第八章 无机材料的磁学性能

铁磁性
N S N S
S N 顺磁性

不论什么温度，都不能观察到反铁磁性物质任 何自发磁化现象，因此其宏观特性是顺磁性， M与H处同一方向，磁化率χ正值。温度很高时， χ极小；温度降低， χ逐渐增大。一定温度Tn 时， χ达最大值。Tn 为反铁磁性物质居里点 或尼尔点。尼尔点是：在极低温度下，相邻原 子自旋完全反向，其磁矩几乎完全抵消，磁化 率几乎为0。温度上升，自旋反向作用减弱， χ增加。温度升至尼尔点以上，热骚动影响较 大，此时反铁磁体与顺磁体有相同磁化行为。
第一节 物质磁性




1 磁性 物质磁性，来源于电子运动以及原子、电子内部永久 磁矩。 磁场中，受磁场作用呈现一定磁性现象称为磁化现象 (Magnetization)。 凡能被磁场磁化物质称为磁质。 a) 磁场强度 磁场是带电粒子运动结果。一个有N匝线圈螺旋管通 电，会产生一个磁场，磁场大小称为磁场强度，用H (A/m, 非国际单位用Oe,奥斯特)表示：H＝NI／l 式中：N－线圈匝数；I－电流；l－螺旋管长度
磁化曲线和磁滞回线 a) 磁化曲线 铁磁性材料，磁感应强度 B 和磁场 强度H不成正比，因材料磁化过程 与磁畴磁矩改变方向有关。在H＝ 0 时，磁畴取向是无规，到磁感应 强度饱和时（ B ＝ BS ）再增大 H 也 不能使 B 增加，因为形成单一磁畴 方向已与H一致。

上图磁畴壁移动和磁畴磁化矢量转向及在磁化曲 线上起作用范围。无外磁场，样品在退磁状态， 具不同磁化方向磁畴磁矩大体可互相抵消，对外 不显磁性。外施磁场强度不大，畴壁发生移动， 与外磁场方向一致磁畴范围扩大，其他方向缩小。 这种效应不能进行到底，外施磁场强度继续增至 比较大，与外磁场方向不一致磁畴磁化矢量会按 外场方向转动。每个磁畴中，磁矩都向外磁场方 向排列，处饱和状态。饱和磁感强度用Bs，饱和 磁化强度用Ms，对应外磁场Hs。H再增加，B增 加极缓慢，与顺磁物质磁化过程相似。磁化强度 微小提高由外磁场克服部分热骚动能量，使磁畴 内部各电子自旋方向逐渐和外磁场方向一致。
常见材料在室温时磁化率
材料名称 磁化率 材料名称 磁化率
-1.56×10－5 2.07×10－5
氧化铝
铜
－1.81×10－5 锌 -0.96×10－5
铝
金
水银
-3.44×10－5
-2.85×10－5
鉻
钠
3.13×10－4
8.48×10－6
硅
银
-0.41×10－5
-2.38×10－5
钛
锆
1.81×10－4
Fe,Co,Ni,Gd,Tb,Dy,等元素及 其合金、金属间化合物。 FeSi,NiFe,CoFe,SmCo,NdF eB,CoCr等
各种铁氧体系材料 （Te,Go,Ni氧化物）Fe,Co等 与重稀土类金属形成金属间 化合物（TbFe等) O2,Pt,Rh,Pd等，第一主族 （Li,Na,K等），第二主族 (Be,Mg,Ca),NaCl,KCl的F中 心

孤立原子磁矩决定于原子结构。原子 中如有未被填满电子壳层，其电子自 旋磁矩未被抵消，原子具有“永久磁 矩”。铁原子原子序数26，共有26个 电子，在5个轨道中除有一条轨道必须 填入2个电子（自旋反平行）外，其余 4个轨道均只有一个电子，这些电子自 旋方向平行，由此总电子自旋磁矩为4 μB 。
“交换作用”

铁磁体铁磁性只在某一温度以下才表 现出来，超过这一温度，物质内部热 骚动破坏电子自旋磁矩平行取向，自 发磁化强度变为0，铁磁性消失。这一 温度为居里点。在居里点以上，材料 表现为强顺磁性，其磁化率与温度关 系服从居里一外斯定律， C

T Tc
亚铁磁性
这类磁体有些像铁磁体，
但磁化率没有铁磁体那样 大。通常所说磁铁矿 （ Fe3O4 ）、铁氧体等属 于亚铁磁体。

C T
式中，C称居里常数，取决于顺磁物质 磁化强度和磁矩大小。 顺磁性物质磁化率一般很小，室温约 10-5。含奇数个电子原子或分子，电子 未填满壳层原子或离子，如过渡元素、 稀土元素、钢系元素，还有铝铂等金 属，都属于顺磁物质。

铁磁性
诸如 Fe 、 Co 、 Ni 等，在室温下磁化率 可达 103数量级，称这类物质磁性为铁 磁性。 铁磁性物质即使在较弱磁场内，也可 得到极高磁化强度，且当外磁场移去 后，仍可保留极强磁性。其磁化率为 正值，但当外场增大时，由于磁化强 度迅速达到饱和，其变小。

处于不同原子间未被填满壳层上电子发生 特殊相互作用，称“交换”作用。晶体内， 参与这种相互作用电子已不再局限于原来 原子，是“公有化”。由“交换”作用产 生“交换能”与晶格原子间距有密切关系。 距离很大时，接近于零。随距离减小，相 互作用增加，为正值，呈现铁磁性，图8.2 当原子间距与未被填满电子壳层直径之比 大于3时，交换能为正值；交换能为负值， 为反铁磁性。
反铁磁性

反铁磁性指“交换”作用为负值， 电子自旋反向平行排列。在同一子 晶格中有自发磁化强度，电子磁矩 是同向排列；不同子晶格中，电子 磁矩反向排列。两个子晶格中自发 磁化强度大小相同，方向相反，整 个晶体 M=0 。反铁磁性物质大都是 非金属化合物，如MnO。
N
N
S
S
完全反磁性
B= 0H+M=(0+ ) H= H
第七章 无机材料磁学性能
第一节 物质磁性 第二节 磁畴与磁滞回线 第三节 铁氧体磁性与结构 第四节 铁氧体磁性材料

概述



关于磁性材料与非磁性材料 一切物质均有磁性。所谓磁性材料是 指强磁性材料，而非磁性材料是指弱 磁性材料。前者磁化率比后者大1041012倍。 磁性材料应用 磁性材料是电工技术基础材料之一， 广泛应用于电工、电子和计算机等技 术中。

不同磁质，其 xm 值不同（表）。对于 顺磁质， xm 是一个很小正值，数量级 为 10-5 到 10-2 ，对于抗磁质， xm 是一个 很小负值，数量级为10-5。它们xm不随 外磁场强度而变化。对于铁磁质， xm 是一个较大正值，其 xm 值随外磁场强 度变化而变化。磁化率与相对磁导率 关系为：xm ＝μr-1
磁化强度



磁化强度（ M ）是磁质被磁化后其磁性强 弱一个物理量，表征物质被磁化程度。磁 质磁化过程实质是内部原子磁矩取向过程， 定义磁化强度为单位体积内原子磁矩总和。 M=∑m/⊿V，单位A/m，与磁场强度（H） 一致。 磁化过程是外磁场作用引起，磁化强度 M 随外磁场H增大而增强，故：M＝xmH，xm 称为磁化率或磁化系数。 B≡μ0（H+M）=μH
例如：反铁磁性MnO
MnO 点 阵 中 Mn2+ 自 旋排列
第二节 磁畴和磁回归线


铁磁性材料所以能使磁化强度显著增大 （很弱外磁场作用下，显示出强弱性）， 其中存在磁畴（ Domain）结构。在未受 磁场作用时，磁畴方向无规，在整体上 净磁化强度为零。 磁畴结构形成是由于这种磁体为保持自 发磁化稳定性，必须使强磁体能量达最 低值，因而就分裂成无数微小磁畴。每 个磁畴大约为10-9cm3。
1.09×10－4
单位换算关系
高斯单位制 国际单位制 换算关系 磁场强度H 磁化强度M 磁感应强度 B 奥斯特（Oe） 安 /米 （A/m） 1A/m=4π×10-3 Oe
1A/m=10-3 Gs 高斯（Gs） 安/米 （A/m） 高斯（Gs） 特斯拉（T） 1T=104Gs
磁化率χ
磁导率μ
量纲为1
磁致伸缩
铁磁质磁化时，沿磁化方向发生长度 伸长或缩短现象称磁致伸缩效应。此 效应用磁致伸缩系数 λ 表示。若 λ>0 ， 表示沿磁化方向上尺寸伸长，称正磁 致伸缩，如铁属于这种情况。若λ<0， 表示沿磁化方向上尺寸缩短，为负磁 致伸缩，如镍。 λ是各向异性物理量，即金属沿不同晶 向磁化时，其λ值不同。

磁畴结构总要保证体系能量最小，各磁畴 间取向不同，首尾相接，形成闭合磁路， 使磁体在空气中自由静磁能下降为 0 ，对 外不显现磁性。磁畴间被畴壁隔开。畴壁 实质是相邻磁畴间过渡层。为降低交换能， 在过渡层中，磁矩不是突然改变方向，是 逐渐改变，过渡层 ( 磁畴壁 ) 有一定厚度。 畴壁厚度取决于交换能和磁结晶各向异性 能平衡结果，一般为10-5cm。


b) 顺磁性 顺磁性物质不论外加磁场是否存在，原子 内部存在永久磁矩。但无外加磁场，由于 顺磁物质原子做无规则热振动，宏观看， 没有磁性；有外加磁场作用，每个原子磁 矩比较规则取向，物质显示极弱磁性。磁 化强度与外磁场方向一致，为正，且严格 与外磁场成正比。 顺磁性物质磁性还依赖温度。其磁化率与 绝对温度成反比。
磁性材料研究历史





最早磁性材料为强磁性磁铁矿（Fe3O4），2500年用 于指南针。现代磁学和磁性材料是近100年。 对弱磁性认识于18-19世纪。1845年法拉第建立对抗 磁性和顺磁性；19世纪末居里提出居里定律（抗磁磁 化率不随温度变化）。 量子力学出现使人们开始把对物质磁性认识建立在原 子及电子基础上。 40-50年代，以铁氧体为代表亚铁磁性体，改变100多 年来金属铁磁性材料独占强磁体领域局面。 20年来，各磁记录材料和磁光记录材料出现。各薄膜、 超微粒材料和纳米结构研究和应用成为热点。


铁磁性物质具有很强磁性，具很强内部交换场。 铁磁物质交换能为正值，较大，使相邻原子磁 矩平行取向（相应于稳定状态），在物质内部 形成许多小区域——磁畴。每个磁畴约1015 个 原子。这些原子磁矩沿同一方向排列，假设晶 体内部存在很强称为“分子场”内场，“分子 场”足以使每个磁畴自动磁化达饱和状态。这 种自生磁化强度叫自发磁化强度。由于它存在， 铁磁物质能在弱磁场下强烈磁化。自发磁化是 铁磁物质基本特征，也是铁磁物质和顺磁物质 区别所在。