第三章 磁学性能测试

3) 近代磁现象的应用
a) 核磁共振在医疗中的应用
原子核磁共振成像，简称核磁 共振成像，又称核磁共振CT
目前应用的是氢元素的原子核核 磁共振层析成像。这种层析成像 比目前应用的X射线层析成像(又 称X射线CT)具有更多的优点
脑瘤病人头部的 CT成像和X射线成像
b) 宇宙空间探测
阿尔法磁谱仪是人类送入宇 宙空间的第一个大型磁谱仪 （1998）。它利用强磁场和 精密探测器来探测宇宙空间 的反物质和暗物质，探索和 研究宇宙物理学、基本粒子 物理学和宇宙演化学的一些 重大和疑难问题。
b) 饱和磁化强度
Ms
Cb R 0 NS2
其中0为真空磁导率，410-7(H/m)， S2为试样截面积
开路试样示意图
二、自动测量 1) 光电放大磁通计
2) 电子积分运算磁通计
3) 数字磁通计
第二章 力学性能作业题
1、以图例法简述材料单向静拉伸四个阶段的特征。 2、材料拉伸弹性变形阶段的主要性能指标有哪些？ 如何得到？ 3、比较材料拉伸与压缩实验中主要性能指标的异 同点。 4、简述布氏硬度与维氏硬度的测量原理及优缺点。
特征： a) 高的磁光效应；b) 低的磁光损耗； c) 宽的磁光效应频带；d) 高的稳定性。
主要有：a) 金属磁光材料，如锰-铋(Mn-Bi)系合金等； (2)铁氧体磁光材料，如石榴石型铋-钆-铁-镓-氧(BiGd-Fe-Ga-O)系铁氧体等； (3)非晶态磁光材料，如钆-钴(Gd-Co)系非晶态合金等。
2) 软磁材料：既容易磁化又容易退磁的磁性材料。
特征：a) 高的磁导率。磁导率(符号为μ)是对磁场灵敏度的量度； b) 具有高的饱和磁化强度(Ms)和低的矫顽力(Hc)； c) 具有较高的稳定性。
主要有：a) 铁-硅(Fe-Si)系软磁材料，俗称硅钢片； b) 铁-镍(Fe-Ni)系软磁材料，具有低矫顽力的一类材料； c) 铁氧体软磁材料，可在高频或超高频使用； d) 非晶态软磁材料和纳米晶软磁材料，制造工艺简单； e) 其他软磁材料：高能和高磁化强度的铁-钴(Fe-Co)系合金， 高电阻率的铁-铝(Fe-Al)系合金， 磁晶各向异性和磁致伸缩都趋近于零的铁-硅-铝(Fe-Si-Al)系 合金等。
1) 外斯假说 ①物体中存在着与外磁场无关的自发磁化， 其强度与温度有关
②铁磁体内部分成很多微小的区域，称为“磁畴”。 在外磁场作用下磁畴的取向发生变化。
2) 自发磁化
E1
2E0
k
e2 rab
C
A（自旋平行）
E2
2E0
k
e2 rab
CBiblioteka Baidu
A（自旋反平行）
E0 为原子的能量，k e2 为核a,b相互作用的势能
阿尔法磁谱仪的核心部件-永磁铁
反物质：是指由质量相同但电荷符号相反的反电子(即正电 子)、反质子和反中子组成的反原子构成的物质，如反氦和 反碳等。
暗物质是指不能用光学方法探测到的物质。
4) 近代磁性材料的发展 Fe-Si软磁合金（1900年） Fe-Ni软磁合金（1920年） 铝镍钴永磁合金（1932年） 稀土金属铁氧体（1956年） 钕铁硼永磁合金（1985年）
“磁石可以养肾脏 ，强骨气，通关节，消痛肿” -《名医别录》 （南北朝 陶弘景）
用磁石制成蜜丸，经常服用可以对眼力有益，《千金方》 （唐 孙思邈）
磁石医治听力不佳， 《济生方》（南宋 严用和）
磁石治疗耳卒聋闭、肾虚耳聋、老人耳聋、老人虚损、眼 昏内障、小儿惊痫、子宫不收、大肠脱肛、金疮肠出、金 疮血出、误吞针铁、丁肿热毒、诸般肿毒，《本草纲目》 （明 李时珍）
第三节 抗磁性和顺磁性 一、 抗磁性
i e 2
K mr2
VK Her
抗磁磁矩示意图
i r2 er2
2
V e2r2 H
4m
M NAVA
HH
（约10-6）
二、顺磁性
磁场对条形磁体的作用
M 2 fl sin 2Hml sin H (2ml) sin Hj sin
其中j被称为磁偶极矩
第三章 磁学性能及测试方法
第一节 磁性材料简介 一、发展历史 1) 自然界磁现象： “先王立司南以端朝夕” - 《韩非子》（春秋）
“郑人取玉，必载司南，为其不惑也” - 《鬼谷子》（春秋） “司南之杓，投之于地，其柢指南” -《论衡》（东汉 王允）
最早的自然磁性应用-司南（公元前三世纪）
王振铎复原模型
分子或原子中的电子绕核运动产生环形电流，环形电 流的定向排列产生磁性。
2) 原子磁矩 :
由原子核的自旋磁矩、电子的轨道磁矩和自旋磁矩产生。
轨道磁矩 l
l(l 1)B
其中 B
eh
4 mc
,
l
0,1, 2,3
自旋磁矩 s
s(s
1)B
其中
s
1 2
成对电子轨道磁矩和自 旋磁矩矢量和为零，未 成对电子不为零。原子 的磁矩由未成对电子决 定。
二、磁性材料的分类
1) 永磁材料（硬磁）：经磁化后能长期保留其磁性的材料。
特征： a)具有高的最大磁能积(BHm) ： 永磁材料单位体积存储和可利用的最大磁能量密度的量度； b)具有高的剩余磁化强度(Mr)和高的矫顽力(Hc)； c)具有较高的稳定性。
主要有：a) 稀土永磁材料 （钕铁硼 ）：当前磁能积最高的 一类永磁材料，为铁族元素和稀土元素的金属互化物； b) 金属永磁材料 ：分铝镍钴(AlNiCo)系和铁铬钴(FeCrCo) 系两大类 ，AlNiCo系成本中等，FeCrCo系合金可以制成管 状、片状或线状永磁材料而供多种特殊应用； c) 铁氧体永磁材料 ： ( BaO•6Fe2O3和SrO •6Fe2O3)等； d) 其他：微粉永磁材料、纳米永磁材料、胶塑永磁材料等。
主要有：a) 旋磁材料，高旋磁性高电阻率的旋磁铁氧体 材料，如BaO•6Fe2O3、3Y2O3• 5Fe2O3铁氧体系统等； b) 磁微波吸收材料，具有高的电磁波吸收系数和宽的电 磁波吸收频带，如以磁性金属粉末或薄膜为组元的复合 吸收材料、六角晶系复合铁氧体等。
5) 磁光材料：激光、光电子学和正在发展的光子学中所 用多种磁光效应器件使用的磁性材料。
2N2S
磁滞回线测量：调节R1达到磁化饱和， 断开K3，读出检流计偏转C
B
Cb R N2S
A 2
C
根据磁滞回线可得到剩余磁感应强度Br 和矫顽力Hc
2) 开路试样：适用于永磁材料 a) 试样要求：
当 Hc 8102 A/ m 时，取1050mm 或 101050mm 试样 当 Hc 8104 A/ m 时，取1020mm 或 101020mm 试样
3) 磁存储材料：电子计算机存储器所用的磁性材料， 其磁滞回线近似于矩形。
特征：a) 具有高的剩磁比Br/Bm和低的 矫顽力Hc； b) 短的开关时间； c) 磁滞回线近似于矩形。
主要有：a) 铁氧体矩磁材料
（ b)
金M属nO磁•F膜e2材O3料、M（gFOe-•NFie系2O）3）等；。
4) 磁微波材料： 具有独特微波磁性的材料。
闭路试样示意图
其中Cb为冲击常数，由冲击计给出， R为测量回路总电阻， 为光电计偏移量， N2为测量线圈匝数，S为试样截面积
c) 冲击法测量线路图
K1控制磁化电流方向，用于基本磁化曲线的测量， K3控制辅助电路，用于磁滞回线的测量。
d) 冲击法测得的磁化曲线和磁滞回线
磁化曲线测量：K3闭合，R1调节电流， K1换向，磁感应从+B-B,或-B +B 所以 B CbR
rab
C 为电子之间、电子与核之间相互作用的能量项
A 为两个原子的电子交换位置产生的作用能，称为交换能
A>0为铁磁体 (Fe、Co、Ni)或顺磁体 A<0为反铁磁体 (Cr、Mn)
二、铁磁材料的测量：冲击法
感生电动势
N2
d
dt
感生电流 i N2 d
R R dt
总电量
Q
t
idt
N2 d N2BS
c) 磁电材料，是一类由磁场可产生磁化强度和电极化强 度，由电场可产生电极化强度和磁化强度的磁性材料， 如DyAlO3和GaFeO3；
d) 铁磁-有机材料，是一类不含磁性金属的纯有机化合 物磁性材料。可以说多功能磁性材料是正在发展和扩大 的新型磁性材料。
第二节 宏观磁性特征
一、材料的磁性
1) 分子环流假说：
0
0R
R
因为 Q Cb 代入得 B CbR
N2S
闭路试样示意图
三、反铁磁性和亚铁磁性
反铁磁体：M A M B 0 亚铁磁体：M A M B 0 铁氧体MeO•Fe2O3，M为铁、钴、镍、锌、镁等
三种磁体磁矩排列示意图
无永久磁矩—抗磁体—电子轨道运动感生磁性
材料磁性分类
有永久磁矩
弱磁体 强磁体
顺磁体—磁矩无序排列 反铁磁体—磁矩有序排列 铁磁体—磁矩有序排列 亚铁磁体—磁矩有序排列
宏观磁性分类
第五节 铁磁材料静态磁化特性的测量 一、冲击法
1) 闭路试样
a)
试样要求：
R外 R外
R内 R内
P
1 8
b) 磁场强度和磁感应强度：
H N1i D
B QR CbR N2S N2S
第三章 磁学性能作业题
1、简述磁性材料的分类及主要用途 2、简答物质产生抗磁性和顺磁性的原因 3、简答物质产生铁磁性的原因 4、以图例法简述铁磁材料的磁化过程及主要性 能指标。
6) 多功能磁性材料：同时具有磁性和其他性能的材料
主要有：a) 同时具有铁磁性和铁电性的铁磁-铁电功能材 料，如BiFeO3(Ba,Pb)(Ti,Zr)O3系材料； b)同时具有铁磁性和半导体的铁磁-半导功能材料，具有 高的磁导率和高的载流子迁移率，如铕-硫(Eu-S)系和铕硒(Eu-Se)系材料；
将 M H 代入得 B 0 (1 )H 0r H H r为相对磁导率，为磁导率
2) 磁化曲线和磁滞回线 a) 磁化曲线
软刚的磁化曲线
磁化过程中B和M与H的关系
抗磁体 0， = 1 顺磁体 0， = 1 铁磁体 0， ? 1
一些工业材料的磁化曲线
b) 磁滞回线
铁磁体在磁化过程中存在着不可逆过程，退磁时其磁 化强度不沿磁化曲线降低而是更为缓慢。 当H降为零时，仍保留的磁化强度称为剩余磁化强度Mr， 施加反向磁场直至磁化强度减为零时的磁场称为矫顽力Hc。
二、材料的磁化
1) 磁化率和磁导率
a)
磁化率
M H
物质在磁场中表现出一定的磁性称为磁化
H总 H H ' 其中H为外加磁场强度，单位为A/m
H '为附加磁场强度，其大小可用磁化强度表示
磁化强度：单位体积内的总磁矩
M
1 V
i
b) 磁导率 B
H
真空磁导率
0
B0 H
磁感应强度 B B0 B' 0 (H M )
顺磁体磁化过程
三、影响因素
1) 原子结构 惰性气体：典型的抗磁性 非金属：大多数具有抗磁性（氧和石墨例外）
金属：铜、银、金、汞等具有抗磁性 碱金属、碱土金属具有顺磁性 过渡金属多具有铁磁性
2) 温度
C
(
C' )
T
T V
3) 其他因素：合金成分的影响 相变的影响等
第四节 铁磁性
一、 铁磁性的产生
2) 古代磁现象的应用
a) 指南鱼、指南针 磁化方法：
“以磁石摩针锋，则锐处常指南，亦有指北者，恐石性亦不同， 南北相反，理应有异，未深考耳。” -《梦溪笔谈》 （北宋 沈括）
航海应用：
“舟师识地理，夜则观星，昼则观日，阴晦则观指南针。 ” -《萍洲可谈》（北宋 朱彧）
b) 古代医疗
慈(磁)石治疗风湿、肢节痛、除热和耳聋，《神农本草》 （东汉）