材料的磁学性能ppt课件
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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
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。
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。
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。
磁学性能课件
二、材料的磁学性能内容：材料磁性的本质、抗磁性、顺磁性及铁磁性）：（一）基本磁学性能材料所在空间的磁场强度是外加磁场强度H和材料磁化强度M之和：H总= H + M = H (1+χ)。
磁化率：χ，表示材料在磁场中磁化的难易程度。
Μ=χΗ。
根据磁化率的符号和大小，可将材料的磁性分为铁磁性、亚铁磁性、反铁磁性、顺磁性和抗磁性。
磁感应强度Β：通过磁场中某点，垂直于磁场方向单位面积的磁力线数。
Β = μΗ，μ：磁导率。
Β = μ0Η总=μ0 (1+χ) H。
μ0 (1+χ) =μ。
相对磁导率: μr= μ/μ0 = 1 + χ（一）基本磁学性能磁偶极子：强度相等、极性相反且其距离无限接近的一对“磁荷”。
p m = ml 。
磁极化强度：单位体积内磁偶极矩矢量和。
J=∑p m /∆V, J = μ0M对磁偶极子外加一夹角为θ的恒磁场，磁偶极子受到的作用力矩为Τ = pm ×H 。
当θ为0时，力矩为0，磁偶极子处于稳定状态。
在磁场作用下，磁偶极子将转向与磁场平行的方向，该过程中磁场对磁矩所做的功为：E = ∫Td θ= p m H cos θ。
静磁能：原子磁矩与外加磁场的相互作用能。
（二）抗磁性与顺磁性材料分类：抗磁性、顺磁性与铁磁性抗磁性：材料受外磁场H 作用后，感生出和H 相反的磁化强度，使磁场减弱。
磁化率χ＜0，抗磁性的磁化率约10-4–10-6，且和温度、磁场无关。
材料的抗磁性来源于将材料放入外磁场中时，外磁场对电子轨道运动产生洛仑兹力，附加磁矩方向与外磁场方向相反。
抗磁矩为外磁场对电子轨道运动的作用结果，任何材料在磁场作用下都产生抗磁性。
抗磁磁化率绝对值很小，只有在材料的原子、离子或分子固有磁矩为0时，才能观察出抗磁性。
Cu, Au, Ag 及大多数有机材料在室温下是抗磁性材料，超导态的超导体也是抗磁性材料。
形成抗磁矩的示意图（二）抗磁性与顺磁性 顺磁性：材料在外磁场中感生出和H 相同方向的磁化强度，使磁场略有增强。
材料的磁性PPT课件
微观环形电流，同时也得到了附加的磁矩。
按照楞次定律：该环形电流所产生的磁矩与外磁场方向相
反，由此而产生的物质磁性称作抗磁性。它无例外地存在于
一切物质中，但只有原子核磁矩为零的物质才可能在宏观上
表现出来，并称这种物质为抗磁性物质。在另外一些物质中，
这种磁性往往被更强的其他磁性所掩盖。
如上所述，在外磁场作用下，原子产生与外磁场方向相反
存在反铁磁体转变的顺磁体： 过渡族金属及其合金或它们
的化合物属于这类顺磁体。它们都有一定的转变温度，
称为反铁磁居里点或尼尔点，以TN表示。当温度高于TN
时，它们和正常顺磁体一样服从居里-外斯定律，且△＞
0；当温度低于TN时，它们的χ随T下降，当T→OK时，
χ→常数；在TN处χ有一极大值，MnO、MnS、NiCr、
.
17
正常顺磁体： 与温度有极强的依赖关系
TP；顺磁 居里温度
= C/T
(Curie law)
= C/(T-TP) (Curie-Weiss law)
常见的顺磁体有：稀土金属和铁族元素的盐类。
磁化率与温度无关的顺磁体：碱金属Li、Na、K、Rb属于 此类，它们的χ=10-7～10-6，其顺磁性是由价电子产生 的，由量子力学可证明它们的χ与温度无关。
.
27
2.交换作用
交换作用是指处于不同原子的、未被填满壳层上的电子
之间发生的特殊相互作用。在晶体内，参与这种作用的电子
已不再局限于原来的原子，而是“公有化”了，原子间好象
在交换电子，故称为交换作用。由这种交换作用所产生的交 换能A与晶格的原子间距有密切关系(图)。当原子间距离很 大时，A接近于零,随着距离的减小,相互作用增加。当原子 间距a与未被填满的电子壳层的直径D之比大于3时,交换能为 正值,材料呈现铁磁性;当 a/D<3时,交换能为负值,材料呈现反 铁磁性。
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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抗
Ne 0
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《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
材料的磁学性能ppt课件
第7章 材料的磁学性能 (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)
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)
材料的磁性能与磁性功能材料幻灯片PPT
磁畴壁示意图
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，物体变成铁磁性的。
应用举例：〔电饭煲的控制〕
磁学根本概念：
材料的磁性能与磁性功能 材料幻灯片PPT
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磁学初步认识：
• 磁学现象的两个根本命题：
3、铁磁体，χ为很大的正数，在较弱磁场作用下可 以产生很大的磁化强度，如铁、钴、镍。
4、亚铁磁体，χ处于铁磁体与顺磁体之间，即通常 所说的磁铁矿、铁氧体等。
5、反铁磁体， χ为小正数，高于某一温度时其行为 与顺磁体相似，低于某一温度磁化率与磁场的取向有 关。
铁磁性材料 M
亚铁磁性材料
顺铁性材料 反铁磁性材料 H
• 1 磁及磁现象的根源是电流，或者说是电 荷 的运动。
• 2 所有的物质都是磁性体
电流(或运动电荷)
磁场 电流(或运动电荷)
安培分子电流学说： 组成磁铁的每个分子都具有一个小的分 子电流，经过磁化的磁铁其小分子电流 都定向规那么排列。
现代科学认为物质的磁性来源于组成物质中 原子的磁性： 1 原子中外层电子的轨道磁矩 2 电子的自旋磁矩 3 原子核的核磁矩
抗铁磁性材料
五种磁体的磁化曲线示意图
磁饱和性
磁性物质因磁化产生的磁场是不会无限制增加的，当 外磁场(或鼓励磁场的电流)增大到一定程度时，全部 磁畴都会转向与外场方向一致。这时的磁感应强度将 到达饱和值。
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。
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Paul Langevin 1872年-1946年
外斯提出了分子场理论，阐明了铁 磁性的起源，扩展了郎之万的理论。
Weiss Pierre 1865年-1940年
18
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本
材料的磁学——材料磁学性质、来源？
章
材料对外磁场的反应？本质原因？ 不同磁性材料的性能及其应用。
提 要
磁性与材料的微观结构的联系——通过磁性研究材 料的结构：键合情况、晶体结构。
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。
发现了物质的抗磁性。
提出了电磁场这一概念。
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自学成才
经典电动力学
推导出著名的麦克斯韦方程组，首次 将电和磁在理论上统一起来，在此基 础上创立了经典电动力学。
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。
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温故 一、磁极、磁场和磁力线
➢磁极判断 ➢Single
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Single
1928年相对论形式的薛定谔方程， 也就是著名的狄拉克方程(√) ；
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；
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如何寻找磁单极子?
上穷碧落下黄泉，两处茫茫皆不见!
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磁场
磁极之间的作用力是在磁极周围空间传递的，这里存在着 磁力作用的特殊物质，称之为磁场。 磁场是对磁极产生作用力的空间，采用磁场强度H和磁 通密度B来表示。 磁场是电磁场的组成部分，其特征可用场内运动着的带 电粒子所受的力来确定，这种力源于粒子的运动及其所带 电荷。
提出了电磁波这一概念，并确认光也 是一种电磁波，对后世影响深远。
是继法拉第之后集电磁学大成的伟 大科学家，揭示了光、电、磁现象 在本质的统一性，完成了物理学的 又一次大综合。
麦克斯韦，英国物理学家
1831—1879
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居里定律
发明了磁秤（磁天平），实现了对弱磁性 的测量。
根据大量的实验结果，总结出著名的居里 定律。
➢ 司徒南：东汉时期思想家王充写的《论衡》书中“司南 之杓，投之于地，其柢指南”的记载。不要太相信古代 中国人对电和磁有多少科学的理解。
➢ 公元前600年，希腊的Thales也有琥珀摩擦吸引草屑的记
载。
电磁学真正的科学研究来自于英国William Gilbert(电磁
学之父)对电和磁的实验。吉伯为磁通势单位，用以纪念
9
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库伦定律
同种磁极相互排斥，异种磁极 相互吸引。磁极之间的相互作 用力与距离的平方成反比。
库伦定律使电磁学研究由定 性进入定量阶段，是电磁学 史上一块重要的里程碑。
库伦，法国物理学家
1736——1806
库伦扭秤
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➢两磁铁的同极性相斥，异极性相引。 两个距离为r，磁极强度(简称极强)分别为qml和qm2(单位: 韦伯Wb或A.m)的磁极间相互作用力在二者连线上，大
磁场和物体的万有引力场，电荷的电场一样，都具有一定 的能量，磁场还有本身的特性：a) 磁场对载流导体或运 动电荷表现作用力；b）载流导体在磁场中运动要做功 现在物理研究表明，物质的磁性也是电流产生的。
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地球是个大磁场。 地球的磁极却非亘古不变。自 地球诞生以来，其南北磁极曾 经发生过几次转变，即“磁极 倒转”。
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物质磁性的普遍性
磁性是物质的基本属性，应用领域很 广
3
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6
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电磁学是一门实验学科，诞生与发展依赖于实验现象与 分析。
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磁学和电学基本物理量的比较
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磁性科学早期发展
➢ 古代春秋战国时期看到的磁石吸铁。(公元前770年~公元 前221年) 《管子•地数》载：“山上有慈石(即磁石)者， 其下有铜金。”
小为: Fk(qrm12.qm2)
其中，k=6.35 * l04N
11
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电流的磁效应
1820年，由奥斯特等人发现。
证明电流可以产生磁场。
第一个非天然的磁场
无限长载流直导线：
磁 场
H I 2r
强
度
r
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奥斯特，丹麦科学家 方向是切于与导 线垂直的且以导 线为轴的圆周
H
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电和磁的关系
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电磁相互作用
第7章 材料的磁学性能 (Magnetic properties of materials)
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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。
➢ 抗磁体的磁化率不依赖磁场强度且一般不依赖于 温度； ➢ 顺磁体的磁化率不依赖磁场强度且与温度成反比； ➢ 铁在某一温度（居里温度）以上失去磁性。
皮埃尔·居里 法国物理学家
1859-1906
压电效应的发现； 放射性物质研究，发现了镭。
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郎之万和外斯
郎之万提出了抗磁性和顺磁性的经典理论。
用基元磁体的概念对物质的顺磁性及抗磁 性作了经典的说明。
发现时间：1820 -1827
发现一 通电的线圈和磁铁相似。
发现二 相同方向的平行电流相互吸引， 相反方向的平行电流相互排斥。
推导出两个电流元之间的作用力公式。
发现三 磁是由运动的电荷产生的。
由此说明了地磁的成因和物质的磁性。
安培，法国科学家 （1775-1836）
发现四 提出了分子电流假说。
揭示了物质磁性的本质。
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7.1 材料磁性能的表征参量和材料 磁化的分类 (Character parameters of magnetic properties of materials and classification of material magnetization)
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7.1.1 材料磁性能的表征参量 (Character parameters of magnetic properties of materials)