第七讲.磁性材料

轨道磁矩
eh m li (li 1) B li (li 1) 4me e,电子的电荷，e 1.6 1019 C me ,电子的质量，me 9.11031 Kg li , 轨道角动量量子数，i 0,1,2,3......,(n 1) l
自旋磁矩
eh B si ( si 1) 2 B si ( si 1) 2m si ,自旋角动量量子数
原子总磁矩
原子的总磁矩应是按照原子结构 和量子力学规律将原子中各个电子 的轨道磁矩和自旋磁矩相加起来的 合磁矩.
注:原子核自旋磁矩仅是电子磁矩 的1/1836.5, 忽略不计.
电子的填充方式对磁矩的影响：
当原子中某一电子层完全被电子填满时，该电子层 的电子云在空间的分布呈球形对称，这时其电子循 轨磁矩和自旋磁矩都互相抵消，即该层电子磁矩对 原子磁矩没有贡献。因此惰性元素没有固有磁矩。 因此，大多数元素的原子都存在固有磁矩。这些原 子也成为磁性原子。
1928：英国，狄拉克用相对论量子力学完美地解 释了电子的内禀自旋和磁矩，并与德国物理学家 海森伯一起证明了静电起源的交换力的存在，奠 定了现代磁学的基础。
1936：苏联，郎道完成了巨著“理论物理学教 程”，其中包含全面而精彩地论述现代电磁学和 铁磁学的篇章。
1936-1948：法国，奈耳提出反铁磁性和亚铁磁性 的概念和理论。
软磁材料的应用——电力变压器
电力变压器核心在于 铁芯和线圈。铁芯处 于交变电磁场中，要 求在工作频率下对外 磁场变化足够灵敏。
软磁材料的应用——电子电路元器件
常见开关电源电路中多处应用了软磁器件！
软磁材料的应用——电子电路元器件
变压器
贴片变压器
电感
滤波器
环形电感滤波器
谐波电流抑制器
软磁材料的应用——电机铁芯
磁铁矿(Fe3O4) 或磁赤铁矿(γ-Fe2O3)
在西方，据传说，磁性首先是被 一个牧羊人发现的。他注意到他 的木棍的铁端，被一块石头所吸 引。这种石块在小亚细亚(Asia Minor)、马其顿的Magnesia地区 以及爱奥尼亚的Magnesia城都被 发现过。人们相信“Magnetism” 一字就是来源于这些地名。
钡铁氧体的微波应用：1、器件；2、隐身涂层。
目前产业化的主要永磁材料——铁铬钴系合金
以铁、铬（23.5～27.5%）、钴（11.5～21.0%）为主；加入适量硅 、钼、钛。此类合金可以通过成分调节将其低的单轴各向异性常数 提高到铝镍钴合金的水平；定向凝固+磁场处理(结晶与磁双重织构) ，以及塑性变形与适当热处理的方法(形变时效)显著提高合金性能 。
物质磁性的起源
原子有哪几中运动方式？
现代科学认为物质的磁性来源于组成物 质中原子的磁性
1 原子中电子的轨道磁矩
2 电子的自旋磁矩
3 原子核的核磁矩
载流闭合回路小线圈存在磁矩：
μ 磁矩： m iA 单位：A ∙m2
磁矩反应了载流线圈产生磁场的大 小，可以把它引用到物质的微观系 统中去。 磁矩 电子的轨道运动相当于一个恒定的电流回路，必 有一个磁矩（轨道磁矩），自旋也会产生磁矩（自旋 磁矩）。
十八世纪：法国，库仑， 库仑定律
十九世纪 1820年：丹麦，奥斯特，电流产生磁场 1831年：英国，法拉第，电磁感应现象
1873年：英国，麦克斯韦，统一电磁理论
1899年：法国，居里，居里温度，磁性转变
法拉第－电磁感应
居里（P Curie）
二十世纪 1905：法国，郎之万基于统计力学理论解释了 顺磁性随温度的变化。 1907：法国，外斯提出分子场理论，扩展了郎 之万的理论。 1921：奥地利，泡利提出玻尔磁子作为原子磁 矩的基本单位。美国，康普顿提出电子也具有 自旋相应的磁矩。
软磁材料应用——图书防盗磁条
将磁条贴在图书中或超市货 品上，通过门禁处交变磁场 检测磁条的磁性变化来区分 被保护对象是否带有磁条， 来达到防盗的目的。 磁条由软磁材料制作，通常 为钴基非晶合金、铁基纳米 晶合金或坡莫合金（铁镍合 金）。 防盗磁条技术的运用大大降 低了开架售货领域如图书馆、 超市、药店等的运营成本。
1967：奥地利，斯奈特在量子磁学的指导下发现 了磁能积空前高的稀土磁体(SmCo5)，从而揭开 了永磁材料发展的新篇章。 1974：第二代稀土永磁Sm2Co17问世。
1982：第三代稀土永磁Nd2Fe14B问世。
1990：原子间隙磁体Sm-Fe-N问世。
1991：德国，克内勒提出了双相复合磁体交换作 用的理论基础，指出了纳米晶磁体的发展前景。
以氧化锰(MnO)为例，它是离子型陶瓷材料，由Mn2+和O2-离子 组成， O2-离子没有净磁矩，因为其电子的自旋磁矩和轨道磁矩 全部都对消了；Mn2＋离子有未成对3d电子贡献的净磁矩。 在MnO晶体结构中，相邻Mn2+离子的磁矩都成反向平行排列， 结果磁矩相互对消，整个固体材料的总磁矩为零。
MnO晶体结构
较小的矫顽力（矫顽力很小， 即磁场的方向和大小发生变化时 象软铁、坡莫合金、硅钢片、 磁畴壁很容易运动）和较低磁滞 损耗，磁滞回线很窄； 铁铝合金、铁镍合金等。 由于软磁材料磁滞损耗小， 在磁场作用下非常容易磁化； 适合用在交变磁场中，如变压 取消磁场后很容易退磁化 器铁芯、继电器、电动机转子、 定子都是用软件磁性材料制成。
目前产业化的主要永磁材料——钕铁硼
第三代稀土永磁体；其价格只相当于钐钴合金的 50%左右；分烧结钕铁硼和粘接钕铁硼；优点：最 大磁能积和最大矫顽力；缺点：剩磁温度系数较高 。
2300 年 前 ： 天 然 磁 石 ， “司南”，指南仪 1086年：沈括，《梦溪笔谈》，指南针 1119年：朱或，《萍洲可谈》，罗盘，航海
1405-1432年：郑和，指南仪，航海
1488-1521年：哥伦布，伽马，麦哲伦，指南 仪，航海发现
十七世纪：英国，威廉.吉伯 ，《磁体 》
您对磁究竟了解多少？？？
静磁学现象？ 磁性来源？ 磁性材料？非磁性材料？ 磁的分类？ 磁的应用？
>> ! 磁= 吸铁石 ？
生活中的常识问题-1
磁性是物质一种 比较少见的只在少数 地方得到应用的现象 呢？还是一种存在非 常普遍应用非常广泛 的现象呢？
所有物质都有磁性吗？
铁-吸铁石，哪个有磁性？ 水 铜 铝
为什么通来自百度文库情况下无磁性表现？
大多数元素的原子存在原子的固有磁距. 物体的磁性,取决于原子磁矩的取向.在无外 磁场作用时,各原子磁矩的取向是紊乱的,物 质不呈现宏观性;而当其受外磁场作用时,则 原子呈取向性分布,物质呈现宏观的磁性.
总之：
物质内部原子、分子中的每个电子参与 两种运动，一是轨道运动，即电子绕原子 核的旋转运动，其运动会形成一个电流， 进而会产生一个磁矩，称为轨道磁矩；二 是电子的自旋运动，相应地也会产生一个 磁矩，称为自旋磁矩。一个分子中所有电 子的各种磁矩之总和构成这个分子的固有 磁矩Pm，称为分子磁矩，这个分子固有磁 矩可以看成是由一个等效的圆形分子电流i 产生的。
铁、钴、镍等过渡元素都具有未成对的3d电子。 分别具有4、3和2的净磁矩。 铁、钴、镍金属在室温下具有自发磁化的倾向（交换作用）。 形成相邻原子的磁矩都向一个方向排列的小区域，称为磁畴。
原子核外电子排布示意图
铁磁性材料
加入小的磁场，可以获得大的磁场强度。
4、反铁磁性
在有些材料中，相邻原子或离子的磁矩呈反方向平行排列，结果 总磁矩为零，叫反铁磁性。反铁磁性物质有某些金属如Mn，Cr等， 某些陶瓷如MnO，NiO等以及某些铁氧体如ZnFe2O4等。
目前产业化的主要永磁材料——AlNiCo系永磁合金
AlNiCo系永磁合金：包括铝镍型、 铝镍钴型和铝镍钴钛型三种。其中又 有各向同性合金、磁场取向合金和定 向结晶合金。生产工艺包括：铸造磁 钢与烧结磁钢。铸造铝镍钴合金具有 生产工艺简单和产品性能高等特点。 绝大部分铝镍钴合金都采用铸造法生 产。
对于电子壳层被填满的物 质，原子磁矩为零。在外 磁场作用下，电子运动将 产生一个附加的运动（由 电磁感应定律而定），感 生出与H反向的磁矩。
实例：惰性气体、许多有机化合物、某些金属（Bi、Zn、Ag、Mg）、非金 属（如：Si、P、S）
抗磁质的几点说明：
任何物质都具有抗磁的本性。 物质具有抗磁的本性并不是一定会呈现出抗 磁性，而只有当物质的这种抗磁因素超过其 顺磁因素时，物质才呈现抗磁性，才称为抗 磁质。 随外磁场的增加，附加的抗磁磁矩增强，抗 磁磁化强度增大。
金属的顺磁性与抗磁性
价电子……固有磁矩….顺磁性 正离子 抗磁性？ 顺磁性？
3、铁磁性
在较弱的磁场作用下就能产生很强的磁化强度。在外磁场除去后 仍保持相当大的永久磁性，具有磁滞现象。铁磁体在温度高于居 里温度后变成顺磁体。 具有铁磁性的金属有铁、钴、镍等，铁磁质的应用最广泛， 特别是在信息的记录和存储方面（磁带、计算机存储器） 材料是否具有铁磁性取决于两个因素： 原子是否具有未成对电子，即自旋磁矩贡献的净磁矩(本 征磁矩) 原子在晶格中的排列方式
电机铁芯通常由叠层软磁硅钢片 或者铁镍合金冲压而成。
硬磁材料：
硬磁材料是指那些难以磁化，且除去外场以后，仍能保留 高的剩余磁化强度的材料，又称永磁材料。（磁铁） 种类：铝镍钴系硬磁合金、 硬磁铁氧体材料、稀土硬 磁材料等几个系列。 用途：1、硬磁材料主要 用来储藏和供给磁能，作 为磁场源。2、硬磁材料在 电子工业中广泛用于各种 电声器件、在微波技术的 磁控管中亦有应用。
•铁铬钴合金各 种加工形式，包 括丝材。
目前产业化的主要永磁材料——钐钴系合金
SmCo系合金（SmCo5,Sm2Co17)：耐高温稀土 永磁。SmCo5：第一代稀土永磁，上世纪60年代 ；Sm2Co17：第二代稀土永磁，上世纪70年代。 Sm2Co17的工作温度可达350oC。 其缺点是含有较多
的金属钴(～ w(Co)66%)和蕴藏 量稀少的稀土金属 元素Sm。原材料 昂贵，受到资源与 价格的限制。 主要应用于高端领 域。
一类是分子中各电子的磁矩不完全抵消而整个分子 具有一定的固有磁矩， 一类是分子中各电子的磁矩，完全相互抵消而整个 分子不具有固有磁矩
磁性材料的分类
根据材质
合金磁体 橡胶磁体 氧化物磁体
根据磁化后介质内部的磁场与附加磁场和外磁 场的关系,可分为五种：
1、抗磁质：附加磁化强度与外磁场相反。
5、亚铁磁性
亚铁磁性在宏观性能上与铁 磁性类似，区别在于亚铁磁 性材料的饱和磁化强度比铁 磁性的低。成因是由于材料
结构中原子磁矩不象铁磁体
中那样向一个方向排列，而 是呈反方向排列，相互抵消
了一部分。
根据铁磁质的矫顽力的大小，将磁性材料分成 软磁、硬磁和矩磁材料
(1) 软磁材料
具有较高的磁导率和较高的饱 和磁感应强度；
2、顺磁质
结构特点：原子中具有未填满电子的电子层，形成 原子的固有磁矩。在磁场作用下，原子磁矩转向H方向，
感生出与H一致的M。 如：稀土金属和铁族元素的盐。
顺磁质的几点说明：
顺磁质磁化强度随外磁场的增大而增大，但很难达到磁 饱和，只有当温度趋近热力学零度时，才能使顺磁物质 的原子磁矩沿外磁场呈完全规则取向。
•左上：铸造铝 镍钴合金； •左下：各类异 形件 •右下：烧结铝 镍钴合金
铸造铝镍钴系合金的磁性
目前产业化的主要永磁材料——永磁铁氧体
钡铁氧体(BaO· 2O3)和锶铁氧体 6Fe (SrO· 2O3)。晶体结构均属六角晶系。 6Fe 具有高的磁晶各向异性常数、高矫顽力 和低剩磁，最大磁能积偏低；其剩磁温 度系数是铝镍钴磁体的10倍，不适于制 作要求高稳定性的精密仪器；在产量极 大的家用电器、音响设备、扬声器、电 机、电话机、笛簧接点元件和转动机械 等方面得到普遍应用。
家装市场材质的简单实用验证-铜、不锈钢？ 电饭锅
铁氧体有磁性，但为何高温会失去？
答案是：
磁性是物质的基本属性，就像物 质具有质量和电性一样。 换句更简单的话说就是： 一切物质都具有磁性。
生活中的常识问题-2
卧室床的摆放方向-风水？伪科学？
磁学发展史
5000年前：天然磁石(Fe3O4)