第三章;磁学性能(材料的磁化特征及其基本参数)
第三章 材料的磁学性能
材料的磁学性能
物质的磁性 磁性的基本量 (磁矩,磁化强度M,磁化率,磁导率) 抗磁性与顺磁性(弱磁性) 铁磁性(强磁性) (磁滞回线,自发磁化,磁畴与技术磁化) 磁性材料及应用
磁性的基本量及单位
Magnetic Terminology & Units 一. 磁矩
磁矩
磁矩是表示磁体本质的一个物理量。任何一个封闭
的电流都具有磁矩ｍ=IS。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IΔS。
电子磁矩: 由电子的轨道磁矩和自旋磁矩组成.
磁性的基本量及单位
二. 磁化强度M
磁化强度M:单位体积内的磁矩矢量和: 后其磁性强弱的一个物理量。
m M V
i
单位体积的总磁矩 M（安／米）.M是描述磁质被磁化
M H
（ χ 无量纲 ）
χ称为磁化率或磁化系数,反映物质磁化的难易程度。
三. 磁场强度H和磁感应强度B
• Definitions of Three Magnetic Vectors:
Magnetic field, 磁场强度 Magnetization, 磁化强度 Magnetic induction, 磁感应强度
B M
B M
μ
Hs H
m = B/H
H
Two Units
Quantity Gaussian (cgs units) S.I. Units
Conversion factor (cgs to S.I.)
Magnetic Induction (B)
Applied Field (H) Magnetisation (M) Magnetisation (4pM)
材料磁学性能unit3-浙江大学材料物理性能笔记
3.1.磁学概论磁偶极子：类似于电偶极子，在磁性材料中由南极和北极组成一个磁偶极子磁矩：Pm=IS静磁能：U = −PB对于通电的密绕螺线管，若螺线管高为l、线圈匝数为N、通过的电流为I，则螺线管内所产生的磁场强度H为：H=NI/lB=μH (μ为磁导率) μr=μ/μ0（相对磁导率）μ0=4π×107-H/mB=μ0（H+M） M为磁化强度（A/m）与H单位相同M=∑Pm/VM=χHμr=1+χχ为磁化率（无量纲）物质的磁性本源是电荷的运动原子磁性包括：电子轨道磁矩、电子自旋磁矩和原子核磁矩磁矩的最基本单位是玻尔磁子μB，μB=9.27×1024-A·m2物质的磁性不是由电子的轨道磁矩引起，而是主要由自旋磁矩引起“交换”作用：处于不同原子间的、未被填满壳层上的电子发生的特殊相互作用，参与这种相互作用的电子已不再局限于原来的原子，而是“公有化”了。
原子间好象在交换电子，故称为“交换”作用当原子间距Rab与未被填满的电子壳层半径r比Rab/r>3时，交换能H为正值，就呈现出铁磁性当Rab/r<3时，交换能H为负值，为反铁磁性根据物质磁化率，可以把物质的磁性大致分为抗磁性、顺磁性、铁磁性、反铁磁性和亚铁磁性抗磁性：磁化方向与外加磁场方向相反，即当磁化率χ或磁化强度M为负时，固体表现为抗磁性。
抗磁性物质的原子（离子）的磁矩应为零，即不存在永久磁矩顺磁性：在外加磁场作用下，每个原子磁矩比较规则地取向，材料显示极弱的磁性。
磁化强度M与外磁场方向一致，M为正，而且M严格地与外磁场H成正比χ = C /T C为居里常数，磁化率很小铁磁性：无论是否施加外磁场，都具有永久磁矩，且在无外加磁场或较弱的磁场作用下，就能产生很大的磁化强度反铁磁性：由于“交换”作用为负值，电子自旋磁矩反向平行排列。
在同一子晶格中有自发磁化强度，电子磁矩是同向排列的，在不同子晶格中，电子磁矩反向排列。
磁学性能课件
二、材料的磁学性能内容：材料磁性的本质、抗磁性、顺磁性及铁磁性）：（一）基本磁学性能材料所在空间的磁场强度是外加磁场强度H和材料磁化强度M之和：H总= H + M = H (1+χ)。
磁化率：χ，表示材料在磁场中磁化的难易程度。
Μ=χΗ。
根据磁化率的符号和大小，可将材料的磁性分为铁磁性、亚铁磁性、反铁磁性、顺磁性和抗磁性。
磁感应强度Β：通过磁场中某点，垂直于磁场方向单位面积的磁力线数。
Β = μΗ，μ：磁导率。
Β = μ0Η总=μ0 (1+χ) H。
μ0 (1+χ) =μ。
相对磁导率: μr= μ/μ0 = 1 + χ（一）基本磁学性能磁偶极子：强度相等、极性相反且其距离无限接近的一对“磁荷”。
p m = ml 。
磁极化强度：单位体积内磁偶极矩矢量和。
J=∑p m /∆V, J = μ0M对磁偶极子外加一夹角为θ的恒磁场，磁偶极子受到的作用力矩为Τ = pm ×H 。
当θ为0时，力矩为0，磁偶极子处于稳定状态。
在磁场作用下，磁偶极子将转向与磁场平行的方向，该过程中磁场对磁矩所做的功为：E = ∫Td θ= p m H cos θ。
静磁能：原子磁矩与外加磁场的相互作用能。
（二）抗磁性与顺磁性材料分类：抗磁性、顺磁性与铁磁性抗磁性：材料受外磁场H 作用后，感生出和H 相反的磁化强度，使磁场减弱。
磁化率χ＜0，抗磁性的磁化率约10-4–10-6，且和温度、磁场无关。
材料的抗磁性来源于将材料放入外磁场中时，外磁场对电子轨道运动产生洛仑兹力，附加磁矩方向与外磁场方向相反。
抗磁矩为外磁场对电子轨道运动的作用结果，任何材料在磁场作用下都产生抗磁性。
抗磁磁化率绝对值很小，只有在材料的原子、离子或分子固有磁矩为0时，才能观察出抗磁性。
Cu, Au, Ag 及大多数有机材料在室温下是抗磁性材料，超导态的超导体也是抗磁性材料。
形成抗磁矩的示意图（二）抗磁性与顺磁性 顺磁性：材料在外磁场中感生出和H 相同方向的磁化强度，使磁场略有增强。
第三章 材料的磁学性能
磁场中某方向的磁矩所具有的静磁能为 上式是分析磁体相互作用，以及在磁场中所处状 态是否稳定的依据。
8
对于顺磁质， 是一个很小的正值 对于抗磁质， 是一个很小的负值
＝＝
对于铁磁质， 则是一个较大的正值，且其 值随 外磁场强度的变化而变化，
10
三、磁感应强度（magnetic induction strength）和 磁导率（ permeability ） 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：特斯拉。
2
物质磁化理论有两种观点：分子电流观点和等效磁荷观点，两 种观点是等效的（不同的理解角度)。
●分子电流观点： 物质中的每个分子都存在一环形电流（分子中原子、离子
的电子循轨、自旋运动)，环形电流场产生磁场。 无外磁场时，各分子环流取向杂乱无章，作用抵消，不显磁性； 施加外磁场后，分子电流的磁矩在磁场场作用下趋于定向排列，
度， 这种现象称为剩磁现象。要使M降至0，必须施加一反向 磁场－Hc， Hc称为磁矫顽力。继续增加反向磁场至－ Hs，磁化强度达到－Ms。从－ Ms改为正向磁场，随H
的 增加，M沿另一曲线逐渐增大至Ms。 整个过程中M的变化总是落后于H的变化，这种现象称为
磁滞效应。
31
铁氧体具有很高的Hc，而金属材料的Ms比较大。
32
第二节 物质的磁性及其物理本质
1.原子的磁性
原子中的电子进行着绕原子核的循轨运动和绕本身 轴的自旋运动。这两种运动都相应地存在着恒定的 磁矩，可分别称为电子的循轨磁矩和自旋磁矩。
34
循轨磁矩
2m
轨道磁矩受晶格场的作用，其方向是变化的， 不能形成一个联合磁矩，对外没有磁性作用
36
第03章 磁学性能
不变，故ω ，2 K = mr ω m和r不变，故ω
增大，使P 增大，即产生的附加磁矩△ 的方向与外H 增大，使Pl 增大，即产生的附加磁矩△P的方向与外H方
K = mr ω m和r不变，故ω 不变，故ω ，2
减小，使P 减小，也等于产生的附加磁矩△ 减小，使Pl 减小，也等于产生的附加磁矩△P的方向与外
7
磁场中某方向的磁矩所具有的静磁能为
上式是分析磁体相互作用， 上式是分析磁体相互作用，以及在磁场中所处状 态是否稳定的依据。 态是否稳定的依据。
8
二、磁化强度（magnetization）和磁化率（magnetic
susceptibility）
一个物体在外磁场中被磁化的程度， 一个物体在外磁场中被磁化的程度，用单位体积 内磁矩的多少来衡量， 内磁矩的多少来衡量，称之为磁化强度
10
磁化率三种表示形式： 表示单位体积的磁化率， χV表示单位体积的磁化率， 表示每摩尔的磁化率， χA表示每摩尔的磁化率， 表示单位质量（每克）的磁化率。 χg表示单位质量（每克）的磁化率。 不同磁介质其磁化曲线不同，曲线上任意一点都 对应着材料的某种磁化状态，它与坐标原点连线 对应着材料的某种磁化状态，它与坐标原点连线 的斜率即表示材料在该磁场下的磁化率。 的斜率即表示材料在该磁场下的磁化率。
2
根据磁质被磁化后产生的附加磁场 磁质分为三类： 磁质分为三类：
的大小和方向， 的大小和方向，可将
(1) 抗磁质 凡是附加磁场 相反， 相反， 强度略微地减弱的磁质。 强度略微地减弱的磁质。 (2) 顺磁质 凡是附加磁场 向相同， 向相同， (3) 铁磁质 凡是附加磁场 向相同， 向相同，
与外磁场
32
33
当原子中某一电子层被电子填满时， 当原子中某一电子层被电子填满时，该电子层的电子 云在空间的分布呈球形对称， 云在空间的分布呈球形对称，这时其电子循轨磁矩互 相抵消，其电子自旋磁矩也互相抵消， 相抵消，其电子自旋磁矩也互相抵消，即该层的电子 磁矩对原子磁矩没有贡献。 磁矩对原子磁矩没有贡献。 若原子中的所有电子层全被电子填满， 若原子中的所有电子层全被电子填满，如惰性元素则 不呈现原子磁矩，即该原子不存在固有磁矩。 不呈现原子磁矩，即该原子不存在固有磁矩。 Ar以及某些 以及某些离 He, Ne, Ar以及某些离子材料
第三章;磁学性能(材料的磁化特征及其基本参数)
四、磁化曲线和磁滞回线
磁导率和磁场的关系
磁滞：指铁磁材料的磁性状态变化时，磁化 强度滞后于磁场强度，它的磁通密度B与磁场 强度 H之间呈现磁滞回线关系 剩磁Br：磁滞回线中，外磁场 减小为零时， 铁磁质所具有的磁感应强度 矫顽力Hc：为使剩磁降低为零而施加的反向 外磁场强度 磁致损耗：铁磁材料在磁化过程中由磁滞现 象引起的能量损耗。经一次循环，磁滞损耗 等于磁滞回线的面积
一个环形电流的磁矩：Pm=ΙS Ι环形电流的强度， S是环形所包围的面积。
当有外加磁场后，环形电流的磁矩沿磁场规律排 列，在宏观上显示磁性。用磁化强度衡量物质磁 性强弱及磁化状态
磁化强度
磁化强度：单位体积的总磁矩
磁极化强度
材料受磁化后呈规律排列，宏观上显示磁极 （南北极），把微观的磁分子称为磁偶极 子，宏观所表示出的磁矩称为磁偶极矩jm
第三章 材料的磁学性能
材料的磁化特征及其基本参数
一、磁化现象及磁化强度 磁性与物质的微观结构相关，决定于原子
结构、原子间的相互作用，例如:键结合和 晶体结构等。 磁性是微观结构表现出来的一种宏观现象。 研究磁性也是研究材料物质内部微观结构 的方法。
磁化现象及磁化强度
一切物质都具有磁性，任何空间都存在磁场，只是强弱不同而已。 根本原因：
• 磁----电 • 磁现象的本质是由于带电物体运动的结果。 • 原子中电子的绕核运动、电子本身的自旋，都会产生磁场。 • 一个分子内部全部电子运动产生的磁场的总和叫做分子磁
场。 • 物质在磁场中，由于受到磁作用而呈现一定磁性称为磁化 • 凡是能被磁场磁化的物质称为磁介质（磁质）。
当物质处于磁场中时，会使磁场发生变化，不 同的物质所引起的磁场变化不一样。
南昌大学 材料性能学重点 第三章 材料磁学性能
第三章材料磁学性能摘要：本章将论述材料磁性产生的机理；材料底顺磁性，抗磁性；材料磁学性能系数及其相互关系；铁磁性及物理本质；技术磁化。
具体内容安排如下：第一节磁性及物理本质掌握电子自旋磁矩、电子轨道磁矩、原子磁矩、分子磁矩；磁化强度、磁感应强度、磁化率磁导率的基本概念及相互关系。
理解物质磁性的分类方法及磁性类型。
第二节顺磁性与抗磁性理解顺磁性和抗磁性的机理和影响因素。
第三节铁磁性及物理本质理解磁化曲线的三个阶段特点；理解磁滞回线的特征；掌握自发磁化理论－外斯假说；理解温度对磁性的影响。
第四节铁磁性内能磁性的三大特点：磁各向异性；磁滞伸缩；磁形状各向异性。
磁体具有磁各向异性能；磁弹性能；磁各向异性能。
第五节磁畴及磁畴结构理解磁畴是如何形成的、磁畴的结构以及内部的本质问题。
第六节技术磁化理解技术磁化三个阶段及其机理分析；理解杂质、气孔对磁化有何影响。
第七节影响金属及合金因素介绍了影响金属磁性的因素，重点分析温度、应力、热处理对磁性的影响。
第八节前沿课题和讨论让学生了解磁性在生活中的应用，提高学生兴趣。
包括永磁材料、磁致冷材料、磁记录材料。
（共12个学时）第一节 磁性及其物理本质一、原子的本征磁矩在磁场中放入一种物质，会使物质所占有的空间磁场发上改变，有的使空间磁性增强，（例如Fe ）：有的使空间磁性减弱（Cu ）；根据物质磁化后对磁场的影响，把物质分为三类：使磁场减弱的物质称为抗磁物质；使磁场增强的物质称为顺磁性物质；使磁场强烈增加的物质称为铁磁性物质。
㈠原子的磁性任何物质都是有于原子构成的，原子又是带正电的原子核与带负电的电子构成。
电子绕原子核作循轨运动产生磁矩。
同时在自族运动时也会产生磁矩。
① 轨道磁矩B l l mcehl μπμ==4.L 为轨道角动量，e 为单位电荷，h 为普郎克常数，m 为电子质量，c 为光速。
② 电子的自旋磁矩由于电子的自旋运动而产生的磁矩称为自旋磁矩。
B s s mcehs μπμ22.== s 为自旋角动量，B μ为波尔磁子。
第三章;磁学性能(铁磁性及其物理本质)
磁畴壁的厚度本着能量最小原则。
ppt课件
21
3.7.2 磁畴的起因与结构
磁畴的形状、尺寸、畴壁的类型与厚度总称为 磁畴结构。 形成磁畴是为了降低系统的能量（主要是降低 退磁能和磁弹性能）。因磁畴结构受交换能、 磁晶能、磁弹性能、畴壁能和退磁能的影响， 平衡状态时的磁畴结构，应使这些能量之和为 最小值。
向将逐渐转向外加磁场方向。该过程称为磁畴的旋转，即
磁畴旋转区Ⅲ。当晶体的单畴磁化强度矢量与外加磁场方
向完全一致时，即达饱和状态，完成整个磁化过程。
• 磁化曲线分区示意图
ppt课件
25
3.9 影响金属及其合金铁磁性的因素
外部因素：温度、应力。 内部因素：成分、组织及热处理状态等。 （组织敏感性
参数和组织不敏感性参数） 属于组织不敏感的磁参数有饱和磁化强度Ms、磁致伸缩系
由于原子磁矩间的相互作用，晶体中相邻原子的 磁偶极子会在一个较小的区域内排成一致的方向。
因物质由许多小磁畴组成的。在未受到磁场作用时，
磁畴方向是无规则的，因而在整体上无外加磁场时不显
示磁性
ppt课件
18
磁畴的结构
主畴： 大而长的磁畴，其自发磁化方向沿晶
体的易磁化方向。相邻主畴磁化方向相 反。
副畴： 小而短的磁畴，其磁化方向不定。
磁畴壁： 相邻磁畴的界限区域称为磁畴壁，分为两种：
（1）180º壁。相邻磁畴的磁化方向相反。
（2）90º壁。相邻磁畴的磁ppt化课件方向垂直。
19
ppt课件
20
磁畴壁具有交换能ECX、磁晶能EK及磁弹性能。 磁交换能：逐渐转向比突然转向要容易进行， 因此交换能小，畴壁越厚交换能越小。 磁晶能：畴壁越厚，原子磁矩的逐渐转向，使 原子磁矩偏离了易磁化的方向，磁晶能增加。 磁弹性能：原子的逐渐转向，各个方向上的伸 缩难易不同，因此产生弹性能。 畴壁内的能量比磁畴内要高
材料的磁学性能
五、铁磁性及其物理本质
物质中相邻原子或离子的磁矩，由于相互作用而在某些区域中大致按同一方 向排列，当所施加的磁场强度增大时，这些区域的合磁矩定向排列程度会随之增 加到某一极限值的现象
永久磁矩，来源于电子自旋 净磁矩，无外场条件下（如图） 磁畴，晶体中自旋取向相同的区域
铁磁材料中，无外磁场条件 下，原子磁矩的定向排列
me
Ma
轨道磁矩在外场方向Z上的分量：
l,H ml B ml 0, 1, 2 ,
ml — 轨道磁量子数（空间量子数），共2l+1个
轨道磁矩
2）电子的自旋磁矩 s
电子自旋角动量（自旋动量矩）： Ps s(s 1)
s 1 2 — 自旋量子数
电子自旋磁矩： s 2B s(s 1)
电子自旋磁矩在外场方向Z上的分量： s,H 2msB ms = 1/2 — 自旋磁量子数
i1
N — 单位体积中原子（离子）数
Z — 每个原子（离子）的电子数
ri
0
— 第 i 个电子循轨运动的平均半径 — 真空磁导率
m、e — 电子的质量、电量
自由电子的抗磁性
源于自由电子因受到劳伦兹力的作用，而在垂直于外磁场的平面内作定向的 环绕运动所产生的附加磁矩，该附加磁矩也总是反平行于外磁场
自由电子的抗磁磁化率： 自由电子的总磁化率：
L
和
S
i
的矢量之和，即
J L S
由各电子的磁矩（或角动量）组合成原子的总磁矩（或总角
动量），主要有两种耦合方式：
①原子序数在32以下，为L-S 耦合，即
L ( (l )i ) S ( (s )i ) J 或 L( li ) S( si ) J
i
i
第三章材料的磁学性能
第三章材料的磁学性能一，一，基本概念1. 1.磁畴：在未加磁场时铁磁金属内部已经磁化到饱和状态的小区域。
2. 2.磁导率：磁导率是磁性材料最重要的物理量之一，表示磁性材料传导和通过磁力线的能力，用μ表示，其中μ＝Ｂ／Ｈ．单位为亨利／米（Ｈ·m-1）．3. 3.自发磁化：在未加磁场时铁磁金属内部的自旋磁矩已经自发地排向了同一方向的现象．4. 4.磁滞损失：磁滞回线所包围的面积相当于磁化一周所产生的能量损耗。
5. 5.磁晶各向异性：6. 6.退磁场：非闭合回路磁体磁化后，磁体内部产生一个与磁化方向相反的磁场。
第三章材料的磁学性能随着近代科学技术的发展，金属和合金磁性材料，由于它的电阻率低、损耗大，已不能满足应用的需要，尤其是高频范围。
磁性无机材料除了有高电阻、低损耗的优点以外，还具有各种不同的磁学性能，因此它们在无线电电子学、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它元素的复合氧化物，通常称为铁氧体（ferrite）。
它的电阻率为10～106Ω·m，属于半导体范畴。
目前，铁氧体已发展成为一门独立的学科。
本章介绍磁性材料的一般磁性能，着重讨论铁氧体材料的性能与应用。
7.1磁矩和磁化强度7.1.1磁矩（1）定义在磁场的作用下，物质中形成了成对的N、S磁极，称这种现象为磁化。
与讨论电场时的电荷相对应，引入磁量的概念，并把磁量叫做磁极强度或磁荷。
将一对等量异号的磁极相距很小的距离，把这样的体系叫做磁偶极子。
在外磁场的影响下，磁偶极子沿磁场方向排列。
为达到与磁场平行，该磁矩在力矩T=Lq m Hsin (7.1)的作用下，发生旋转。
式中的系数Lq m定义为磁矩M(Wb·m)。
磁矩这一物理量是磁相互作用的基本条件，是物质中所有磁现象的根源。
磁矩的概念可用于说明原子、分子等微观世界产生磁性的原因。
（2）原子磁矩物质是原子核和电子的集合体，要理解物质的磁性起源，就要考虑原子具有的磁矩。
材料的磁学性能
材料的磁学性能
材料的磁学性能是指材料在外加磁场下的磁化特性，包括磁化强度、磁导率、磁化曲线等。
磁学性能对于材料的应用具有重要的意义，尤其是在电子、通信、医疗等领域。
本文将从磁性材料的基本概念、磁性材料的分类、磁性材料的应用等方面进行介绍和分析。
磁性材料是指在外加磁场下会产生磁化现象的材料。
根据材料在外加磁场下的磁化特性，可以将磁性材料分为铁磁性材料、铁素磁性材料、铁氧体材料和软磁性材料等几类。
铁磁性材料在外加磁场下会产生明显的磁化现象，具有较高的磁导率和磁化强度，主要用于制造电机、变压器等电器设备。
铁素磁性材料具有较高的电阻率和磁导率，主要用于制造电感元件、磁芯等。
铁氧体材料具有较高的磁导率和磁化强度，主要用于制造微波器件、磁记录材料等。
软磁性材料具有较低的矫顽力和磁导率，主要用于制造变压器、电感器等。
磁性材料在电子、通信、医疗等领域具有广泛的应用。
在电子领域，磁性材料主要用于制造电感元件、变压器、磁芯等，用于电源、通信、计算机等设备中。
在通信领域，磁性材料主要用于制造微波器件、天线等，用于无线通信、卫星通信等设备中。
在医疗领域，磁性材料主要用于制造医疗设备、磁共振成像设备等，用于诊断、治疗等用途。
总之，磁性材料的磁学性能对于材料的应用具有重要的意义。
通过对磁性材料的基本概念、分类和应用的介绍和分析，可以更好地了解磁性材料的特性和用途，为相关领域的科研和生产提供参考和指导。
希望本文能够对读者有所帮助，谢谢阅读。
第三章 磁学性能(磁性及其物理本质)
五、影响金属抗磁性及顺磁性的因素
；六、 磁化率的测量
磁秤 利用试样在非 均匀磁场中的受力情 况来确定它的磁化率。
利用与标准试样对比来确定它的磁化率。
但还有相当多的固溶体顺磁物质，特别是过渡族金属元 素是不符合居里定律的。它们的原子磁化率和温度的关系需 用居里-外斯定律来表达 。
居里-外斯定律
为居里温度 。 2. 磁化率与温度无关的顺磁质 碱金属Li、Na、K、Rb属于此类。
3.存在反铁磁体转变的顺磁体 过渡族金属及其合金或它们的化合物属于这类 顺磁体。它们都有一定的转变温度，称为反铁磁居 里点或尼尔点，以TN表示。当温度高于TN时，它们 和正常顺磁体一样服从居里-外斯定律，且△＞0； 当温度低于TN时，它们的χ随T的下降而下降，当 T→OK时，χ→常数；在TN处χ有一极大值，MnO、 MnS、NiCr、CrS-Cr2S、Cr2O3、FeS2、FeS等都属这 类。
顺磁体的χ-T 关系曲线示意图
四、金属的抗磁性与顺磁性 金属是由点阵离子和自由电子构成的，故金属的 磁性要考虑到点阵结点上正离子的抗磁性和顺磁性， 以及自由电子的抗磁性与顺磁性。 正离子的抗磁性源于其电子的轨道运动，正离子 的顺磁性源于原子的固有磁矩。 而自由电子的磁性的顺磁性源于电子的自旋磁矩， 自由电子的抗磁性源于共在外磁场中受洛仑兹力而 作的圆周运动，这种圆周运动产生的磁矩同外磁场 反向。 四种因素竞争的结果决定物质是否是抗磁体或 顺磁体。
电子循轨磁矩
电子的自旋磁矩
原子核的自旋磁矩
3.ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 物质的磁性及其物理本质
3.2.1 原子磁性
原子由原子核和核外电子构成，核外电子在各自 的轨道上绕核运动的同时还进行自转运动。因此，分 别具有轨道磁矩和自旋磁矩。
第三章 材料的磁学性能
C T C
T TN
顺磁体的χ-T 关系曲线示意图
3.2.4 金属的抗磁性与顺磁性
金属是由点阵离子和自由电子构成的，故金属 的磁性要考虑到点阵结点上正离子的抗磁性和顺磁 性，以及自由电子的抗磁性与顺磁性。
正离子的抗磁性源于其电子的轨道运动，正离 子的顺磁性源于原子的固有磁矩。
而自由电子的磁性的顺磁性源于电子的自旋磁 矩，自由电子的抗磁性源于共在外磁场中受洛仑兹 力而作的圆周运动，这种圆周运动产生的磁矩同外 磁场反向。
但在常温下，由于热运动的影响，原子磁矩难以
有序化排列，故顺磁体的磁化十分困难，磁化率一般 仅为10-6～10-3。
根据顺磁磁化率与温度的关系，顺磁质分为三大类：
1. 正常顺磁体
O2、NO、Pd稀土金属，Fe、Co、Ni的盐类，以 及铁磁金属在居里点以上都属正常的顺磁体。其中 有部分物质能准确地符合居里定律，它们的原子磁 化率与温度成反比 。
温度和磁场强度对抗磁性的影响甚微，但当金 属熔化凝固、范性形变、晶粒细化和同素异构转变 时，电子轨道的变化和原子密度的变化，将使抗磁 磁化率发生变化。
熔化、加工硬化和晶粒细化等因素都是使金属 晶体趋于非晶化，都是因变化时原子间距增大、密 度减小，使得抗磁性减弱。
同质异构相转变时，伴随磁性转变。
合金的相结构及组织对磁性的影响比较复杂 。
3.3.2 反铁磁性和亚铁磁性
反铁磁性
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。这样一种特性称为反铁磁性。
所有的碱金属和除Be以外的碱土金属都是顺磁 体。虽然这两族金属元素在离子状态时有与惰性气 体相似的电子结构，似应成为抗磁体，但是由于自 由电子产生的顺磁性占据了主导地位，故仍表现为 顺磁性。
材料的磁学性能
第四节
抗磁与顺磁磁化率的测量
dH xVH dx
磁秤法：如图1-12。 试样在不均匀磁场中，沿x方向受力F: F F为正，为顺磁； F为负，为逆磁。
第五节
顺磁与抗磁分析在金属学中的应用
金属的磁化率取决于合金的成分、组织 和结构，因此可以通过测量合金的顺磁 或抗磁磁化率及其变化规律，可以研究 合金的相变。
通过测定试样在均匀磁场中所受磁力矩的大 小来求得其磁化强度。如图1-45 P28。 两个磁极间匀强磁场 H 24 10 4 A / m ，加热炉使 试样A氏体化，等温炉使其保持一定温度。磁化 后试样受到的磁力矩 为： VHM sin 0 0 为初始角度； V为试样体积。
试样偏转 角后，处于平衡状态，此时：
一、测量Al-Cu合金的固溶度曲线。 如图1-13。
铝为顺磁，铜为抗磁。 当Cu含量在单相固溶体 相区时，磁化率随Cu的 增大而呈现接近直线的平滑曲线下降；当Cu含量在 两相区时，磁化率曲线较平坦。两条曲线的交 点，即为最大溶解度极限点。 二、测定A氏体不锈钢中微量铁素体 钢中析出微量F体时，使磁化率明显增加。如图114。
每一周期前面的元素都是顺磁性，后面的元素 为抗磁性。过渡族元素除 Fe、Ni、Co外都是顺磁性。
第三节 影响磁化率的因素
一、温度 温度升高，原子热运动加剧，原子磁矩的无序 取向增大，使顺磁磁化过程变困难，导致顺磁磁化率 降低。 M C X测 H T 居里常数：
C
0 n i2
3K
C 铁磁性金属与温度的关系： x T
dt
在测量回路中感生电流： i E N 2 d
R R dt
在t秒内产生的总电量：
Q idt
第三章 磁学性能(磁性及其物理本质)
抗磁矩产生的原因分析
1、当产生顺时针电流时，用右手螺 旋定则判断电子运动所产生的磁 矩为PL方向向下，其值为： P=efπr2=e. ω/2π. πr2=1/2. eωr2 向心力：K=mrω2 2、外加磁场后，用左手定则判断洛 伦兹力△K方向向内，与向心力 的方向相同。 3、洛伦兹力向内，产生一附加的磁 矩，由于洛伦兹力与向心力方向 相同，产生的附加磁矩△P与轨 道磁矩P方向也相同，即向下。 4、外加磁场方向向上，产生的附加 磁矩方向与外加磁场方向相反， 故使外加磁场减弱，即产生抗磁 性。
稀土金属的顺磁性较强，磁化率较大且遵从居里-外斯定律。 这是因为它们的4f或5d电子完层未填满，存在未抵消的自旋 磁矩所造成的。 过渡族金属，在高温基本都属于顺磁体，但其中有些存在 铁磁转变(如Fe、Co、Ni)，有些则存在反铁磁转变(如Cr)。 这类金属的顺磁性主要是由于它们的3d-5d电子壳层末填满， d-和f-态电子未抵消的自旋磁矩形成了晶体离子的固有磁矩， 从而产生了强烈的顺磁性。 抗磁性：电子壳层已被填满，即固有的磁矩为零，在外加 磁场的作用下原子核外电子的循轨运动产生抗磁性，强弱取 决于电子数量 顺磁性：原子或离子有未被填满的电子壳层，即具有固有 磁矩，在外加磁场的作用下，产生顺磁矩大于抗磁矩，表现 出顺磁性。
五、影响金属抗磁性及顺磁性的因素
；六、 磁化率的测量
磁秤 利用试样在非 均匀磁场中的受力情 况来确定它的磁化率。
利用与标准试样对比来确定它的磁化率。
但在常温下，由于热运动的影响，原子磁矩难以有序化排 列，故顺磁体的磁化十分困难，磁化率一般仅为10-6～10-3。
根据顺磁磁化率与温度的关系，顺磁质分为三大类： 1. 正常顺磁体 O2、NO、Pd稀土金属，Fe、Co、Ni的盐类，以 及铁磁金属在居里点以上都属正常的顺磁体。其中 有部分物质能准确地符合居里定律，它们的原子磁 化率与温度成反比 。 居里定律
第十一讲 基本磁学性能
自学成才
经典电动力学
推导出著名的麦克斯韦方程组，首次将 电和磁在理论上统一起来，在此基础上 创立了经典电动力学。 提出了电磁波这一概念，并确认光也是 一种电磁波，对后世影响深远。 是继法拉第之后集电磁学大成的伟大 科学家，揭示了光、电、磁现象在本 质的统一性，完成了物理学的又一次 大综合。
Ht H H
磁场强度的单位是A/m (安/米)。 磁化强度 M ：材料被磁化后，单位体积的磁矩
M 1 V
m
i
磁化强度的单位是A/m (安/米)。mi为原子固有磁矩。
H M
磁化率χ：表征物质本身的磁化特性，量纲为1，其值可正、 可负。
M H
磁导率μ：反映了磁感应强度与外磁场强度的关系，即当 外磁场增加时磁感应强度增加的速率。
原子核，由于带电，其运动也会产生磁矩，只是其磁矩
很小，例如，氢核质子产生的磁矩仅为电子产生最小磁矩
的1／658左右。
原子核磁矩 原子磁矩
电子磁矩 轨道磁矩 电子磁矩 自旋磁矩 量子力学分析：在填满的壳层中，总轨道磁矩和总自旋 磁矩均为零。 原子磁矩实际上来源于未填满壳层中的电子。 宏观：磁性 微观：原子结构和原子间的相互作用 （键合情况、晶体结构）
的电子循规、自旋运动)，环形电流强产生磁场。
无外磁场时，各分子环流取向杂乱无章，作用抵消，不显
磁性；
P
m
0
施加外磁场后，分子电流的磁矩在磁场场作用下趋于定向
排列，而呈现出宏观磁性。
P
m
0
磁化强度： M
P
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。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
材料的磁化特征及其基本参数
一、磁化现象及磁化强度 磁性与物质的微观结构相关，决定于原子 结构、原子间的相互作用，例如:键结合和 晶体结构等。 磁性是微观结构表现出来的一种宏观现象。 研究磁性也是研究材料物质内部微观结构 的方法。
磁化现象及磁化强度
一切物质都具有磁性，任何空间都存在磁场，只是强弱不同而已。 根本原因：
• • • •
磁----电 磁现象的本质是由于带电物体运动的结果。 原子中电子的绕核运动、电子本身的自旋，都会产生磁场。 一个分子内部全部电子运动产生的磁场的总和叫做分子磁 场。 • 物质在磁场中，由于受到磁场作用而呈现一定磁性称为磁 化 • 凡是能被磁场磁化的物质称为磁介质（磁质）。
当物质处于磁场中时，会使磁场发生变化，不 同的物质所引起的磁场变化不一样。 使磁场减弱的物质称为抗磁性物质 铜、银、 金、汞、锌等 使磁场强烈增加的物质称为铁磁性物质 铁， 钴、镍等 使磁场略有增加的物质称为顺磁性物质 锂、 钠、钾、铷等
磁化强度
磁化强度：单位体积的总磁矩
磁极化强度
材料受磁化后呈规律排列，宏观上显示磁极 （南北极），把微观的磁分子称为磁偶极 子，宏观所表示出的磁矩称为磁偶极矩jm 磁极化强度:单位体积的磁偶极矩称为磁极化 强度
二、磁化率与物质磁性的分类
磁化率：当外加磁场后物质被磁化的难易程度，与 材料的温度有关。
磁化强度
但是当没有外加磁场时，材料内部原子或电子形 成的磁场时杂乱无章的，磁分子产生的磁场相互 抵消，因此对外通常不显示磁性。 概念引入: 前述材料原子核自旋运动，电子的绕 核运动及电子本身的自旋运动都将形成环形电流 产生磁性。 一个环形电流的磁矩：Pm=ΙS Ι环形电流的强度， S是环形所包围的面积。 当有外加磁场后，环形电流的磁矩沿磁场规律排 列，在宏观上显示磁性。用磁化强度衡量物质磁 性强弱及磁化状态
磁质的分类
三、磁导率
前述当物质被磁化后会影响其所处的外加磁场的变化，例如，铁磁体 就使其所处的磁场强烈的增加 设增加后的总磁场为B，外加磁场为H，磁化强度为M， 加入磁介质前磁感应强度B0=μ0H 加入磁介质后引起的附加磁感应强度B′ =μ0M 加入磁介质后总磁感应强度： B=B0+ B′ =μ0H+μ0M μ0为真空磁导率 根据B= μ0 (H+M ) 磁化率：χ=M/H B= μ0 (H+χH ) = μ0 (1+χ ) H 把令μ = μ0 (1+χ ) 1+χ= μr 则μ = μ0 (1+χ ) = μ0 μr B= μH或μ=B/H
μ称为磁导率（绝对磁导率），为材料内磁感应强度与磁场 强度导率和磁场的关系
磁滞：指铁磁材料的磁性状态变化时，磁化 强度滞后于磁场强度，它的磁通密度B与磁场 强度 H之间呈现磁滞回线关系 剩磁Br：磁滞回线中，外磁场 减小为零时， 铁磁质所具有的磁感应强度 矫顽力Hc：为使剩磁降低为零而施加的反向 外磁场强度 磁致损耗：铁磁材料在磁化过程中由磁滞现 象引起的能量损耗。经一次循环，磁滞损耗 等于磁滞回线的面积 动态磁化曲线（磁滞回线）