材料的磁学性能
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材料物理性能-_磁学性能
磁化率，反映材料磁化的难易程度，无量纲， 可正可负，是物质磁性分类的主要依据。
7
4. 磁感应强度和磁导率（P133） 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的磁通量密度，称其为 磁感应强度B，即在强度为H的磁场中被磁化后，物质内磁场 强度的大小。 在真空中，磁感应强度为：
26
二、技术磁化（P154）
对未经外磁场磁化的 ( 或处于退磁状态的 ) 铁磁体，它们 在宏观上并不显示磁性，这说明物质内部各部分的自发磁化 强度的取向是杂乱的。因而物质的磁畴决不会是单畴，而是
由许多小磁畴组成的。
技术磁化：在外磁场作用下，铁磁体从完全退磁状态磁化到 饱和的内部变化过程。
27
铁磁体在外磁场中的磁化过程主要为畴壁的 移动和磁畴内磁矩的转向。
因而自发磁化强度降低，铁磁性消失。这一温度称为居里 点Tc。在居里点以上，材料表现为顺磁性。
23
4. 反铁磁性和亚铁磁性（P132、P144） 如果交换积分 A＜0时，则原于磁矩取反向平行排列能量最 低。如果相邻原子磁矩相等，由于原子磁矩反平行排列，原
子磁矩相互抵消，自发磁化强度等于零。这样一种特性称为
9
磁学与电学基本物理量的比较 电学物理量 (单位) 磁学物理量 (单位)
J E P 0E
电流强度 I (A)
磁通量 Ф (Wb)
电流密度 J (A/m2)
电场强度 E (V/m)
磁通密度 B (Wb/m2)
磁场强度 H (A/m)
B H M H
r 1
电导率σ (Ω-1· m-1)
B0 0 H
式中μ0为真空磁导率
0 4 107 H / m
7
4. 磁感应强度和磁导率（P133） 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的磁通量密度，称其为 磁感应强度B，即在强度为H的磁场中被磁化后，物质内磁场 强度的大小。 在真空中，磁感应强度为：
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二、技术磁化（P154）
对未经外磁场磁化的 ( 或处于退磁状态的 ) 铁磁体，它们 在宏观上并不显示磁性，这说明物质内部各部分的自发磁化 强度的取向是杂乱的。因而物质的磁畴决不会是单畴，而是
由许多小磁畴组成的。
技术磁化：在外磁场作用下，铁磁体从完全退磁状态磁化到 饱和的内部变化过程。
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铁磁体在外磁场中的磁化过程主要为畴壁的 移动和磁畴内磁矩的转向。
因而自发磁化强度降低，铁磁性消失。这一温度称为居里 点Tc。在居里点以上，材料表现为顺磁性。
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4. 反铁磁性和亚铁磁性（P132、P144） 如果交换积分 A＜0时，则原于磁矩取反向平行排列能量最 低。如果相邻原子磁矩相等，由于原子磁矩反平行排列，原
子磁矩相互抵消，自发磁化强度等于零。这样一种特性称为
9
磁学与电学基本物理量的比较 电学物理量 (单位) 磁学物理量 (单位)
J E P 0E
电流强度 I (A)
磁通量 Ф (Wb)
电流密度 J (A/m2)
电场强度 E (V/m)
磁通密度 B (Wb/m2)
磁场强度 H (A/m)
B H M H
r 1
电导率σ (Ω-1· m-1)
B0 0 H
式中μ0为真空磁导率
0 4 107 H / m
材料磁学性能(材料科学基础)
➢ 在外磁场中，这类磁化了的介质内部，B小于真空中的B0 ➢ 抗磁性物质的抗磁性一般很微弱，磁化率一般为-10-5 磁化率χ ＜0，相对磁导率μr ＜1，磁感应强度B < B0 ➢ 周期表中前18个元素主要表现为抗磁性，这些元素构成了陶 瓷材料中几乎所有的阴离子，如O2-、F-、Cl-、S2-等。
h
2
（3）磁感应强度
真空
B。＝。H 。
B 磁感强度（Wb·m-2） (magnetic flux density)
H 磁场强度（A·m-1）(magnetic field strength)
0 真空磁导率，4×l0-7（H／m） (亨/米）
介质 B0(HM )HM: 磁化强度
h
3
（4）磁化率 χ(magnetic susceptibility)
➢ 不具“永久磁矩” ：原子各层都充满电子（电子自旋磁矩相互抵消）
如锌(3d104s2)，具有各层都充满电子的原子结构，其电子磁矩相互 抵消，因而不显磁性。
h
5
（2）“交换”作用
铁具有很强的磁性，这种磁性称为铁磁性。铁磁性除与电子结构有关外， 还决定于晶体结构。
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。这是因为在晶体内，参与这种相互作用的电子 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”J与晶格的原子间距有密切关系。 当距离很大时，J接近于零，随着距离的减小，相互作用有所增加。 J为正值，就呈现出铁磁性，J为负值，就呈现出反铁磁性。
a：原子间距 D：未被填满的电子壳层直h 径
a/D ＞3时 交换能为正值， 为铁磁性 a/D ＜3时 交换能为负值， 为反铁磁性
h
2
（3）磁感应强度
真空
B。＝。H 。
B 磁感强度（Wb·m-2） (magnetic flux density)
H 磁场强度（A·m-1）(magnetic field strength)
0 真空磁导率，4×l0-7（H／m） (亨/米）
介质 B0(HM )HM: 磁化强度
h
3
（4）磁化率 χ(magnetic susceptibility)
➢ 不具“永久磁矩” ：原子各层都充满电子（电子自旋磁矩相互抵消）
如锌(3d104s2)，具有各层都充满电子的原子结构，其电子磁矩相互 抵消，因而不显磁性。
h
5
（2）“交换”作用
铁具有很强的磁性，这种磁性称为铁磁性。铁磁性除与电子结构有关外， 还决定于晶体结构。
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。这是因为在晶体内，参与这种相互作用的电子 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”J与晶格的原子间距有密切关系。 当距离很大时，J接近于零，随着距离的减小，相互作用有所增加。 J为正值，就呈现出铁磁性，J为负值，就呈现出反铁磁性。
a：原子间距 D：未被填满的电子壳层直h 径
a/D ＞3时 交换能为正值， 为铁磁性 a/D ＜3时 交换能为负值， 为反铁磁性
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
第三章 材料的磁学性能
11
磁场中某方向的磁矩所具有的静磁能为 上式是分析磁体相互作用，以及在磁场中所处状 态是否稳定的依据。
8
对于顺磁质， 是一个很小的正值 对于抗磁质， 是一个很小的负值
＝＝
对于铁磁质， 则是一个较大的正值，且其 值随 外磁场强度的变化而变化，
10
三、磁感应强度（magnetic induction strength）和 磁导率（ permeability ） 磁感应强度（B）：通过磁场中某点，垂直于磁 场方向单位面积的磁力线数。单位：特斯拉。
2
物质磁化理论有两种观点：分子电流观点和等效磁荷观点，两 种观点是等效的（不同的理解角度)。
●分子电流观点： 物质中的每个分子都存在一环形电流（分子中原子、离子
的电子循轨、自旋运动)，环形电流场产生磁场。 无外磁场时，各分子环流取向杂乱无章，作用抵消，不显磁性； 施加外磁场后，分子电流的磁矩在磁场场作用下趋于定向排列，
度， 这种现象称为剩磁现象。要使M降至0，必须施加一反向 磁场－Hc， Hc称为磁矫顽力。继续增加反向磁场至－ Hs，磁化强度达到－Ms。从－ Ms改为正向磁场，随H
的 增加，M沿另一曲线逐渐增大至Ms。 整个过程中M的变化总是落后于H的变化，这种现象称为
磁滞效应。
31
铁氧体具有很高的Hc，而金属材料的Ms比较大。
32
第二节 物质的磁性及其物理本质
1.原子的磁性
原子中的电子进行着绕原子核的循轨运动和绕本身 轴的自旋运动。这两种运动都相应地存在着恒定的 磁矩，可分别称为电子的循轨磁矩和自旋磁矩。
34
循轨磁矩
2m
轨道磁矩受晶格场的作用，其方向是变化的， 不能形成一个联合磁矩，对外没有磁性作用
36
磁场中某方向的磁矩所具有的静磁能为 上式是分析磁体相互作用，以及在磁场中所处状 态是否稳定的依据。
8
对于顺磁质， 是一个很小的正值 对于抗磁质， 是一个很小的负值
＝＝
对于铁磁质， 则是一个较大的正值，且其 值随 外磁场强度的变化而变化，
10
三、磁感应强度（magnetic induction strength）和 磁导率（ permeability ） 磁感应强度（B）：通过磁场中某点，垂直于磁 场方向单位面积的磁力线数。单位：特斯拉。
2
物质磁化理论有两种观点：分子电流观点和等效磁荷观点，两 种观点是等效的（不同的理解角度)。
●分子电流观点： 物质中的每个分子都存在一环形电流（分子中原子、离子
的电子循轨、自旋运动)，环形电流场产生磁场。 无外磁场时，各分子环流取向杂乱无章，作用抵消，不显磁性； 施加外磁场后，分子电流的磁矩在磁场场作用下趋于定向排列，
度， 这种现象称为剩磁现象。要使M降至0，必须施加一反向 磁场－Hc， Hc称为磁矫顽力。继续增加反向磁场至－ Hs，磁化强度达到－Ms。从－ Ms改为正向磁场，随H
的 增加，M沿另一曲线逐渐增大至Ms。 整个过程中M的变化总是落后于H的变化，这种现象称为
磁滞效应。
31
铁氧体具有很高的Hc，而金属材料的Ms比较大。
32
第二节 物质的磁性及其物理本质
1.原子的磁性
原子中的电子进行着绕原子核的循轨运动和绕本身 轴的自旋运动。这两种运动都相应地存在着恒定的 磁矩，可分别称为电子的循轨磁矩和自旋磁矩。
34
循轨磁矩
2m
轨道磁矩受晶格场的作用，其方向是变化的， 不能形成一个联合磁矩，对外没有磁性作用
36
材料物理性能-第6章-磁学性能
1) 正常顺磁体，其 随温度变化符合 l／T关系，
如，金属铂、钯、奥氏体不锈钢、稀土金属等。
2) 与温度无关的顺磁体，例如锂、钠、钾、铷
等金属。
铁磁体 在较弱的磁场作用下，就能产生很大的磁化强度。
是很大的正数，且与外磁场呈非线性关系变化。
具体金属有铁、钴、镍等。 铁磁体在温度高于某临界温度后变成顺磁体。 此临界温度称为居里温度或居里点，常用Tc表示。
式中 m 称为磁化率。
2. 磁学物理量和电学物理量的对比记忆
一、电极化：在外电场作用下，介质内的质点（原子、分子、 离子）正负电荷重心的分离，使其转变成偶极子的过程。
或在外电场作用下，正、负电荷尽管可以逆向移动，但它们 并不能挣脱彼此的束缚而形成电流，只能产生微观尺度的相 对位移并使其转变成偶极子的过程。
设铁磁体原来的尺寸为l0 ，放在磁场中磁化时，其尺寸变 为 l ，长度的相对变化为，
原子的磁矩
《材料物理性能》——材料的磁性能 原子的磁矩
原子的磁矩
《材料物理性能》——材料的磁性能 原子的磁矩
《材料物理性能》——材料的磁性能 原子的磁矩
《材料物理性能》——材料的磁性能
抗磁性来源 理论研究证明，在外磁场作用下，一个电子的轨
道运动和自旋运动以及原子核的自旋运动都会发生变 化，产生一附加磁矩m。
二、磁化：是指在物质中形成了成对的N、S磁极。
三、电荷——磁极，电荷量——磁极强度
两个磁极间的相互作用力与两个电荷间的相互作用力表达式 相似。所不同的是公式中一个有真空介电常数o ，一个为真 空磁导率 o
偶极子：构成质点的正负电荷沿 电场方向在有限范围内短程移动， 形成一个偶极子
E -q
电偶极矩 ：=ql
如，金属铂、钯、奥氏体不锈钢、稀土金属等。
2) 与温度无关的顺磁体，例如锂、钠、钾、铷
等金属。
铁磁体 在较弱的磁场作用下，就能产生很大的磁化强度。
是很大的正数，且与外磁场呈非线性关系变化。
具体金属有铁、钴、镍等。 铁磁体在温度高于某临界温度后变成顺磁体。 此临界温度称为居里温度或居里点，常用Tc表示。
式中 m 称为磁化率。
2. 磁学物理量和电学物理量的对比记忆
一、电极化：在外电场作用下，介质内的质点（原子、分子、 离子）正负电荷重心的分离，使其转变成偶极子的过程。
或在外电场作用下，正、负电荷尽管可以逆向移动，但它们 并不能挣脱彼此的束缚而形成电流，只能产生微观尺度的相 对位移并使其转变成偶极子的过程。
设铁磁体原来的尺寸为l0 ，放在磁场中磁化时，其尺寸变 为 l ，长度的相对变化为，
原子的磁矩
《材料物理性能》——材料的磁性能 原子的磁矩
原子的磁矩
《材料物理性能》——材料的磁性能 原子的磁矩
《材料物理性能》——材料的磁性能 原子的磁矩
《材料物理性能》——材料的磁性能
抗磁性来源 理论研究证明，在外磁场作用下，一个电子的轨
道运动和自旋运动以及原子核的自旋运动都会发生变 化，产生一附加磁矩m。
二、磁化：是指在物质中形成了成对的N、S磁极。
三、电荷——磁极，电荷量——磁极强度
两个磁极间的相互作用力与两个电荷间的相互作用力表达式 相似。所不同的是公式中一个有真空介电常数o ，一个为真 空磁导率 o
偶极子：构成质点的正负电荷沿 电场方向在有限范围内短程移动， 形成一个偶极子
E -q
电偶极矩 ：=ql
材料的磁学性能
材料的磁学性能
材料的磁学性能是指材料在外加磁场下的磁化特性，包括磁化强度、磁导率、磁化曲线等。
磁学性能对于材料的应用具有重要的意义，尤其是在电子、通信、医疗等领域。
本文将从磁性材料的基本概念、磁性材料的分类、磁性材料的应用等方面进行介绍和分析。
磁性材料是指在外加磁场下会产生磁化现象的材料。
根据材料在外加磁场下的磁化特性，可以将磁性材料分为铁磁性材料、铁素磁性材料、铁氧体材料和软磁性材料等几类。
铁磁性材料在外加磁场下会产生明显的磁化现象，具有较高的磁导率和磁化强度，主要用于制造电机、变压器等电器设备。
铁素磁性材料具有较高的电阻率和磁导率，主要用于制造电感元件、磁芯等。
铁氧体材料具有较高的磁导率和磁化强度，主要用于制造微波器件、磁记录材料等。
软磁性材料具有较低的矫顽力和磁导率，主要用于制造变压器、电感器等。
磁性材料在电子、通信、医疗等领域具有广泛的应用。
在电子领域，磁性材料主要用于制造电感元件、变压器、磁芯等，用于电源、通信、计算机等设备中。
在通信领域，磁性材料主要用于制造微波器件、天线等，用于无线通信、卫星通信等设备中。
在医疗领域，磁性材料主要用于制造医疗设备、磁共振成像设备等，用于诊断、治疗等用途。
总之，磁性材料的磁学性能对于材料的应用具有重要的意义。
通过对磁性材料的基本概念、分类和应用的介绍和分析，可以更好地了解磁性材料的特性和用途，为相关领域的科研和生产提供参考和指导。
希望本文能够对读者有所帮助，谢谢阅读。
第七章 材料的磁学性能
3.相变及组织转变的影响
当材料发生同素异构转变时，晶格类型及原子间距 发生变化，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。当材料发生其他相变时，也会影响磁化 率，影响的规律比较复杂。
加工硬化对金属的抗磁性影响也很明显。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。
mS 2 S i S i 1m B
式中:Si为自旋量子数，其值为1/2。
运动电子的磁矩，一般是轨道磁矩和自旋磁矩的矢量和。
原子、分子是否具有磁矩，决定于该原子、分子的结构。理 论证明，当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，它对原子磁矩没有贡献。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。例如，铁 原子中共26个电子，电子层分布为1s22s22p63s23p63d64s2，可 以看出，除3d次电子层外，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轨 道，并且它们的自旋尽量在同方向上(平行自旋)。因此，铁原 子3d次电子层中，5个轨道中有4个只有1个电子，而且这些电 子的自旋方向平行，因此铁原子的固有磁矩是4个电子磁矩的 总和。当原子结合成分子时，它们的外层电子磁矩要发生变 化，所以分子磁矩并不是单个原子磁矩的总和。
2.温度的影响 抗磁性：在相变温度（熔化、凝固、同素异构转变）影 响抗磁磁化率； 顺磁性：影响很大。 居里定律 居里-外斯定律
第三章 材料的磁学性能
C T C
T TN
顺磁体的χ-T 关系曲线示意图
3.2.4 金属的抗磁性与顺磁性
金属是由点阵离子和自由电子构成的，故金属 的磁性要考虑到点阵结点上正离子的抗磁性和顺磁 性，以及自由电子的抗磁性与顺磁性。
正离子的抗磁性源于其电子的轨道运动，正离 子的顺磁性源于原子的固有磁矩。
而自由电子的磁性的顺磁性源于电子的自旋磁 矩，自由电子的抗磁性源于共在外磁场中受洛仑兹 力而作的圆周运动，这种圆周运动产生的磁矩同外 磁场反向。
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 。
温度和磁场强度对抗磁性的影响甚微，但当金 属熔化凝固、范性形变、晶粒细化和同素异构转变 时，电子轨道的变化和原子密度的变化，将使抗磁 磁化率发生变化。
熔化、加工硬化和晶粒细化等因素都是使金属 晶体趋于非晶化，都是因变化时原子间距增大、密 度减小，使得抗磁性减弱。
同质异构相转变时，伴随磁性转变。
合金的相结构及组织对磁性的影响比较复杂 。
3.3.2 反铁磁性和亚铁磁性
反铁磁性
如果交换积分A＜0时，则原于磁矩取反向平行 排列能量最低。如果相邻原子磁矩相等，由于原子 磁矩反平行排列，原子磁矩相互抵消，自发磁化强 度等于零。这样一种特性称为反铁磁性。
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。
材料的磁学性能
第四节
抗磁与顺磁磁化率的测量
dH xVH dx
磁秤法：如图1-12。 试样在不均匀磁场中，沿x方向受力F: F F为正，为顺磁； F为负，为逆磁。
第五节
顺磁与抗磁分析在金属学中的应用
金属的磁化率取决于合金的成分、组织 和结构，因此可以通过测量合金的顺磁 或抗磁磁化率及其变化规律，可以研究 合金的相变。
通过测定试样在均匀磁场中所受磁力矩的大 小来求得其磁化强度。如图1-45 P28。 两个磁极间匀强磁场 H 24 10 4 A / m ，加热炉使 试样A氏体化，等温炉使其保持一定温度。磁化 后试样受到的磁力矩 为： VHM sin 0 0 为初始角度； V为试样体积。
试样偏转 角后，处于平衡状态，此时：
一、测量Al-Cu合金的固溶度曲线。 如图1-13。
铝为顺磁，铜为抗磁。 当Cu含量在单相固溶体 相区时，磁化率随Cu的 增大而呈现接近直线的平滑曲线下降；当Cu含量在 两相区时，磁化率曲线较平坦。两条曲线的交 点，即为最大溶解度极限点。 二、测定A氏体不锈钢中微量铁素体 钢中析出微量F体时，使磁化率明显增加。如图114。
每一周期前面的元素都是顺磁性，后面的元素 为抗磁性。过渡族元素除 Fe、Ni、Co外都是顺磁性。
第三节 影响磁化率的因素
一、温度 温度升高，原子热运动加剧，原子磁矩的无序 取向增大，使顺磁磁化过程变困难，导致顺磁磁化率 降低。 M C X测 H T 居里常数：
C
0 n i2
3K
C 铁磁性金属与温度的关系： x T
dt
在测量回路中感生电流： i E N 2 d
R R dt
在t秒内产生的总电量：
Q idt
材料的磁学性能
上穷碧落下黄泉，两处茫茫皆不见!
H
24
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。
磁通量Φ :垂直于某一面积所通过的磁力线的多少。 单位韦伯，Wb。 Φ=B*S
磁通密度B： B = Φ /S，等于穿过单位面积的磁通量。 单位特斯拉T，Wb.m-2 。 B=F/IL，
磁介质（除超导体以外不存在磁绝缘的概念，故一切物质 均为磁介质）在磁场中发生的磁化对源磁场也有影响（场 的迭加原理）。
程divB = 0。
38
从物理的角度来看到底哪一种观点更加合理、更加接近于 物质磁性起源的真实情况呢？
从目前来看，视乎分子 电流的观点更接近于真
实情况
a、电子的轨道磁矩来自电子的轨 道电流，支持分子电流的观点； b、狄拉克(Dirac)虽然从理论上预 言了“磁单极”的存在，但至今没有 发现“磁单极”，使磁偶极子的概念 失去了存在的基础。
H
40
（3）、磁化强度： Gauss单位制中，磁极化强度（J）与磁化强度（M） 相同，单位：G
J： 1G4104T
M：1G103Am1
41
H
42
三 磁化、磁化强度与磁矩
• 物质在磁场中由于受到磁场的作用而表现出 一定的磁性，该过程称为磁化。
• 能够被磁化的或能被磁性物质吸引的物质叫 做磁性物质或磁介质
H
26
H
27
澳大利亚南部的亚塔斯马尼亚岛总要发生鲸鱼搁浅事件！
H
29
磁学性能
3. 物质的顺磁性
来源：原子（离子）的固有磁矩。 无外H时：由于热运动的影响，固有磁矩取向无序，宏观上无磁性。 外H作用下：固有磁矩与H作用，有较高的静磁能，为降低静磁能，固 有磁矩改变与H的夹角，趋于排向外H方向，表现为正向磁化。在常温和 H不是很高的情况下，M与H成正比，磁化要克服热运动的干扰，磁矩难 以有序排列，故顺磁化进行十分困难，磁化率较小。 常温下顺磁体达到饱和磁化所需的H非常大，技术上难以达到，但温度 降至接近0K时，就容易了。 根据顺磁磁化率与温度的关系，可把顺磁体分为三类： 正常顺磁体：磁化率随温度升高而降低的顺磁体。 符合居里定律： 或居里－外斯定律：
根据磁化率符号和大小，可把磁介质分为五类。
亚铁磁性材料
顺磁性材料 反铁磁性材料
0
抗磁性材料
H
2. 磁化率与物质磁性的分类
1）抗磁体 χ为甚小负常数，约在10-6数量级，即M与H方向相反，在磁场中使磁场稍减弱， 受微弱斥力，约有一半的简单金属是抗磁体。分为： (1)“经典”抗磁体，χ 不随T变化，如铜、银、金、汞、锌等。 (2)反常抗磁体，χ 随T变化，为前者10～100倍，如铋、镓、锑、锡等。 2）顺磁体 χ为正常数，约为10－3～10－6数量级，即M与H方向相同，在磁场中使磁场稍增 强，受微弱引力，分为： （l）正常顺磁体，χ 随T变化，且符合与T反比关系，如铂、钯、奥氏体不锈钢、 稀土金属等。 （2）χ 与T无关的顺磁体，如锂、钠、钾、铷等。 3）反铁磁体 χ是甚小的正常数，当T高于某个温度时（尼尔温度TN），转换为顺磁体，T－ χ曲线？如α－Mn、铬、氧化镍、氧化锰等。 4）铁磁体 χ为很大的正变数，约在10～106数量级，且不大的H就能产生很大的M，在磁场 中被强烈磁化，受强大的吸力，如铁、钴、镍等。其M－H 、 χ－H曲线？ 5）亚铁磁体 类似铁磁体，但χ值没有铁磁体大，如磁铁矿（Fe3O4）等。
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。
5 材料的磁学性能
外磁场。
顺磁体的原子或离子是有磁矩的(称为原子固有磁矩，它是电子 的轨道磁矩和自旋磁矩的矢量和)，其源于原子内未填满的电子 壳层(如过渡元素的d层，稀土金属的f层)，或源于具有奇数个电
子的原子。但无外磁场时，由于热振动的影响，其原子磁矩的取 向是无序的，故总磁矩为零。
当有外磁场作用，则原子磁矩便排向外磁场的方向，总磁矩便大
材料名称 氧化铝 铜 金 水银 硅 银
当有介质时，介质被磁化后，其产生的磁场强度M和源
磁场强度H对运动电荷共同产生作用，此时磁感应强度
和Ｂ磁场强度H有何关系？
B 0 ( H M )
令 则
0 (1 ) H 0 (1 ) B H
式中的μ为介质的磁导率，单位为H/m，是磁性材料 最重要的物理量之一，其也反映了介质磁化的能力。
亚铁磁性物质由磁矩大小不同的两种离子(或原子)组成，
矩，这就是亚铁磁性（ferrimagnetism）。
尼尔点是反铁磁性转变为顺磁性的温度(有时也称为反铁磁 物质的居里点Tc) 。
尼尔点
图5-14 三种磁化状态示意图
5.3.3 磁畴 铁磁性（ferromagnetism）材料所以能使磁化 强度显著增大（即使在很弱的外磁场作用下， 也能显示出强弱性），这是由于物质内部存在 着自发磁化的小区域——磁畴（magnetic domain）的缘故。
外磁场除去后仍保持相当大的永久磁性， 这种磁性称为铁磁性。
过渡金属铁、钴、镍和某些稀土金属如钆、 钇、钐、铕等都具有铁磁性。 此材料的磁化率可高达103，M>>H
5.2 抗磁性与顺磁性
任何物质都是由原子组成的，而原子又是由带正
电荷的原子核(简称核子)和带负电荷的电子所构
第五章材料的磁学性能
(2) 自旋磁矩
每个电子本身作自旋运动，产生一个沿自旋轴方向的 自旋磁矩（electronic spin magnetic moment）。因此 可以把原子中每个电子都看作一个小磁体，具有永久 的轨道磁矩和自旋磁矩，如图5-4所示。实验测定电子 自旋磁矩在外磁场方向上的分量恰为一个玻尔磁子： （5-17）
ez l B l
式中，ml为电子运动状态的磁量子数，下角z表示外磁 场方向；μB为玻尔磁子(Bohr magneton)，是电子磁矩 的最小单位，其值为 eh B 9.27 1024 ( J T 1 )（5-16） 4me 式中 ， e ， h和 me 分别为电子电量、普朗克(Planck) 常量和电子质量。
5.1.1 磁学基本量
（1）磁感应强度和磁导率 1820年，奥斯特发现电流能在周围空间产生磁场， 一根通有I安培(A)直流电的无限长直导线，在距导线 轴线r米(m)处产生的磁场强度H（magnetic field strength）为：
H
I
(5-1)
2r
在国际单位制中，的单位为安培/米(A/m)。
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IΔS(图5-1)。在均匀磁场中，磁矩受到 磁场作用的力矩J J＝m×B (5-4) 式中，J为矢量积，B为磁感应强度，其单位为：
(1) 电子轨道磁矩 电子绕原子核的轨道运动，产生一个非常小的磁场， 形成一个沿旋转轴方向的轨道磁矩。设r为电子运动轨 道的半径，L为电子运动的轨道角动量，ω为电子绕核 运动的角速度，电子的电量为e，质量为m。根据磁矩 等于电流与电流回路所包围的面积的乘积的原理，电 子轨道磁矩（electronic orbital magnetic moment）的 大小为： e e 2 2 Pe iS e( )r mr L (5-14) 2 2m 2m 该磁矩的方向垂直于电子运功轨迹平面，并符合右 手螺旋定则。它在外磁场方向上的投影，即电子轨道 磁矩在外磁场方向上的分量，满足量子化条件 (5-15) P m (m 0， 1 ， 2， ， l)
材料的磁学性能
五、铁磁性及其物理本质
物质中相邻原子或离子的磁矩，由于相互作用而在某些区域中大致按同一方 向排列，当所施加的磁场强度增大时，这些区域的合磁矩定向排列程度会随之增 加到某一极限值的现象
永久磁矩，来源于电子自旋 净磁矩，无外场条件下（如图） 磁畴，晶体中自旋取向相同的区域
铁磁材料中，无外磁场条件 下，原子磁矩的定向排列
me
Ma
轨道磁矩在外场方向Z上的分量：
l,H ml B ml 0, 1, 2 ,
ml — 轨道磁量子数（空间量子数），共2l+1个
轨道磁矩
2）电子的自旋磁矩 s
电子自旋角动量（自旋动量矩）： Ps s(s 1)
s 1 2 — 自旋量子数
电子自旋磁矩： s 2B s(s 1)
电子自旋磁矩在外场方向Z上的分量： s,H 2msB ms = 1/2 — 自旋磁量子数
i1
N — 单位体积中原子（离子）数
Z — 每个原子（离子）的电子数
ri
0
— 第 i 个电子循轨运动的平均半径 — 真空磁导率
m、e — 电子的质量、电量
自由电子的抗磁性
源于自由电子因受到劳伦兹力的作用，而在垂直于外磁场的平面内作定向的 环绕运动所产生的附加磁矩，该附加磁矩也总是反平行于外磁场
自由电子的抗磁磁化率： 自由电子的总磁化率：
L
和
S
i
的矢量之和，即
J L S
由各电子的磁矩（或角动量）组合成原子的总磁矩（或总角
动量），主要有两种耦合方式：
①原子序数在32以下，为L-S 耦合，即
L ( (l )i ) S ( (s )i ) J 或 L( li ) S( si ) J
i
i
第四章材料的磁学性能
这表明，自旋磁矩在空间只有两个可能的量子化方向。
用自旋量子数本征值s=1/2代入，即可得到一个电子的自旋磁矩的绝对值等于
原子磁矩
如果要确定一个原子的磁矩，并考虑核外电子多于一个电子的情况，则首先要了解原子中电子的分布规律以及原子中电子的角动量是如何耦合的。 电子壳层与磁性 在多电子原子中，决定电子所处的状态的准则有两条：一是泡利（Pauli）不相容原理，即是说在已知体系中，同一（n,l,ml,ms）量子态上不能有多于一个电子；二是能量最小原理，即体系能量最低时，体系最稳定。
磁场强度和磁感应强度的关系为 式中的 为磁导率，是材料的特性常数。表示材料在单位磁场强度的外磁场作用下，材料内部的磁通量密度，只和介质有关，表征磁体的磁性、导磁性及磁化难易程度。 的单位为H/m。
在真空中，磁感应强度为 式中0为真空磁导率。它是一个普适常数， 其值: 4π×10-7 单位: H（亨利）/m。
洪德法则
洪德法则是基于对光谱线的实验而建立的。其内容如下： 法则一：在Pauli原理允许下，给定的电子组态具有S最大值 法则二：在相应最大值时给出的L值应最大， 法则三：未满壳层中电子总角动量J分别由下述情况给出： J=L-S, 次壳层上的电子数不够半满数 J=L+S,次壳层上的电子数等于或大于半满数。
在均匀磁场中,磁矩受到磁场作用的力矩JF
J为矢量积,B为磁感应强度,其单位为Wb/m2 ,Wb (韦伯)是磁通量的单位。 磁矩在磁场中所受的力 ,对于一维为：
磁矩的意义
表征磁偶极子磁性强弱和方向的一个物理量。 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。 和磁偶极矩具有相同的物理意义，但μm和jm各有自己的单位和数值，有如下关系
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
第五章_材料的磁学性能--100908
反磁性 m= -10-5 ~-10-6 磁矩的排列与磁性的关系 磁 场
5.2.3 物质的顺磁性
顺磁体的原子或离子是有磁矩的（固有磁矩），其源 于原子内未填满的电子壳层或源于具有奇数个电子的 原子。无外磁场时，由于热振动的影响，其原子磁矩 的取向是无序的，故总磁矩为零。当有外磁场作用， 则原子磁矩便排向外磁场的方向，总磁矩便大于零而 表现为正向磁化。
在电磁学中, H与 B 的关系通常由实验来决定，即可通
过实验来测定物质的摩尔磁化率。
实验表明，对非铁磁（强磁）物质，在 T 与 B 不太高
也不太低时磁化强度 M ，磁化率 X 与磁场强度 H满足 线性关系。 = X m H M
M : emu G mol1 , Cm3 G mol1 m : emu mol1 , Cm3 mol1
任何物质在外磁场作用下，除了外磁场H外， 由于物质内部原子磁矩的有序排列，还要产生 一个附加的磁场M。
磁化率χ ： χ = M/H 物体在磁场中被磁化的程度，与磁化场的强度 有关。（体积）磁化率为无因次量，表示单位 体积内磁场强度的变化，反映了物质被磁化的 难易程度。 磁导率μ ： μ=B/H 是磁化曲线上任意一点上B和H的比值。磁导率 实际上代表了磁性材料被磁化的容易程度，或 者说是材料对外部磁场的灵敏程度。
原子的磁矩取决于未填满壳层电子的轨道磁矩和自 旋磁矩。 在无外磁场时，电子壳层已填满的原子其轨道磁矩 和自旋磁矩的总和为零。
I 产生抗磁矩的示意图
左手定则 Pe 右手定则 附加磁矩
1 er 2 2
K m r 2
K Her
I
当有外磁场作用时，由于电子的循轨运动在外磁场 的作用下产生了抗磁磁矩，总磁矩为零的原子也会 显示出磁矩来。
5.2.3 物质的顺磁性
顺磁体的原子或离子是有磁矩的（固有磁矩），其源 于原子内未填满的电子壳层或源于具有奇数个电子的 原子。无外磁场时，由于热振动的影响，其原子磁矩 的取向是无序的，故总磁矩为零。当有外磁场作用， 则原子磁矩便排向外磁场的方向，总磁矩便大于零而 表现为正向磁化。
在电磁学中, H与 B 的关系通常由实验来决定，即可通
过实验来测定物质的摩尔磁化率。
实验表明，对非铁磁（强磁）物质，在 T 与 B 不太高
也不太低时磁化强度 M ，磁化率 X 与磁场强度 H满足 线性关系。 = X m H M
M : emu G mol1 , Cm3 G mol1 m : emu mol1 , Cm3 mol1
任何物质在外磁场作用下，除了外磁场H外， 由于物质内部原子磁矩的有序排列，还要产生 一个附加的磁场M。
磁化率χ ： χ = M/H 物体在磁场中被磁化的程度，与磁化场的强度 有关。（体积）磁化率为无因次量，表示单位 体积内磁场强度的变化，反映了物质被磁化的 难易程度。 磁导率μ ： μ=B/H 是磁化曲线上任意一点上B和H的比值。磁导率 实际上代表了磁性材料被磁化的容易程度，或 者说是材料对外部磁场的灵敏程度。
原子的磁矩取决于未填满壳层电子的轨道磁矩和自 旋磁矩。 在无外磁场时，电子壳层已填满的原子其轨道磁矩 和自旋磁矩的总和为零。
I 产生抗磁矩的示意图
左手定则 Pe 右手定则 附加磁矩
1 er 2 2
K m r 2
K Her
I
当有外磁场作用时，由于电子的循轨运动在外磁场 的作用下产生了抗磁磁矩，总磁矩为零的原子也会 显示出磁矩来。
第三章材料的磁学性能
第三章材料的磁学性能一，一，基本概念1. 1.磁畴：在未加磁场时铁磁金属内部已经磁化到饱和状态的小区域。
2. 2.磁导率：磁导率是磁性材料最重要的物理量之一，表示磁性材料传导和通过磁力线的能力，用μ表示，其中μ＝Ｂ／Ｈ．单位为亨利／米（Ｈ·m-1）．3. 3.自发磁化：在未加磁场时铁磁金属内部的自旋磁矩已经自发地排向了同一方向的现象．4. 4.磁滞损失：磁滞回线所包围的面积相当于磁化一周所产生的能量损耗。
5. 5.磁晶各向异性：6. 6.退磁场：非闭合回路磁体磁化后，磁体内部产生一个与磁化方向相反的磁场。
第三章材料的磁学性能随着近代科学技术的发展，金属和合金磁性材料，由于它的电阻率低、损耗大，已不能满足应用的需要，尤其是高频范围。
磁性无机材料除了有高电阻、低损耗的优点以外，还具有各种不同的磁学性能，因此它们在无线电电子学、自动控制、电子计算机、信息存储、激光调制等方面，都有广泛的应用。
磁性无机材料一般是含铁及其它元素的复合氧化物，通常称为铁氧体（ferrite）。
它的电阻率为10～106Ω·m，属于半导体范畴。
目前，铁氧体已发展成为一门独立的学科。
本章介绍磁性材料的一般磁性能，着重讨论铁氧体材料的性能与应用。
7.1磁矩和磁化强度7.1.1磁矩（1）定义在磁场的作用下，物质中形成了成对的N、S磁极，称这种现象为磁化。
与讨论电场时的电荷相对应，引入磁量的概念，并把磁量叫做磁极强度或磁荷。
将一对等量异号的磁极相距很小的距离，把这样的体系叫做磁偶极子。
在外磁场的影响下，磁偶极子沿磁场方向排列。
为达到与磁场平行，该磁矩在力矩T=Lq m Hsin (7.1)的作用下，发生旋转。
式中的系数Lq m定义为磁矩M(Wb·m)。
磁矩这一物理量是磁相互作用的基本条件，是物质中所有磁现象的根源。
磁矩的概念可用于说明原子、分子等微观世界产生磁性的原因。
（2）原子磁矩物质是原子核和电子的集合体，要理解物质的磁性起源，就要考虑原子具有的磁矩。
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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
法国国家科研中心研究人员设计出一种全新的实验装置，它由一层绝缘的防 水膜和一支外部直径为几十纳米的硼氮纳米管组成。研究人员让纳米管穿过薄膜， 并在纳米管两端插上电极。研究人员将淡水和咸水置于薄膜两侧，测出穿过纳米 管的电流强度比当前其他技术效率高１０００倍。研究人员认为，这是因为硼氮 纳米管表面附有大量负电荷，能够吸引咸水中的阳离子。
顺铁性材料 反铁磁性材料
H
抗铁磁性材料 五种磁体的磁化曲线示意图
一、材料抗磁性与顺磁性的物理本质
1.抗磁性
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 0.5er2 电子作循轨运动时受到的向心力Fc
形成抗磁磁矩Δm的示意图
Fc mr 2
受到垂直于轨道平面的磁场作用所产生的附加向心力ΔFc
透过铁粉显示出的磁场线
地球磁场倒转
磁化强度M：
磁化强度表征磁介质本身的磁化程度。在外磁场的作用下，在磁 介质内任取一个体积单元，要求这个体积单元在微观上要足够大， 即包含足够数量的磁偶极子，但在宏观上要足够小，即能表征该 处的磁化强度。磁化强度的物理意义：单位体积的磁矩。
M
1 V
mi
磁化强度的单位是 A/m(安/米)。mi为原 子固有磁矩。
• 顺磁体的磁化率小，一般为10-5。含有奇数个电子的原子
或电子未填满壳层的原子或离子，如过渡族元素、稀土元 素及铝铂等金属，都属于顺磁性物质。
液态氧涓流被磁场偏转，显示出其顺磁性
尽管氧分子的总电子数为偶数，但它是一个含2个不成对电子 的奇电子分子。
➢ 铁磁性材料
• 即使无外加磁场，磁矩也按同一方向整齐排列，这种
• 尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla，1856年－1943年），1856 年7月10日出生，是世界知名的发明家、物理学家、机械 工程师和电机工程师。塞尔维亚血统的他出生在克罗地亚 （后并入奥地利帝国）。特斯拉被认为是历史上一位重要 的发明家。他在19世纪末和20世纪初对电和磁性做出了杰 出贡献。他的专利和理论工作形式依据现代交变电流电力 （AC）的系统，包括多相电力分配系统和AC马达，帮助 了他带起第二次工业革命。
➢ 抗磁性材料
• 当磁化强度M为负时，介质表现为抗磁性。抗磁性物
质的磁化率一般为-10-5。这种物质的原子或离子的电 子结构是闭层的，正、反旋转的电子数目相等，不产 生磁矩。周期表在中前18个元素主要表现为抗磁性， 并且在磁性陶瓷材料中，构成了几乎所有的阴离子， 如O2-，F-，Cl-，S2-，CO32-，N3-，OH-等，在这些阴离 子中，电子填满壳层，自旋磁矩平衡。
➢ 顺磁性材料
• 在具有未成对电子的原子、分子或离子中，由于存在未成
对电子的轨道运动和自旋运动而具有磁矩，这种性质称为
顺磁性，具有顺磁性的物质称为顺磁体。
• 顺磁体的主要特征是：不论外加磁场是否存在，原子内部
存在永久磁矩。
• 顺磁体宏观无磁性，在外磁场作用下，磁矩可以规则取向
，物质显示极弱的磁性。顺磁体的磁化强度为正，且M严 格与外磁场H成正比。
纳米材料
微观之美
掺杂了锌的氧化锡材料表面
二氧化钛纳米管层在被暴露于 氧化腐蚀溶液之后的效果
氧化锌纳米线附着在聚合物微型球粒上 高压下锆钛酸铅铁电材料电场的变化
思考题
• 试说明磁化强度与附加磁场强度的一致性。
第二节 抗磁性与顺磁性
根据材料被磁化后对磁场所产生的影响，可以把材料分为3类： 抗磁性材料：材料被磁化后，磁化矢量与外加磁场方向相反，
当物体在外加磁场中被磁化时，物体所在空间的总磁场强度 Ht=H+M，根据Ht=H+H’，得到：
H M
磁化强度不仅与外加磁场有关，还与物质本身的磁化特性有关。 磁化率χ：表征物质本身的磁化特性，量纲为1，其值可正、可负。
M H
磁感应强度B(磁通密度)：通过磁场中某点，垂直于磁场方 向单位面积的磁力线数，单位为T(特斯拉)，它与磁场强度H 的关系是：
2)自旋磁矩：电子自旋运动产生的磁矩，以ms表示，其 方向平行于自旋轴，其大小为
mS 2 Si Si 1mB
式中:Si为自旋量子数，其值为1/2。
原子中电子除了以极高速度在核外空间运动之外，也还有自旋 运动。电子有两种不同方向的自旋，即顺时针方向和逆时针方向 的自旋。 它决定了电子自旋角动量在外磁场方向上的分量。
– 磁体间的力（吸引或排斥）； – 电磁感应； – 能量转换、存储或改变能量状态。
• 磁性状态及磁性强弱与物质结构密切相关。
– 材料电子结构、原子结构、晶体结构等的研究。
中国古代四大发明之一 -司南
指南针
电磁铁
磁铁
第一节 基本磁学性能
一、材料的磁性
➢物质的磁性的根源是材料内部电子的循轨和自旋运动， 或者说，是电流。
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
上的排列方向与其在相邻的另一晶面上的排列方向完
全相反，这种物质称为反铁磁体。
• 在反铁磁体中，由于磁矩相互抵消，所以不产生自发
磁化，也不产生吸引力。
➢ 亚铁磁性材料 磁矩的大小不相同没有完全抵消时，
磁矩不为零，这种物质称为亚铁磁性，磁铁矿属于典 型的亚铁磁性材料。
MnO
NiO
磁铁矿
铁磁性材料
M
亚铁磁性材料
➢物质磁性的主要根源是电子的运动。
磁矩
磁偶极子的概念是讨论磁性材料的核心问题。磁体的 最小基元是小圆形电流（“分子电流”）一个小圆形 电流所形成的磁场。因此一个小圆形电流可称作一个 磁偶极子。一个电偶极子有它的电矩。一个磁偶极子 (小圆形电流)有它的磁矩。
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IΔS ：
χ<0，使磁场减弱的物质；
顺磁性材料：材料被磁化后，磁化矢量与外加磁场方向相同的，
χ>0，使磁场略有增强的材料；
铁磁性材料：材料被磁化后，磁化矢量与外加磁场方向相同的，
χ>0，使磁场强烈增加的材料。
抗磁、顺磁和铁磁物质的磁化曲线
分类——按磁化率的大小和方向：抗磁性材料、顺磁
性材料、铁磁性材料(铁磁性、反铁磁性、亚铁磁性)
➢所有物质都是由原子构成的，而原子由原子核及核外电 子构成。带有负电荷的电子在原子核周围作轨道运动和自 旋运动。
近
代发 原现 子电 论子
带 核 原 子
轨 道 原
结子
电
构结
子
模构
云
型模
模
型
型
➢无论轨道运动还是自旋运动都会产生磁矩。原子核，由 于带电，其运动也会产生磁矩，只是其磁矩很小，例如， 氢核质子产生的磁矩仅为电子产生磁矩的1/2000左右。
磁场强度在历史上最先由磁荷观点引出。类比于电荷的库仑定 律，人们认为存在正负两种磁荷，并提出磁荷的库仑定律。单
位正点磁荷在磁场中所受的力被称为磁场强度H。
当磁介质在磁场强度为H的外加磁场中被磁化时，会产生 一个附加磁场H’，此时总磁场强度Ht为两部分的矢量和
Ht H H 磁场强度的单位是A/m(安/米).
B 0( H M ) 0(1 )H 0r H H
式中:μ0为真空磁导率，它等于4π×10-7H/m(享/米)，μr为相 对磁导率； μ为磁导率或导磁系数，单位与μ0相同，反应了 磁感应强度B随外磁场H变化的速率。
磁力线
磁感应强度也被称为磁通量密度或磁通密度。磁感强度大表示 磁感强；磁感强度小，表示磁感弱。 在国际单位制（SI）中，磁感应强度的单位是特斯拉（T）。 在高斯单位制中，磁感应强度的单位是高斯(Gs )，1T=10KGs 等于10的四次方高斯。由于历史的原因，与电场强度E对应的 描述磁场的基本物理量被称为磁感应强度B，而另一辅助量却 被称为磁场强度H，名实不符，容易混淆。通常所谓磁场，均 指的是B。
m IS
m
在均匀磁场中，磁矩受到磁场作用的力矩J
J mB
磁矩在磁场中所受的力
Fx
m
dB 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
μr=μ/μ0 • 以相对磁导率的形式，磁化率为： χm=μr-1 • χm，一个无量纲的量，有时候被称为容积或大小系数，为了
使其和χp (magnetic mass或特性 系数）和χM（molar或molar mass系数）区分开。
• 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
• 磁性是最早发现一切物质的基本属性之一。
– 公元前3世纪《吕氏春秋》记载：“慈石招铁，或引之也”； – 司马迁《史记》记载：黄帝在作战中使用了指南车； – 公园11世纪沈括《梦溪笔谈》记载：磁石南北指向、磁偏角； – 公园12世纪初朱或《萍洲可谈》记载：罗盘的使用。
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
法国国家科研中心研究人员设计出一种全新的实验装置，它由一层绝缘的防 水膜和一支外部直径为几十纳米的硼氮纳米管组成。研究人员让纳米管穿过薄膜， 并在纳米管两端插上电极。研究人员将淡水和咸水置于薄膜两侧，测出穿过纳米 管的电流强度比当前其他技术效率高１０００倍。研究人员认为，这是因为硼氮 纳米管表面附有大量负电荷，能够吸引咸水中的阳离子。
顺铁性材料 反铁磁性材料
H
抗铁磁性材料 五种磁体的磁化曲线示意图
一、材料抗磁性与顺磁性的物理本质
1.抗磁性
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 0.5er2 电子作循轨运动时受到的向心力Fc
形成抗磁磁矩Δm的示意图
Fc mr 2
受到垂直于轨道平面的磁场作用所产生的附加向心力ΔFc
透过铁粉显示出的磁场线
地球磁场倒转
磁化强度M：
磁化强度表征磁介质本身的磁化程度。在外磁场的作用下，在磁 介质内任取一个体积单元，要求这个体积单元在微观上要足够大， 即包含足够数量的磁偶极子，但在宏观上要足够小，即能表征该 处的磁化强度。磁化强度的物理意义：单位体积的磁矩。
M
1 V
mi
磁化强度的单位是 A/m(安/米)。mi为原 子固有磁矩。
• 顺磁体的磁化率小，一般为10-5。含有奇数个电子的原子
或电子未填满壳层的原子或离子，如过渡族元素、稀土元 素及铝铂等金属，都属于顺磁性物质。
液态氧涓流被磁场偏转，显示出其顺磁性
尽管氧分子的总电子数为偶数，但它是一个含2个不成对电子 的奇电子分子。
➢ 铁磁性材料
• 即使无外加磁场，磁矩也按同一方向整齐排列，这种
• 尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla，1856年－1943年），1856 年7月10日出生，是世界知名的发明家、物理学家、机械 工程师和电机工程师。塞尔维亚血统的他出生在克罗地亚 （后并入奥地利帝国）。特斯拉被认为是历史上一位重要 的发明家。他在19世纪末和20世纪初对电和磁性做出了杰 出贡献。他的专利和理论工作形式依据现代交变电流电力 （AC）的系统，包括多相电力分配系统和AC马达，帮助 了他带起第二次工业革命。
➢ 抗磁性材料
• 当磁化强度M为负时，介质表现为抗磁性。抗磁性物
质的磁化率一般为-10-5。这种物质的原子或离子的电 子结构是闭层的，正、反旋转的电子数目相等，不产 生磁矩。周期表在中前18个元素主要表现为抗磁性， 并且在磁性陶瓷材料中，构成了几乎所有的阴离子， 如O2-，F-，Cl-，S2-，CO32-，N3-，OH-等，在这些阴离 子中，电子填满壳层，自旋磁矩平衡。
➢ 顺磁性材料
• 在具有未成对电子的原子、分子或离子中，由于存在未成
对电子的轨道运动和自旋运动而具有磁矩，这种性质称为
顺磁性，具有顺磁性的物质称为顺磁体。
• 顺磁体的主要特征是：不论外加磁场是否存在，原子内部
存在永久磁矩。
• 顺磁体宏观无磁性，在外磁场作用下，磁矩可以规则取向
，物质显示极弱的磁性。顺磁体的磁化强度为正，且M严 格与外磁场H成正比。
纳米材料
微观之美
掺杂了锌的氧化锡材料表面
二氧化钛纳米管层在被暴露于 氧化腐蚀溶液之后的效果
氧化锌纳米线附着在聚合物微型球粒上 高压下锆钛酸铅铁电材料电场的变化
思考题
• 试说明磁化强度与附加磁场强度的一致性。
第二节 抗磁性与顺磁性
根据材料被磁化后对磁场所产生的影响，可以把材料分为3类： 抗磁性材料：材料被磁化后，磁化矢量与外加磁场方向相反，
当物体在外加磁场中被磁化时，物体所在空间的总磁场强度 Ht=H+M，根据Ht=H+H’，得到：
H M
磁化强度不仅与外加磁场有关，还与物质本身的磁化特性有关。 磁化率χ：表征物质本身的磁化特性，量纲为1，其值可正、可负。
M H
磁感应强度B(磁通密度)：通过磁场中某点，垂直于磁场方 向单位面积的磁力线数，单位为T(特斯拉)，它与磁场强度H 的关系是：
2)自旋磁矩：电子自旋运动产生的磁矩，以ms表示，其 方向平行于自旋轴，其大小为
mS 2 Si Si 1mB
式中:Si为自旋量子数，其值为1/2。
原子中电子除了以极高速度在核外空间运动之外，也还有自旋 运动。电子有两种不同方向的自旋，即顺时针方向和逆时针方向 的自旋。 它决定了电子自旋角动量在外磁场方向上的分量。
– 磁体间的力（吸引或排斥）； – 电磁感应； – 能量转换、存储或改变能量状态。
• 磁性状态及磁性强弱与物质结构密切相关。
– 材料电子结构、原子结构、晶体结构等的研究。
中国古代四大发明之一 -司南
指南针
电磁铁
磁铁
第一节 基本磁学性能
一、材料的磁性
➢物质的磁性的根源是材料内部电子的循轨和自旋运动， 或者说，是电流。
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
上的排列方向与其在相邻的另一晶面上的排列方向完
全相反，这种物质称为反铁磁体。
• 在反铁磁体中，由于磁矩相互抵消，所以不产生自发
磁化，也不产生吸引力。
➢ 亚铁磁性材料 磁矩的大小不相同没有完全抵消时，
磁矩不为零，这种物质称为亚铁磁性，磁铁矿属于典 型的亚铁磁性材料。
MnO
NiO
磁铁矿
铁磁性材料
M
亚铁磁性材料
➢物质磁性的主要根源是电子的运动。
磁矩
磁偶极子的概念是讨论磁性材料的核心问题。磁体的 最小基元是小圆形电流（“分子电流”）一个小圆形 电流所形成的磁场。因此一个小圆形电流可称作一个 磁偶极子。一个电偶极子有它的电矩。一个磁偶极子 (小圆形电流)有它的磁矩。
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IΔS ：
χ<0，使磁场减弱的物质；
顺磁性材料：材料被磁化后，磁化矢量与外加磁场方向相同的，
χ>0，使磁场略有增强的材料；
铁磁性材料：材料被磁化后，磁化矢量与外加磁场方向相同的，
χ>0，使磁场强烈增加的材料。
抗磁、顺磁和铁磁物质的磁化曲线
分类——按磁化率的大小和方向：抗磁性材料、顺磁
性材料、铁磁性材料(铁磁性、反铁磁性、亚铁磁性)
➢所有物质都是由原子构成的，而原子由原子核及核外电 子构成。带有负电荷的电子在原子核周围作轨道运动和自 旋运动。
近
代发 原现 子电 论子
带 核 原 子
轨 道 原
结子
电
构结
子
模构
云
型模
模
型
型
➢无论轨道运动还是自旋运动都会产生磁矩。原子核，由 于带电，其运动也会产生磁矩，只是其磁矩很小，例如， 氢核质子产生的磁矩仅为电子产生磁矩的1/2000左右。
磁场强度在历史上最先由磁荷观点引出。类比于电荷的库仑定 律，人们认为存在正负两种磁荷，并提出磁荷的库仑定律。单
位正点磁荷在磁场中所受的力被称为磁场强度H。
当磁介质在磁场强度为H的外加磁场中被磁化时，会产生 一个附加磁场H’，此时总磁场强度Ht为两部分的矢量和
Ht H H 磁场强度的单位是A/m(安/米).
B 0( H M ) 0(1 )H 0r H H
式中:μ0为真空磁导率，它等于4π×10-7H/m(享/米)，μr为相 对磁导率； μ为磁导率或导磁系数，单位与μ0相同，反应了 磁感应强度B随外磁场H变化的速率。
磁力线
磁感应强度也被称为磁通量密度或磁通密度。磁感强度大表示 磁感强；磁感强度小，表示磁感弱。 在国际单位制（SI）中，磁感应强度的单位是特斯拉（T）。 在高斯单位制中，磁感应强度的单位是高斯(Gs )，1T=10KGs 等于10的四次方高斯。由于历史的原因，与电场强度E对应的 描述磁场的基本物理量被称为磁感应强度B，而另一辅助量却 被称为磁场强度H，名实不符，容易混淆。通常所谓磁场，均 指的是B。
m IS
m
在均匀磁场中，磁矩受到磁场作用的力矩J
J mB
磁矩在磁场中所受的力
Fx
m
dB 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
μr=μ/μ0 • 以相对磁导率的形式，磁化率为： χm=μr-1 • χm，一个无量纲的量，有时候被称为容积或大小系数，为了
使其和χp (magnetic mass或特性 系数）和χM（molar或molar mass系数）区分开。
• 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
• 磁性是最早发现一切物质的基本属性之一。
– 公元前3世纪《吕氏春秋》记载：“慈石招铁，或引之也”； – 司马迁《史记》记载：黄帝在作战中使用了指南车； – 公园11世纪沈括《梦溪笔谈》记载：磁石南北指向、磁偏角； – 公园12世纪初朱或《萍洲可谈》记载：罗盘的使用。