第三章 磁性材料

第三章磁性材料物质磁性的研究是近代物理学的重要领域之一。

磁性现象的范围很广泛。

从微观粒子到宏观物体，以至于宇宙天体，都具有某种程度的磁性。

磁性现象很早就被发现，我国人民在3000多年前就发现了磁石（Fe3O4）能相互吸引及磁石吸引铁的现象。

我国古代的四大发明之一指南针即是例证。

随着近代科学技术的发展，由于金属和合金磁性材料的电阻率低，损耗大，已不能满足应用的需要，尤其在高频范围。

磁性无机材料科学技术除了有高电阻、低损耗的优点以外，还具备各种不同的磁学性能，因此他们在无线电电子学、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他元素的复杂氧化物，通常称为铁氧体（ferrite）,它的电阻率为10—106Ω·m，属于半导体范围。

目前，铁氧体已发展成为一门独立科学。

第一节磁性的广泛物质的磁性来源于原子的磁性。

原子的磁性包括三个部分：电子的自旋磁矩、电子的轨道磁矩（由电子绕原子核的运动产生）和原子核的磁矩。

原子核的磁矩一般比电子的磁矩小的多（相差三个数量级），可以忽略不计。

所以原子的总磁矩是电子的自旋磁矩和轨道磁矩的总和。

电子绕原子核运动产生的轨道磁矩和角动量的比值r为：电子的自旋磁矩和角动量的比值为：这表明，电子自旋运动的磁矩比轨道运动的磁矩大一倍。

实验证明，原子组成分子或宏观物体后，其平均磁矩往往不等于孤立原子的磁矩，因为原子之间的相互作用会引起磁矩的变化。

很多磁性材料的电子自旋磁矩要比电子轨道磁矩大。

这是因为在晶体中，电子的轨道磁矩受晶体（格）场的作用，或者说轨道磁矩被“猝灭”或“冻结”了，对原子总磁矩没有贡献。

所以很多固态物质的磁性主要来源于电子的自旋磁矩。

根据原子核外的电子分布规则可知，在原子的同一能级轨道上可以有自旋方向相反的两个电子。

每个电子的自旋会产生一个沿自旋轴方向的磁场，而两个在同一轨道上的自旋相反的电子产生的磁场会相互抵消。

原则上原子中电子自旋磁矩的总和决定于原子中未成对的电子数，未成对电子数越多，则原子的磁性越强。

凡是原子、离子或分子中电子都已自旋成对的物质，作为一个整体不表现出磁性。

但是并不是所有含未成对电子的原子都会显示出磁性，要看处于不同原子间的未成对电子是否进行有效的相互交换作用，原子间的交换作用是物质具有的磁性的根本原因，它指的是近邻原子的电子相互交换位置所引起的静电作用。

所以原子内存在未成对电子只是物质具有磁性的必要条件，原子间电子有效的交换作用才是充分条件。

第二节物质的宏观磁性为了说明宏观物体的磁性强弱，以单位体积的磁矩M称为磁化强度。

将物体放在磁场中时，可使原来没有磁性的物质获得磁性，这种现象叫做物质的磁化。

物质的磁化强度M和磁场强度H有一定的关系：M=XmH 式中常数Xm称为物质的磁化率，表示在单位磁场下，物质所具有的磁化强度，也就是物质在磁场作用下磁化强弱的程度。

各种物质的磁性不同，磁化率Xm是鉴别物质的参量。

根据磁化率的大小，可将物质分为抗磁性，顺磁性和铁磁性等几类。

1、抗磁性物质M和H的方向相反的物质称为抗磁性物质。

稀有气体，许多有机化合物及某些金属元素如Zn、Cu、Ag、Au、Bi等和非金属元素，如Si、P、S、卤素等都是常见的抗磁性物质。

有些抗磁性物质如稀有气体，其原子的电子层结构全充满，原子的磁性等于零。

另一些抗磁性物质如有机化合物及Bi 、P、S、卤素等非金属，虽然原子的磁矩不等于零，但是组成的分子总磁矩等于零。

一切物质在外加磁场作用下，电子的轨道运动都要产生一个附加运动，出现一个与外加磁场H方向相反，但数值很小的感应磁矩。

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弱，磁化率X一般约为-10-5，为负值。

抗磁性普遍存在于所有的物质中。

抗磁性物质的磁化率和磁场的强弱与温度的关系无关。

陶瓷材料的大多数原子是抗磁性的，周期表中前18个元素主要表现为抗磁性，这些元素构成了陶瓷材料中几乎所有的阴离子，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。

2、顺磁性物质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。

但在无外加磁场时，由于顺磁物质的原子作无规则的热运动，各原子磁矩的方向是混乱的，会相互抵消，宏观来看，没有磁性。

在外加磁场作用下，大多数原子磁矩处于顺着外磁场的方向，比较规则的取向宏观上就显示出很弱的磁性，或者说，物质磁化了。

磁化强度M与外磁场方向一致，M为正，而且M 严格的与外磁场H成正比。

除少数顺磁性物质，如碱金属钠、钾的磁化率与温度无关外，大多数顺磁性物质在温度升高时，磁化率下降。

X=C/T式中，C称为居里常数，取决于顺磁物质的磁化强度和磁矩大小。

原子磁矩取向混乱大都是由热运动引起的，温度越高原子的热运动能量越大，要使原子磁矩转向外磁场方向越困难，Xm也越小；反之，温度越低，Xm就越大。

顺磁性物质的磁化率一般也很小，室温下X约为10-5--10-3数量级。

一般含有奇数个电子的原子或分子，电子未填满壳层的原子或离子，如过渡金属，稀土元素，锕系元素，还有铝、铂、碱金属、氧气等，都属于顺磁性物质。

3、铁磁性物质铁磁性物质Xm〉〉0（105---103数量级）具有极高的磁化率，磁化容易达到饱和的物质，称为铁磁性物质。

这类物质包括Fe、Co、Ni及它们的合金和某些化合物，以及Cr、Mn的一些合金。

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，仍可保持极强的磁性。

铁磁性物质的原子磁矩和顺磁性物质的原子磁矩并无本质差别。

例如，表现为铁磁性的Fe、Co、Ni和表现为顺磁性的Cr、Mn原子内的3d电子都是没有充满的壳层，它们的原子都有一定的磁矩。

物质是否具有铁磁性，关键不在于组成物质的原子所具有的磁矩的大小，而在于形成宏观物质，原子之间相互作用的强弱不同。

铁磁性物质中临近原子由于相互作用较强，内部的原子磁矩在没有外磁场作用时，就形成有序排列的现象，原子磁矩互相平行，达到一定程度的磁化，这种现象称自发磁化。

铁磁性物质的自发磁化是分小区域的，在每一个小区域中，原子磁矩按同一方向平行排列，这些小区域称为磁畴。

每个磁畴大约有1015个原子。

这些原子的磁矩沿同一个方向排列，使每个磁畴自动磁化达到饱和状态，这种自生的磁化强度叫自发磁化强度。

由于它的存在，铁磁性物质能在弱磁场下强烈地磁化。

因此自发磁化是铁磁性物质的基本特征，也是铁磁性和顺磁性物质的区别所在。

在物体内部，各个磁畴的自发磁化取向是各不相同的，对外效果互相抵消，因而整个物体对外不呈现出磁性。

当加上外磁场时，各个磁畴的磁矩都转向外磁场方向，所以只要一个不太强的磁场，就可以使铁磁性物质得到很高的磁化强度。

而且在外磁场移去后，仍可保留很强的磁性，若经过磁中性化过程，则对外不呈现磁性。

顺磁性物质中原子间的距离较大，原子间的电子交换作用较弱，因此没有外磁场作用时，原子磁矩不表现出定向排列。

当温度升高时，由于热运动加剧，会破坏原子磁矩的整齐排列，使磁性物质自发磁化的程度降低。

当升高到某一温度以上时，不再存在自发磁化，这时铁磁性物质的磁性就消失了，转化为顺磁性物质。

使铁磁性物质转化为顺磁性物质的温度称为居里化温度或居里点Tc。

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：X=C/(T-Tc)式中C为居里常数。

由此可见，物质是否具有铁磁性并非绝对，矛盾是可以相互转化的。

室温下是铁磁性物质的Fe、Co、Ni加热到居里化温度时，就转变成顺磁性物质。

金属Mn、Sb及As等是顺磁性物质，但当它们组成合金MnAs、MnSb时却成为铁磁性物质。

第三节铁氧体铁氧体是含铁酸盐的陶瓷磁性材料。

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。

其和铁磁性物质不同点在于：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为亚铁磁性。

铁氧体磁性材料的用途和品种，随着生产的发展已越来越多。

根据应用情况，铁氧体可分为软磁、硬磁、旋磁、矩磁和压磁等几类。

一、软磁材料软磁材料是指在较弱的磁场下，易磁化也易退磁的一种铁氧体材料。

软磁铁氧体的晶体结构一般都是立方晶系尖晶石型。

这类材料要求磁导率高，饱和磁感应强度大，电阻高，损耗低，稳定性好等。

这是目前各种铁氧体中用途较广、数量较大、品种较多、产值较高的一种材料，主要用于电感元件（线圈），小型变压器，中频变压器等的磁芯，以及天线棒磁芯、录音磁头、录象磁头、电视偏转磁轭，磁放大器等。

典型代表有M2+O·Fe3+2O3，其中M2+是二价金属离子，如Fe2+Ni2+Mg2+等,也可混合离子。

Mn-ZnFe2O3锰锌铁氧体和Ni-ZnFe2O4镍锌铁氧体.二、硬磁材料硬磁材料是指磁化后不易退磁能长期保留磁性的一种铁氧体材料，因此也可称为永磁材料或恒磁材料。

这类材料主要用于磁路系统中作永磁以产生恒稳磁场，如扬声器、微音器、拾音器、助听器、录音磁头、磁强计、示波器以及各种控制设备。

同时要求对温度、时间、振动和其它干扰的稳定性要好。

硬磁铁氧体的晶体结构大都是六角晶系磁铅石型，其典型代表是钡铁氧体BaFe12O19,它是一种性能较好，成本较低而又适合工业生产的铁氧体材料。

三、旋磁材料磁性材料的旋磁性是指在两个相互垂直的直流磁场和电磁波磁场的作用下，平面偏振的电磁波在材料内部按一定方向的传播过程中，其偏振面会不断绕传播方向旋转的现象。

具有旋磁性的铁氧体材料称为旋磁材料。

旋磁现象实际应用于微波波段，因而旋磁铁氧体材料又称为微波铁氧体。

常用的微波铁氧体有镁锰铁氧体Mg-MnFe3O4，镍铜铁氧体Ni-CuFe2O4及稀土石榴石型铁氧体3Me2O3、5Fe2O3（Me为三价稀土金属离子，如Y3+、Sm3+、Gd3等）。

旋磁材料大都与输送微波的波导管或传输线等组成各种微波器件，主要用于雷达、通讯、导航、遥测、遥控等电子设备中。

四、矩磁材料一些磁性材料的磁滞回线接近于矩形，这种性质称为矩磁性。

由于这种材料具有近于矩形的磁滞回线，所以经过磁化以后的剩磁状态（即外磁场再为零状态）仍保留着接近于磁化时的最大磁化强度，而且根据磁化场的方向不同，可以得到两种不同的稳定的剩磁状态（正或负），其后者如果再受一定方向和大小的磁场作用时，便可根据磁通量的改变所引起的感应电压的大小来判断它原来是处在正或负的剩磁状态。

这样磁矩材料便可以用作需要两种易于保存和辨别物理状态的元件。