第四章材料的磁学性能
材料物理性能-_磁学性能
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4. 磁感应强度和磁导率（P133） 材料在磁场强度为 H 的外加磁场（直流、交变或脉冲磁 场）作用下，会在材料内部产生一定的磁通量密度，称其为 磁感应强度B，即在强度为H的磁场中被磁化后，物质内磁场 强度的大小。 在真空中，磁感应强度为：
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二、技术磁化（P154）
对未经外磁场磁化的 ( 或处于退磁状态的 ) 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 强度的取向是杂乱的。因而物质的磁畴决不会是单畴，而是
由许多小磁畴组成的。
技术磁化：在外磁场作用下，铁磁体从完全退磁状态磁化到 饱和的内部变化过程。
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铁磁体在外磁场中的磁化过程主要为畴壁的 移动和磁畴内磁矩的转向。
因而自发磁化强度降低，铁磁性消失。这一温度称为居里 点Tc。在居里点以上，材料表现为顺磁性。
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4. 反铁磁性和亚铁磁性（P132、P144） 如果交换积分 A＜0时，则原于磁矩取反向平行排列能量最 低。如果相邻原子磁矩相等，由于原子磁矩反平行排列，原
子磁矩相互抵消，自发磁化强度等于零。这样一种特性称为
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磁学与电学基本物理量的比较 电学物理量 (单位) 磁学物理量 (单位)
J E P 0E
电流强度 I (A)
磁通量 Ф (Wb)
电流密度 J (A/m2)
电场强度 E (V/m)
磁通密度 B (Wb/m2)
磁场强度 H (A/m)
B H M H
r 1
电导率σ (Ω-1· m-1)
B0 0 H
式中μ0为真空磁导率
0 4 107 H / m
永磁材料的性能和选用
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磁滞回线在第二象限的部分称为退磁曲线， 它是永磁材料的基本特性曲线。退磁曲线中磁 感应强度Bm为正值而磁场强度Hm为负值。这 说明永磁材料中磁感应强度Bm与磁场强度Hm 的方向相反，磁通经过永磁体时，沿磁通方向 的磁位差不是降落而是升高。这就是说，永磁 体是一个磁源，类似于电路中的电源。 退磁曲线的磁场强度Hm为负值还表明， 此时作用于永磁体的是退磁磁场强度。退磁磁 场强度|Hm|越大，永磁体的磁感应强度就越小。 退磁曲线的两个极限位置是表征永磁材 料磁性能的两个重要参数。退磁曲线上磁场强 度H为零时相应的磁感应强度值称为剩余磁感 应强度，又称剩余磁通密度，简称剩磁密度， 符号为Br。退磁曲线上磁感应强度B为零时相 应的磁场强度值称为磁感应强度矫顽力，简称 矫顽力，符号为HcB或BHc，常简写为Hc。
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依据铝镍钴永磁材料矫顽力低的特点，在使用过程中， 严格禁止它与任何铁器接触，以免造成局部的不可逆退磁或 磁通分布的畸变。另外，为了加强它的抗去磁能力，铝镍钴 永磁磁极往往设计成长柱体或长棒形。 铝镍钴永磁硬而脆，可加工性能较差，仅能进行少量磨 削或电火花加工，因此加工成特殊形状比较困难。
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1．3内禀退磁曲线 退磁曲线和回复线表征的是永磁材料对外呈现的磁感应 强度B与磁场强度H之间的关系。还需要另一种表征永磁材料 内在磁性能的曲线。 由铁磁学理论可知，在真空中磁感应强度与磁场强度间 的关系为
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上式表明，磁性材料在外磁场作用下被磁化后大大加强 了磁场。这时磁感应强度B含有两个分量，一部分是与真空 中一样的分量，另一部分是由磁性材料磁化后产生的分量。 后一部分是物质磁化后内在的磁感应强度，称为内禀磁 感应强度Bi，又称磁极比强度，J。描述内禀磁感应强度Bi(J) 与磁场强度H关系的曲线称为内禀退磁曲线，简称内禀曲线。
第四章第一讲材料科学与工程基础(顾宜
幻灯片20
(1)纯弹性型
A陶瓷、岩石、大多数玻璃
B高度交联的聚合物
C以及一些低温下的金属材料。
(2)弹性-均匀塑性型
A许多金属及合金、
B部分陶瓷
C非晶态高聚物。
(3)弹性-不均匀塑性型
A低温和高应变速率下的面心立方金属，
B某些含碳原子的体心立方铁合金
C以及铝合金低溶质固溶体。
K=σ/(ΔV/V)=6.89Mpa/[1-0.9883]=193.7Mpa
E=σ/ε=516.8Kpa/2.1%=24.6Mpa
ν=0.5(1-E/3K)=0.48
幻灯片36
金属晶体、离子晶体、共价晶体等的变形通常表现为普弹性，主要的特点是：
A应变在应力作用下瞬时产生，
B应力去除后瞬时消失，
C服从虎克定律。
比例极限
弹性变形时应力与应变严格成正比关系的上限应力
p = F p / S 0
条件比例极限
tan’/tan=150%
p50
代表材料对极微量塑性变形的抗力
切线
幻灯片45
（条件）弹性极限最大弹性变形时的应力值。
弹性比功弹性应变能密度。材料吸收变形功而又不发生
永久变形的能力W=/2=2/2E
残留变形时的应力
高分子材料通常表现为高弹性和粘弹性
幻灯片37
幻灯片38
2.有机聚合物的弹性、粘弹性
Elasticity and Visco-elasticity of Polymers
⑴高弹性，即橡胶弹性(rubberlike elasticity)
①弹性模量小、形变大。
A一般材料，如铜、钢等，形
变量最大为1左右，
《无机材料物理性能》课后习题答案解析
课后习题《材料物理性能》第一章材料的力学性能1-1一圆杆的直径为2.5 mm 、长度为25cm 并受到4500N 的轴向拉力，若直径拉细至 2.4mm ，且拉伸变形后圆杆的体积不变,求在此拉力下的真应力、真应变、名义应力和名义应变，并比较讨论这些计算结果。
解：由计算结果可知：真应力大于名义应力，真应变小于名义应变。
1-5一陶瓷含体积百分比为95%的Al 2O 3 (E = 380 GPa)和5%的玻璃相(E = 84 GPa)，试计算其上限和下限弹性模量。
若该陶瓷含有5 %的气孔，再估算其上限和下限弹性模量。
解：令E 1=380GPa,E 2=84GPa,V 1=0.95,V 2=0.05。
则有当该陶瓷含有5%的气孔时，将P=0.05代入经验计算公式E=E 0(1-1.9P+0.9P 2)可得，其上、下限弹性模量分别变为331.3 GPa 和293.1 GPa 。
0816.04.25.2ln ln ln 22001====A A l l T ε真应变)(91710909.4450060MPa A F =⨯==-σ名义应力0851.0100=-=∆=A A l l ε名义应变)(99510524.445006MPa A F T =⨯==-σ真应力)(2.36505.08495.03802211GPa V E V E E H =⨯+⨯=+=上限弹性模量)(1.323)8405.038095.0()(112211GPa E V E V E L =+=+=--下限弹性模量1-11一圆柱形Al 2O 3晶体受轴向拉力F ，若其临界抗剪强度τf 为135 MPa,求沿图中所示之方向的滑移系统产生滑移时需要的最小拉力值，并求滑移面的法向应力。
解：1-6试分别画出应力松弛和应变蠕变与时间的关系示意图，并算出t = 0,t = ∞ 和t = τ时的纵坐标表达式。
解：Maxwell 模型可以较好地模拟应力松弛过程：Voigt 模型可以较好地模拟应变蠕变过程：).1()()(0)0()1)(()1()(10//0----==∞=-∞=-=e EEe e Et t t στεσεεεσεττ；；则有：其蠕变曲线方程为：./)0()(;0)();0()0((0)e (t)-t/e στσσσσσστ==∞==则有：：其应力松弛曲线方程为0123450.00.20.40.60.81.0σ(t )/σ(0)t/τ应力松弛曲线0123450.00.20.40.60.81.0ε(t )/ε(∞)t/τ应变蠕变曲线)(112)(1012.160cos /0015.060cos 1017.3)(1017.360cos 53cos 0015.060cos 0015.053cos 82332min 2MPa Pa N F F f =⨯=︒︒⨯⨯=⨯=︒⨯︒⨯=⇒︒⨯︒=πσπτπτ：此拉力下的法向应力为为：系统的剪切强度可表示由题意得图示方向滑移以上两种模型所描述的是最简单的情况，事实上由于材料力学性能的复杂性，我们会用到用多个弹簧和多个黏壶通过串并联组合而成的复杂模型。
第四章材料结构与磁学性能
第4章 材料的结构与磁学性能4.1 固体物质的磁性来源4.2 固体物质的磁性分类4.3磁畴与磁化曲线4.4 铁氧体的结构与性能4.5磁性材料的结构与性能4.6 磁性材料的物理效应第4章 材料的结构与磁学性能进入21世纪以来，新材料的重要性逐步被人们认知，磁性材料的理论、生产及其应用也得到了快速发展，已经成为信息、航空航天、通信、人体健康等领域的重要材料基础。
本章主要介绍固体物质磁性的基本知识，包括磁性来源、磁性分类、磁畴与磁化曲线、铁氧体的结构与性能、磁性材料的物理效应及磁性材料的主要应用等，重点阐述铁氧体磁性材料的结构与性能。
4.1 固体物质的磁性来源物质在不均匀磁场中受到磁力作用的性质，称为磁性，是物质的基本物理属性。
最直观的表现是两个磁体之间的吸引力和排斥力。
物质的磁性来源于原子，原子的磁性来源于核外电子和原子核。
原子结合起来产生宏观物质的磁性，因此任何物质均具有磁性，磁性强的一般称为磁性材料，习惯上的非磁性或者无磁性只是弱磁性不易被人们觉察而已。
具有广泛应用的磁性材料的性能则受到晶体结构和显微结构的显著影响，是理论研究和生产控制的重要内容。
4.1.1磁矩（magnetic moment ）磁体上磁性最强的部分称为磁极，磁极有N 、S 极，以正负对的形式存在，磁极的周围存在磁场。
磁极上带有的磁量叫磁荷或磁极强度，两个磁荷（磁极强度）q 1、q 2之间的相互作用力F 的大小为：221r q q k F = 4.1 式中r 为磁极间距，k 为常数。
紧密结合在一起的正负磁极称为元磁偶极子，尚没有观察到磁单极子的存在。
定义偶极子的磁偶极矩p:qr p = 4.2又称为磁偶极子的力矩，方向由S 极指向N 极。
任何一个封闭的电流都具有磁矩，其方向与环形电流法线的方向一致，其大小为电流与封闭环形的面积的乘积:S I m ∆= 4.3磁矩m 的单位为安培平方米A ·m 2，磁矩是表示磁体本质的一个物理量，与磁偶极矩的关系为：m p 0μ= 4.4μ0是真空的磁导率，μ0＝4π×10-7（H/m ）。
材料磁学性能-磁学性能(第四节)
50Cu 34Fe7Al 15Ni35Co 4Cu5Ti
0.95
5900
2600
0.54
44000
12000
0.34
54000
6400
0.76
123000 36000
BaO-6Fe2O3
0.32
240000 20000
TC （oC）
⎯ 760 410 860
860
450
电阻率 ρ ( Ω·m )
部分磁粉的性能
γ-Fe2O3 CrO2 CoFe 金属颗粒 钡铁氧体
比表面积 （m2/g）
15∼50
15∼40
20∼50
30∼60
25∼70
颗粒尺寸 （nm） 270∼500 190∼400 150∼400 120∼300 500∼200
颗粒体积 （10-5μm3） 30∼200 10∼100 5∼100
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理想的磁光存储材料应具备以下基本性能：
材料的饱和磁化强度MS应偏小，以使磁光存储薄膜的磁化矢量垂直于膜面 薄膜的磁滞回线必须是矩形，即剩磁比为1，从而确保良好的记录开关特性 适中的居里温度，否则记录用半导体激光器的功率要增大 稳定的记录位尺寸d可以粗略地用d ∝1/HC表示，因此材料的矫顽力要足够大 记录材料要有高的热传导率，当激光作用时，记录介质能快速升温和冷却 热稳定性好，在记录/擦除激光光束反复作用下，材料的结构不发生变化 优良的抗氧化、抗腐蚀性能，要求存储介质经长期存放后性能不变 大面积成膜容易
易去磁，即磁滞回线很窄
高的磁导率和小的矫顽力要求材料的结构尽 量均匀，没有缺陷，在磁学上各向同性
若要在交变磁场中用作软磁材料，铁磁体应 有较大的电阻率，这可以通过材料的合金化 来做到，如铁-硅合金、铁-镍合金等
磁学性能
物质的磁性
铁氧体
磁性材料
物质的磁性
一 、磁化、磁化强度和磁化率
1、磁化
物质在磁场中由于受磁场的作用而表现 出一定的磁性，这种现象就称之为磁化。
2、磁化强度
磁化强物理量 —— 单位体积的总磁矩
M
Pm V
3、磁化率
M H
Bi,Cu,Ag,Au 等金属具有这种性质
抗磁性物质放入外磁场中，外磁场使电
子轨道改变，产生一个磁矩，该磁矩的
方向与外磁场方向相反
抗磁性物质的抗磁性一般很微弱，磁化
率一般约为-10-5，为负值
顺磁性
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。 无外加磁场时，顺磁物质的原子做无 规则的热振动，宏观看来，没有磁性； 外加磁场作用下，每个原子磁矩比较 规则的取向，物质显示极弱的磁性。
铁氧体和铁磁性物质的异同
同：磁性较强 异：铁氧体磁性来自两种不同的磁 矩， 一种磁矩在一个方向排列整齐， 另一种在相反的方向排列。 这两种磁矩方向相反，大小不等。 因此，铁氧体又称为亚铁磁体。
磁性材料
• 软磁材料 • 硬磁材料 • 矩磁材料
一、 软磁材料
1、主要特点 具有较高的磁导率和较 高的饱和磁感应强度。
三、矩磁材料
具有高磁导率、高电阻率
可作磁性记忆元件
高分子材料的磁学性能
1、大多数体系为抗磁性材料 2、顺磁性仅存在于两类有机物
（1）含有过渡金属 （2）含有不饱和键、自由基
称为磁化率或磁化系数，它把物 质的磁化强度与外磁场强度联系 了起来，它的大小反映了物质磁 化的难易程度，是材料的一个重 要的磁参数，同时，它也是物质 磁性分类的主要依据。
材料的磁性与磁学性质的研究
材料的磁性与磁学性质的研究磁性是指物质对外界磁场的响应，并产生与磁场有关的性质和现象。
磁性广泛存在于自然界中的各种材料中，包括金属、陶瓷、多晶材料等。
磁性的研究是材料科学领域的重要方向之一，对于深入理解材料的物理性质和发展磁性材料具有重要意义。
材料的磁性取决于其微观结构和化学成分。
一般来说，材料的磁性是由材料中的自由电子或离子在外加磁场下的运动所决定的。
在材料中，自由电子具有自旋和轨道角动量，这些角动量对于材料的磁性起着重要作用。
通过实验研究和理论模拟，科学家们可以深入探索材料的磁性特性，并进一步开发出具有特殊磁学性质的新材料。
磁性材料的研究始于古代中国和希腊，最早的磁石发现于唐代时期。
欧洲的大航海时代奠定了磁学研究的基础，其中包括William Gilbert对磁铁的研究。
到了18世纪，磁学研究逐渐发展为一个独立的科学领域，并与电学发展形成紧密联系。
庞大的磁学研究群体涌现出许多重要的科学家，例如安德烈-玛丽·安培、迈克尔·法拉第等。
他们通过实验和理论工作，为磁性材料研究奠定了坚实的基础。
材料的磁性可以分为软磁性和硬磁性。
软磁性材料具有高导磁率和低磁滞，适用于电感器、变压器等器件。
硬磁性材料则具有较大的磁畴耦合和高矫顽力，适用于制作永磁体等器件。
通过调控材料的微观结构和化学成分，科学家们可以制备出具有不同磁性的材料，满足不同领域和应用的需求。
磁学性质的研究涉及磁矩、磁畴、磁化率以及磁滞等。
磁矩是物质产生磁性的基本原因，它描述了材料中磁性粒子的磁性特性。
磁畴是材料中一种特殊的有序结构，它由一组具有同向磁矩的原子或磁性颗粒组成。
磁畴之间的耦合和磁畴壁的运动对于材料的磁性具有重要影响。
磁化率是衡量材料对外加磁场响应的指标，它可以分为顺磁性和抗磁性两种。
顺磁性材料在外加磁场下磁化，而抗磁性材料在外加磁场下反磁化。
磁滞是指材料在磁场变化时表现出的非线性行为，它反映了材料内部磁化的随时间的变化。
材料的磁学
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
对于反铁磁性与亚铁磁性的晶体（如：NiO、 FeF2、Fe3O4），其晶格结构是磁性离子与 非磁性离子相互交叉排列。两个磁性离子被 非磁性离子隔开，磁性离子间距很大，故自 发磁化难以用d－d交换作用模型解释，此 时磁性离子间的交换作用是以隔在中间的非 磁性离子为媒介来实现的。 ——超交换作用
交换能与铁磁性的关系 居里点：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，因而自发磁化强度变为0，铁磁性消失。这一温度称为 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，
=C/(T-Tc)
式中C为居里常数
在真空中，磁感应强度为
B0 0 H
式中μ0为真空磁导率，其值: 4π×10-7 H/m
三、磁导率
1.磁导率的物理意义：
表示材料在单位磁场强度的外磁场作用下，材料内部的磁通量 密度。是材料的特征常数。 2. 有两种表示方法：
① 绝对磁导率µ
② 相对磁导率µ = µ /µ r 0
3.相对磁导率μr 定义： 材料的磁导率μ与真空磁导率μ0之比。
二、特征： 所感应的磁矩很小，方向与外磁场相反，即磁化强度M为很小 的负值。
相对磁导率μ
r
＜1，磁化率χ ＜0（为负值）。
在抗磁体内部的磁感应强度B比真空中的小。抗磁体的磁化率 χ 约为-10-5数量级。 所有材料都有抗磁性。因为它很弱，只有当其它类型的磁性 完全消失时才能被观察。 如Bi,Cu,Ag,Au
例如：反铁磁性MnO
Mn 2+ :3s 2 3d 5 , L 0, S 5 / 2, 2 S B 5 B
2019温州大学826材料科学基础考研考试大纲
一、参考书目（所列参考书目仅供参考，非考试科目指定用书）：《材料科学与工程基础》(第2版)，顾宜等主编，化学工业出版社.2011.《工程材料科学与设计》，（美）詹姆斯、谢弗等主编，北京：机械工业出版社.2003.二、考试内容范围：本考试课程要求从原子的外围电子结构入手，由微观到宏观，较为系统、全面地掌握材料各层次的内部结构、宏观性质——力学性能、电学性能、光学性能、介电性能、磁学性能、热学性能等，以及两者之间的关系、相应的基本概念和基础理论。
能够较为全面地掌握材料的性能与结构之间关系的规律。
第一章材料的定义、分类及基本性质1.掌握材料的分类方法及各类材料的组成、性能特点2.掌握材料科学与工程四大要素之间的关系；3.了解不同材料的应用领域微观第二章物质结构基础1. 掌握一次、二次键特点与材料宏观性能之间的关系；重点掌握键－能曲线与材料力学性质和热学性质之间的关系；掌握原子的堆垛与原子半径之间的关系了解四大材料的原子结构及键的基本组成；2.熟练掌握七大晶系中，各晶胞参数的之间的关系；准确、熟练掌握FCC、BCC、HCP结构的配位方式、晶胞原子数、配位数确定的方法；熟练掌握FCC、BCC、HCP的密排方向、密排面的确定方法；准确掌握FCC、BCC、HCP四面体和八面体间隙的位置；掌握多原子阵点的典型离子晶体结构：氯化铯、氯化钠、氟化钙、硫化锌、钻石立方结构。
3.准确掌握有关缺陷的基本概念；掌握杂质与点缺陷的类型，重点掌握肖托基缺陷、弗伦克尔缺陷；认识间隙扩散和置换扩散的特点、机制和发生所要满足的条件；了解扩散的实际例子；掌握菲克第一定律的有关计算；认识共价和金属晶体中的扩散现象；了解聚合物中的扩散机制；重点掌握线缺陷中的刃位错和螺旋位错的晶体几何学描述；掌握BCC、FCC、HCP中的滑移系构成、特点；开动的条件；了解离子晶体、共价晶体、聚合物中位错的形式，及对材料性质的影响；认识多晶材料的晶界的性质、特点；了解晶界中的扩散机制；了解晶体材料的体缺陷的类型和与材料宏观性质简的关系；掌握金属强化手段、原理；了解实际强化的实际应用。
磁学性能
3. 物质的顺磁性
来源：原子（离子）的固有磁矩。 无外H时：由于热运动的影响，固有磁矩取向无序，宏观上无磁性。 外H作用下：固有磁矩与H作用，有较高的静磁能，为降低静磁能，固 有磁矩改变与H的夹角，趋于排向外H方向，表现为正向磁化。在常温和 H不是很高的情况下，M与H成正比，磁化要克服热运动的干扰，磁矩难 以有序排列，故顺磁化进行十分困难，磁化率较小。 常温下顺磁体达到饱和磁化所需的H非常大，技术上难以达到，但温度 降至接近0K时，就容易了。 根据顺磁磁化率与温度的关系，可把顺磁体分为三类： 正常顺磁体：磁化率随温度升高而降低的顺磁体。 符合居里定律： 或居里－外斯定律：
根据磁化率符号和大小，可把磁介质分为五类。
亚铁磁性材料
顺磁性材料 反铁磁性材料
0
抗磁性材料
H
2. 磁化率与物质磁性的分类
1）抗磁体 χ为甚小负常数，约在10-6数量级，即M与H方向相反，在磁场中使磁场稍减弱， 受微弱斥力，约有一半的简单金属是抗磁体。分为： (1)“经典”抗磁体，χ 不随T变化，如铜、银、金、汞、锌等。 (2)反常抗磁体，χ 随T变化，为前者10～100倍，如铋、镓、锑、锡等。 2）顺磁体 χ为正常数，约为10－3～10－6数量级，即M与H方向相同，在磁场中使磁场稍增 强，受微弱引力，分为： （l）正常顺磁体，χ 随T变化，且符合与T反比关系，如铂、钯、奥氏体不锈钢、 稀土金属等。 （2）χ 与T无关的顺磁体，如锂、钠、钾、铷等。 3）反铁磁体 χ是甚小的正常数，当T高于某个温度时（尼尔温度TN），转换为顺磁体，T－ χ曲线？如α－Mn、铬、氧化镍、氧化锰等。 4）铁磁体 χ为很大的正变数，约在10～106数量级，且不大的H就能产生很大的M，在磁场 中被强烈磁化，受强大的吸力，如铁、钴、镍等。其M－H 、 χ－H曲线？ 5）亚铁磁体 类似铁磁体，但χ值没有铁磁体大，如磁铁矿（Fe3O4）等。
材料的磁学性能与测试方法
材料的磁学性能与测试方法材料的磁学性能是指材料在磁场下的特性和行为。
磁学性能对于许多领域的应用至关重要，如电子设备、磁存储、能源转换等。
为了深入了解和评估材料的磁学性能，科学家和工程师们开发了各种测试方法和技术。
本文将介绍常见的材料磁学性能测试方法以及其应用。
一、磁矩与磁滞回线测试方法磁矩是一个材料在磁场中受磁化作用时所表现出的磁性强度。
磁矩可以通过磁滞回线测试方法进行测量。
该测试方法主要通过改变外加磁场的强度来测量材料的磁化强度。
磁滞回线图是磁矩随外加磁场变化的图像，通过分析磁滞回线图可以了解材料的磁化强度和磁滞损耗等。
二、磁化曲线测试方法磁化曲线测试方法主要用于测量材料的磁化特性。
这种方法通过在材料中施加不同大小的磁场，然后测量磁场对材料磁化程度的影响。
通过绘制磁化曲线，可以确定材料的磁化特性，如饱和磁化强度、剩余磁矩和矫顽力。
三、矫顽力和剩余磁矩测试方法矫顽力是指外加磁场移除后，材料保留的剩余磁矩。
矫顽力和剩余磁矩是材料磁学性能的重要指标之一。
这些指标可以通过磁化曲线测试方法中的回磁曲线来测量。
通过矫顽力和剩余磁矩的测量，可以评估材料的磁记忆效应，以及应用于数据存储等领域时的可靠性。
四、磁导率测试方法磁导率是材料对磁场的响应能力。
磁导率测试方法主要通过施加一个交变磁场，并测量材料的磁场强度和施加磁场的相位差来计算磁导率。
磁导率的测量可以用于评估材料的磁性能和应用于电磁设备中的性能。
五、饱和磁化强度测试方法饱和磁化强度是指材料在外加磁场逐渐增大的情况下，达到饱和状态时的磁化强度。
饱和磁化强度测试方法可以通过磁化曲线测试中的饱和磁化强度来测量。
饱和磁化强度是衡量材料磁性能的重要指标之一，对于电磁设备和磁性材料的设计和应用具有重要意义。
通过以上介绍的各种测试方法，我们可以准确测量和评估材料的磁学性能。
这些测试方法对于磁性材料的设计、磁性材料应用的改进以及电磁设备的开发都起到了至关重要的作用。
我们可以根据具体的需求选择合适的测试方法，以便更好地了解和利用材料的磁学性能。
材料磁学性能实验报告
材料磁学性能实验报告学号：姓名：班级：一、叙述实验原理和实验方法实验目的：1．了解振动样品磁强计（VSM ）测量材料磁性能的测试方法。
2．测定材料的磁化曲线和磁滞曲线，了解饱和磁化强度、剩磁、矫顽力等磁参量。
实验原理：振动样品磁强计（VSM ）是一种磁性测量常用的仪器，在科研和生产中有着广泛的应用。
它是利用小尺寸样品在磁场中做微小振动，使临近线圈感应出电动势而进行磁性参数测量的系统。
与一般的感应法不同，VSM 不用对感应信号进行积分，从而避免了信号漂移。
另一个优点是磁矩测量灵敏度高，最高达到10-7emu ，对测量薄膜等弱磁信号更具优势。
如果一个小样品（可近似为一个磁偶极子）在原点沿Z 轴作微小振动，放在附近的一个小线圈（轴向与Z 轴平行）将产生感应电压：km t m G e g ==ωωδcos其中G 为线圈的几何因子，ω为振动频率，δ为振幅， m 为样品的磁矩，N 、A 为线圈的匝数和面积。
原则上，可以通过计算确定出g e 和m 之间的关系k ，从而由测量的电压得到样品的磁矩。
但这种计算很复杂，几乎是不可能进行的。
实际上是通过实验的方法确定比例系数k ，即通过测量已知磁矩为m 的样品的电压g e ，得到k =e g m ，这一过程称为定标。
定标过程中标样的具体参数（磁矩、体积、形状和位置等）越接近待测样品的情况，定标越准确。
永磁材料的全部技术参数都可以由VSM 测量得到。
永磁材料的技术参数（饱和磁化强度、剩磁、矫顽力和磁能积等）可以由磁化曲线和磁滞回线反映出来，如图1，温度特性可以由不同温度下的磁滞回线给出。
720200)5(43r x r z NA G -=μπ图4 永磁材料的磁化曲线和磁滞回线图二、描述实验过程1. 准备样品。
样品重量约30mg 左右，形状尽量呈圆形。
2. 将样品用胶水粘到样品杆上，并晾干一天或吹风机烘干使其固定良好。
3.将样品竖直固定于仪器固定杆上，将接头连接稳固，放入磁场中，开始测试。
材料磁学性能及其测量
磁学测量等。
1.1 材料的磁化现象及磁学基本量
磁场：由运动电荷（或电流）产生的在空间连续分布的一种物质。 宏观性能：在场内运动的电荷会受到作用力。
任何有限尺寸的物体处于磁场中，都会使它所占用的空间的磁场发生变化，
能量各向异性的特征称为形状各向异性。
退磁场对样品的磁性能的影响是明显的：
有退磁场时磁化曲线是倾斜的。
所以性能表给出的磁导率数值都是针对有效磁场的数值，材料性能的实际 测量中必须尽量克服退磁场的影响。
各种不同单位的换算
磁学量的单位目前常用的是国际单位制(SI)和高斯单位制(CGS）。
磁矩：
在高斯单位制中0=1G/Oe，则磁偶极矩与磁矩无差别，统称
到高频和微波领域。非晶合金磁性的发展，开拓了优质软磁材料的领域。 近20年来，磁记录材料和磁光记录材料正在迅猛发展。在多层膜中发现
巨磁电阻以来，自旋相关导电材料及其器件不断出现，有机铁磁体、
C60化合物铁磁体及室温铁磁体的发现预示了磁性与磁性材料的发展前 景。
本章主要介绍材料的磁化现象及磁学基本量，铁磁性和亚铁磁性物
方向：-m指向+m 单位Wb.m
用环形电流描述磁偶极子：
A m2 磁矩： m iA jm 0 m
0 4 107 H .m 1
电子的轨道运动相当于一个恒定的电流回路，必然有一个磁矩（轨道磁 矩），自旋也会产生磁矩（自旋磁矩），自旋磁矩是基本粒子的固有磁 矩。
当物体受外加磁场的作用被磁化后，便会表现出一定的磁性。实际上， 物体的磁化并不改变原子固有磁矩的大小，而是改变了它们的取向。
磁性材料的磁学性质及其应用
磁性材料的磁学性质及其应用磁性材料是具有磁性的物质，其磁性来自其内部电子自旋和轨道运动的相互作用。
磁性材料的磁学性质包括磁化强度、磁化方向、磁滞回线、磁化曲线等。
磁性材料在众多领域都有广泛的应用，例如电子学、磁存储、医学、电力工程等。
首先，磁化强度是磁性材料的一项基本磁学性质。
它是指在给定的磁场下，磁性材料磁化时所达到的最大磁化强度。
磁化强度决定了磁性材料在磁场中的表现。
通常情况下，磁性材料随着磁场的增强而磁化强度逐渐增大，但当磁场增大到一定程度时，磁化强度不再随磁场变化而继续增大，而是趋于饱和磁化强度。
饱和磁化强度是磁性材料的另一个重要指标，它是指当外部磁场趋近于无穷大时磁性材料的磁化强度。
其次，磁化方向也是磁性材料的重要磁学性质之一。
在磁化过程中，磁性材料的磁化方向会发生变化，它取决于磁场的方向和材料内部的磁畴结构。
一般来说，把磁场沿材料的磁畴结构中的一个方向施加，可以使得材料在该方向上的磁化程度最大。
因此，在磁性材料的选材和设计中需要考虑到磁化方向。
例如，在磁记录器的设计中，需要选择垂直磁记录介质中垂直方向上磁化的材料。
另外，磁滞回线是描述磁性材料磁化状态和磁场关系的一种曲线。
当磁性材料被磁化时，磁化强度随着磁场的增强而增大，但是当磁场又减少时，磁化强度并不会立即为零，而是会保持一定的值，这就是磁滞回线。
磁滞回线具有一定的宽度，宽度越大表示材料内部的磁畴结构越复杂，因而需要更多的能量来改变其磁状态。
磁滞回线对于磁存储器和传感器等领域具有很大的应用价值。
最后，磁性材料在很多领域都有广泛的应用。
例如，铁氧体材料磁滞回线较小，被广泛用于变压器和电感器的制造中。
而永磁体材料则被应用于电动车等领域。
磁性材料还被用于生物医学，例如磁性纳米颗粒可用于靶向药物输送和光学图像纳秒等方面。
此外，磁性材料还在磁传动、磁制冷等领域中发挥着重要作用。
总之，磁性材料的磁学性质及其应用涉及广泛，是研究和开发的热门领域之一。
第四章 纳米材料的特异性质
应用:
利用宽频带强吸收这个特性可以作为高效率的光热、 光电等转换材料，可以高效率地将太阳能转变为热能、电 能。此外又有可能应用于红外敏感元件、红外隐身技术等。 隐身就是把自己隐蔽起来，让别人看不见、测不到。
隐型飞机就是让雷达探测不到，它是在机身表面涂上红外 与微波吸收纳米材料来实现的，因为雷达是通过发射电磁 波再接收由飞机反射回来的电磁波来探测飞机的。1991年 海湾战争中，美国F117A型飞机的隐身材料就是含有多种 纳米粒子，故对不同的电磁波有强烈的吸收能力。在42天 战斗中，执行任务的的飞机1270架，摧毁了伊拉克95%的 军大事块设金施而美国战机无一受损。
（2）蓝移现象
与大块材料相比，纳米微粒的 吸收带普遍存在“蓝移”现象， 即吸收带移向短波方向。例如， 纳米SiC颗粒和大块SiC固体的峰 值红外吸收频率分且是814cm-1 和794cm-1。纳米氮化硅颗粒和 大 块 Si3N4 ， 固 体 的 峰 值 红 外 吸 收 频 率 分 别 是 949cm-1 和 935 cm-1 。由不同粒径的Si纳米微粒 纳吸大收块光金谱看出，随着微粒尺寸 的变小而有明显的蓝移。
应用:
利用不同粒径纳米颗粒的 蓝移现象可以设计波段可 控的新型吸收材料。
大块金
（3） 吸收光谱的红移现象
• 有时候，当粒径减小至纳米级时，会观察到光吸收带 相对粗晶材料的“红移”现象。例如，在200－1400nm 范围，块体NiO单晶有八个吸收带，而在粒径为54－ 84nm的NiO材料中，有4个吸收带发生兰移，有3个吸 收带发生红移，有一个峰未出现。
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gJ称为朗德因子或光谱分裂因子。
两种情况:L=0, gJ =2,原子总磁矩都是由自旋磁矩贡献的。
S=0, gJ =1,原子总磁矩都是由轨道磁矩贡献的。
洪德法则
洪德法则是基于对光谱线的实验而建立的。其 内容如下： 法则一：在Pauli原理允许下，给定的电子组态 具有S最大值 法则二：在相应最大值时给出的L值应最大， 法则三：未满壳层中电子总角动量J分别由下 述情况给出： J=L-S, 次壳层上的电子数不够半满数 J=L+S,次壳层上的电子数等于或大于半满数。
' j "
磁导率 有效磁导率、永久磁导率、表观磁导率、振幅磁 导率、可逆磁导率、切变磁导率、脉冲磁导率、 最大磁导率、等等。
相对磁导率r
相对磁导率定义 材料的磁导率与真空磁导率0之比 r为无量纲的参数
r
0
磁化率χ与相对磁导率之间的关系：
r 1
2 [ 2 ( 2 l 1 )] 2 n l 0 n 1
如按主量子数n和角量子数l把电子的可能状态分成壳层，则能 量相同的电子可以视为分布于同一壳层上 。将相应于 n ＝ 1,2,3,4,……的壳层,分别用K，L，M，N，…等表示。在同一 壳层中，可以有0,1,2…,(n－1)个角量子数l，于是，每一个壳 层就可分成了若干次壳层，并分别用符号s，p，d，f，g，h等 来表示l＝0,1,2,3,4,5等次壳层。
N为退磁因子，Hd为退磁场
磁性起源
材料的宏观磁性来源于原子磁矩 原子磁矩的来源：
1)电子围绕原子核的轨道运动，产生一个非常小的磁场， 形成一个沿旋转轴方向的轨道磁矩； 2)每个电子本身自旋运动，产生一个沿自旋轴方向的自 旋磁矩； 3）原子核磁矩。 原子核磁矩的值很小，一般可以忽略不计。
电子轨道磁矩
li (电性） l1, l 2, l 3, li L LS J (磁性) si (电性） s1, s 2, s3, si S
PJ PL PS
PJ J ( J 1)
J为原子的总量子数
J LS
e l 2me e e me
所有材料都有抗磁性 因为它很弱，只有当其它类型的 磁性完全消失时才能被观察到
4.2.2顺磁性
固体的原子具有本征磁矩 这种材料在无外磁场作用时， 材料中的原子磁矩无序排列， 因此材料表现不出宏观磁性. 受外磁场作用时，原于磁矩能 通过旋转沿外场方向择优取向， 因而表现出宏观的磁性，这种 磁性称为顺磁性. 在此材料中，原子磁矩沿外磁 抗磁体和顺磁体对于磁性材 场方向排列，磁场强度获得增 料应用来说都视为是无磁性 强，磁化强度为正值，因而相 的 对磁导率＞1，磁化率为正值。 因为它们只有在外磁场存在 但磁化率也很小，只有10-5～10
根据泡利不相容原理，原子中的每一个状态，只能容纳一个 电子。因此，可以推算每一个壳层和次壳层中可容纳的最多 电子数。表5－1给出了电子壳层的划分及各壳层中可能存在 的电子数。表中“状态数或最多电子数”一栏内是各电子壳 层中最大可能的电子数目。↑↓代表电子自旋向上和向下取向 。
当电子填满电子壳层时，各电子的轨道运动及自旋取向 就占据了所有可能方向，形成一个球形对称集合，这样 ，电子本身具有的动量矩和磁矩必然互相抵消。因而， 凡是满电子壳层的总动量矩和总磁矩都为零。只有未填 满电子的壳层上才有未成对的电子磁矩对原子的总磁矩 做出贡献。这种未满壳层称为磁性电子壳层。
多电子原子中电子的分布规律
n,l,ml,ms四个量子数确定以后，电子所处的位置随之而 定，且这四个量子数都相同的电子不多于一个。 n,l,ml,三个量子数都相同的电子数最多只能有两个，而 自旋磁量子数不能相同，只能分别为1/2和-1/2。 n,l两个量子数相同的电子最多只有2(2l+2)个。 凡主量子数相同的电子最多只有2n2个。
e l 2me
此处γ l为轨道磁力比
电子自旋磁矩
证明电子具有自旋的实验由斯特恩-盖拉赫 （Stern-Gerlah）作出。 电子自旋角动量取决于自旋量子数s，
自旋角动量的绝对值是
ps s(s 1)
由于的值只能等于1/2，故ps的本征值为
3 2
s 2 s(s 1) B
B H 4M
这里， B 的单位为高斯 G ，磁场强度 H 的单位为奥 斯特Oe。磁性常数（真空磁导率）为1，单位是G/ Oe M是磁极密度，4πM 是磁通线的密度。 1G＝10－4T；1Oe＝103/4π=79.577A/m 1e.m.u(磁矩）＝10－3Am2
磁导率
绝对磁导率 µ 相对磁导率 µ r= µ /µ 0 起始磁导率 µ i （H接近于0） 复数磁导率 µ
原子磁矩
如果要确定一个原子的磁矩，并考虑核外电子多于一 个电子的情况，则首先要了解原子中电子的分布规律 以及原子中电子的角动量是如何耦合的。 电子壳层与磁性 在多电子原子中，决定电子所处的状态的准则有两条： 一是泡利（Pauli）不相容原理，即是说在已知体系中， 同一（n,l,ml,ms）量子态上不能有多于一个电子；二是 能量最小原理，即体系能量最低时，体系最稳定。
磁性材料的分类
–软磁材料 –硬磁材料
5.1基本磁学概念
物质的磁性来源：电子的运动以及原子、电子内部的永 久磁矩。
磁矩
“磁”来源于“电”。 – 任何一个封闭的电流都具有磁矩μm。 – 磁矩定义为 m ISn – 式中： μ m为载流线圈的磁矩，n为线圈平面的 法线方向上的单位矢量，S为线圈的面积，I为 线圈通过的电流。单位为A· m2 磁偶极子产生的偶极矩为jm ，
角动量和磁矩在空间都是量子化的，它们在外磁场 方向的分量不连续，只能有一组确定的间断值，这些 间断值取决于磁量子数ml，
( pl ) H ml
l 0,1,2,, n 1
( l ) H ml B
共n个可能值 共2l＋1个可能值
ml 0,1,2,,l
l l pl
原子内的电子运动服从量子力学规律，由电子轨道运动 产生的动量矩应由角动量来代替，角动量是量子化的。
当电子运动状态的主量子数为n时，角动量由角量子数l 来确定，角动量pl的绝对值为：
pl l (l 1)
l的可能值为： l 0,1,2,, n 1
h 2
h为普朗克常数
量子化情况下，对应于角动量的磁矩 为
–
jm ml
单位为Wb· m
在均匀磁场中,磁矩受到磁场作用的力矩JF
J F m B
J 为矢量积,B为磁感应强度,其单位为Wb/m2 ,Wb (韦伯) 是磁通量的单位。
F
磁矩在磁场中所受的力 ,对于一维为：
dB FX＝ m dx
磁矩的意义
表征磁偶极子磁性强弱和方向的一个物理量。 磁矩是表征磁性物体磁性大小的物理量。 磁矩愈大,磁性愈强,即物体在磁场中所受的力 也大。 磁矩只与物体本身有关,与外磁场无关。 和磁偶极矩具有相同的物理意义，但μm和jm 各有自己的单位和数值，有如下关系
Χ和只有当B、H、M三个矢量互相平行时才为标量，否则，它 们为张量。
磁化状态下的磁体中的静磁能量
磁场作用能量
FH 0 M H
磁体受到外磁场作用所具有的磁场能量密度。 磁畴与技术化理论中经常用到
退磁场能量
Fd
M 0
1 0 H d dM＝ 0 NM 2 2
H＝H0+Hd
第五章 材料的磁学性能
纳米磁硫体 磁流体密封
稀土永磁材料：钕铁硼合金
学习内容
掌握材料磁性本质，熟悉磁畴，磁滞回 线，磁导率等概念。 熟悉表征材料磁学性能的物理量的公式 表达及物理意义， 熟悉铁磁体及磁滞回线。
了解磁记录材料，磁储存材料，硬软磁材料 及其应用。
磁性材料
磁性材料包含
– 金属基材料 – 无机材料(含铁及其他元素的复合氧化物，通常称 为铁氧体) – 纳米材料（纳米材料的磁性有其特殊性）
l l (l 1)
e 2me
令
eh B 4me
式中 B称为玻尔(Bohr)磁子，作为电子磁矩的单 位，它有确定值为9.27×10-24Am2
l l (l 1) B
当电子处于l＝0，即s态时，角动量与轨道磁矩都为零。
当l不为0时，电子轨道磁矩不是玻尔磁子的整数倍。
jm 0 m
磁场强度
磁场强度H
如果磁场是由长度为l， 电流为I的圆柱状线圈 （N匝）产生的，则
NI H l
H的单位为A/m
磁感应强度
磁感应强度B 表示材料在外磁场 H的作用下在材料 内部的磁通量密度。 B的单位: T 或 Wb/m2
在许多场合，确定磁场效应 的量是磁感应强度B，而不 是磁场强度H
原子磁矩计算步骤
确定原子的磁性电子壳层 计算量子数 计算gJ 计算μJ
5.2物质的磁性
物质的磁性可分为:
抗磁性 顺磁性
材料至少表现出其中一种磁性，这取决 于材料的成分和结构。
磁畴的比较
抗磁性
顺磁性
H
H=0
4.2.1抗磁性
其值: 4π×10-7 单位: H（亨利）/m。
对于一般磁介质,无外加磁场时,其内部各磁矩的取向不 一,宏观无磁性。 但在外磁场作用下,各磁矩有规则地取向,使磁介质宏观 显示磁性,这就叫磁化。
磁化强度M
磁化强度M 在外磁场H的作用下，磁体被磁化的方向和强度。表征 物质被磁化的程度。其值等于单位体积材料中具有的 磁矩矢量和。
抗磁性是一种很弱的、非永久 性的磁性 只有在外磁场存在时才能维持 它是由于外磁场使电子的轨道 运动发生变化而引起的 所感应的磁矩很小，方向与外 磁场相反，即磁化强度为很小 的负值。 相对磁导率＜1，磁化率为负值 它表示在抗磁体内部的磁感应 强度B比真空中的小。抗磁体的 磁化率约为-10-5数量级。 在无磁场和有磁场条件下原子 磁矩的变化如图所示。