 材料的抗磁性与顺磁性
一、材料抗磁性与顺磁性的物理本质
M 顺磁
0
抗磁
H
材料性能
第九章材料的磁学性能
§9.2材料的抗磁性与顺磁性
1.抗磁性
材料被磁化后，磁化矢量与外加磁场方向相反的称为抗磁 性，χ<0。 材料的抗磁性来源于电子循轨运动时受外加磁场作用所产生 的抗磁矩。 电子循轨运动所产生的轨道磁矩为 ml=0.5eωr2。 式中：e为电子电荷；ω为电子循轨运动的角速度；r为轨道半 径。 电子循轨运动的受力状态如图。
材料性能
第九章材料的磁学性能
§9.1材料的基本磁学性能
3.磁感应强度
任何物质被磁化时，由于内部原子磁矩的有序排列，除了外磁场外 还要产生一个附加磁场。在物质内部，外磁场H和附加磁场H’ 的和乘以
μ0 称为磁感应强度B，单位为韦伯/米2（Wb/m2）。
亦即，通过物质内部磁场中某点，垂直于磁场方向单位面积的磁力 线数。它与磁场强度H 的关系是 B=μ0(H+H’) 或 B=μ0(H+M) B=μ0(1+χ)H=μ0μrH=μH 式中μr为相对磁导率；μ为磁导率或导磁系数，它反应了磁感应强度B 随外磁场H变化的比率（或速率）。
χ＝C’/(T+Δ)
式中C’是常数，Δ对某一种物质也是常数，其值可大于0和小于0。 铁磁性物质在居里点以上是顺磁性的，其磁化率大致服从居里—外斯 定律，这时的Δ为-θ，θ表示居里温度。
材料性能
第九章材料的磁学性能
§9.2材料的抗磁性与顺磁性
3.相变及组织转变的影响
材料发生同素异构转变，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。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。但影响的规律比较复杂。 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。例如，当高度加工硬化时，铜可以由 抗磁变为顺磁。退火与加工硬化的作用相反，能使铜的抗 磁性重新得到恢复。 材料性能 第九章材料的磁学性能
材料的磁学性能PPT课件
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
第15页/共105页
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
第21页/共105页
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。
第16页/共105页
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
第4页/共105页
——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。
原子的磁矩
电子轨道磁矩 电子自旋磁矩 原子核自旋磁矩
第15页/共105页
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
第21页/共105页
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。
第16页/共105页
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
第4页/共105页
——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。
材料性能----磁学性能
e 2 m l 0.5er 2 i F m r 2 e 2r He r 2 2 F F m r（ ） F H m l er H 4m
2 2
将左手掌摊平，让磁力线穿过手掌心，四 指表示正电荷运动方向，则和四指垂直的 大拇指所指方向即为洛伦兹力的方向。 运动电荷受到磁场的作用力，叫做洛伦兹力Δ F
基本磁学性能
Tc，居里温度 TN，奈尔温度
第一节
三 抗磁性与顺磁性
基本磁学性能
材料被磁化后，磁化矢量与外加磁场方向相反 的称为抗磁性 材料被磁化后，磁化矢量与外加磁场方向相同的 称为顺磁性 磁化曲线 磁化强度与磁场强度之间均呈直线关系 存在磁化可逆性
第一节
抗磁性
基本磁学性能
材料的抗磁性来源于电子循轨运动时受外加磁场作用所产生的抗磁矩 (1) 电子作轨道运动
程度可以用原子固有磁矩（矢量）的总和表示。单位体积磁矩称为磁化
强度M
P M
V
m
磁化强度M(附加磁场强度H’）不仅与外加磁场强度有关，也与物质本
性，磁化率（χ
）有关，
即：
M H B （H M） （ ）H 0 r H H 01 0
第一节
二 物质磁性的分类
第一节
顺磁性
基本磁学性能
产生条件：原子的固有磁矩不为零
顺磁物质磁化率是抗磁物质磁化率的1-1000倍，顺磁物质中抗磁性被掩盖了。
第一节
居里定律
基本磁学性能
少数物质原子的磁化率与温度成反比（即服从居里定律）
C T
相当一部分固体顺磁物质，原子的磁化率与温度的关系由居里-外斯 （Curie-Weiss）定律表示
180o畴壁：一个易磁化轴上有两个相反的磁化方向 90o 畴壁：易磁化轴互相垂直
第六章 材料的磁学性能
2012-10-25 10
5、亚铁磁体 • μr>>1,χ>0。 • 它是反铁磁体的一个变种，其内部的原子磁 矩之间存在着反铁磁相互作用，只是两种相 反平行排列的磁矩大小不同，导致了一定的 自发磁化。所以在外加磁场中的表现与铁磁 体相似。 • 亚铁磁体多为金属氧化物。Χ比铁磁体小。 • 例如：铁氧体（磁铁矿，Fe3O4）、V、Cr、 Mn、Fe、Co等与O、S、Te、P、As、Sb 等的化合物，钕铁硼磁体，稀土与金属间的
2012-10-25 24
三、正离子的顺磁性 • 正原子的顺磁性来源于原子的固有磁矩。 • 原子的固有磁矩就是电子轨道磁矩和电子自旋磁矩的 矢量和，又称本征磁矩，Pm。 • 如果原子中所有电子壳层都是填满的，由于形成一个 球形对称的集体，则电子轨道磁矩和自旋磁矩各自相 抵消，Pm=0，不产生顺磁性。 • 因此，产生顺磁性的条件就是： Pm≠0。在如下情况下， Pm≠0： 1. 具有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。如过渡族金属（d壳层 没有填满电子）和稀土金属（f壳层未填满电子）。
2012-10-25 25
• 在B0=0时，由于原子的热运动，各原子的磁矩倾 向于混乱分布，此时原子的动能Ek∝kT。对外表 现出宏观磁特性H’=0。 • 当加上外加磁场时，外磁场要使原子磁矩Pm与 B0的夹角θ 减小。使原子磁矩转向外加磁场方向。 • 当外磁场逐渐增加到使能量U=-PmB0cosθ 的减 少能补偿热运动能量时，原子磁矩就一致排列了。 此时有kT=PmB0。
2
rj
22
2012-10-25
则可得：
2
抗
Ne 0
2
6m
j1
z
rj
5、亚铁磁体 • μr>>1,χ>0。 • 它是反铁磁体的一个变种，其内部的原子磁 矩之间存在着反铁磁相互作用，只是两种相 反平行排列的磁矩大小不同，导致了一定的 自发磁化。所以在外加磁场中的表现与铁磁 体相似。 • 亚铁磁体多为金属氧化物。Χ比铁磁体小。 • 例如：铁氧体（磁铁矿，Fe3O4）、V、Cr、 Mn、Fe、Co等与O、S、Te、P、As、Sb 等的化合物，钕铁硼磁体，稀土与金属间的
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三、正离子的顺磁性 • 正原子的顺磁性来源于原子的固有磁矩。 • 原子的固有磁矩就是电子轨道磁矩和电子自旋磁矩的 矢量和，又称本征磁矩，Pm。 • 如果原子中所有电子壳层都是填满的，由于形成一个 球形对称的集体，则电子轨道磁矩和自旋磁矩各自相 抵消，Pm=0，不产生顺磁性。 • 因此，产生顺磁性的条件就是： Pm≠0。在如下情况下， Pm≠0： 1. 具有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。如过渡族金属（d壳层 没有填满电子）和稀土金属（f壳层未填满电子）。
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• 在B0=0时，由于原子的热运动，各原子的磁矩倾 向于混乱分布，此时原子的动能Ek∝kT。对外表 现出宏观磁特性H’=0。 • 当加上外加磁场时，外磁场要使原子磁矩Pm与 B0的夹角θ 减小。使原子磁矩转向外加磁场方向。 • 当外磁场逐渐增加到使能量U=-PmB0cosθ 的减 少能补偿热运动能量时，原子磁矩就一致排列了。 此时有kT=PmB0。
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则可得：
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Ne 0
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第三章材料的磁学性能
1907年法国人外斯提出了铁磁性的“分子场”假说： 认为在铁磁质内部存在很强的“分子场”，在分 子场的作用下，原子磁矩趋向平行排列，即自发磁化 至饱和，称为自发磁化。 在这个理论的基础上发展了现代的铁磁理论。
铁磁质自发磁化成若干个小区 域（自发磁化至饱和的小区域“磁 畴”），由于各个区域的磁化方向 各不相同，其磁性彼此相消，所以 大块铁磁质对外并不显示磁性。
1.抗磁体：χ 为负值，很小，约在10-6数量级。
2.顺磁体：χ 为正值，很小，约在10-3～10-6数量
级。
3.反铁磁体：χ 为正值，很小。 4.铁磁性体：χ 为正值，很大，约在10～106数量
级。
5.亚铁磁体：χ 为正值，没有铁磁性体大。
物质的磁性分类、磁性特征及磁化机制？？？
3.1.3 磁化曲线和磁滞回线
3.3.1铁磁质的自发磁化
3.3.1铁磁质的自发磁化
“分子场”来源于电子间的静电相互作用。 实验证明铁磁质自发磁化的起因是源于原子未被 抵消的电子自旋磁矩，而轨道磁矩对铁磁性几乎无贡 献。 物质具有铁磁性的基本条件： (1)物质中的原子有磁矩；
(2)原子磁矩之间有一定的相互作用。
铁磁性物质在居里温度以上是顺磁性；居里温 度以下原子磁矩间的相互作用能大于热振动能，显 现铁磁性。
非金属中除氧和石墨外，都是抗磁体。如 Si、S、 P以及许多有机化合物，它们基本上是以共价键结合 的，由于共价电子对的磁矩互相抵消，因而它们部 成为抗磁体。
在Cu、Ag、Au、Zn、Cd、Hg等金属中，由 于它们的离子所产生的抗磁性大于自由电子的顺磁 性，因而它们属抗磁体 。
所有的碱金属和除Be以外的碱土金属都是顺磁 体。虽然这两族金属元素在离子状态时有与惰性气 体相似的电子结构，似应成为抗磁体，但是由于自 由电子产生的顺磁性占据了主导地位，故仍表现为 顺磁性。
铁磁质自发磁化成若干个小区 域（自发磁化至饱和的小区域“磁 畴”），由于各个区域的磁化方向 各不相同，其磁性彼此相消，所以 大块铁磁质对外并不显示磁性。
1.抗磁体：χ 为负值，很小，约在10-6数量级。
2.顺磁体：χ 为正值，很小，约在10-3～10-6数量
级。
3.反铁磁体：χ 为正值，很小。 4.铁磁性体：χ 为正值，很大，约在10～106数量
级。
5.亚铁磁体：χ 为正值，没有铁磁性体大。
物质的磁性分类、磁性特征及磁化机制？？？
3.1.3 磁化曲线和磁滞回线
3.3.1铁磁质的自发磁化
3.3.1铁磁质的自发磁化
“分子场”来源于电子间的静电相互作用。 实验证明铁磁质自发磁化的起因是源于原子未被 抵消的电子自旋磁矩，而轨道磁矩对铁磁性几乎无贡 献。 物质具有铁磁性的基本条件： (1)物质中的原子有磁矩；
(2)原子磁矩之间有一定的相互作用。
铁磁性物质在居里温度以上是顺磁性；居里温 度以下原子磁矩间的相互作用能大于热振动能，显 现铁磁性。
非金属中除氧和石墨外，都是抗磁体。如 Si、S、 P以及许多有机化合物，它们基本上是以共价键结合 的，由于共价电子对的磁矩互相抵消，因而它们部 成为抗磁体。
在Cu、Ag、Au、Zn、Cd、Hg等金属中，由 于它们的离子所产生的抗磁性大于自由电子的顺磁 性，因而它们属抗磁体 。
所有的碱金属和除Be以外的碱土金属都是顺磁 体。虽然这两族金属元素在离子状态时有与惰性气 体相似的电子结构，似应成为抗磁体，但是由于自 由电子产生的顺磁性占据了主导地位，故仍表现为 顺磁性。
材料性能学 第二章 材料的磁学性能
式中： li—为轨道角量子数，可取0，1，2，3，…，n-1，分别 代表s、p、d、f层的电子态。
B : 为玻尔磁子，是磁矩的最小单位。=9.27×10-24Am2
②电子自旋磁矩
由电子自旋运动产生的磁矩称为自旋磁矩。用 ms 表示。
ms 2 Si (Si 1)B 为矢量，其方向平行于自旋轴。
式中： Si—为自旋量子数，其值为1/2。
第一节 基本磁学性能
1、 材料的磁性 早在公元前600年人们就发现天然磁石吸引铁的现象，现在的磁 铁多是人工制成的。以上物质具有吸引铁、钴、镍等物质的特性， 这种特性称之为磁性。 材料的磁性来源：电子(电荷)的循规和自旋运动以及原子核的 磁矩。但原子核的磁矩仅有电子磁矩的1/2000，一般可忽略。 注意：一切物质都具有磁性，任何空间都存在磁场。 1.1 磁矩 “磁”来源于“电”，任何一个封闭的电流都具有磁矩，其方 向与环形电流法线方向一致，大小为电流与封闭环形面积乘积。
第二节 抗磁性与顺磁性
原子的固有磁矩与磁场发生相互作用， 具有较高的静磁能。
EH ml • H ml H cos
为降低静磁能，外场须使磁矩发生转动， 改变二者之间夹角。
H
(a)无磁场
(a)无磁场
(b)弱磁场
(c)强磁场
第二节 抗磁性与顺磁性
注意：①常温下，使原子磁矩转向磁场方向，要克服磁矩间相互 作用所产生的无序倾向，克服原子热运动所造成的严重干扰，故 顺磁磁化十分困难。室温磁化率约为10-6。 ②将温度降低到0K，磁化率便可提高到10-4； ③顺磁金属只有当温度接近0K或外加磁场极强时才有可能达到磁 饱和，即所有原子磁矩都排向磁场方向。 2、影响抗磁性与顺磁性的因素 ①原子结构 规律：电子循规运动产生抗磁矩；离子固有磁矩则产生顺磁矩； 自有电子主要产生顺磁矩；磁性取决于哪种因素占主导地位。
B : 为玻尔磁子，是磁矩的最小单位。=9.27×10-24Am2
②电子自旋磁矩
由电子自旋运动产生的磁矩称为自旋磁矩。用 ms 表示。
ms 2 Si (Si 1)B 为矢量，其方向平行于自旋轴。
式中： Si—为自旋量子数，其值为1/2。
第一节 基本磁学性能
1、 材料的磁性 早在公元前600年人们就发现天然磁石吸引铁的现象，现在的磁 铁多是人工制成的。以上物质具有吸引铁、钴、镍等物质的特性， 这种特性称之为磁性。 材料的磁性来源：电子(电荷)的循规和自旋运动以及原子核的 磁矩。但原子核的磁矩仅有电子磁矩的1/2000，一般可忽略。 注意：一切物质都具有磁性，任何空间都存在磁场。 1.1 磁矩 “磁”来源于“电”，任何一个封闭的电流都具有磁矩，其方 向与环形电流法线方向一致，大小为电流与封闭环形面积乘积。
第二节 抗磁性与顺磁性
原子的固有磁矩与磁场发生相互作用， 具有较高的静磁能。
EH ml • H ml H cos
为降低静磁能，外场须使磁矩发生转动， 改变二者之间夹角。
H
(a)无磁场
(a)无磁场
(b)弱磁场
(c)强磁场
第二节 抗磁性与顺磁性
注意：①常温下，使原子磁矩转向磁场方向，要克服磁矩间相互 作用所产生的无序倾向，克服原子热运动所造成的严重干扰，故 顺磁磁化十分困难。室温磁化率约为10-6。 ②将温度降低到0K，磁化率便可提高到10-4； ③顺磁金属只有当温度接近0K或外加磁场极强时才有可能达到磁 饱和，即所有原子磁矩都排向磁场方向。 2、影响抗磁性与顺磁性的因素 ①原子结构 规律：电子循规运动产生抗磁矩；离子固有磁矩则产生顺磁矩； 自有电子主要产生顺磁矩；磁性取决于哪种因素占主导地位。
材料的磁学性能
运动电子的磁矩，一般是轨道磁矩和自旋磁矩的矢量和。
3) 原子的磁矩 由原子的结构决定 原子中的一个次电子层被排满时，这个电子层的磁矩总和 为零 原子中的电子层均被排满时，原子没有磁矩
只有原子中存在未被排满的电子层时，原子才具有磁矩，
这种磁矩称为原子的固有磁矩 如原子序数为26的Fe原子，电子层分布为
玻璃瓶里的磁流体
磁化泥吞金属
磁流体变成圣诞树形
---------------《材料性能学》----------------
第九章
材料的磁学性能
本章主要对材料磁性的本质、抗磁 性、顺磁性以及铁磁性的特点及影响 因素进行简要介绍。
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
• 磁性是最早发现一切物质的基本属性之一。
• 一个好的磁芯必须有高的磁导率。 • μ合金是一种镍-铁合金（75%镍，15%铁，外加铜和钼），并有非常高的磁 导率。 • 磁导率最高的材料是钴基非晶态磁性合金，其高频退火磁导率为1,000,000（ 直流磁导率最大值（µ ））。氢退火的（纯铁-N5级）可达到160,000（µ ）的 磁导率，但相对很昂贵。
m IS
m
在均匀磁场中，磁矩受到磁场作用的力矩J
J m B
磁矩在磁场中所受的力
dB Fx m dx
所以，磁矩是表征磁性物体磁性大小的物理量。磁矩愈大， 磁性愈强，即物体在磁场中所受的力也大。磁矩只与物体 本身有关，与外磁场无关。
1) 轨道磁矩：由电子循轨运动产生的磁矩，以ml表示，ml为 矢量，它垂直于电子运动的轨道平面，其大小为
ml li li 1mB
式中:l为轨道角量子数，可取0，1，2， 3,…，( n-1)，分别 代表s, p, d, f,g层的电子态，mB为玻尔磁子，mB=9.27×10-24 Am2，是磁矩的最小单元。
材料的磁学性能ppt课件
第7章 材料的磁学性能 (Magnetic properties of materials)
1
可编辑课件PPT
Magnetism
➢物质磁性或磁学是 一门古老(现象与应 用的历史悠久)又年 轻 (应用愈加广泛， 形成了与磁学有关 的边缘学科)的学科。
➢磁性是物质的基本属性，一切物质都具有磁性； ➢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。因此，研究磁性是研究物质内部结构的重要方 法之一。
预言了正电子的存在(√)； 预言了反粒子的存在，电子－正电 子对的产生和湮没(√) ； 提出反物质存在的假设； 1931年预言可能存在磁单极；
23
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如何寻找磁单极子?
古老的地球的铁矿石和来自地球之外的铁陨石。 高能加速器加速质子冲击原子核。 宇宙射线(本身和碰撞)。 1973年“阿波罗”飞船带回的月岩。 宇宙射线照射高空的感光底板产生又粗又黑的痕迹 (强的吸引作用) 151天的超导量子干涉式磁强计的观察(未能重复)。 海洋、深海沉积物。 中国、瑞士、日本等国的研究小组在铁磁晶体的物 质中观察反常霍尔效应，提供假设的间接证据。
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。
14
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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。
自学成才
发现了物质的抗磁性。
提出了电磁场这一概念。
15
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20
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7.1.1 材料磁性能的表征参量 (Character parameters of magnetic properties of materials)
1
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Magnetism
➢物质磁性或磁学是 一门古老(现象与应 用的历史悠久)又年 轻 (应用愈加广泛， 形成了与磁学有关 的边缘学科)的学科。
➢磁性是物质的基本属性，一切物质都具有磁性； ➢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。因此，研究磁性是研究物质内部结构的重要方 法之一。
预言了正电子的存在(√)； 预言了反粒子的存在，电子－正电 子对的产生和湮没(√) ； 提出反物质存在的假设； 1931年预言可能存在磁单极；
23
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如何寻找磁单极子?
古老的地球的铁矿石和来自地球之外的铁陨石。 高能加速器加速质子冲击原子核。 宇宙射线(本身和碰撞)。 1973年“阿波罗”飞船带回的月岩。 宇宙射线照射高空的感光底板产生又粗又黑的痕迹 (强的吸引作用) 151天的超导量子干涉式磁强计的观察(未能重复)。 海洋、深海沉积物。 中国、瑞士、日本等国的研究小组在铁磁晶体的物 质中观察反常霍尔效应，提供假设的间接证据。
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。
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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。
自学成才
发现了物质的抗磁性。
提出了电磁场这一概念。
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7.1.1 材料磁性能的表征参量 (Character parameters of magnetic properties of materials)
《材料的磁性能》PPT课件
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
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
材料性能学课件-第九章材料的磁学性能
合成的总角动量等于零，原子的总磁矩为零。所 以计算原子的轨道磁矩时，只考虑未填满的那些 壳层中的电子-这些壳层称为磁性电子壳层。
当某未满壳层中包含多个电子时，该支壳层的
电子按角动量耦合原则耦合成一个总角动量。原 子磁矩是和这个总角动量相联系的。
如Fe的原子序数26
2021/3/18
11
理论证明，当原子中的电子层均被排满时， 原子没有磁矩。只有原子中存在着未被排满的 电子层时，由于未被排满的电子层电子磁矩之 和不为零，原子才具有磁矩，这种磁矩称为原 子的固有磁矩。
2021/3/18
29
1. 原子结构的影响
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，以上两族金属元 素在离子状态时都与惰性气体相似，具有相 当的抗磁磁矩，但由于电子产生的顺磁性占 主导地位，故表现为顺磁性。稀土金属顺磁 性较强，磁化率较大，主要是因为这些元素 的原子4f层和5d层没有填满，存在着未能全 部抵消的自旋磁矩。
2021/3/18
36
4. 合金成分与组织的影响
当形成两相合金时， 在两相区范围内，其磁化 率随成分的变化呈直线关 系。
根据这些关系，结合 相图可对应画出磁化率随 成分的变化规律，如右图 所示：
2021/3/18
37
三、抗磁与顺磁磁化率的测量及应用
1. 用磁称法测量磁化率
由于抗磁与顺磁磁化率都很小，所 以要用较灵敏的测量方法，通常采用磁 称法进行测量，磁称也称为磁天平。
20XX年复习资料
大学复习资料
专 业： 班 级： 科目老师： 日 期：
第九章 材料的磁学性能
磁性材料具有能量转换、存储或改 变能量状态的功能，被广泛使用于计算 机、通讯、自动化、影像、仪器仪表、 航空航天、生物等技术领域，是重要的 功能材料。
当某未满壳层中包含多个电子时，该支壳层的
电子按角动量耦合原则耦合成一个总角动量。原 子磁矩是和这个总角动量相联系的。
如Fe的原子序数26
2021/3/18
11
理论证明，当原子中的电子层均被排满时， 原子没有磁矩。只有原子中存在着未被排满的 电子层时，由于未被排满的电子层电子磁矩之 和不为零，原子才具有磁矩，这种磁矩称为原 子的固有磁矩。
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1. 原子结构的影响
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，以上两族金属元 素在离子状态时都与惰性气体相似，具有相 当的抗磁磁矩，但由于电子产生的顺磁性占 主导地位，故表现为顺磁性。稀土金属顺磁 性较强，磁化率较大，主要是因为这些元素 的原子4f层和5d层没有填满，存在着未能全 部抵消的自旋磁矩。
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4. 合金成分与组织的影响
当形成两相合金时， 在两相区范围内，其磁化 率随成分的变化呈直线关 系。
根据这些关系，结合 相图可对应画出磁化率随 成分的变化规律，如右图 所示：
2021/3/18
37
三、抗磁与顺磁磁化率的测量及应用
1. 用磁称法测量磁化率
由于抗磁与顺磁磁化率都很小，所 以要用较灵敏的测量方法，通常采用磁 称法进行测量，磁称也称为磁天平。
20XX年复习资料
大学复习资料
专 业： 班 级： 科目老师： 日 期：
第九章 材料的磁学性能
磁性材料具有能量转换、存储或改 变能量状态的功能，被广泛使用于计算 机、通讯、自动化、影像、仪器仪表、 航空航天、生物等技术领域，是重要的 功能材料。
第10章_高分子材料的磁学性能PPT课件
30
10.4 磁性高分子材料
复合型磁性高分子材料：是指以高分子材料与各种 各种无机磁性材料通过混合粘结、填充复合、表面 复合、层积复合等方式加工制得的磁性体，从复合 材料概念出发，通称为磁性树脂基复合材料。如磁 性橡胶、磁性树脂、磁性薄膜、磁性高分子微球等
结构型磁性高分子材料：指不用加入无机磁性物而 高分子自身就具有强磁性的材料，如聚双炔和聚炔 类聚合物，含氮基团取代苯衍生物，聚丙稀热解产 物等。
➢回复系数: Tanα=ΔB/ΔH
26
根磁据性滞回物曲质线的和分磁化类曲线的不同，分成三类：
(1)软磁材料
其矫顽磁力较 小，磁滞回线 较窄。(铁心)
B
(2)永磁材料
其矫顽磁力较 大，磁滞回线 较宽。(磁铁)
B
(3)矩磁材料
其剩磁大而矫顽 磁力小，磁滞回 线为矩形。(记忆 元件)
B
H
H
H
27
磁性基本测量方法
1 磁称法测量磁化率
E
HVdM
H
V
HdH
1
VH 2
0
2
F dE VH dH
dx
dx
2
1
i2 i1
28
2 磁化曲线和磁滞回线的测量
B CbR
W2 S
29
10.3 磁共振
（1）与电子磁矩在稳恒外磁场中重新取向有关的 跃迁，这种效应称为顺磁共振（ESR）。
（2）由于核磁矩在稳恒外磁场中重新取向发生的 跃迁，这种效应称为核磁共振（NMR）
S为自旋量子数，其值为1/2
4
原子的经典玻尔模型：Z个电子围绕原子核做圆周运动
核外电子结构用量子数表征：n.l.s
电子轨道大小由主量子数n决定
10.4 磁性高分子材料
复合型磁性高分子材料：是指以高分子材料与各种 各种无机磁性材料通过混合粘结、填充复合、表面 复合、层积复合等方式加工制得的磁性体，从复合 材料概念出发，通称为磁性树脂基复合材料。如磁 性橡胶、磁性树脂、磁性薄膜、磁性高分子微球等
结构型磁性高分子材料：指不用加入无机磁性物而 高分子自身就具有强磁性的材料，如聚双炔和聚炔 类聚合物，含氮基团取代苯衍生物，聚丙稀热解产 物等。
➢回复系数: Tanα=ΔB/ΔH
26
根磁据性滞回物曲质线的和分磁化类曲线的不同，分成三类：
(1)软磁材料
其矫顽磁力较 小，磁滞回线 较窄。(铁心)
B
(2)永磁材料
其矫顽磁力较 大，磁滞回线 较宽。(磁铁)
B
(3)矩磁材料
其剩磁大而矫顽 磁力小，磁滞回 线为矩形。(记忆 元件)
B
H
H
H
27
磁性基本测量方法
1 磁称法测量磁化率
E
HVdM
H
V
HdH
1
VH 2
0
2
F dE VH dH
dx
dx
2
1
i2 i1
28
2 磁化曲线和磁滞回线的测量
B CbR
W2 S
29
10.3 磁共振
（1）与电子磁矩在稳恒外磁场中重新取向有关的 跃迁，这种效应称为顺磁共振（ESR）。
（2）由于核磁矩在稳恒外磁场中重新取向发生的 跃迁，这种效应称为核磁共振（NMR）
S为自旋量子数，其值为1/2
4
原子的经典玻尔模型：Z个电子围绕原子核做圆周运动
核外电子结构用量子数表征：n.l.s
电子轨道大小由主量子数n决定
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弱磁场下工作的软磁材料，要
求有较大的起始磁导率，信号变压 器、电感的磁芯。
最大磁导率 m a x
强磁场下工作的软磁材料，要 求有较大的最大磁导率。
磁滞 铁磁和亚铁磁材料在技术磁
化过程中存在不可逆过程，磁场
减小时 M 和 B 变化滞后。
剩余磁化强度 剩余磁感应强度
去掉磁场后的 M r , B r
矫顽力
具有小Hc值、高μ的瘦长形磁滞回线的材料，适宜 作软磁材料。
具有大的Mr和Hc、低μ的短粗形磁滞回线的材料适 宜作硬磁(永磁)材料。
而Mr／Ms从接近于 1 的矩形磁滞回线的材料，即 矩磁材料则可作为磁记录材料。
3.2 物质的磁性及其物理本质
3.2.1 原子磁性
原子由原子核和核外电子构成，核外电子在各自 的轨道上绕核运动的同时还进行自转运动。因此，分 别具有轨道磁矩和自旋磁矩。
M0,B0时所需要的退磁场强度 H C
磁滞损耗 磁滞回线所围的面积。
通常所说的磁滞回线及其表征参数是指磁化强度 随磁场强度的变化的曲线和参数。
M r 和 H C 随最大磁场强度的减
小而减小。
通过逐渐减小最大磁场的强 度，可实现退磁。
μ、Mr和Hc都是对材料组织敏感的磁参数，决定于 材料的组成、显微组织、形态和分布等因素的影响。 不同的磁性材料的应用范围也不同。
级。
3.反铁磁体：χ为正值，很小。 4.铁磁性体：χ为正值，很大，约在10～106数量
级。
5.亚铁磁体：χ为正值，没有铁磁性体大。
物质的磁性分类、磁性特征及磁化机制？？？
3.1.3 磁化曲线和磁滞回线
磁化曲线
物质的磁化强度、磁感应强度、磁导率等磁参量 随磁场强度增大的变化曲线。
BH
铁磁体的三种磁化曲线
当某一电子壳层未被排满时，这个电子壳层的电 子总磁矩才不为零，该原子对外就要显示磁矩。
3.2.2 物质的抗磁性
原子的磁矩为零的物质对外不显示磁性。但在外 磁场的作用下原子的磁矩不再为零，对外表现出一定 的抗磁性。
抗磁性产生的原因
电子的轨道运动在外磁场的作用下产生了附加磁 矩。
附加磁矩与外磁场方向相反，物质磁化后内部产 生与外场方向相反的附加磁场，对外表现出抗磁性。 磁化强度与磁场强度方向相反，磁化率χ< 0。
轨 道Or磁bit矩a
l
自旋Sp磁in矩
原子核也进行自转运动也有其自旋磁矩，但与电 子磁矩相比很小，通常被忽略。
原子磁矩
原子的磁矩主要由电子磁矩组成，而电子磁矩是 轨道磁矩和自旋磁矩的矢量和。
原子中的电子按不同的壳层进行排列，当电子壳 层被排满时电子的轨道运动和自旋运动占据了所有可 能方向，电子总的角动量为零，电子的总磁矩为零。
第三章 材料的磁学性能
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。
本章主要介绍有关磁性理论、磁性的现象和磁性 分析方法在材料研究中的主要应用。
3.1 材料的磁化特征及其基本参数
磁化率 材料磁化强度与外磁场强度和温度有关。
MH
磁化率：磁化强度与外磁场强度的比值。与材料和温 度有关
M
H
介质磁化后必然影响介质所在处的磁场
加入介质前的磁感应强度。
B0 0H
加入介质后的强度磁感应强度。
B B 0 B ` 0 H 0 M
0 H 0 H 0 ( 1 ) H
令：
磁化强度：单位体积的总磁矩。
M Pm
V
等效磁荷观点 材料的的每个磁分子就是一个磁偶极子。
无外磁场时：热运动、杂乱无章，不显宏观磁性。 有外磁场时：沿磁场方向排列，显现宏观磁性。
磁极化强度：单位体积的总磁偶极矩。
J jm
V
磁化强度和磁极化强度：
J0M
μ0真空的磁导率。
3.1.2 磁化率和磁导率
0 (1 ) 0 r
则：
BH
磁导率
H B0(1)0r
材料内磁感应强度与磁场强度的比值。
相对磁导率
r 0 B HB B 0(1)
物质的磁性分类
根据物质的磁化率，把物质的磁性大致分为抗磁 体、顺磁体、反铁磁体、铁磁体和亚铁磁体。
1.抗磁体：χ为负值，很小，约在10-6数量级。 2.顺磁体：χ为正值，很小，约在10-3～10-6数量
居里定律
C T
但还有相当多的固溶体顺磁物质，特别是过渡
族金属元素是不符合居里定律的。它们的原子磁化 率和温度的关系需用居里-外斯定律来表达 。
居里-外斯定律
饱和磁化
饱和磁化强度
饱和磁感应强度
抗磁、顺磁和反铁磁物质的磁化曲线与过程无关。
铁磁性和亚铁磁性物质的磁化曲线与过程有关。
磁滞回线
磁化强度或磁感应强度随磁场强度变化一周形成 的闭合曲线。
退磁状态
H 0 时，M 0 的状态
技术磁化 从退磁状态直到饱和之的磁化过程。
起始磁导率
H
0时的磁导率。i
Hale Waihona Puke B lim H0 H3.1.1 磁化现象及磁化强度
磁化 物质受到磁场的作用而表现出一定的磁性。
磁介质 能够磁化的物质。
电磁学中物质磁化理论的两种观点：
（1） 分子环流观点。 （2） 等效磁荷观点。
分子电流观点 安培提出分子环流假说：
物质中的每个磁分子都相当一个环形电流，即是 一个分子磁矩。 无外磁场时：热运动、杂乱无章，不显宏观磁性。 有外磁场时：沿磁场方向排列，显现宏观磁性。
但在常温下，由于热运动的影响，原子磁矩难以
有序化排列，故顺磁体的磁化十分困难，磁化率一般 仅为10-6～10-3。
根据顺磁磁化率与温度的关系，顺磁质分为三大类：
1. 正常顺磁体
O2、NO、Pd稀土金属，Fe、Co、Ni的盐类，以 及铁磁金属在居里点以上都属正常的顺磁体。其中 有部分物质能准确地符合居里定律，它们的原子磁 化率与温度成反比 。
凡是电子壳层被排满了的物质都属于抗磁体。
电子壳层未被排满了的物质，也具有一定的抗磁 性，但不一定是抗磁体。
3.2.3 物质的顺磁性
顺磁性物质的原子或离子具有一定的磁矩，这 些原子磁矩来源于未满的电子壳层(例如过渡族元素 的3d壳层)。在顺磁性物质中，磁性原子或离子分开 的很远，以致它们之间没有明显的相互作用，因而在 没有外磁场时，由于热运动的作用，原子磁矩是无规 混乱取向。当有外磁场作用时，原子磁矩有沿磁场方 向取向的趋势，从而呈现出正的磁化率。