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。
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。
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
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：
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。
第三节 抗磁性和顺磁性 一、 抗磁性
i e 2
ห้องสมุดไป่ตู้
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。
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。
“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）
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
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。
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
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）
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
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。
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
C
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
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。
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
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）