第四章磁性能2014

铁磁体与自身退磁场的相互作用能称为退磁场能
4.2.5 磁致伸缩与磁弹性能
磁致伸缩：铁磁体在磁场中磁化，因其形状和尺寸变化。
磁致伸缩系数：


l

l 0
l
0
正磁致伸缩 负磁致伸缩 饱和磁致伸缩系数：
磁致伸缩系数λs 10-6～10-3之间
单晶体磁致伸缩具有各向异性。
非取向多晶体的磁致伸缩等于不同取向晶粒的 磁致伸缩的平均值。
（4）磁化曲线极平缓地趋近 于水平线而达到饱和状态。
4.2 铁磁性和亚铁磁性材料的特性
4.2.1 磁化曲线
Bs Ms
起始磁导率：
lim i

H 0
B H
H 0
lim i

H 0
dB dH
❖ 相当于磁化曲线起始部分的斜率；
❖ 技术上规定在0.1-0.001Oe磁场的磁导率为µi ； ❖ 软磁材料作为磁传感时的重要技术参量。
反铁磁性物质磁化率与温度关系
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。
立方晶体平均 磁致伸缩系数：

2
s
110
3 s
111
s
5
体积磁致伸缩系数
设铁磁本原来的体积为Vo，磁化后体积为V，体积的
相对变化为
（V V0 ) /V0
体积磁致伸缩系数
➢ 除因瓦合金以外，一般铁磁体的ω在10-8～10-10，
很小，可忽略；
➢ 磁化场小于饱和磁化场Hs时，只有线磁致伸缩。
α –Mn ，Cr，NiO，MnO
4.1.3 原子本征磁矩、顺磁性和抗磁性
1、原子本征磁矩 材料的磁性来源：原子磁矩
电子轨道磁矩
原子磁矩 电子自旋磁矩
原子核磁矩 对于物质中的分子，任一个电子都同时参与环绕原子核的 轨道运动和电子本身的自旋，这两种运动都能产生磁效应。
电子轨道磁矩
m iS e( )r2 e L
磁性材料的磁导率定义为磁感应强度与磁场强度之比： μ=B/H
μ0 : 真空磁导率，4π×10-7 H/m ; μ: 绝对磁导率， μr: 相对磁导率 μr =μ/μ0
磁化率定义为磁化强度与磁场强度之比,表示介质在磁场
中被磁化的程度。
单位体积磁化率 摩尔质量磁化率 单位质量磁化率
χ= M/H χA= χV χd= χ/d
M m ml 方向：由S→N极
在磁感应强度为B的磁场中，磁矩m所受的力矩为：
T

m
B
静磁能：磁矩与外磁场的作用能。
U

m

B
3、磁化强度M
磁体单位体积中微观磁矩的向量和.
M=∑m / V (A/m)
➢设一个宏观磁体由许多具有固有磁矩的原子组 成，当原子磁矩紊乱排列时，宏观磁体对外不显 示磁性。
居里点以上Fe、Co、Ni。 Li、Na、K、Ti、Al
4.2 铁磁性和亚铁磁性材料Байду номын сангаас特性
4.2.1 磁化曲线
（1） B随H呈线性地缓慢增
长，可逆畴壁移动过程。
（2） B随H急剧增长，不可
逆畴壁移动过程的巴克豪森 （Barkhausen）跳跃。
（3）B的增长趋于缓慢。磁 畴的磁化矢量已转到最接近H 方向，B的增长主要靠可逆转 动过程来实现。
χ×105
0 0.04 26 2.2 0.72 0.19 -2.9 -2.6 -1.0 -2.1 -1.8 -1.4
4.1.2 磁性物质分类
根据物质的磁化率，可把物质的磁性大致分为五类：
Ｍ
铁磁性材料
1、抗磁体：磁化率χ为甚小的负数， 大约在10-6量级。
亚铁磁性材料
“经典”抗磁体：磁化率与温度无 关 Au、Ag、Cu、Hg、Zn
惰性气体： 离子型固体：NaCl Na+ Cl共价键：C Si Ge P S 大部分有机物 部分金属
3、顺磁性 来源于原子的固有磁矩。
产生顺磁性的条件是原子的固有磁矩不为零
（1）具有奇数个电子的原子或点缺陷 （2）内壳层未被填满的原子或离子。例如过渡
族金属和稀土族金属。
大多数物质属于顺磁性物质。 例如：室温下的稀土金属
➢在外磁场作用下当原子磁矩同向平行排列时， 宏观磁体对外显示磁性最强，这种现象称为材料 被磁化。
4、磁感应强度（磁通密度） 磁体中单位面积中通过的磁力线数。 单位: T （特斯拉） B =μ0 M +μ0 H= μ0 (M + H)
材料的磁感应强度由两部分叠加而成： ➢自由空间磁场(在物质内部的外磁场)；������ ➢材料由于磁化引起的附加磁场。
A为负值的元素可通过合金化， 改变点阵常数，使A>0 。
温度对铁磁性的影响
当温度升高时原子 间距加大，降低了 交换作用。
热运动不断破坏原子 磁矩的规则取向。
自发磁化强度降低
温度高于居里温度时， 完全破坏了原子磁矩 的规则取向，铁磁性 变为顺磁性。
2、反铁磁性与亚铁磁性 反铁磁性： Ａ＜０，原子磁矩反向平行排列是能量最 低。相邻原子磁矩相等，由于原子磁矩反向平行排列自 发磁化强度等于零。
e
2
2m
ω：电子绕核运动的角速度 L ：电子轨道运动角动量的大小
电子轨道磁矩在外磁场方向上的投影满足量子化条件：
m m
ez
lB
μB：波尔磁子，9.273×10-24J/T
电子自旋磁矩 mSZ=±μB
符号取决于电子自旋方向
2、抗磁性 抗磁性来源于电子轨道运动。
所有物质均有抗磁性。
凡是电子壳层被填满了的物质均属于抗磁性物质。
A：交换积分常数 θ：相邻原子磁矩夹角
A> 0 ：相邻原子磁矩排列相同，从而实现自发磁化； A＝0 ：相邻原子磁矩排列紊乱，为顺磁； A< 0：相邻原子磁矩反向排列。
A> 0
A＝0
A< 0
交换积分常数的影响因素
➢电子运动状态的波函数；
➢原子核之间的距离。
只有当原子核之间的距离Rab (点 阵常数)与参加交换作用的电子距 核的距离(电子壳层半径)r之比大 于3时，A为正。
H
S
N
Hd
铁磁体的退磁场
当铁磁体表面出现磁极后， 除在铁磁周围空间产生磁场外， 在铁磁体内部也产生磁场，这一 磁场与铁磁体的磁化方向相反， 起到退磁作用，称为退磁场。
Hd NM
N：退磁因子与铁磁体形状有关。
❖ 退磁场与磁化强度成正比； ❖ 退磁场与铁磁体形状有关； ❖ 负号表示退磁场方向与磁化强度相反。
磁弹性能：物体在磁化时要伸长（收缩），若受到限 制，则在物体内部产生压应力（拉应力）。这样物体 内部将产生弹性能，称为磁弹性能。
对于多晶体，单位体积内的磁弹性能：
E

3
2s
sin 2
4.3 磁性材料的自发磁化与技术磁化
1907年，法国， 外斯，铁磁性假说
铁磁物质内部存在很强的“分子场”，在“分子场” 的作用下，原子磁矩趋向于平行排列，即自发磁化 至饱和，称为自发磁化； 铁磁体自发磁化分成若干个小区域（磁畴），由于 各区域磁化方向不一致，其磁性彼此相互抵消，所 以大块磁体对外不显示磁性。
第四章 材料的磁性能
4.1 磁学基本量及磁性分类 4.2 铁磁性和亚铁磁性材料的特性 4.3 磁性材料的自发磁化和技术磁化 4.4 磁性材料的动态特性 4.5 磁性材料 4.6 信息存储磁性材料 4.7 磁性测量与应用
精密合金牌号
(1)精密合金牌号采用阿拉伯数字与汉语拼音字母相结合 的方法表示。
(2)以字母“J”(“精”字汉语拼音“jing"的第一个字母)
亚铁磁性 由磁矩大小不同的两种离子或原子构成，向同磁性 的离子磁矩平行排列，不同磁性的离子磁矩反向平 行排列。由于两种磁矩不等，反向平行的磁矩不能 相互抵消，表现为宏观磁矩，这就是亚铁磁性。
具有亚铁磁性的物质大部分是金属氧化物。
以立方铁氧体为例说明亚铁磁性的本质
• 立方铁氧体的化学式MFe2O4，其中的M为某种金属元 素
➢ 磁极之间有相互作用力：同性相斥，异性相吸；
➢ 当两磁极的强度为m1和m2时，且距离为r时，磁极间的
作用力为
F

k
m1m2 r2
m1 、m2 ：wb (韦伯)
k 1
40
0 4 107 H m
H Wb A
2、磁距
一环形电流的磁矩定义为：
m IS
m方向：右手定则
一根长为l (m)，极强为m (wb)的棒状磁铁产生的磁矩。
➢正常顺磁体：


1 T
顺磁性材料 反铁磁性材料
Ｈ
抗磁性材料
Pt、Pd、稀土金属 ➢反常顺磁体：磁化率与温度无关
Li、Na、K、Rb
4.1.2 磁性物质分类
根据物质的磁化率，可把物质的磁性大致分为五类：
Ｍ
铁磁性材料
3、铁磁体： χ位很大的正数，与
亚铁磁性材料
磁场呈非线性关系。在较弱的磁场
下，能产生很大的磁化强度。
顺磁性材料 反铁磁性材料
反常抗磁体：磁化率随温度变化， 且大小是前者的10~100倍。
Ｈ
抗磁性材料
Bi、Ga、 Sb 、 Sn 、In
4.1.2 磁性物质分类
根据物质的磁化率，可把物质的磁性大致分为五类：
2、顺磁体：磁化率χ为正值，约为