第四章磁性能2014

4.3.1 自发磁化理论
铁磁性材料的磁性是自发产生的。
磁化过程只不过是将物质本身的磁性显示出来，而不 是由外界向物质提供磁性的过程。
1、铁磁性产生的原因 （1）原子内部有未填满的电子壳层 （2）交换积分A为正。
原子之间相互接近形成分子时，电子云相互重叠， 产生相互作用。对于过渡族元素，原子的3d状态与s态 能量相差不大。它们的电子云相互重叠，使s、d态电子 再分配，这种作用便产生一种交换能Eex。由量子力学 得到:
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。
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。
磁化功
磁晶各向异性常数
对于立方晶体，设α、β、γ分别是磁化强度与三个晶轴 方向所成夹角的方向余弦，即
cos1 cos 2
cos 3
Ek K 0 K1 ( 2 2 2 2 2 2 ) K 2 2 2 2 K1为晶体各向异性能常数。
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。
（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。
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
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的特性
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。
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
Ｍ
铁磁性材料
10-3~10-6。在磁场中受到微弱吸引 力。
亚铁磁性材料
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wk.baidu.com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。
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。
顺磁性材料 反铁磁性材料
Fe、Co、Ni、 Nd2Fe14B
Ｈ
抗磁性材料
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
亚铁磁性材料
4、亚铁磁体： χ较铁磁体略小。 Fe3O4，铁氧体
顺磁性材料 反铁磁性材料
Ｈ
抗磁性材料
5、反铁磁体： χ是小的正数，在 温度较低时， χ与磁场取向有关， 高于这个温度，是顺磁体。
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
➢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。
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
铁在20℃时的值约为4.2×104J/m3， 钴的值为4.1×105J/m3， 镍的值为-0.34×104J/m3。
4.2.4 铁磁体的形状各向异性和退磁能
铁磁体在磁场中的能量为静磁能，包括 ❖ 铁磁体与外磁场的相互作用能； ❖ 铁磁体在自身退磁场中的能量，称为退磁能。
铁磁体的形状不同，其退磁能不同，导致磁化形为不 同，称为形状各向异性。
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。
最大磁导率：μm
❖ 磁化曲线中斜率最大的值； ❖ 软磁材料做为磁芯部分的重要技术参量。
4.2.2 磁滞回线
磁感应强度滞后于磁场强度变化的性质称为磁滞性。如图为 磁性物质的滞回曲线。
B 2
3 O6 5
4
剩余磁感应强度Br 矫顽磁力 Hc H 退磁曲线
磁滞损耗
4.2.3 磁晶各向异性和各向异性能
单晶体的不同方向上，磁性能是不同的。
与其前面的数字表示精密合金的类别。即：
1J—软磁合金
4J—膨胀合金
2J—变形永磁合金 5J—热双金属
3J—弹性合金
6J—精密电阻合金
(3)字母“J”后第一、二位数字表示不同合金牌号(热双 金属例外)的序号。序号从01开始，可编到99。
4.1 磁学基本量及磁性分类
4.1.1 磁学基本量
1、磁极
➢ 一根棒状磁铁，均有两个磁极 (N极和S极)；
5、磁场强度 根据产生磁场的方式，有两种表达式：
➢电流产生的磁场一个每米有N匝线圈，通以电流强 度为i (A)的无限长螺线管轴线中央的磁场强度。
H=Ni （A/M)
➢磁铁在其周围产生的磁场 极强为m1的磁极，在距离r 处产生的磁场强度 是单位极强(m2=1wb) 在该处所受到的作用力
6、磁导率和磁化率
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
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。
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)
μr =1+χ
物质
真空 空气 铂 铝 钠 氧 汞 银 铜 碳(金刚石) 铅 岩盐
温度(20ºC）
(标准状态) 20º 20º 20º (标准状态) 20º 20º 20º 20º 20º 20º
μr
1 1.00000004 1.00026 1.000022 1.0000072 1.0000019 0.999971 0.999974 0.99990 0.999979 0.999982 0.999986
➢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。
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。
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。