第七章 无机材料的磁学性能1

0 H
0 4 10-7 (H/m) 真空磁导率
磁介质：B H

0 H总 0 (1 ) H
介质的磁导率
介质的磁导率
(1 )0
介质的相对磁导率
r 1 / 0
磁导率 ：表示磁性材料传导和通过磁力线的能力，是 磁性材料最重要的物理量之一。
三、磁性的分类
使磁场减弱
使磁场略有增强
使磁场强烈增强
1. 抗磁性
抗磁性来源于电子循轨运动时受外加磁场作用所产生 的与外加磁场方向相反的附加磁矩，称为抗磁矩。 特点: <0（-10-5），磁化强度为负； B<B0； 原子（离子）的磁矩为零，不存在固有磁矩； M与H呈线性关系。 如：Bi，Cu，Ag，Au等金属。
J为正值时，呈现铁磁性。
交换能 J 与晶格的原子间距有密切关系，原子间距 a 与
未被填满的电子壳层直径 D之比大于3时，交换能为正值， 表现出铁磁性；a/D<3时，交换能为负值，为反铁磁性。
铁磁体的铁磁性只在某一温度以下才能表现出来，超过
这一温度，由于热振动破坏了电子自旋磁矩的平行取向，自 发磁化强度变为零，铁磁性消失。 由顺磁性转变为铁磁性的温度为居里点。居里点以上， 材料的磁化率与温度的关系服从居里—外斯定律：
磁矩是表示磁体本质的一个物理量，表征磁性物体磁性大小。
E
-q 电偶极子
l
+q
电矩
ql
H N
qmH
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将磁极强度（磁荷）为qm、相 距为L的磁偶极子置于磁场强度
H中，则：
磁偶极子受到的磁场力可表示为 F=qmH 磁矩：m=ql S -qmH L
qmHsinθ
也可用环行电流描述磁矩：
磁偶极子
小封闭环 形电流
2. 磁滞回线
外磁场为交变磁场 材料磁化与外磁场的关系：磁滞回线 铁磁材料的一个基 本特征。
Bs饱和磁感应强度
Br剩余磁感应强度
Hc矫顽磁场强度（矫顽力） 磁感应强度的 变化滞后于磁 场强度的变化
磁滞损耗：回线所包围的面积相当于磁化一个周期所产生的 能量损耗。
3、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。
金属元素 原子外层电子 分布 d层原子填充 规律 未抵消 自旋数
Fe 3d64s2
Co 3d74s2
Ni 3d84s2
4
3
2
自发磁化：无外磁场的情况下，材料所发生的磁化称为自 发磁化。
产生原因： 处于不同原子间的、未被填满壳层上的电子发 生特殊的相互作用。参与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 子间好像在交换电子，称为“交换作用”。结 果迫使相邻原子自旋磁矩产生有序排列。 因交换作用所产生的附加能量称为交换能J。
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 间近似呈直线关系，磁化是可 逆的（可逆壁移）； ab：畴壁移动使与外磁场方向一致 的磁畴范围扩大，其它方向的 磁畴相应缩小； bc：与磁场方向不一致的磁畴的磁 化矢量按外磁场方向转动，直 到处于饱和状态。
Tn
反铁磁性物质与温度的关系
T
抗
§7.2 磁畴与磁滞回线
一、磁畴的形成 二、磁滞回线
一、磁畴的形成
铁磁性物质中自发磁化方向一致的微小区域，称为磁畴。 相邻畴壁间的过渡层称为磁畴壁。
(BaFe12O19)
磁畴首尾相接，形成闭合回路 磁畴结构保证体系能量最低
主畴：大而长的磁畴组织，其自发磁化方向必定沿着晶体 的易磁化方向。 副畴：小而短的磁畴组织，其自发磁化方向不一定是晶体 的易磁化方向。
三、电荷—磁极强度，极化强度—磁化强度
一、磁学性质基本概念
1. 磁化
在磁场的作用下，物质中形成了成对的N、S磁极， 使其宏观表现为磁性，称这种现象为磁化。
如图，在N、S磁极上带有+qm、 -qm的磁量。与电场对应，把 磁量叫做磁荷。 一对等量异号的磁极体系叫做 磁偶极子。
N + +qm
S
- - qm 磁极上的磁荷
Bloch畴壁
（块体磁性体中） 磁畴壁内磁矩始终与畴壁平面 平行，即磁矩围绕平行难磁化 轴而转动。
Neel畴壁
（薄膜磁性体中） 磁畴壁内磁矩始终与薄膜平面平 行，即磁矩围绕垂直薄膜表面的 轴而转动。
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。
电子自旋磁矩的千分之几。原子核的自旋磁矩对
原子磁矩贡献很小，可以忽略不计。
原子核磁矩很小，约为电子磁矩的1／2000，忽略不计 磁性的本源：电子的循轨运动和自旋运动。 电子磁矩 ＝ 轨道磁矩＋ 自旋磁矩 轨道磁矩<< 自旋磁矩
物质的磁性主要由电子的自旋磁矩引起
原子、分子是否具有磁矩，决定于原子、分子的结构
磁畴壁：180°磁畴壁与90°磁畴壁 109.47 °磁畴壁与70.53°磁畴壁
磁畴壁是一个过渡区，有一定厚度。 磁畴的磁化方向在畴壁处不能突然转一个大角度，而是 经过畴壁的一定厚度逐步转过去的，即过渡区中的原子 磁矩是逐步改变方向的。
磁畴结构：磁畴的形状、尺寸、畴壁的类型与厚度总称 为磁畴结构。同一磁性材料，磁畴结构不同， 则其磁化行为也不同。
磁矩
m IS
I - 电流强度，S 为封闭环形的面积 m：单位Am2 磁矩的方向为它本身在圆心所产生 的磁场方向。
磁矩愈大，磁性愈强，即物质在磁场中所受的力也愈大。 磁矩只与物体本身有关，与外磁场无关。
3. 磁化强度与磁感应强度
磁化强度M：磁化强度的物理意义是单位体积的磁矩，表征磁 介质被磁化的程度。 把物质置于外磁场中，物质可能被磁化，这时物质的磁化 强度将发生变化。磁化强度M与磁场强度H有如下关系式：
原子中的电子层均被电子排满时，原子没有磁矩（方 向相反的电子自旋磁矩可以互相抵消）。 只有原子中存在未被排满的电子层时，电子磁矩之和 不为零，原子才具有磁矩，称为原子的固有磁矩。 Fe原子：
3d6 4s2
Zn：不显示磁性
各层都充满电子的原子结构
原子结合成分子时，它们的外层电子磁矩要发生 变化，所以分子磁矩不是单个原子磁矩的总和。
自旋 电子 -e
r
原子核 +e
电子自旋与绕核公转
设电子质量m，电荷e，圆周运动半径r, 角速度ω。则
轨道运动速度为ω/2π，相当于电流大小为 eω/2π (A)流过 界面积为 πr2 的线圈。
因此产生的磁矩为：
mi= IS= (eω/2π) πr2 =(e/2m)P
式中P=mωr2称为电子轨道运动的角动量。

C T T0
C居里常数
不变
不变
变化
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； Tn反铁磁居里点 与温度的关系：
软磁材料
硬磁材料
5. 铁磁性与铁电性的本质差别：
铁电性由离子位移引起，铁磁性由原子取向引起；
铁电性在非对称性的晶体中发生，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晶体相变引起的，铁磁性的居 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。
第七章 无机材料的磁学性能
金属和合金
磁 性 材 料
电阻率低，损耗大，不能满足应用之需要， 尤其在高频范围内。 无机磁性材料： 含铁及其它元素的复合氧化物， 称为铁氧体（ferrite）。电阻率 高电阻 为 10 ～ 106•m ，属于半导体范 低损耗 畴。
7.1 物质的磁性
一、磁学性质基本概念 二、磁性的本质 三、磁性的分类
2. 电子自旋磁矩 电子自旋产生自旋磁矩ms。 电子自旋的磁矩与电子自旋的角 动量Ps存在以下关系。
ms =(e/m)(h/2π) Ps=2Ps μB r
电子 -e 原子核 +e 自旋
其中，h为普朗克常数。
电子自旋与绕核公转
3. 原子核磁矩
原子核的质量是电子的1800倍，运动速度仅为电
子速度的千分之几，所以原子核的自旋磁矩仅为
磁性质与介电性质 一、电极化：在外电场作用下，介质内的质点（原 子、分子、离子）正负电荷重心的分离，使其转 变成偶极子的过程。或在外电场作用下，正、负 电荷尽管可以逆向移动，但它们并不能挣脱彼此 的束缚而形成电流，只能产生微观尺度的相对位 移并使其转变成偶极子的过程。 二、磁化：是指在物质中形成了成对的N、S磁极。
如：过渡元素、稀土元素等。
3. 铁磁性（强磁性）
铁磁性来源于原子未被抵消的自旋磁矩和自发磁化。 特点: >0 （103），而且很大，磁化强度为正； 较弱的磁场，也可得到极高的磁化强度；
去除外磁场后，仍保留极强的磁性；
M与H呈非线性关系。 如：Fe、Co、Ni
Fe、Co、Ni原子的外层电子填充规律
2. 应用
电感线圈、小型变压器、脉冲变压器、中频变压器 等的磁芯； 天线棒磁芯、录音磁头等。
4、硬磁材料（永磁材料）
1. 特点
剩磁Br大，储存磁能大； 矫顽力Hc大，不容易退磁。
2. 应用
磁路系统中作永磁以产生恒稳磁场：扬声器、拾音 器、助听器、录音磁头、磁通计、示波器、磁盘材 料等。
按照磁滞回线的形状分为： 软磁材料－小Hc（磁滞回线瘦小） 硬磁材料－大Hc、Br （磁滞回线肥大）
2. 顺磁性（弱磁性）
顺磁性主要来源于电子（离子）的固有磁矩。
无外加磁场时，原子的固有磁矩呈无序状态，原子宏观 上不呈现磁性；外加磁场作用下，原子磁矩比较规则的 取向，物质显示极弱的磁性。 特点: >0 （10-5），磁化强度为正； 磁化率与绝对温度呈反比，＝C/T，C为居里常数； 原子（离子）存在固有磁矩； M与H呈线性关系。
磁化过程中伴随着磁偶极子的转向和磁畴壁的移动。
M
如图为磁化强度M与磁场强度H的关系曲线（磁化曲线），它 们一般并不呈线性关系。
二、磁性的本质
磁现象和电现象有着本质的联系，材料内部电子的循轨 运动和自旋运动都可以看作是一个闭合的环形电流，因而必
然会产生磁矩。
1.电子轨道磁矩 电子绕核作圆周运动可以认为是 一个闭合线路，则环形电流能产 生磁矩。 电子绕原子核运动产生电子轨道 磁矩。
磁介质：能被磁场磁化的介质称为磁介质。
对应于静电库仑定律，两个磁 极间的相互作用F在二者的连 线上，其大小与磁荷（qm1、 qm2）及它们间的距离r有如下 关系：
N
+ +qm r
qm1qm 2 F 2 40 r 1
μ0为真空磁导率 =4π×10-7 H/m
S
- - qm 磁极上的磁荷
2. 磁矩 (magnetic moment )
M=H 或 =M/H
式中，为物质的磁化率。
：介质的磁化率，仅与介质性质有关，反映材料磁化的能力。没有
单位，可正可负，取决于材料不同的磁型类别。
外加磁场强度为H，磁介质的总磁场强度： 材料被磁化：
H总＝ H＋H1 H1=M＝H
(矢量和)
磁感应强度B：通过磁场中某点，垂直于磁场方向单位面积 的磁力线数，单位：Wb ·m-2（T特斯拉） 真 空： B0