磁性材料 第1章 物质磁性概述

安培公式得出：
d F Idl B
根据安培环路定理可定 义磁场强度 H：
导量（凡涉及到与其他物理
量的相互作用，都必须使用 B）
B H M
0
H为导出量，仅用于计算传导电流所产生的磁场，不能代表磁场强度与外界发生作用
B、Guass单位制（绝
其中磁化强度M被定义为：
表现为铁磁性的元素物质只有以下几种：
一些过渡族元素和稀土元素金属：
室温以上，只有4种元素是铁磁性的。 但以上面元素为主构成的铁磁性合金和化合物是很多的，它 们构成了磁性材料的主体，在技术上有着重要作用，例如： Fe-Ni, Fe-Si, Fe-Co, AlNiCo, CrO2, EuO, GdCl3,
广义地说，超导体也是一种抗磁性物质，=-1 ，它的机理 完全不同，不在我们讨论之内。
见姜书p25 CGS单位制克分子磁化率
密度 原子量 ρ
-1.9 -7.2 -19.4
体积磁化率
×10-6
n

0.205 4 1.51 20.18 1.77 39.95 3.09 83.80 3.78 131.3
Kittel 书数据（2002）
H jm cos 1 jm cos er e 2 2 r 40 r r 40 r 1 2 jm cos 1 jm sin er e 3 40 r 40 r 3
+m
l
磁偶极矩： jm ml
方向：-m指向+m
单位：Wb∙m
-m
安培提出了磁偶极子与电流回路元在磁性上的相当性原
理，并根据它认为宏观物质的磁性起源于“分子电流”假说，
磁矩：m

i A 单位：A ∙m2
二者的物理意义： 表征磁偶极子磁性强弱与方向
jm 0 m
+m
l r1 r cos 2
l r2 r cos 2
磁位势 ：
m m 1 2 . 40 r1 40 r2 ml cos ml cos 2 2 2 l 40 r 40 r 2 1 2 cos 4r jm cos jm r 1 3 2 40 r 40 r
3. 铁磁性（Ferromagnetism)
这是人类最早发现并利用的强磁性，它的主要特征是：
0 5 1. >>0，磁化率数值很大， 10 10
2. 磁化率数值是温度和磁场的函数； 3. 存在磁性转变的特征温度——居里温度TC，温度低于居里 温度时呈铁磁性，高于居里温度时表现为顺磁性，其磁化 率温度关系服从居里-外斯定律。 C T Tp 4. 在居里温度附近出现比热等性质的反常。 5. 磁化强度M和磁场H之间不是单值函数，存在磁滞效应。 构成这类物质的原子也有一定的磁矩，但宏观表现却完 全不同于顺磁性，解释铁磁性的成因已成为对人类智力的最 大挑战，虽然经过近100年的努力已经有了比较成功的理论， 但仍有很多问题有待后人去解决。
(106 )
(106 )
见冯索夫斯基《现代磁学》(1953) p74
这是19世纪后半叶就已经发现并研究的另一类弱磁性。 它的最基本特征是磁化率为正值且数值很小，0<<<1。
顺磁性物质的磁化率是温度的函数，服从居里定律或居里外斯（Curie-Waiss)定律。
2. 顺磁性（Paramagnetism）
1
弱磁场下使用的磁体
（2）最大磁导率max：材料磁化过程中的最大值
max
1 B 0 H max
（3）复数磁导率：磁体在交变磁场中磁化
' i
动态磁化中经常遇到
（4）增量磁导率Δ：在稳恒磁场H0作用下，叠加一个较小的交变磁场
1 B 0 H
C T
C C 或： = T Tp T Tp
C 称作居里常数，
Tp 称作居里顺磁温度
服从居里-外斯定律的物质都是在某一个温度之上才显示顺磁 性，这个温度之下，表现为其它性质。 典型顺磁性物质的基本特点是含有具有未满壳层的原子 （或离子），具有一定的磁矩，是无规分布的原子磁矩在外磁 场中的取向产生了顺磁性。此外，传导电子也具有一定的顺磁 性。
（2）、直流环形线圈圆心：
I H 2r
r为环形圆圈半径， 方向由右 手螺旋法则确定。
（3）、无限长直流螺线管：
H nI
n：单位长度的线 圈匝数， 方向沿螺线管的 轴线方向
2、磁感应强度B (magnetic flux density): 预备知识：SI (MKSA) 单位制和Gauss (CGS) 单位制 A、SI单位制：主要磁 学量都用电流的磁效应来定 义，其中磁感应强度B为主 磁感应强度B的定义可由
jm 90 , H H 40 r 3
o
1
实际应用中，往往用电流产生磁场，并规定H的单位 在SI制中：用1A的电流通过直导线，在距离导线r=1/2π米
处，磁场强度即为1A /m。
常见的几种电流产生磁场的形式为： （1）、无限长载流直导线：
I H 2r
方向是切于与导线垂直的且以 导线为轴的圆周
(Wb m 2 )
Jm 0 M
(A m 1 )
三、磁场强度 H 与磁感应强度 B
物理意义：均为描述空间任意一点的磁场参量（矢量）
1、磁场强度H (magnetic intensity)：(静磁学定义) 为单
位点磁荷在该处所受的磁场力的大小，方向与正磁荷在该处 所受磁场力方向一致。
0.097 0.43 0.85 1.03 1.24
-28.0
-43
它们的电子壳层都是满壳层，所以原子磁矩为零。
在CGS单位制下，抗磁磁化率的典型值是10-6 cm3· mol-1 。
统一换成体积磁化率的数值，量级是10-6。 换成 SI 单位制下应乘以4π，量级在10-5。
一些抗磁性金属在20℃时的克分子磁化率（CGS单位）：
B H 4 M
四、磁化率 与 磁导率
磁体置于外磁场中磁化强度M将发生变化（磁化） M M H， H 其中称为磁体的磁化率(susceptibility)，是单位磁场强
度H在磁体内感生的M，表征磁体磁化难易程度的物理量
B 0 ( H M)
见Kittel 固体物理学8版p227，姜书p52也有此数据，稍有差别。
反铁磁性是1936年首先由法国科学家Neel从理论上预言、 1938年发现，1949年被中子实验证实的，它的基本特征是存在 一个磁性转变温度，在此点磁化率温度关系出现峰值。
4. 反铁磁性（Antiferromagnetism)
对电磁单位制）：早年使
用的单位制，所有的磁学 量都是通过磁偶极子的概 念建立起来的 在Guass单位制中，M 和H 都有 明确的物理意义，是基本物理 量，而B只是一个导出量
M ( ml )i
i
单位：Guass
磁场强度H 被定义为：
F H m
单位：Oe
引入磁感应强度B，使之 满足如下关系：
弱磁！
文献中也常绘成磁化率倒数和温度关系： （见应用磁学P9）
1 2 jm cos 3 H r 4 r H沿r 方向及使θ 角增加方 0 向的分量计算： H 1 jm sin 3 4 r 0
2 jm 0 , H Hr 40 r 3
o
1
：在从－m到＋m的位移 矢量延长线上 ：在l的中垂面上
顺磁性物质也很多，常见的顺磁性物质： 过渡族元素、稀土元素和锕系元素金属：Mn,Cr,W,La,Nd, Pt,Pa, 含有以上元素的化合物：MnSO4,FeCl3,FeSO4,Gd2O3,
碱金属和碱土金属：Li,Na,K,Ru,Cs,Mg,Ca,Sr,Ba
包含有奇数个电子的原子或分子： HCl,NO,有机化合物中的自由基 少数含有偶数个电子的化合物： O2,有机物中的双自由基等
一. 物质磁性的分类
为了方便研究物质磁性的起因，我们可以按其在磁场
中的表现把物质进行分类， 例如依据磁化率的正负、大小 及其与温度的关系来进行分类，分类是否科学取决于是否 反映了内在磁性机理上的不同。随着研究的深入，分类也 在不断完善和细化，到上个世纪 70 年代为止，在晶状固 体里，共发现了五种主要类型的磁结构物质，它们的形成 机理和宏观特征各不相同，对它们的成功解释形成了今天 的磁性物理学核心内容。
o 4 10－7 H m 1
二、磁化强度 M （Magnetization）
说明：描述宏观磁体磁性强弱程度的物理量
单位体积的磁体内,所有磁偶极子的 jm或磁矩μm的矢
量和 ，分别为：
ห้องสมุดไป่ตู้
磁极化强度： J m
jmi
n i 1
V n mi 磁 化 强 度： M = i=1 V
交变磁感应强度的峰值 交变磁场强度的峰值
（5）可逆磁导率rev：交变磁场趋于0时，Δ的极限值
rev lim
（6）微分磁导率diff：起始磁化曲线上任意一点的斜率
H 0
diff
1 dB 0 dH
NOTE：所有磁导率都是磁场强度H的函数
第二节 物质按磁性分类
Classification of Magnetic Materials
B 0 ( H H ) 1 0 H
令：磁导率(permeability) =（1＋ )=B/ 0H （相对磁 导率，表征磁体磁性、导磁性及磁化难易程度）
磁导率的不同表达形式（不同磁化条件）：
（1）起始磁导率i：磁中性状态下磁导率的极限值
B i lim 0 H 0 H
第一章 磁性概述
第一节 第二节 第三节 基本磁学量 磁性材料分类 强磁材料的宏观磁性
第一节 基本磁学量
Basic Physical Quantity of Magnetism
一、磁矩m
(Magnetic Moment)
永磁体总是同时出现偶数个磁极
当磁体无限小时，体系定义为元磁偶极子：指强度相等， 极性相反并且其距离无限接近的一对“磁荷”
自然界中很多物质都是抗磁性物质：周期表中三分之一的 元素、绝大多数的有机材料和生物材料都是抗磁性物质。 包括： 稀有气体：He,Ne.Ar,Kr,Xe 多数非金属和少数金属：Si,Ge,S,P, Cu,Ag,Au, 不含过渡族元素的离子晶体：NaCl,KBr, 不含过渡族元素的共价键化合物：H2,CO2,CH4 等 几乎所有的有机化合物和生物组织： 水； 反常抗磁性物质：Bi,Ga,Zn,Pb,磁化率与磁场、温度有关。
上世纪 70 年代以后，随着非晶材料和纳米材料的兴 起，又发现了一些新的磁性类型，对它们的研究尚在深化 之中。
1. 抗磁性（Diamagnetism)
这是19世纪后半叶就已经发现并研究的一类弱磁性。它的 最基本特征是磁化率为负值且绝对值很小，<0， <<1 显示抗磁质在外磁场中产生的磁化强度和磁场反向，在不均匀 的磁场中被推向磁场减小的方向，所以又称逆磁性。典型抗磁 性物质的磁化率是常数，不随温度、磁场而变化。有少数的反 常。 深入研究发现，典型抗磁性是轨道电子在外磁场中受到电 磁作用而产生的，因而所有物质都具有的一定的抗磁性，但只 是在构成原子（离子）或分子的磁距为零，不存在其它磁性的 物质中， 才会在外磁场中显示出这种抗磁性。在外场中显示抗 磁性的物质称作抗磁性物质。除了轨道电子的抗磁性外，传导 电子也具有一定的抗磁性，并造成反常。
F m1 m2 1 H ,F k r , 其中 k 3 m r 40
计算磁偶极子产生的磁场强度：
H
H1
Hdr
r

H
Hr

r
F m dr k 2 dr r m2 r
r2
-m l
H2

r r1
km m r 40 r