材料的磁性能

E0
介电常数：介质在外加电场时会产生感应电荷而削弱 电场，原外加电场（真空中）与介质中的电场比值即 为相对介电常数。
回 顾
外形相同，材质 不同，放在相同 的电场中，表面 聚集的电荷数量 是否一样？
感应电荷越多，表示介电常数越大。
E0
2、材料磁化
物体被磁场磁化的程度与磁场强度有关
χ＝ M / H
原子：原子核 和核外电子
1、磁性的起源
大多数自转方向不同的电子，虽然电子的磁矩不能抵消，导致 整个原子具有一定的总磁矩。但原子磁矩之间没有相互作用， 它们是混乱排列的，所以整个物体没有磁性。少数物质(如Fe、 Co、Ni），由于“交换相互作用”的机理，原子磁矩整齐地排 列起来，整个物体具有磁性。
晶粒取向
滑移时的晶体转动织构
实际生产中，材料为多晶材料。各晶粒之间的交互 作用，晶粒无法自由变形，导致晶粒旋转，最终形 成织构。 产生织构以后，易滑移方向和材料的宏观变形方向 平行。
晶粒取向
滑移时的晶体转动织构
织构的类型
（1）线(丝)织构： 某一晶向趋于与变形方向平行。 (如拉拔时形成) （2 ）面 (板) 织构： 某晶面趋于平行于轧制面，某晶向 趋于平行于主变形方向。 (轧制或挤压时形成）
µav 0 and M = mH
(a)
(b)
3、材料的磁化过程及影响因素
回 顾
电滞回线 磁滞回线 包辛格效应
凡是需要时间的过程，都会产生滞后效应
3、材料的磁化过程及影响因素
抗磁、顺磁性材 料磁化曲线特点：
• 线性； • 磁化可逆性； • 斜率很小（M-H)
顺磁材料与抗磁材料的磁化曲线 可类比于力学性能中的理想弹性体
• 不可逆磁化阶段----磁畴壁大
范围运动。类比于为错脱钉，产 生永久变形。
• 缓慢增加阶段 -----磁畴转向。
类比于塑性变形中晶粒旋转，产 生织构。
3、材料的磁化过程及影响因素
磁滞现象的本质: A、磁畴的翻转，是 需要时间的。 B、磁畴壁在运动中 受到阻力。 其阻力 由位错、第二相颗 粒引起。
1、磁性的起源
磁畴：每个区域内部包含大量原子，这些原子的 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
单晶磁畴结构示意图
多晶磁畴结构示意图
1、磁性的起源
磁光效应：线偏振光透过放置磁场中的物 质，沿着磁场方向传播时，光的偏振面发 生旋转的现象。 对磁畴进行可视化
2、材料磁化
如果对材料施加磁场，材 料内部的能量平衡关系将 被打破，为了构建新的平 衡，在各种晶体缺陷无法 演变的情况下，磁畴必须 做出响应。磁畴翻转、磁 畴畴壁迁移。
2、材料磁化
磁畴壁在迁 移的过程中， 第二相粒子， 位错等缺陷 会降低其迁 移速度。
回 顾
外形相同，材质 不同，放在相同 的电场中，表面 聚集感应电荷数 量是否一样？
在被电子填满了的电子壳层中， 总的轨道磁矩和自旋磁矩都分别为 零．只有在末被电子填满的子完层中 它们才有可能不等于零。
1、磁性的起源
• 为什么电子磁矩对物质磁矩起主要贡献，而 不是原子核磁矩呢？ • 原子核比电子重1000多倍； • 原子核运动速度仅为 原子核 • 电子速度的1/几千； • 故：原子核磁矩可忽略
χ—磁化率，表示物质磁化性的重要参数。
物质可根据χ的不同分为顺磁、抗磁及铁磁三大类.
物质的抗磁性是普遍存在的
由于电磁感应
磁场中运动电子轨道发生变化，产生抗磁性： 普遍存在； 值很小，通常被掩盖
2、材料磁化
感 应 磁 场
外磁场
2、材料磁化
①抗磁性Diamagnetic ＜0，M与H方向相反 ； 磁化率 很小，-10-5 ～10-6 。 属于这类物质的金属有： Bi、Zn、Cu、Ag、Au、 Mg。
温度的影响
居里温度 TC 居里温度，原子热运动 超过了原子磁矩取向一 致的作用，而变为混乱 状态，呈顺磁性。 温度降低后，又会具有 铁磁性。
应力
磁致伸缩：在磁场的作用下，磁性材料会有发生 细微的长度变化。机械能←→磁能。
第二相
畴壁的不可逆位移
设法在材料中出现有效的钉扎点，形成晶格缺陷， 是提高材料矫顽力的有效措施。 磁畴壁
M(A/m)
顺磁性 >0,~10-3-10-6
O
<0,
,~10-6
H( A/m）
抗磁性
3、材料的磁化过程及影响因素
M(A/m)
因为顺磁材料和抗 磁材料中，没有自 发的磁化，也就是 没有磁畴，所以对 外界磁场相应没有 滞后现象。
顺磁性 >0,~10-3-10-6
O
<0,
,~10-6
H( A/m）
钉扎点
初始消磁状态
畴壁被钉扎状态
畴壁从钉扎点撕脱出
晶粒取向
晶粒取向
晶粒取向
滑移时的晶体转动
当 外 力 作 用 于 单 晶 体试 样上时，它在某些相邻层 晶面上所分解的切应力使 晶体发生滑移，而正应力 和垂直滑移方向的另一正 应力因滑移错开组成一力 偶，使晶体在滑移的同时 向外力方向发生转动。
晶粒度与矫顽力
如果晶粒很大， 在一个晶粒里 面会有多个磁 畴，可逆磁化 （畴壁迁移） 占主导地位， 矫顽力较小。
晶粒度与矫顽力
如果一个晶粒 里面只有一个 磁畴，将不会 出现畴壁迁移， 不可逆磁化 （旋转）占主 导地位。矫顽 力最大。
晶粒度与矫顽力
进一步减小， 各单畴晶粒发 生转动的可能 性将越来越大 （更容易转 动）。所以矫 顽力反而减小。
N
S
磁铁
4、磁性材料的应用
4、磁性材料的应用
4、磁性材料的应用
4、磁性材料的应用
磁性液体—磁流体 把磁性的粉末和某种液体采用特殊方法混合
4、磁性材料的应用
磁性液体—磁流体 I、磁性氧化物超微粒的制备：一般是以磁铁 矿等铁氧化物为主体，由金属盐类水溶液 通过共沉淀制成超微粒。 II、超微粒的分散：将氧化物借助于界面活 性剂（甘油三油酸等）溶入在碳氢化合物 （油类）中。
材料的磁性能
电源线等设备上的小圆柱形是用来干嘛的？
铁氧体磁珠或铁氧体扼流 圈，它们存在唯一目的就 是为了减少电磁干扰和射 频干扰。
当两个电磁设备通过电缆 连接之后，这根电缆就扮 演着天线的角色。那么问 题来了，像所有天线一样， 这些电缆也可以接收、传 播从其他不相关的设备中 传出来的信号。
永动机？
抗磁性
顺磁材料与抗磁材料的磁化曲线 可类比于力学性能中的理想弹性体
3、材料的磁化过程及影响因素
单晶磁畴结构示意图
多晶磁畴结构示意图
对于有磁畴的铁磁性材料，将复杂得多
3、材料的磁化过程及影响因素
3、材料的磁化过程及影响因素
3、材料的磁化过程及影响因素
• 起始磁化阶段 ----磁畴壁小
范围地移动，外磁场撤消后，可 以恢复到初始状态。
线织构
面织构
晶粒取向
滑移时的晶体转动织构各向异性（影响后 续加工）
晶粒度与矫顽力 矫顽力（类比：塑性变形的金属，需要施加反向压力，才能
使其复原）
也称为矫顽性或保磁力， 是磁性材料的特性之一，是指 在磁性材料已经磁化到磁饱和 后，要使其磁化强度减到零所 需要的磁场强度。
对于硬磁材料、希望矫顽力大 矫顽力代表磁性材料抵抗退 磁的能力。 对于软磁材料、希望矫顽力小
1、磁性的起源
回 顾
A3
wk.baidu.comA2
A2
B1
B1
A4
A4
A1
E＝0 E＝0
B2 E≠0 E≠0
在外电场的推动下，电畴会随外电场方向转 向运动。当外加电场足够强，电畴将尽可能 地统一到外电场一致的方向。 电畴的反转过程分为新畴成核、畴的纵向长 大、畴的横向扩张和畴的合并四个阶段。
回 顾
力电耦合
力电耦合效应：应力会畴壁移动改变畴构型
S
N
M
F
初始状态是无序排列。 在外场作用下沿外场负 方向翻转。
2、材料磁化
②铁磁性Ferromagnetic 原子间有交互作用，原子 磁矩互相平行排列，呈饱 和磁化的状态。常见的铁 磁性金属有：Fe、Ni、 Co。 自然状态下，普通的钢铁 材料处于地球磁场中，所 以也是带有磁性的，只是 比较微弱。
目 录
1、磁性的起源 2、材料磁化 3、磁化过程及影响因素 4、磁性材料的应用 5、电磁屏蔽
1、磁性的起源
运动的电荷产生磁矩
1、磁性的起源
电子磁矩
1.轨道磁矩： 电子 绕原子核运动形成 一环形电流，该电 流环相当于一磁矩
2.自旋磁矩： 电子 的自旋磁矩是由量子 效应造成的，它在空 间有正反两种取向
无交换相互作用
有交换相互作用
回 顾
在一个小区域内， 各晶胞的自发极 化方向都相同， 这个小区域称为 铁电畴，两畴之 间的界壁称为畴 壁。
铁电畴
回 顾
自发极化与铁电畴
a=b=c
a=b≠c
对于BaTiO3，130℃以上，为立方结构。当温度低于 130 ℃以后，Ba原子可以沿a（也可以是b或c）方向移 动（极化）。
4、磁性材料的应用
由于软磁材料磁滞损耗小，适合用在交变磁场中，如 变压器铁芯、继电器、电动机转子、定子都是用软件 磁性材料制成。 常见的软磁材料有：铁、坡莫合金、硅钢片、铁铝合 金、铁镍合金等。
变压器
磁性传感器
4、磁性材料的应用
硬磁材料 I、具有较大的矫顽力， 典型值Hc＝104～106A/m； II、剩磁很大； III、充磁后不易退磁。 IV、高的稳定性 对外加干扰磁场和温度、 震动等环境因素变化的高 稳定性。
4、磁性材料的应用
磁性液体—磁流体 I、磁性 II、粘性。当施加外磁场时，粘度增加； III、磁压力。在外场作用下，液体内的磁场 重新分布，产生压力。
初始状态即是有序排列
2、材料磁化
③亚铁磁性Ferrimagnetic 其特征是组成这些物质的原子具有 恒定的与外磁场无关的磁矩。原子 间有交互作用，原子磁矩互相平行 排列，但是有正向，也有逆向。正 向≠逆向. 也天然具有一定的磁性。常见的亚 铁磁性物质有：尖晶石型晶体、石 榴石型晶体等几种结构类型的铁氧 体，稀土钴金属之间的化合物和一 些过渡金属。 如果外部磁场足够大，则有可能完 全翻转到一个方向。
回 顾
a=b=c a=b≠c
• T>120℃，Ti4+处在各方几率相同（稳定地偏 向某一个氧离子的几率为零），对称性高，顺 电相。 • T<120℃，Ti4+由于热涨落，偏离一方，形成 偶极矩，按氧八面体三维方向相互传递，耦合， 形成自发极化的小区域，即电畴。
回 顾
电中性的原子（分子），由于相互作用而瞬时产生 电荷的不均匀分布，形成电偶极矩。在电偶极矩的作 用下，将电中性的原子（分子）结合在一起。
晶粒度与矫顽力
4、磁性材料的应用
磁滞回线围成的面积，可以简单理解为外磁场对磁性材料做的功 对于交流环境，温度累计会使得材料的温度急剧上升。
4、磁性材料的应用
软磁材料 I、在磁场作用下非 常容易磁化； II、取消磁场后很 容易退磁化 III、较小的矫顽力 和较低磁滞损耗。 也就是磁滞回线围 成的面积较小。
在力学行为中，如果位错运动不可逆，会产生永久塑性变形
磁性材料中，不可逆的磁畴变化，则会产生剩磁
3、材料的磁化过程及影响因素
当H减小到零时，M＝Mr，称 为剩磁，表示材料在无外磁场 时仍保持了一定程度的磁化。 如果要使M＝0，则必须加上 一反向磁场Hc，Hc称为矫顽力。 磁滞现象与磁滞回线说明磁化 有不可逆过程，磁滞回线所包 围的面积表征一个磁化周期内， 以热的形式所消耗的功。
初始状态即是有序排 列。但是有正向、也 有逆向。
2、材料磁化
④顺磁性Paramagnetic 其特征是组成这些物质 的原子具有恒定的与外 磁场无关的磁矩 。 ＞ 0， 感应磁场与外磁场 H方向相同；磁化率在 10-3～10-6 。 属于这类物质的金属有： La、Pr
oH
M
µav = 0 and M = 0
饱和
饱和
3、材料的磁化过程及影响因素
磁滞回线围成的面积，可以简单理解为外磁场对磁性材料做的功 对于交流环境，温度累计会使得材料的温度急剧上升。
温度的影响
居里温度 TC 铁磁性物质的特征是组成这些物质的原子具有 恒定的与外磁场无关的磁矩。原子间有交互作 用，原子磁矩互相平行排列，呈饱和磁化的状 态。
4、磁性材料的应用
4、磁性材料的应用
B
C D A
霍尔效应：当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑 兹力的作用，向内侧偏移，在半导体薄片A、B方向 的端面之间建立起霍尔电势。
4、磁性材料的应用
霍尔转速传感器 在被测转速的转轴上安装一个齿盘，也可选取机械系统中的 一个齿轮，将线性型霍尔器件及磁路系统靠近齿盘。齿盘的转动 使磁路的磁阻随气隙的改变而周期性地变化，霍尔器件输出的微 小脉冲信号经隔直、放大、整形后可以确定被测物的转速。 霍尔器件