第三章 材料的磁性能

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• 磁存储
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2、现代观点：
物质的磁性来源于物质中原子的磁性
1) 带电的粒子漂移或运动产生磁场 2) 电子的自旋 3）电子的轨道运动：核外电子的 运动相当于一个闭合电流，具有 一定的轨道磁矩 4) 原子核的磁矩
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居里温度
应用举例：（电饭煲的控制）
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5、磁滞回线（请回忆电滞回线）
将一未经磁化或退磁状态的铁磁体放入外 磁场H中，其磁体内部的磁感应强度B随外磁场 H的变化是非线形的，如果外磁场是交变磁 场，则与电滞回线类似，可得磁滞回线。 是磁性材料的主要特性。Hc为矫顽力，Hm 为最大磁场，Br称为剩余磁感应强度， Bs称 为饱和磁感应强度（最大磁感应强度）。
Bo=µoH
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磁化强度
一个物体（磁性材料）在外磁场中被磁化的 程度，用单位体积内磁矩多少来衡量，称之 为磁化强度M 。 若 物质被均匀磁化，在体积V内含有磁矩 ∑m，则由定义可得：磁化强度M为：
M = ∑m /V
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单位体积磁化率χ
χ称为单位体积磁化率
•
电磁炉
特点： • 直接发热，热效率高达90% • 炉面无明火，无烟无废气 • 电磁火力强劲，安全可靠
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• 隐身飞机
F117隐形战斗机
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第一个提出电磁炮这一概念 并进行实验的是挪威伯克兰 教授。 1901年获得了专利。 l978年，澳大利亚科学家在5 米长的轨道炮上获得： 电磁炮，炮弹弹丸初速度为 3 ～ 5.9千米／秒。 舰载概念电磁炮及其原理图 而现在普通炮弹，弹丸初速 度是1.5～1.7千米／秒。
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亚铁磁性（磁有序）
亚铁磁性材料在温度低于TC时的 磁化率不如铁磁体那么大，它的自发磁 强度也没有铁磁体的大。 典型的亚铁磁材料是铁氧体。 如铁、钴、镍的氧化物。
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磁铁矿Fe3O4就是一种亚铁磁体
Fe3O4可以写成Fe2+O2--(Fe3+)2(O2-)3其中
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3 铁磁性（磁有序）
这类固体的磁化率是特别大的正数，在某个 临界温度TC以下，即使没有外加磁场， 材料中也会产生自发的磁化强度。 在高于TC的温度，它变成顺磁体，磁化 率服从居里——外斯定律
χ = μ 0C /(T − θ )
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7、最大磁能积（BH）max
最大磁能积（BH）max是退磁曲线B和H对 应点乘积的最大值，是硬磁材料最重要的性 能指标。 矫顽场Hc大的物质，由于消磁困难，称为硬 磁材料，Hc＞10KA/m。 矫顽场小的物质，称为软磁材料，Hc＜ 1KA/m，能够在小的磁场中进行磁化或消 磁。
数目相等，不产生磁矩。
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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。 当抗磁性物质放入外磁场中，外磁场使 电子轨道改变，感生一个与外磁场方向 相反的磁矩，表现为抗磁性。
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抗磁性（磁无序）
1. 周期表中前18个元素H，He，Li，
铁磁性
即使无外加磁场，磁矩也按同一方向整齐排 列，这种性质称为铁磁性，具有铁磁性的物 质称为铁磁体。 铁磁体在室温下磁化率可达103数量级，属 强磁性物质，如铁、钴、镍、SmCo等。 即使在较弱的磁场内，铁磁体也可得到极高 的磁化强度，而且当外磁场移去后，仍可保 留极强的磁性。
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Bs：饱和磁感应强度；Br：剩余磁感应强度 使剩（残）余磁感应强度变为零时的磁场强度称为矫顽场 Hc。磁滞回线包围面积的大小代表能量损失的多少。
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软磁材料---应用
软磁材料经常用于变压器的铁芯或发电机 的转子等高频电流机电设备中，这是由 于交流发电情况下，磁场方向频繁改 变，因此需要能量损失尽可能小，即需 要选择磁滞回线包围面积小的材料。
1. 确立了磁带、磁盘进行信息存
储过程中读、写的时间极限
2. 确立了现在微电子器件进一步
微型化的极限
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Leabharlann Baidu
研究磁性主要来源来反限制
在量子尺度下， 电子的自旋属性可以得到充分的显示， 如果能有效地利用电子自旋的特性， 必将使电子学器件的功能得到根本性的 改善和提高。 反限制
二价铁离子和三价铁离子的比例为1:2 每个Fe2+和Fe3+都具有净自旋磁矩， 别为4和5，O2-是无磁矩的。 磁铁矿Fe3O4 ，为亚铁磁；它在奈尔发 现亚铁磁性和反铁磁性之前，被归为铁 磁性物质。
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亚铁磁性物质像铁磁性一样，在居里点 以下保持暂态磁性，在该温度以上无磁 性序列(顺磁性)。 但是，有时候在一个低于居里点的温 度，两种亚晶格有相同的磁矩，从而导 致零磁矩；该现象被称为磁抵消点。 该抵消点在石榴石--女性之石和稀土金 属—过渡金属混合物中，容易被观测 到。
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磁场强度H与磁感应强度B的关系
磁场强度H 磁感应强度B 磁化强度M
（B=µH 式 ）
（M
=χ H ）
µ：为磁导率(Magnetic permeability)
χ：单位体积磁化率
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磁导率
磁导率是磁性材料最重要的性能之一，磁导 率反映了磁介质的特性，表示在单位强度的 外磁场下材料内部的磁通量密度。 磁导率的单位为：亨利/米(H/m)。 若磁场中为真空介质，则磁感应强度为:
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抗磁性（磁无序）---顺磁性
许多物质在放入外磁场中时，感生出和H相反方 向的磁性，磁化率χ<0 ，这种物质称抗 磁性物质 许多物质在放入外磁场中时，感生出和H相同方 向的磁性，磁化率χ>0，这种物质称顺 性物质
χ=M/H
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固体磁性的分类
(magnetic susceptibility) 根据M与H的方向，
χ可取正(当M与H 同向时) ，
也可取负(当M与H反向时) ， 这与物质的磁性本质有关。
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• 磁悬浮列车
6.磁性材料的应用
上海磁悬浮列车
平均时速300公里/小时，最高时速430公里/小时
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•
电磁炮
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原理： 传统的火炮都是利用弹药爆 炸时的瞬间膨胀产生的推力将 炮弹迅速加速，推出炮膛。 而电磁炮则是把炮弹放在螺线 管中，给螺线管通电，那么螺 线管产生的磁场对炮弹将产生 巨大的推动力，将炮弹射出。
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•
磁存储
所谓磁存储就是以记录磁场 方向的方式或磁场的有无来 储存资料。 数据在磁片上以磁化的点来 表示，被磁化的点代表1，没 有被磁化的点代表0。
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基本概念-2
1、磁矩 2、磁畴壁 3、居里温度 5、磁滞回线 7、最大磁能积（BH）max 8、自发磁化
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1、磁矩
任何一个封闭的电流都具有磁矩m，其大小为电 流与封闭环型的面积的乘积，即m=I×S。 在均匀磁场中，磁矩受到磁场作用的力矩J为： J=m×B
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磁畴壁示意图
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3、居里温度
对于所有的磁性材料来说，并不是在任何温 度下都具有磁性。一般地，磁性材料具有一 个临界温度Tc，在这个温度以上，由于高温 下原子的剧烈热运动，原子磁矩的排列是混 乱无序的。 在此温度以下，原子磁矩排列整齐，产生自 发磁化，物体变成铁磁性的。
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顺磁体的主要特征 是：不论外加磁场是否 存在，原子内部存在永 久磁矩。 顺磁体宏观无磁性， 在外磁场作用下，磁矩 可以规则取向，物质显 示极弱的磁性。
（a）顺磁性 （b）铁磁性
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（c）反铁磁性 （d）亚铁磁性
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• 顺磁体的磁化强度为正，且M严格与外 磁场H成正比。 • 顺磁体磁化率是数值很小的正数， 数量级为：10-2 ~10-5 具体材料有：过渡族元素、稀土元素及 铝、铂等金属，它们都属于顺磁性物 质。
铁磁性
磁畴的线尺寸通常约为0.1～0.01cm 对于多晶体 可能其中的每一个晶粒都是由一个以上的磁畴 组成的； 因此一块宏观的样品包含许许多多个磁畴； 每一个磁畴都有特定的磁化方向； 整块样品的磁化强度则是所有磁畴磁化强度的 向量和。
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4 亚铁磁性（磁有序）
这类材料在温度低于TC时的 磁化率不如铁磁体那么大， 它的自发磁化强度也没有铁磁体的 大。 典型的亚铁磁材料是铁氧体。
1. 抗磁性（磁无序）
磁化方向与外加磁场方向相反 磁化率是数值甚小的负数， 数量级为：-10-4 ~-10-6 具体材料有：大部分的绝缘体和一部分 简单金属，如： Bi、Cu、Ag、Au。
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抗磁性（磁无序）
当磁化强度M为负时，介质表现为 抗磁性。 抗磁性物质的磁化率χ一般为-105。抗磁性物质的正、反旋转的电子
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为什么材料会表现出不同的磁性？
在晶体中， 轨道与轨道、轨道与自旋、自旋与自 旋的直接或间接的相互作用 以及这些磁矩对外磁场响应 或者说：能量交换的过程各异 就构成了各种具有不同磁性的材料。
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磁滞回线1 B—Ｈ
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磁滞回线2 Ｍ—Ｈ
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3.1.3 物质的磁性分类
根据磁化率χ的大小，磁性物质大致可分 为： 1 抗磁性、2 顺磁性、3 铁磁性、4 亚铁 磁性、5 反磁性 其中，铁磁性和亚铁磁性物质具有强磁 性，对现代技术和工业有重要应用。
磁性主要来源
材料的磁性主要来源于电子的轨 道磁矩和自旋磁矩。 原子核的磁矩很小，只有电子的 几千分之一，通常可以略去不 计。
带电的粒子漂移或运动产生的磁场也 比较小。
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解释：宏观量子隧道效应 隧道效应： 微观粒子具有贯穿宏观系统 的势垒的能力称为隧道效 应。
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J为矢量积；B为磁感应强度。
磁矩是表征磁性物体磁性大小的物理量，磁矩越 大，磁性越强，即物体在磁场中受的力越大。
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磁畴壁
任何铁磁体和亚铁磁体，在温度低于居里 温度Tc时，都是由磁畴组成的。 磁畴是自发磁化到饱和（即其中的磁矩均 朝一个方向排列）的小区域。 相邻磁畴之间的界线叫磁畴壁 磁畴壁是一个有一定厚度的过渡层，在过 渡层中磁矩方向逐渐改变。
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2、 顺磁性
2、顺磁性 原子内部存在未抵消的永久磁矩 磁化率是数值比较小的正数 且磁化率与温度T 成反比关系，遵从居里 定律。 大部分金属具有顺磁性
χ = μ 0C / T
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2 顺磁性---顺磁体
在具有未成对电子的原子、分子或 离子中，由于存在未成对电子的轨 道运动和自旋运动而具有磁矩，这 种性质称为顺磁性。 具有顺磁性的物质称为顺磁体。
Be--P，S，Cl，Ar主要表现为抗磁 性
2. Bi、Cu、Ag、Au等金属也具有抗磁
性。
3. C、Si、Ge 4. F、Cl、Br、I
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抗磁性（磁无序）
并且在磁性陶瓷材料中，构成了几 乎所有的阴离子，如O2-，F-，CL，S2-，CO32-，N3-，OH-等，在这 些阴离子中，电子填满壳层，自旋 磁矩平衡。
宏观量子隧道效应
近来年，人们发现一些宏观量，例如微颗粒的, 磁化强度M微颗粒、 量子相干器件中的磁通量B量子相干器件 以及电荷q等 也具有隧道效应，它们可以穿越宏观系统的势垒而产 生变化。这种宏观量穿越宏观系统的势垒的现象， 我们称之为：宏观量子隧道效应
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宏观量子隧道效应给应用带来限制