材料物理基础-材料的磁学
材料物理性能-_磁学性能
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
第四章材料的磁学优秀课件
不同磁性物质磁性的异同点
磁特性
原子磁矩μJ 相对磁导率μr 磁化率χ
抗磁性
μJ = 0 ＜1 -10-5～-10-6
交换积分常数A
磁化曲线 饱和磁化场 HS/A·m-1 磁性强弱
0 线性 无限大 弱
顺磁性 μJ ≠ 0 ＞1 10-4～10-5
约0 线性 ＞1010 弱
反铁磁性
铁磁性
μJ ≠ 0 ＞1
第四章材料的磁学
在真空中：
B0 0H
每个电子的自旋磁矩近似等于一个Bohr磁子。
动画
以上五种磁性类型的原子磁距分布特点
磁化强度M和磁场强度H之间的关系
•抗磁性物质：Bi、Zn、Ag、Mg等金属，Si、P、S等非金属， 许多有机高聚物及惰性气体； •顺磁性物质：Al、Pt、La等，稀土金属、铁族元素的盐类； •铁磁性物质：Fe、Co、Ni、Y、Dy等 •反铁磁性物质：Mn、Cr，部分铁氧体如ZnFe2O4，和某些 化合物MnO、CoO、FeF2等。 •亚铁磁性物质：尖晶石型晶体、石榴石型晶体等几种结构类 型的铁氧体。
磁畴的转向
在无外磁场时，各磁畴排列杂乱无章，铁磁质不显 磁性；
在外磁场中，各磁畴沿外场转向，介质内部的磁场 迅速增加，在铁磁质充磁过程中伴随着发声、发热。
磁化曲线与磁畴的关系
H增加，磁域界移动，磁域逐渐 改变，磁矩方向转向，渐与磁场 平行，单一磁域（饱和磁化）
磁滞回线与磁畴的关系
动画
此时，吉布斯函数是温度、压力和磁场的函数。
有
：
G T
H , P
S
G H
T , P
0M
G P
T ,H
V
知道了G,即可求出磁化强度。
材料物理性能
材料物理性能材料的物理性能是指材料在受力、受热、受光、受电、受磁等外界作用下所表现出的性质和特点。
它是材料的内在本质，直接影响着材料的使用性能和应用范围。
材料的物理性能包括了热学性能、光学性能、电学性能、磁学性能等多个方面。
首先，热学性能是材料的一个重要物理性能指标。
热学性能包括导热性、热膨胀性和热稳定性等。
导热性是指材料传导热量的能力，通常用热导率来表示。
热膨胀性是指材料在温度变化下的体积变化情况，通常用线膨胀系数来表示。
热稳定性是指材料在高温环境下的性能表现，包括了热变形温度、热老化等指标。
这些性能对于材料在高温环境下的应用具有重要意义。
其次，光学性能是材料的另一个重要物理性能。
光学性能包括透光性、反射率、折射率等指标。
透光性是指材料对光的透过程度，通常用透光率来表示。
反射率是指材料对光的反射程度，通常用反射率来表示。
折射率是指材料对光的折射程度，通常用折射率来表示。
这些性能对于材料在光学器件、光学仪器等领域的应用具有重要意义。
此外，电学性能是材料的另一个重要物理性能。
电学性能包括导电性、介电常数、电阻率等指标。
导电性是指材料导电的能力，通常用电导率来表示。
介电常数是指材料在电场中的极化能力，通常用介电常数来表示。
电阻率是指材料对电流的阻碍程度，通常用电阻率来表示。
这些性能对于材料在电子器件、电气设备等领域的应用具有重要意义。
最后，磁学性能是材料的另一个重要物理性能。
磁学性能包括磁导率、磁饱和磁化强度、矫顽力等指标。
磁导率是指材料对磁场的导磁能力，通常用磁导率来表示。
磁饱和磁化强度是指材料在外磁场作用下的最大磁化强度，通常用磁饱和磁化强度来表示。
矫顽力是指材料在外磁场作用下的抗磁化能力，通常用矫顽力来表示。
这些性能对于材料在磁性材料、电机、传感器等领域的应用具有重要意义。
综上所述，材料的物理性能是材料的重要特性，直接影响着材料的使用性能和应用范围。
不同类型的材料具有不同的物理性能，因此在材料选择和应用过程中，需要充分考虑材料的物理性能指标，以确保材料能够满足特定的使用要求。
材料物理基础-材料的磁学资料
数，是描述磁极周围任一点磁场力大小或磁极周
围磁场效应的物理量。
B 0 (H M ) 0 H 0 M 0 H J m
B的单位是特斯拉(Tesla)(T)或韦伯/米2(Wb／m2)
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磁化率与磁导率 磁化率χ是指单位磁场强度H在单位磁体中所感生出的 磁化强度M大小的物理量。它是表明物质被磁化能力 的大小和性质的物理量。
属
1/ T
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铁磁性(Ferromagnetism) 特点:（1）χ>0，且数值很大， 10-1 ~106数量级 （2）χ不但随T和H而变化，而且与磁化历史 有关 （3）存在磁性变化的临界温度（居里温度）。 当温度低于居里温度时，呈铁磁性；当温度高于
居里温度时，呈顺磁性。
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物质由原子组成，在原子系统中，原子核和电子
分别是带正电荷与负电荷的带电粒子，它们的运
动将产生磁距。但原子核的磁距很小，仅为电子
磁距的1／1836.5，可忽略。所以原子的磁矩主
要由电子运动产生。产生磁矩的原因有： 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
1.60211019 6.6256 1034 24 2 1 B 9.273 10 (A m ) 31 2 9.109534 10 2 3.1416
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电子的自旋磁距： 电子不仅绕核做轨道运动，而且自旋运动，电子 自旋角动量由自旋量子数s决定的，自旋角动量的
磁极化强度J，它们都是描述宏观物质磁性强弱的 物理量。
M
V
m
m
A/m
2
j J
J 0 M
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铁磁学性能材料物理性能
磁化强度与材料的微观结构、晶体取向、杂质和缺陷等 有关。
磁化强度的测量通常采用磁强计或霍尔效应测量仪等设 备进行。
磁化曲线和磁滞回线
磁化曲线是描述铁磁材料在 磁场中被磁化的过程中，磁 感应强度随磁场强度变化的
曲线。
铁磁学涉及到材料的磁化、磁滞、磁畴结构等基本概念，以及与材料内部结构和电 子状态相关的物理机制。
铁磁学的重要性
01
铁磁材料在现代工业和科技领域 中具有广泛的应用，如电机、发 电机、变压器、磁记录、磁悬浮 等。
02
铁磁学的发展对于推动相关领域 的技术进步和产业升级具有重要 意义，同时也为新材料和新能源 的开发提供了理论基础。
铁磁材料的磁性能对磁记录和磁头的性能有着重要影响。高剩磁比和矫顽力使得铁磁材料能够在磁场 中保持稳定的磁化状态，从而提高了数据的存储密度和可靠性。此外，铁磁材料的耐腐蚀性和温度稳 定性也是选择和应用时需要考虑的因素。
磁流体和磁性分离
磁流体和磁性分离是利用铁磁材料的 磁性来实现物质分离的物理方法。在 磁流体中，铁磁颗粒被用来传递磁场； 在磁性分离中，铁磁颗粒被用来吸附 目标物质。
详细描述
铁磁材料的电导率受到多种因素的影响，如 温度、磁场、金属杂质等。在一定温度下， 随着磁场强度的增加，铁磁材料的电导率通 常会降低。金属杂质对铁磁材料的电导率也 有显著影响，通常会引入额外的散射机制， 降低电导率。
介电常数和介电损耗
总结词
介电常数衡量了电场作用下材料的极化程度，而介电损耗则反映了材料在电场作 用下的能量耗散。
数来表示。
铁磁材料的热膨胀系数随温 度的升高而增大，这是因为 材料内部的原子或分子的振 动幅度增大，使得原子之间
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。
《材料物理性能》课后习题答案
20℃ =1023*e-21.83=3.32*1013cm-3
500℃ =1023*e-8=2.55*1019cm-3
TiO2
20℃
=1.4*10-3cm-3
500℃
=1.6*1013cm-3
(2) 20℃
=3.32*1013*1.6*10-19(1450+500)
=1.03*10-2（Ω-1.cm-1）
（2）半导体的电导率σ（Ω-1.cm-1）可表示为 ，式中n为载流子浓度（cm-3），e为载流子电荷（电荷1.6*10-19C）,μ为迁移率（cm2.V-1.s-1）当电子（e）和空穴（h）同时为载流子时， 。假定Si的迁移率μe=1450（cm2.V-1.s-1），μh=500（cm2.V-1.s-1），且不随温度变化。求Si在室温（20℃）和500℃时的电导率
500℃
=2.55*1019*1.6*10-19(1450+500)
=7956（Ω-1.cm-1）
4-2.根据缺陷化学原理推导
（1）ZnO电导率与氧分压的关系。
（4）讨论添加Al2O3对NiO电导率的影响。
解：（1）间隙离子型：
或
（4）添加Al2O3对NiO：
添加Al2O3对NiO后形成阳离子空位多，提高了电导率。
4-3本征半导体中，从价带激发至导带的电子和价带产生的空穴参与电导。激发的电子数n可近似表示为： ，式中N为状态密度，k为波尔兹曼常数，T为绝对温度。试回答以下问题：
（1）设N=1023cm-3,k=8.6”*10-5eV.K-1时, Si(Eg=1.1eV),TiO2(Eg=3.0eV)在室温（20℃）和500℃时所激发的电子数（cm-3）各是多少：
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ解：
工学第七章无机材料的磁学性能材料物理
1
第七章 无机材料的磁学性能
§7.1 物质的磁性 §7.2 磁畴与磁滞回线 §7.3 铁氧体的磁性与结构 §7.4 铁氧体磁性材料
2
§7.1 物质的磁性
一、物理参数 二、磁性的本质 三、磁性的分类
3
4
金属和合金
电阻率低，损耗大，不能满足应用之需要，
磁
尤其在高频范围内。
性 材
磁性无机材料： 含铁及其它元素的复合氧化物。
C
C居里常数
T T0
19
4. 反铁磁性（弱磁性）
交换能J为负值，使相邻原子间的自旋趋于反向平行排列，
原子磁矩相互抵消，不能形成自发磁化区域。
特点:
➢ 任何温度下，都观察不到反铁磁性物质的任何自发磁
化现象，因此其宏观特性是顺磁性的；
➢ M与H呈线性关系；
➢ 与温度的关系：
Tn反铁磁居里点
Tn
T
36
37
二、铁氧体的结构
尖晶石型铁氧体 * 石榴石型铁氧体 磁铅石型铁氧体 钙钛矿型铁氧体 钛铁矿型铁氧体 钨青铜型铁氧体
38
§7.4 铁氧体磁性材料
一、软磁材料 二、硬磁材料 三、矩磁材料
39
一、软磁材料
1. 特点
高磁导率，饱和磁感应强度大； 电阻高，损耗低；
矫顽力Hc小；
稳定性好。
2. 应用
30
二、磁滞回线 1. 磁化曲线
铁磁体在外磁场中的磁化（使材料具有磁性的过程）过 程主要为畴壁的移动和磁畴内磁矩的转向。
磁导率为磁化曲线上各点的斜率
31
磁化过程：
oa：微弱磁场中，磁感应强度B随外磁场强度H的 增大缓慢上升，磁化强度M与外磁场强度H之
材料物理性能
材料物理性能材料的物理性能是指材料在物理层面上所表现出来的各种性质和特性，包括力学性能、热学性能、电学性能、磁学性能等。
首先，力学性能是材料最基本的物理性能之一。
它包括抗拉强度、屈服强度、硬度、韧性、弹性模量等指标。
抗拉强度是材料在拉伸破坏时所能承受的最大拉力，屈服强度是材料在拉伸过程中开始产生塑性变形的拉力。
硬度是材料抵抗划痕或压痕的能力，描述了材料的抗刮擦性能。
韧性是材料在受外力作用下发生塑性变形而不破裂的能力，反映了材料的延展性。
弹性模量是材料在受力后产生弹性变形的能力，反映了材料的变形程度与受力大小的关系。
其次，热学性能是材料在热力学层面上的表现，包括热导率、热膨胀系数、比热容等。
热导率是材料导热性能的指标，反映了材料传导热量的能力。
热膨胀系数是材料在受热后的膨胀程度与温度变化之间的关系，描述了材料在温度变化时的尺寸变化。
比热容则是材料所需吸收或释放的热量与温度变化之间的关系，反映了材料的热量储存能力。
此外，电学性能是材料在电学层面上的表现，包括电导率、介电常数、磁导率等。
电导率是材料导电性能的指标，反映了材料导电的能力。
介电常数是材料对电场的响应能力，描述了材料在电场中的电极化程度。
磁导率则是材料对磁场的响应能力，反映了材料对磁场的传导性能。
最后，磁学性能是材料在磁化和磁导方面的表现，包括磁化强度、剩余磁感应强度、矫顽力等。
磁化强度是材料在外加磁场下磁化的能力，剩余磁感应强度是材料在去除外加磁场后保留的磁感应强度。
矫顽力是材料从磁化过程中恢复原始状态所需的去磁场强度，反映了材料抵抗磁通方向变化的能力。
总之，材料的物理性能涵盖了力学、热学、电学及磁学等多个方面，对于不同的应用需求，选择合适的材料具备合适的物理性能是十分重要的。
材料物理性能铁磁性
生的。根据键合理论，当原子相互接近(jiējìn)时，电子云
要相互重叠，电子要相互交换位置。交换力的作用
迫使相邻原子的自旋磁矩产生有序的排列。
共五十二页
铁磁材料的原子(yuánzǐ)组态和原子(yuánzǐ)磁矩
自然界中的铁磁性材料(cáiliào)都是金属，它们的铁磁性来源于原
共五十二页
统一(tǒngyī)的表
达式
交换(jiāohuàn)作
用能
1
e2
E 2 E0 K A 2 A( S a Sb )
2
R
Eex 2 A Sa .Sb
对于基态，要求Eex<0（以满足
能量最低原则）
A
铁磁性
顺磁性
Co
Ni
1. 若A<0,则，Sa与Sb相反，自旋反平行
常温下呈现为顺磁性。
共五十二页
共五十二页
共五十二页
第二节 铁磁性
• 物理本质(běnzhì)
外斯假说(jiǎ shuō)
• 自发极化
• 反铁磁性
• 亚铁磁性
• 磁相互作用
共五十二页
3. 反铁磁性
x
x
x
TC
铁磁性
T
TN
反铁磁性
共五十二页
T
TS
T
亚铁磁性
共五十二页
反铁磁性的基本特征
共五十二页
反铁磁性与亚铁磁性的特点
• 反铁磁晶体可以看做是由两个亚点阵组成，每个亚点
阵的离子磁矩平行排列而相互间的磁矩方向(fāngxiàng)却
反平行。即MA + MB = 0，自发磁化强度为零。
材料物理性能-磁性能
1831—1879
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。
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。
压电效应的发现； 放射性物质研究，发现了镭。
由此说明了地磁的成因和物质的磁性。
（1775-1836）
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。
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。 法拉第，英国科学家
居里定律
居里-外斯定律
C T C T
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。
Ht H H
磁场强度的单位是A/m (安/米)。 磁化强度 M ：材料被磁化后，单位体积的磁矩 1 M mi V 磁化强度的单位是A/m (安/米)。mi为原子固有磁矩。
H M
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
磁导率μ：反映了磁感应强度与外磁场强度的关系，即当 外磁场增加时磁感应强度增加的速率。
顺磁磁化过程示意图
(a)无磁场 (b)弱磁场 (c)强磁场
材料物理导论总结
第一章：材料的力学形变：材料在外力作用下发生形状和尺寸的变化，称为形变力学性能（机械性能）：材料承受外力作用，抵抗形变的能力及其破坏规律，称为材料的力学性能或机械性能应力：材料单位面积上所受的附加内力称应力。
法向应力应该大小相等，正负号相同，同一平面上的两个剪切应力互相垂直。
法向应力导致材料的伸长或缩短，剪切应力引起材料的切向畸变。
应变：用来表征材料受力时内部各质点之间的相对位移。
对于各向同性材料，有三种基本的应变类型。
拉伸应变，剪切应变，压缩应变。
拉伸应变：材料受到垂直于截面积的大小相等，方向相反并作用在同一直线上的两个拉伸应力时材料发生的形变。
剪切应变：材料受到平行于截面积的大小相等，方向相反的两剪切应力时发生的形变。
压缩应变：材料周围受到均匀应力P时，体积从起始时的V0变化为V1的形变。
弹性模量：是材料发生单位应变时的应力，表征材料抵抗形变能力的大小，E 越大，越不易变形，表征材料的刚度越大。
是原子间结合强度的标志之一。
黏性形变：是指黏性物体在剪切应力作用下发生不可逆的流动形变，该形变随时间的增大而增大。
剪切应力小时，黏度与应力无关，随温度的上升而下降。
牛顿流体：服从牛顿黏性定律的物体称为牛顿流体。
在足够大的剪切应力下或温度足够高时，无机材料中的陶瓷晶界，玻璃和高分子材料的非晶部分均会产声黏性形变，因此高温下的氧化物流体，低分子溶液或高分子稀溶液大多属于牛顿流体，而高分子浓溶液或高分子熔体不符合牛顿黏性定律，为非牛顿流体。
塑性：材料在外应力去除后仍能保持部分应变的特性称为塑性。
晶体塑性形变两种类型：滑移和孪晶。
延展性：材料发生塑性形变而不断裂的能力称为延展性。
μ（泊松比），定义为在拉伸试验中，材料横向单位面积的减少与纵向单位长度的增加率之比。
滑移是指在剪切应力作用下晶体的一部分相对于另一部分发生平移滑动，在显微镜下可观察到晶体表面出现宏观条纹，并构成滑移带。
滑移一般发生在原子密度大和晶向指数小的晶面和晶向上。
磁性简介
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 于零而表现为正向磁化
3
磁性物质的分类
铁磁性
铁磁性材料：χ>0,为10~106，远大于顺磁性材料的磁化率。组成铁磁性 材料的原子或离子和顺磁性材料一样，具有未满壳层的电子，因此具有 固有原子磁矩。 铁磁性物质主要有，Fe、Co、Ni、Gd等金属单质及一些铁磁性合金和 化合物。 铁磁性特点： 1、具有很强的饱和磁化强度，是一类强磁性物质。 2、存在临界温度 ，称为Curie温度。只有小于 的温度时才呈现铁磁性 其饱和磁化强度随温度的升高而减少，当温度大于 时，呈现顺磁性，顺磁 磁化率和温度的关系满足Curie-Weiss定律
为总自旋量子数，S可能是整数或者半整数
则总自旋在外场方向上的投影为：
2
磁学基本物理量
2.2 磁化强度 磁化强度M：描述宏观磁性体磁性强弱的物理量。单位 体积内具有的磁矩矢量和称为磁化强度, 用M表示，单位 为A/m。
m M V
当原子磁矩同向平行排列时，宏观磁体对外显示出的 磁性最强。当原子磁矩无序排列时，宏观磁体对外不显 示磁性。
2
理论基础
2.1.2 自旋磁矩 电子在绕核运动的同时，也存在自旋，自旋产生的磁矩是电子磁矩的第二个 来源 ，和轨道角动量一样，自旋角动量取决于自旋量子数s
由于s只能取值1/2，所以自旋角动量在磁场上的分量ms= +12 -1/2
2
磁学基本物理量
如果一个原子有多个电子，则总的自旋磁矩和自旋角动量是各个电子自旋磁矩 和角动量之和
4
磁性基本理论
4.2海森堡模型（铁磁性微观机理）
直接交换作用：当两个氢原子组成氢分子时，由于电子的全同特性，两 原子的核外电子可以相互交换位置，电子云相互重叠。海森伯以氢分子 交换作用模型为基础，认为分子场源于相邻原子间的电子自选交换作用， 称为直接交换作用。 海森堡假设金属中的d电子时局域的，束缚在各原子周围，不参与运输过 程，对电导和热导没有共享，d电子的交换作用导致d电子自旋有序排列 从而产生铁磁性。 局限性： 很难解释过渡金属Fe Co Ni 的铁磁性，因为过渡金属的原子磁矩不是 玻尔磁子的整数倍。
材料物理学
材料物理学材料物理学是一门研究物质性质和行为的学科，涵盖了固体、液体和气体等各种材料的研究。
它结合了物理学、化学和材料科学的知识，研究原子、分子和晶体结构以及它们的相互作用，从而深入理解和预测材料的性能和行为。
材料物理学的研究对象包括各种自然材料（如金属、陶瓷、塑料等）和人工合成材料（如纳米材料、复合材料等）。
通过实验、计算模拟和理论分析等方法，材料物理学家可以研究材料的微观和宏观性质，例如电学特性、热学特性、力学特性、光学性质等。
材料物理学的研究内容主要包括以下几个方面：1. 材料结构：研究材料内部原子和分子的排列方式以及材料的晶体结构，通过X射线衍射、电子显微镜等技术手段可以观察到材料的结构。
了解材料的结构可以帮助研究者理解材料的物理性质和改进材料的性能。
2. 材料电学性质：研究材料的导电性、电导率、介电性、铁电性等。
这些性质与材料内部电子运动和电荷分布有关，可以应用于电子器件、能量存储等领域。
3. 材料磁学性质：研究材料的磁化过程、磁场效应等。
材料的磁学性质对于磁存储器件、磁共振成像等应用具有重要意义。
4. 光学性质：研究材料对光的吸收、反射、折射等过程，包括材料的透明性、散射性等。
了解材料的光学性质可以用于光学器件、激光技术等领域。
5. 热学性质：研究材料的热传导、热膨胀、热稳定性等。
了解材料的热学性质有助于材料的热工学设计和热管理。
材料物理学的研究成果广泛应用于各个领域，如电子器件、能源、材料制备、医学等。
例如，新型材料的发现可以带来更高性能的电子器件和储能设备；对材料的表面改性可以提高材料的抗腐蚀性和耐磨性；对材料的微观结构的调控可以实现更高效的光催化和光电池效率。
总之，材料物理学是一门关于材料的内部结构、性质和行为的研究学科，对于材料应用和材料科学的发展有着重要的意义。
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1966年SmCo5永磁合金
1977年Sm2Co17永磁合金 1983年Nd2Fe14B永磁化合物
近年来在非晶态磁性、薄膜磁性和纳米材料磁性的研究中也取得重 要进展。 盐城师范学院化工学院
基本磁性参数 磁矩与磁偶极矩
(1)回路电流的磁矩 电流为i安培的回路电流，其包围的面积为S(m2)，则： μm ＝iS， μm方向符合右手定则，单位是A· 2。 m (2)磁偶极子的磁偶极矩 一个磁性强弱能够用无限小的回路电流所表示的小磁体定
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对磁性现象的深入理解是从丹麦物理学家奥斯 特（Oersted）1820年发现电流的磁效应开始的。
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为：
H
I 2 r
在国际单位制中，H的单位为安培/米(A/m)
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法国物理学家安培（Ampere）提出 “分子电流”是物质磁性起源的假 说。
旋方向互相平行，使总的电子自旋磁矩为4μB。
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而诸如锌等某些元素，具有各壳层都充满电子的
原子结构，其电子磁矩互相抵消，因此不显磁性。
元素周期表
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材料磁性的分类
材料的磁性取决于材料中原子和电子磁矩对外加
磁场的响应，具体可分为抗磁性、顺磁性、反铁
磁性、铁磁性和亚铁磁性，常用的磁性材料是强 磁性的。 弱磁性
磁极化强度J，它们都是描述宏观物质磁性强弱的 物理量。
m M V jm J V
A/m
J 0 M
2
Wb/m
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磁场与磁场强度 磁场是导体中的电流或永磁体在其周围所产生的作 用，稳恒电流产生的磁场与永磁体周围的磁场为直
抗磁性(Diamagnetism)： 磁化强度M成为很小的负值，相对磁导率比1略小一点，磁
强磁性
化率χ<0(│χ│~10-5数量级)。典型抗磁性物质的磁化率χ不 随温度而变。大部分的绝缘体和一部分简单金属
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顺磁性（Paramagnetism） 磁化率χ>0，│χ│很小， 10-5 ~10-2数量级。 多数顺磁性物质的磁化率χ随温度升高而下 降。它与温度T成反比关系，遵从居里定律。大部分金
6）地球科学研究和应用：研究地磁场的起源和演化。 7）天文学的研究和航天新技术：目前已知的最强磁场（脉冲 星即中子星的磁场高达108-109 T）和最低磁场（星系际磁场 低到10-13 T）均存在于天文学的研究中。
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4 材料的磁学
4.1 材料的磁性 4.2 材料的抗磁性和顺磁性理论
磁性材料的研究和制备始于20世纪初。100多年来取得了 显著进步：
1905年研制出硅钢（Si-Fe合金）
1920年坡莫合金（Fe-Ni） 1932年铝镍钴永磁合金 1935年尖晶石型软磁铁氧体 1952年磁铅石型永磁铁氧体 1953年矩磁铁氧体（用于计算机） 1956年石榴石型稀土铁氧体
B的单位是特斯拉(Tesla)(T)或韦伯/米2(Wb／m2)
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磁化率与磁导率 磁化率χ是指单位磁场强度H在单位磁体中所感生出的 磁化强度M大小的物理量。它是表明物质被磁化能力 的大小和性质的物理量。
M H
这里χ是体积磁化率，无量纲单位。χ大，物质容易被磁化，χ 小物质难被磁化。正、负值反应材料的磁性类别。
分别是带正电荷与负电荷的带电粒子，它们的运
动将产生磁距。但原子核的磁距很小，仅为电子
磁距的1／1836.5，可忽略。所以原子的磁矩主
要由电子运动产生。产生磁矩的原因有： 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
每个电子本身作自旋运动，产生一个沿自旋轴方
向的自旋磁距，它比轨道磁矩大得多
绝对值是：
Ps s(s 1)
实验表明：与自旋角动量相联系
的自旋磁矩在外磁场方向上的投 影刚好等于一个玻尔磁子。
实验证明电子具有自旋磁距： 斯特恩和盖拉赫所做的使原子 束在不均匀磁场中偏转的实验。
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原子是否具有磁矩，取决于其电子壳层结构。若
有未被填满的电子壳层，其电子的自旋磁矩未被 完全抵消(方向相反的磁矩可互相抵消)，则原子 就具有永久磁矩。
义为磁偶极子。设磁偶极子每端的磁荷强度为P(Wb)，两 极间距为l(cm)，磁偶极矩为:
jm=Pl 单位为Wb· m
jm= μ0μm
μ0为真空磁导率， μ0＝4π·10-7亨利／米(H／m)
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磁化强度与磁极化强度
单位体积物质内所具有的磁矩矢量和称为磁化强度
M，单位体积物质内所具有的磁偶极矩矢量和称为
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亚铁磁性(ferrimagnetism) 其宏观磁性与铁磁性相同，只是磁化率χ的数量级
稍低一些，100 ~103数量级。其内部磁结构却与反
铁磁性的相同，但相反排列的磁距不等量。所以， 亚铁磁性是未抵消的反铁磁性结构的铁磁性。
磁化曲线
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材料磁性的热力学关系 磁性材料在磁场作用下构成一个热力学系统,对于
属
1/ T
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铁磁性(Ferromagnetism) 特点:（1）χ>0，且数值很大， 10-1 ~106数量级 （2）χ不但随T和H而变化，而且与磁化历史 有关 （3）存在磁性变化的临界温度（居里温度）。 当温度低于居里温度时，呈铁磁性；当温度高于
居里温度时，呈顺磁性。
原子物理学的量子理论证明：过渡元素的原子具有一定 大小的固定磁距(既来自电子的轨道运动，也来自电子 的自旋。)
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关于物质磁性惟一来源于磁矩的观点，统 称为《磁矩学说》，或称为《磁偶极矩学 说》。他的一个很明确的结论是不存在磁 单极。 1931年狄拉克从理论上论证了磁单极子存在 的可能性。但至今还未曾从实验上发现磁单 极子。
式中，n是单位长度上线圈的匝数。 无限长螺线管的中心部的磁场强度：
H nI
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磁感应强度 磁感应强度B是指物质内单位面积中通过的磁力线
数，是描述磁极周围任一点磁场力大小或磁极周
围磁场效应的物理量。
B 0 (H M ) 0 H 0 M 0 H J m
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按照量子力学理论，轨道电子的运动状态应 以波函数 n,l ,m,s (r )表示，其中n,l,m,s是表征状 自旋量子数 态的四个量子数。 空间量子数
空间量子数的物理意义：
1）n=1,2,3,…,称为主量子数，决定电子的能量。对于氢原 子，电子能量为 me4 h En 2 2 2 n 2 2）l=0,1,2,…,n-1，称为轨道角动量量子数（轨道量子数）， 决定轨道角动量的绝对值：
1831年英国物理学家法拉第（Faraday）发现电磁感应定
律——对磁与电的内在联系有更深入的认识
对磁性体本身内在规律的研究始于19世纪末。法国物理学 家居里（Curie）发现铁磁性存在的临界温度（居里温度）
→指出抗磁性和顺磁性的存在→居里抗磁性定律和居里顺 磁性定律
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朗之万(Langevin)将经典统计理论应用于具有固定原子 磁距的系统→居里定律，对顺磁性作了唯象解释。
例如铁原子的电子层分布：1s22s22p63s23p63d64s2，除3d壳层外
各层均被电子填满(其自旋磁矩相互抵消)而根据洪特规则，3d
壳层的电子应尽可能填充不同的轨道，其自旋应尽量在同一个 平行方向上。因此3d壳层的5个轨道中除了1个轨道填有2个自旋
相反的电子外，其余4个轨道均只有1个电子，且这4个电子的自
2me
e 玻尔磁子，是磁距或磁偶极距的基本单位 B 2me
1.60211019 6.6256 1034 1 B 9.273 1024 (A m2 ) 2 9.109534 1031 2 3.1416
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电子的自旋磁距： 电子不仅绕核做轨道运动，而且自旋运动，电子 自旋角动量由自旋量子数s决定的，自旋角动量的
流磁场，交变电流产生的磁场为交流磁场。磁场强
度H是描述磁极周围空间或电流周围空间任一点磁 场作用大小的物理量，单位是(A／m)
载流直导线外任意点的磁场强度H
H I 2 r
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长载流螺线管中心线上任意
点P的磁场强度H
nI H (cos 1 cos 2 ) 2
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磁导率μ是指单位磁场强度H在物质中所感生出
的磁感应强度B大小的物理量。
B 0 ( H M ) 0 (1 ) (H/m) H H
磁导率，是材料的本征参数，表示材料在单位磁场 强度的外加磁场作用下，材料内部的磁通量密度。
定义相对磁导率：r 1 绝对磁导率： 0 r
4.3 材料的铁磁性理论
4.4 材料的磁性能指标
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4 材料的磁学
引言
早在春秋时代的《管子》、战国时代的《吕氏春秋》中就有 关于“慈石”和“慈石召铁”的记载。公元前四世纪我国史 册就有关于天然磁石(Fe3O4)的记载。公元前三世纪中国使用 磁石制成司南，即世界上最早的制南针。国外关于磁性的记 载始见于公元前6世纪希腊人台利斯（Thales）的著作。
E E TdS dE 0 HdM dT dM 0 HdM T M M T
材料物理基础
许晓娟
磁性是物质的基本属性，应用领域很广，如
1）电气化：发电用的发电机和动力用的电动机内磁钢