第三章 材料的磁学性能
材料磁学性能unit3-浙江大学材料物理性能笔记
3.1.磁学概论磁偶极子：类似于电偶极子，在磁性材料中由南极和北极组成一个磁偶极子磁矩：Pm=IS静磁能：U = −PB对于通电的密绕螺线管，若螺线管高为l、线圈匝数为N、通过的电流为I，则螺线管内所产生的磁场强度H为：H=NI/lB=μH (μ为磁导率) μr=μ/μ0（相对磁导率）μ0=4π×107-H/mB=μ0（H+M） M为磁化强度（A/m）与H单位相同M=∑Pm/VM=χHμr=1+χχ为磁化率（无量纲）物质的磁性本源是电荷的运动原子磁性包括：电子轨道磁矩、电子自旋磁矩和原子核磁矩磁矩的最基本单位是玻尔磁子μB，μB=9.27×1024-A·m2物质的磁性不是由电子的轨道磁矩引起，而是主要由自旋磁矩引起“交换”作用：处于不同原子间的、未被填满壳层上的电子发生的特殊相互作用，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”作用当原子间距Rab与未被填满的电子壳层半径r比Rab/r>3时，交换能H为正值，就呈现出铁磁性当Rab/r<3时，交换能H为负值，为反铁磁性根据物质磁化率，可以把物质的磁性大致分为抗磁性、顺磁性、铁磁性、反铁磁性和亚铁磁性抗磁性：磁化方向与外加磁场方向相反，即当磁化率χ或磁化强度M为负时，固体表现为抗磁性。
抗磁性物质的原子（离子）的磁矩应为零，即不存在永久磁矩顺磁性：在外加磁场作用下，每个原子磁矩比较规则地取向，材料显示极弱的磁性。
磁化强度M与外磁场方向一致，M为正，而且M严格地与外磁场H成正比χ = C /T C为居里常数，磁化率很小铁磁性：无论是否施加外磁场，都具有永久磁矩，且在无外加磁场或较弱的磁场作用下，就能产生很大的磁化强度反铁磁性：由于“交换”作用为负值，电子自旋磁矩反向平行排列。
在同一子晶格中有自发磁化强度，电子磁矩是同向排列的，在不同子晶格中，电子磁矩反向排列。
材料性能学
材料性能学材料性能学是材料科学的一个重要分支领域，研究材料的性能与结构之间的关系。
材料性能包括力学性能、热学性能、电学性能、磁学性能、光学性能等多个方面。
材料性能的优劣直接影响材料的应用范围和效果。
力学性能是材料性能学的重要内容之一，涉及材料的强度、硬度、韧性、耐磨性等指标。
力学性能的研究可以通过各种试验方法来获得。
常见的试验包括拉伸试验、冲击试验、硬度试验等。
力学性能的好坏决定了材料在受力领域的应用范围，优秀的力学性能可以使材料承受更大的载荷，具有很好的抗疲劳和耐磨损能力。
热学性能是材料在热环境下的性能表现，主要包括热导率、热膨胀系数、热稳定性等指标。
热学性能的研究对于材料在高温、低温环境下的应用具有重要意义。
例如，高导热材料可以应用于散热器、热交换器等领域，而低热膨胀系数的材料则适用于高精度仪器、光学设备等需要保持稳定尺寸的领域。
电学性能是材料导电性能的表现，主要包括电导率、介电常数、电阻率等指标。
电学性能是材料应用于电子、电力工程等领域的基础。
例如，电导率高的材料可以用作导线、电极等；而具有高介电常数的材料适用于电容器、绝缘材料等。
磁学性能是材料在磁场中的性能表现，主要包括磁导率、磁饱和强度、磁滞损耗等指标。
材料的磁学性能在电子、通信、磁存储等领域有广泛应用。
例如，磁导率高的材料可以用于制造电感器件、变压器等。
光学性能是材料在光学领域的表现，主要包括透光性、折射率、反射率等指标。
材料的光学性能对于光学器件、光学传感器等的设计和制造非常重要。
例如，透明度高的材料可以用于玻璃、光电子器件等；而具有特定折射率的材料可以用于制造透镜、光纤等。
综上所述，材料性能学研究材料的力学性能、热学性能、电学性能、磁学性能、光学性能等多个方面。
材料性能的好坏直接影响材料的应用范围和效果。
在材料设计和应用领域中，常常需要从以上多个方面综合考虑，选择合适的材料。
单晶硅锭材料的磁性和磁学性能分析
单晶硅锭材料的磁性和磁学性能分析概述：单晶硅是一种重要的半导体材料，被广泛应用于太阳能电池、集成电路等领域。
在实际应用中，了解材料的磁性和磁学性能对于优化材料性能、提高设备效率至关重要。
本文将对单晶硅锭材料的磁性和磁学性能进行分析。
引言：单晶硅是由硅原子构成的晶体材料，由于其高度的晶体质量和优良的电学特性，被广泛用于制造光伏电池和集成电路。
然而，单晶硅材料通常被认为是无磁性的，这意味着它不会显示出自发的磁矩或 ferromagnetic 行为。
下面将详细分析单晶硅锭材料的磁性和磁学性能。
实验方法：在对单晶硅锭材料的磁性进行分析时，我们通常采用磁化率测试来确定材料的磁性质。
磁化率是描述材料对外磁场响应的物理量，用于衡量材料的磁化程度。
常见的磁化率测试方法包括交流磁化率测量、直流磁化率测量和磁化率随温度变化的测量。
结果与讨论：通过磁化率测试，我们发现单晶硅锭材料的磁化率非常接近于零，这意味着它几乎没有磁化的迹象。
这可以解释为单晶硅材料中的电子和核自旋之间的磁矩相互抵消，导致材料整体上具有无磁性的特性。
然而，尽管单晶硅材料本身没有磁性，但它可以被引入某些磁性杂质和缺陷，这可能会导致材料表面或局部区域出现磁化的迹象。
在单晶硅材料中引入磁性杂质和缺陷的一种常见方法是通过离子注入技术。
通过离子注入，可以将磁性杂质，如磁性离子（如铁、锰等）引入单晶硅材料中。
这些杂质的存在将导致单晶硅材料具有一定的磁化特性。
此外，在单晶硅材料中引入缺陷，如晶格缺陷、位错等，也可能导致磁化的出现。
这些缺陷可以破坏材料的平衡状态，导致磁化出现。
磁学性能分析主要关注单晶硅材料的磁滞回线和磁化强度。
磁滞回线描述了材料在外磁场作用下磁化强度随磁场变化的关系。
通过磁滞回线分析，可以了解材料的剩余磁化强度、饱和磁化强度等重要参数。
而磁化强度则是描述材料在外磁场作用下的磁化程度。
这两个参数可以反映材料的磁化程度和磁性能。
结论：通过对单晶硅锭材料的磁性和磁学性能分析，可以得出以下结论：1. 单晶硅材料本身通常具有无磁性，即几乎没有磁化的迹象。
第三章;磁学性能(材料的磁化特征及其基本参数)
四、磁化曲线和磁滞回线
磁导率和磁场的关系
磁滞：指铁磁材料的磁性状态变化时，磁化 强度滞后于磁场强度，它的磁通密度B与磁场 强度 H之间呈现磁滞回线关系 剩磁Br：磁滞回线中，外磁场 减小为零时， 铁磁质所具有的磁感应强度 矫顽力Hc：为使剩磁降低为零而施加的反向 外磁场强度 磁致损耗：铁磁材料在磁化过程中由磁滞现 象引起的能量损耗。经一次循环，磁滞损耗 等于磁滞回线的面积
一个环形电流的磁矩：Pm=ΙS Ι环形电流的强度， S是环形所包围的面积。
当有外加磁场后，环形电流的磁矩沿磁场规律排 列，在宏观上显示磁性。用磁化强度衡量物质磁 性强弱及磁化状态
磁化强度
磁化强度：单位体积的总磁矩
磁极化强度
材料受磁化后呈规律排列，宏观上显示磁极 （南北极），把微观的磁分子称为磁偶极 子，宏观所表示出的磁矩称为磁偶极矩jm
第三章 材料的磁学性能
材料的磁化特征及其基本参数
一、磁化现象及磁化强度 磁性与物质的微观结构相关，决定于原子
结构、原子间的相互作用，例如:键结合和 晶体结构等。 磁性是微观结构表现出来的一种宏观现象。 研究磁性也是研究材料物质内部微观结构 的方法。
磁化现象及磁化强度
一切物质都具有磁性，任何空间都存在磁场，只是强弱不同而已。 根本原因：
• 磁----电 • 磁现象的本质是由于带电物体运动的结果。 • 原子中电子的绕核运动、电子本身的自旋，都会产生磁场。 • 一个分子内部全部电子运动产生的磁场的总和叫做分子磁
场。 • 物质在磁场中，由于受到磁作用而呈现一定磁性称为磁化 • 凡是能被磁场磁化的物质称为磁介质（磁质）。
当物质处于磁场中时，会使磁场发生变化，不 同的物质所引起的磁场变化不一样。
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
磁学性能
物质的磁性
铁氧体
磁性材料
物质的磁性
一 、磁化、磁化强度和磁化率
1、磁化
物质在磁场中由于受磁场的作用而表现 出一定的磁性，这种现象就称之为磁化。
2、磁化强度
磁化强物理量 —— 单位体积的总磁矩
M
Pm V
3、磁化率
M H
Bi,Cu,Ag,Au 等金属具有这种性质
抗磁性物质放入外磁场中，外磁场使电
子轨道改变，产生一个磁矩，该磁矩的
方向与外磁场方向相反
抗磁性物质的抗磁性一般很微弱，磁化
率一般约为-10-5，为负值
顺磁性
顺磁性物质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。 无外加磁场时，顺磁物质的原子做无 规则的热振动，宏观看来，没有磁性； 外加磁场作用下，每个原子磁矩比较 规则的取向，物质显示极弱的磁性。
铁氧体和铁磁性物质的异同
同：磁性较强 异：铁氧体磁性来自两种不同的磁 矩， 一种磁矩在一个方向排列整齐， 另一种在相反的方向排列。 这两种磁矩方向相反，大小不等。 因此，铁氧体又称为亚铁磁体。
磁性材料
• 软磁材料 • 硬磁材料 • 矩磁材料
一、 软磁材料
1、主要特点 具有较高的磁导率和较 高的饱和磁感应强度。
三、矩磁材料
具有高磁导率、高电阻率
可作磁性记忆元件
高分子材料的磁学性能
1、大多数体系为抗磁性材料 2、顺磁性仅存在于两类有机物
（1）含有过渡金属 （2）含有不饱和键、自由基
称为磁化率或磁化系数，它把物 质的磁化强度与外磁场强度联系 了起来，它的大小反映了物质磁 化的难易程度，是材料的一个重 要的磁参数，同时，它也是物质 磁性分类的主要依据。
第三章 磁学性能(磁性及其物理本质)
五、影响金属抗磁性及顺磁性的因素
；六、 磁化率的测量
磁秤 利用试样在非 均匀磁场中的受力情 况来确定它的磁化率。
利用与标准试样对比来确定它的磁化率。
但还有相当多的固溶体顺磁物质，特别是过渡族金属元 素是不符合居里定律的。它们的原子磁化率和温度的关系需 用居里-外斯定律来表达 。
居里-外斯定律
为居里温度 。 2. 磁化率与温度无关的顺磁质 碱金属Li、Na、K、Rb属于此类。
3.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的下降而下降，当 T→OK时，χ→常数；在TN处χ有一极大值，MnO、 MnS、NiCr、CrS-Cr2S、Cr2O3、FeS2、FeS等都属这 类。
顺磁体的χ-T 关系曲线示意图
四、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。 四种因素竞争的结果决定物质是否是抗磁体或 顺磁体。
电子循轨磁矩
电子的自旋磁矩
原子核的自旋磁矩
3.ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 物质的磁性及其物理本质
3.2.1 原子磁性
原子由原子核和核外电子构成，核外电子在各自 的轨道上绕核运动的同时还进行自转运动。因此，分 别具有轨道磁矩和自旋磁矩。
电子材料的电学性能和磁学性能
电子材料的电学性能和磁学性能随着现代科技的快速发展，电子材料的使用范围也越来越广泛。
电子材料不仅应用于电子产品的制造，在机械、化学等领域也具有广泛的应用。
电子材料的性能是决定其使用效果的关键因素，其中电学性能和磁学性能是两个重要的方面。
电学性能是电子材料传导电流和储存电荷的能力。
电子材料的电学性能在制造电子产品时十分重要。
在研究电子材料的电学性能时，需要考虑其导电性、电流密度、电阻率、电容率等多个因素。
这些因素对于电子设备的性能和稳定性都具有非常重要的影响。
首先，导电性是衡量电子材料电学性能的一个重要指标。
电子材料的导电性可以决定电子材料中电荷的自由移动程度。
导电性良好的电子材料可以保证电子设备的正常工作，也能提高设备的性能。
例如，银、铜等金属便是具有良好导电性的电子材料，在电子设备中被广泛应用。
其次，电流密度是另一个影响电子材料电学性能的重要因素。
电流密度指的是电流的流动密度，是单位面积或单位横截面积内的电流强度。
当电流密度过大时，电子材料可能会出现过热、烧毁等问题，因此需要合理地控制电流密度，以防止电子设备的损坏。
除了导电性和电流密度，电阻率和电容率也是评估电子材料电学性能的重要参数。
电阻率是电流在电子材料中受到阻力的程度，它越小，电子材料的导电性越好。
电容率则指的是电子材料中储存电荷的能力，因为电容率越大，电子材料储存电荷的能力也就越强。
除了电学性能，磁学性能也是电子材料的重要性能之一，特别是在制造具有磁性的电子设备时。
磁学性能是指电子材料的受磁效应的特性，包括磁导率、磁饱和磁场强度等参数。
电子材料的磁导率是电子材料具有磁性时，磁场强度与磁化强度之比。
磁导率越大，说明电子材料明显地表现出磁性。
在制造电子设备中，常使用的磁性材料包括铁、镍等，这些材料具有较强的磁性能，能够高效地储存磁场，为设备的稳定运行提供了保障。
磁饱和磁场强度则是衡量电子材料饱和磁化的能力。
磁饱和磁场强度越大，说明电子材料饱和磁化的能力越强，也就意味着电子设备能够更好地应对外界磁场的影响。
(整理)《磁性材料》基本要求.
《磁性材料》基本要求一、熟练掌握基本概念：(1) 磁矩：磁偶极子等效的平面回路的电流和回路面积的乘积，μm =iS ，方向由右手定则确定，单位Am 2。
(2) 磁化强度（M ）：定义单位体积磁性材料内磁矩的矢量和称为磁化强度，用M 表示，SI单位为A/m 。
CGS 单位：emu/cm 3。
换算关系：1 ×103 A/m = emu/cm 3。
(3) 磁场强度（H ）：单位强度的磁场对应于1Wb 强度的磁极受到1牛顿的力。
SI 单位是A ·m -1。
CGS 单位是奥斯特(Oe)。
换算关系：1 A/m =4π/ 103 Oe 。
(4) 磁化曲线：磁体从退磁状态开始到磁化饱和的过程中，磁感应强度B 、磁化强度M 与磁场强度H 之间的非线性关系曲线。
(5) 退磁曲线：磁滞回线在第二象限的部分称为退磁曲线。
(6) 退磁场：当一个有限大小的样品被外磁场磁化时，在它两端出现的自由磁极将产生一个与磁化强度方向相反的磁场。
该磁场被称为退磁场。
退磁场的强度与磁体的形状及磁极的强度有关存在：Hd=-NM 。
(7) 饱和磁感应强度Bs(饱和磁通密度) ：磁性体被磁化到饱和状态时的磁感应强度。
SI 单位是特斯拉[T]或[Wb·m -2]；CGS 单位是高斯(Gauss)。
换算关系：1 T = 104 G 。
(8) 磁导率：定义为磁感应强度与磁场强度之比μ＝Ｂ／Ｈ，表示磁性材料传导和通过磁力线的能力．单位为亨利／米（Ｈ·m -1）． (9) 起始磁导率：磁性体在磁中性状态下磁导率的极限值。
H B H i 00lim1→=μμ (10) 磁化率定义为磁化强度与磁场强度之比：χ= M /H(11) 居里温度：即铁磁性材料（或亚磁性材料）由铁磁状态（或亚铁磁状态）转变为顺磁状态的临界温度，在此温度上，自发磁化强度为零。
(12) 磁各向异性：磁性材料在不同方向上具有不同磁性能的特性。
包括：磁晶各向异性，形状各向异性，感生各向异性和应力各向异性等。
无机材料磁学性能资料
纳米非金属磁性材料
纳米铁氧体
通过纳米技术制备的铁氧体材料，具有更高的磁 导率和更低的损耗。
纳米氧化铝陶瓷
采用纳米技术制备的氧化铝陶瓷，具有更好的绝 缘性能和机械强度。
纳米复合磁性材料
将纳米磁性粉末与其他非金属材料复合制备而成， 具有优异的综合性能。
复合非金属磁性材料
金属/非金属复合磁性材料
将金属磁性粉末与非金属基体复合制备而成，兼具金属和非金属 的优点。
磁化过程与磁畴理论
磁化过程
磁化是指原来没有磁性的物体获得磁性的过程。磁化过程包括畴壁移动和磁矩转 动两个过程。
磁畴理论
磁畴是指铁磁体内部存在的大量微小区域，每个区域内部的原子磁矩都像一个个 小磁铁那样整齐排列，但相邻的不同区域之间原子磁矩排列的方向不同。这些微 小区域就是所谓的磁畴。
磁滞回线和磁化曲线
无机材料磁学性能资料
目 录
• 磁学基础概念 • 无机材料磁学性能概述 • 金属磁性材料 • 非金属磁性材料 • 无机材料磁学性能应用 • 无机材料磁学性能研究进展与趋势
01 磁学基础概念
磁性定义与分类
磁性定义
磁性是物质放在不均匀的磁场中会受 到磁力的作用，产生磁性的原因有电 子的自旋磁矩和轨道磁矩。
磁学性能参数及表征方法
磁导率
表示材料在外磁场作用下的磁化能力，与 材料的成分、结构和温度等因素有关。
A 磁化曲线和磁滞回线
描述材料在外磁场作用下的磁化过 程和磁滞现象，可得到饱和磁化强
度、剩磁和矫顽力等参数。
B
C
D
磁学性能表征方法
包括振动样品磁强计、超导量子干涉仪、 电子自旋共振等实验手段，可获得材料的 磁学性能参数和微观磁结构信息。
材料的磁学性能与测试方法
材料的磁学性能与测试方法材料的磁学性能是指材料在磁场下的特性和行为。
磁学性能对于许多领域的应用至关重要，如电子设备、磁存储、能源转换等。
为了深入了解和评估材料的磁学性能，科学家和工程师们开发了各种测试方法和技术。
本文将介绍常见的材料磁学性能测试方法以及其应用。
一、磁矩与磁滞回线测试方法磁矩是一个材料在磁场中受磁化作用时所表现出的磁性强度。
磁矩可以通过磁滞回线测试方法进行测量。
该测试方法主要通过改变外加磁场的强度来测量材料的磁化强度。
磁滞回线图是磁矩随外加磁场变化的图像，通过分析磁滞回线图可以了解材料的磁化强度和磁滞损耗等。
二、磁化曲线测试方法磁化曲线测试方法主要用于测量材料的磁化特性。
这种方法通过在材料中施加不同大小的磁场，然后测量磁场对材料磁化程度的影响。
通过绘制磁化曲线，可以确定材料的磁化特性，如饱和磁化强度、剩余磁矩和矫顽力。
三、矫顽力和剩余磁矩测试方法矫顽力是指外加磁场移除后，材料保留的剩余磁矩。
矫顽力和剩余磁矩是材料磁学性能的重要指标之一。
这些指标可以通过磁化曲线测试方法中的回磁曲线来测量。
通过矫顽力和剩余磁矩的测量，可以评估材料的磁记忆效应，以及应用于数据存储等领域时的可靠性。
四、磁导率测试方法磁导率是材料对磁场的响应能力。
磁导率测试方法主要通过施加一个交变磁场，并测量材料的磁场强度和施加磁场的相位差来计算磁导率。
磁导率的测量可以用于评估材料的磁性能和应用于电磁设备中的性能。
五、饱和磁化强度测试方法饱和磁化强度是指材料在外加磁场逐渐增大的情况下，达到饱和状态时的磁化强度。
饱和磁化强度测试方法可以通过磁化曲线测试中的饱和磁化强度来测量。
饱和磁化强度是衡量材料磁性能的重要指标之一，对于电磁设备和磁性材料的设计和应用具有重要意义。
通过以上介绍的各种测试方法，我们可以准确测量和评估材料的磁学性能。
这些测试方法对于磁性材料的设计、磁性材料应用的改进以及电磁设备的开发都起到了至关重要的作用。
我们可以根据具体的需求选择合适的测试方法，以便更好地了解和利用材料的磁学性能。
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
材料磁学性能实验报告
材料磁学性能实验报告学号：姓名：班级：一、叙述实验原理和实验方法实验目的：1．了解振动样品磁强计（VSM ）测量材料磁性能的测试方法。
2．测定材料的磁化曲线和磁滞曲线，了解饱和磁化强度、剩磁、矫顽力等磁参量。
实验原理：振动样品磁强计（VSM ）是一种磁性测量常用的仪器，在科研和生产中有着广泛的应用。
它是利用小尺寸样品在磁场中做微小振动，使临近线圈感应出电动势而进行磁性参数测量的系统。
与一般的感应法不同，VSM 不用对感应信号进行积分，从而避免了信号漂移。
另一个优点是磁矩测量灵敏度高，最高达到10-7emu ，对测量薄膜等弱磁信号更具优势。
如果一个小样品（可近似为一个磁偶极子）在原点沿Z 轴作微小振动，放在附近的一个小线圈（轴向与Z 轴平行）将产生感应电压：km t m G e g ==ωωδcos其中G 为线圈的几何因子，ω为振动频率，δ为振幅， m 为样品的磁矩，N 、A 为线圈的匝数和面积。
原则上，可以通过计算确定出g e 和m 之间的关系k ，从而由测量的电压得到样品的磁矩。
但这种计算很复杂，几乎是不可能进行的。
实际上是通过实验的方法确定比例系数k ，即通过测量已知磁矩为m 的样品的电压g e ，得到k =e g m ，这一过程称为定标。
定标过程中标样的具体参数（磁矩、体积、形状和位置等）越接近待测样品的情况，定标越准确。
永磁材料的全部技术参数都可以由VSM 测量得到。
永磁材料的技术参数（饱和磁化强度、剩磁、矫顽力和磁能积等）可以由磁化曲线和磁滞回线反映出来，如图1，温度特性可以由不同温度下的磁滞回线给出。
720200)5(43r x r z NA G -=μπ图4 永磁材料的磁化曲线和磁滞回线图二、描述实验过程1. 准备样品。
样品重量约30mg 左右，形状尽量呈圆形。
2. 将样品用胶水粘到样品杆上，并晾干一天或吹风机烘干使其固定良好。
3.将样品竖直固定于仪器固定杆上，将接头连接稳固，放入磁场中，开始测试。
材料磁学性能及其测量
磁学测量等。
1.1 材料的磁化现象及磁学基本量
磁场：由运动电荷（或电流）产生的在空间连续分布的一种物质。 宏观性能：在场内运动的电荷会受到作用力。
任何有限尺寸的物体处于磁场中，都会使它所占用的空间的磁场发生变化，
能量各向异性的特征称为形状各向异性。
退磁场对样品的磁性能的影响是明显的：
有退磁场时磁化曲线是倾斜的。
所以性能表给出的磁导率数值都是针对有效磁场的数值，材料性能的实际 测量中必须尽量克服退磁场的影响。
各种不同单位的换算
磁学量的单位目前常用的是国际单位制(SI)和高斯单位制(CGS）。
磁矩：
在高斯单位制中0=1G/Oe，则磁偶极矩与磁矩无差别，统称
到高频和微波领域。非晶合金磁性的发展，开拓了优质软磁材料的领域。 近20年来，磁记录材料和磁光记录材料正在迅猛发展。在多层膜中发现
巨磁电阻以来，自旋相关导电材料及其器件不断出现，有机铁磁体、
C60化合物铁磁体及室温铁磁体的发现预示了磁性与磁性材料的发展前 景。
本章主要介绍材料的磁化现象及磁学基本量，铁磁性和亚铁磁性物
方向：-m指向+m 单位Wb.m
用环形电流描述磁偶极子：
A m2 磁矩： m iA jm 0 m
0 4 107 H .m 1
电子的轨道运动相当于一个恒定的电流回路，必然有一个磁矩（轨道磁 矩），自旋也会产生磁矩（自旋磁矩），自旋磁矩是基本粒子的固有磁 矩。
当物体受外加磁场的作用被磁化后，便会表现出一定的磁性。实际上， 物体的磁化并不改变原子固有磁矩的大小，而是改变了它们的取向。
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。
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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
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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。
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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
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3. 反铁磁性
x
x
x
TC
铁磁性
T
TN
反铁磁性
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T
TS
T
亚铁磁性
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反铁磁性的基本特征
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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。
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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。
现在我们可以从以下三方面来分析原子中的磁矩。
①电子轨道运动产生的磁矩②电子自旋产生的磁矩③原子核的磁矩7.1.2磁化强度磁化强度的物理意义是单位体积中的磁矩总和。
设体积元△V内磁矩的矢量和为∑M，则磁化强度M为(7.2)式中M i的单位为Wb·m，V的单位为m3，因而磁化强度M的单位为Wb·m2，即与磁场强度H的单位一致。
电场中的电介质由于电极化而影响电场，同样，磁场中的磁介质由于磁化也能影响磁场，即磁性体对于外部磁场H的反映强度。
磁场强度H、磁化强度M有关系式B≡μ0H+M=μH (7.3)式中μ为介质的磁导率，μ只与介质有关。
该式采用MKS单位制表示。
因此磁化强度M 表征物质被磁化的程度。
对于一般磁介质，无外加磁场时，其内部各个磁矩的取向不一，宏观无磁性。
但在外磁场作用下，各磁矩有规则的取向，使磁介质宏观显示磁性，这就叫磁化。
定义为介质的相对磁导率，则M=（μr－1）H (7.4)定义为介质的相对磁化率或χ=μ0χr为介质的磁化率，则可得磁化强度与磁场强度的关系(7.5)式中比例系数χr仅与磁介质性质有关，它反映材料的磁化能力。
为了便于直观地理解磁性相关的基本物理量，可以将其与电学量的基本物理量进行对比，见表7-1。
7.2物质的磁性物质的磁性由于原子磁矩不同的表现，使原子磁矩与磁场的作用、磁化强度与磁场强度的关系曲线、磁化率与温度的关系等具有不同的特点，下面讨论各种不同类型的磁性。
7.2.1顺磁性由于电子自旋没有互相抵消，不论外加磁场是否存在，原子内部存在永久磁矩。
在没有外磁场的作用时，由于物质中的原子做无规则的热振动，各个磁矩的指向是无序分布的，没有形成宏观磁化现象。
但是在外加磁场的作用下，这些磁矩沿磁场方向排列，物质显示极弱的磁性，这种现象叫顺磁性。
磁化强度M与外磁场方向一致，M为正，而且M严格地与外磁场H成正比。
顺磁性物质的磁性除了与H有关外，还依赖于温度。
其磁化率χ与绝对温度T成反比。
(7.6)式中T为绝对温度(K)；C称为居里常数，取决于顺磁物质的磁化强度和磁矩大小。
顺磁性物质的磁化率一般很小，室温下χ约为10-5。
7.2.2铁磁性具有铁磁性物质的磁化率为正值，而且很大。
如Fe，Co，Ni，室温下磁化率可达103数量级，属于强磁性物质。
一般磁介质的B-H为线性关，即B＝μH，μ不变，而对于铁磁体，B-H为非线性，μ随外磁场变化。
铁磁体的铁磁性只在某一温度以下才表现出来，超过这一温度，由于物质内部热骚动破坏电子自旋磁矩的平行取向，因而总磁矩为零，铁磁性消失。
这一温度称为居里点T C。
在居里点以上，材料表现为强顺磁性，其磁化率与温度的关系服从居里-外斯定律，（7.7）式中C为居里常数。
铁磁性物质和顺磁性物质的主要差异在于：即使在较弱的磁场内，前者也可得到极高的磁化强度，而且当外磁场移去后，仍可保留极强的磁性。
7.2.3反铁磁性反铁磁性体的原子磁矩在同一子晶格中，无外磁场的作用时，磁矩是同向排列的，具有一定的磁矩；在不同的子晶格中磁矩是反向排列。
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FeO，NiF2及各种锰盐。
不论在什么温度下，都不能观察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处于同一方向，磁化率χr为正值。
7.2.4抗磁性当磁化强度M为负时，固体表现为抗磁性。
抗磁性物质的磁化强度是磁场强度的线性函数。
Bi，Cu，Ag，Au等金属具有这种性质。
在外磁场中，这类磁化了的介质内部，B 小于真空中的B0。
构成抗磁性材料的原子（离子）的磁矩为零，即不存在永久磁矩，而前面所讨论的铁磁性、反铁磁性、顺磁性等都是源于原子磁矩而产生的磁性。
当抗磁性物质放入外磁场中，外磁场使电子轨道改变，围绕原子核作回旋轨道运动的电子按照楞次定律会产生感生电流，此感生电流产生与外加磁场方向相反的磁场，这便是反磁性产生的根源。
所以抗磁性来源于原子中电子轨道状态的变化。
抗磁性物质的抗磁性一般很微弱，磁化率χ一般约为-10-5，其绝对值很小。
符合抗磁性条件的就是那些填满了电子壳层的原子和离子，因此周期表中前18个元素主要表现为抗磁性。
这些元素构成了无机材料中，几乎所有阴离子，如O2-，F-，Cl-，S2-，SO42-，CO32-，N3-，OH-等。
在这些阴离子中，电子填满壳层，自旋磁矩平衡。
7.3磁畴的形成和磁滞回线7.3.1磁畴的形成铁磁体在很弱的外加磁场作用下能显示出强磁性，这是由于物质内部存在自发磁化的小区域，即磁畴。
对于处于退磁化状态的铁磁体，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式杂乱的。
因而物质的磁畴不会是单畴，而是由许多小磁畴组成的。
磁畴形成的原因有“交换”作用和超交换作用。
7.3.1.1“交换”作用磁偶极子类似于一个小永久磁体，因此在其周围形成磁场，这一磁场必然会对其它磁矩产生作用，使磁矩在特定方向取向，由于磁矩的相互作用，使其取向趋于一致。
实际上这是由于电子的静电相互作用造成的，也即“交换”作用。
这一现象也可从电子的“共有化”运动得到解释。
7.3.1.2超交换作用在某些材料中过渡金属离子不是直接接触，直接接触交换作用很小，只有通过中间负离子氧起作用。
在尖晶石结构中实际上存在A-A，B-B，A-B三种可能位置.因而存在三种交换作用。
由于各种原因，这些化合物中只有其中的一种超交换作用占优势。
7.3.1.3磁畴的形成由于铁磁体具有很强的内部交换作用，铁磁物质的交换能为正值，而且较大，使得相邻原子的磁矩平行取向，发生自发磁化，在物质内部形成许多小区域，即磁畴。
这种自生的磁化强度叫自发磁化强度M S。
因此自发磁化是铁磁物质的基本特征，也是铁磁物质和顺磁物质的区别所在。
大量实验证明，为了保持自发磁化的稳定性，必须使强磁体的能量达最低值，因而就分裂成无数微小的磁畴，形成磁畴结构。
每个磁畴的体积大约为10-9cm3，约有1015个原子。
铁磁性的自发磁化和铁电性的自发极化有相似的规律，但应该强调的是它们的本质差别；铁电性是由离子位移引起的，而铁磁性则是由原子取向引起的；铁电性在非对称的晶体中发生，而铁磁性发生在次价电子的非平衡自旋中；铁电体的居里点是由于熵的增加（晶体相变），而铁磁体的居里点是原子的无规则振动破坏了原子间的“交换”作用，从而使自发磁化消失引起的。
7.3.2磁滞回线铁磁体在未经磁化或退磁状态时，其内部磁畴的磁化强度方向随机取向，彼此相互抵消，总体磁化强度为零。
如果将其放入外磁场H中，其磁化强度M随外磁场H的变化是非线性的。
下面简单的介绍磁畴壁运动模型。
在消磁状态下，畴壁受内应力等障碍物的钉扎作用，畴壁难以运动。
在外磁场的作用下，由于各磁畴的磁矩发生转向而引起磁畴壁的移动，在磁畴壁的移动过程中，如果磁场较弱，不足以克服内应力等障碍物的钉扎作用，畴壁难以运动，当外磁场取消后，铁磁体即可回到消磁状态，即处于可逆的畴壁移动区域。
随着外加磁场强度的增大，钉扎作用不足以抵消外磁场的作用，畴壁试图克服钉扎作用而移动，此时，争脱开障碍物钉扎作用的畴壁，发生雪崩式的移动。
畴壁移动是突然和不连续的，从而磁化也是不连续的。
用电气放大作用进行探测，会有不规则的噪声出现。
称此为Barkhausen效应或噪声。
在此之后，进入到可逆的磁畴旋转区。
进而达到饱和磁化状态。
如果外磁场H为交变磁场，则与电滞回线类似，可得到磁滞回线.可以用磁滞回线说明晶体磁学各向异性。
在某一宏观方向上（如水平方向、垂直方向）生长的单磁畴粒子，且其自发磁化强度被约束在该方向内，当在该方向上施加外加磁场，磁滞回线为直角型，而在与此垂直的方向上施加磁场，磁滞回线缩成线性。
7.4铁氧体结构及磁性以氧化铁（Fe3+2O3）为主要成分的强磁性氧化物叫做铁氧体。
铁氧体磁性与铁磁性相同之处在于有自发磁化强度和磁畴，因此有时也被统称为铁磁性物质。
铁氧体一般都是多种金属的氧化物复合而成，因此铁氧体磁性来自两种不同的磁矩。
一种磁矩在一个方向相互排列整齐；另一种磁矩在相反的方向排列。
这两种磁矩方向相反，大小不等，两个磁矩之差，就产生了自发磁化现象。
因此铁氧体磁性又称亚铁磁性。
从晶体结构分，目前已有尖晶石型、石榴石型、磁铅石型、钙钛矿型、钛铁矿型和钨青铜型等6种。
重要的是前三种。
下面将分别讨论它们的结构及磁性。
7.4.1尖晶石型铁氧体铁氧体亚铁磁性氧化物一般式表示为M2+O⋅Fe23+O3，或者M2+-Fe2O4，其中M是Mn，Fe，Co，Ni，Cu，Mg，Zn，Cd等金属或它们的复合，如Mg1－x Mn x Fe2O4），因此组成和磁性能范围宽广。
它们的结构属于尖晶石型.7.4.2石榴石型铁氧体稀土石榴石也具有重要的磁性能，它属于立方晶系，但结构复杂，分子式为M3Fe5O12，式中M为三价的稀土离子或钇离子，如果用上标c，a，d表示该离子所占晶格位置的类型。