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。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。