材料的磁学性能PPT课件
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第10章_高分子材料的磁学性能PPT课件
30
10.4 磁性高分子材料
复合型磁性高分子材料：是指以高分子材料与各种 各种无机磁性材料通过混合粘结、填充复合、表面 复合、层积复合等方式加工制得的磁性体，从复合 材料概念出发，通称为磁性树脂基复合材料。如磁 性橡胶、磁性树脂、磁性薄膜、磁性高分子微球等
结构型磁性高分子材料：指不用加入无机磁性物而 高分子自身就具有强磁性的材料，如聚双炔和聚炔 类聚合物，含氮基团取代苯衍生物，聚丙稀热解产 物等。
➢回复系数: Tanα=ΔB/ΔH
26
根磁据性滞回物曲质线的和分磁化类曲线的不同，分成三类：
(1)软磁材料
其矫顽磁力较 小，磁滞回线 较窄。(铁心)
B
(2)永磁材料
其矫顽磁力较 大，磁滞回线 较宽。(磁铁)
B
(3)矩磁材料
其剩磁大而矫顽 磁力小，磁滞回 线为矩形。(记忆 元件)
B
H
H
H
27
磁性基本测量方法
1 磁称法测量磁化率
E
HVdM
H
V
HdH
1
VH 2
0
2
F dE VH dH
dx
dx
2
1
i2 i1
28
2 磁化曲线和磁滞回线的测量
B CbR
W2 S
29
10.3 磁共振
（1）与电子磁矩在稳恒外磁场中重新取向有关的 跃迁，这种效应称为顺磁共振（ESR）。
（2）由于核磁矩在稳恒外磁场中重新取向发生的 跃迁，这种效应称为核磁共振（NMR）
S为自旋量子数，其值为1/2
4
原子的经典玻尔模型：Z个电子围绕原子核做圆周运动
核外电子结构用量子数表征：n.l.s
电子轨道大小由主量子数n决定
10.4 磁性高分子材料
复合型磁性高分子材料：是指以高分子材料与各种 各种无机磁性材料通过混合粘结、填充复合、表面 复合、层积复合等方式加工制得的磁性体，从复合 材料概念出发，通称为磁性树脂基复合材料。如磁 性橡胶、磁性树脂、磁性薄膜、磁性高分子微球等
结构型磁性高分子材料：指不用加入无机磁性物而 高分子自身就具有强磁性的材料，如聚双炔和聚炔 类聚合物，含氮基团取代苯衍生物，聚丙稀热解产 物等。
➢回复系数: Tanα=ΔB/ΔH
26
根磁据性滞回物曲质线的和分磁化类曲线的不同，分成三类：
(1)软磁材料
其矫顽磁力较 小，磁滞回线 较窄。(铁心)
B
(2)永磁材料
其矫顽磁力较 大，磁滞回线 较宽。(磁铁)
B
(3)矩磁材料
其剩磁大而矫顽 磁力小，磁滞回 线为矩形。(记忆 元件)
B
H
H
H
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磁性基本测量方法
1 磁称法测量磁化率
E
HVdM
H
V
HdH
1
VH 2
0
2
F dE VH dH
dx
dx
2
1
i2 i1
28
2 磁化曲线和磁滞回线的测量
B CbR
W2 S
29
10.3 磁共振
（1）与电子磁矩在稳恒外磁场中重新取向有关的 跃迁，这种效应称为顺磁共振（ESR）。
（2）由于核磁矩在稳恒外磁场中重新取向发生的 跃迁，这种效应称为核磁共振（NMR）
S为自旋量子数，其值为1/2
4
原子的经典玻尔模型：Z个电子围绕原子核做圆周运动
核外电子结构用量子数表征：n.l.s
电子轨道大小由主量子数n决定
材料性能学课件-第九章材料的磁学性能
合成的总角动量等于零，原子的总磁矩为零。所 以计算原子的轨道磁矩时，只考虑未填满的那些 壳层中的电子-这些壳层称为磁性电子壳层。
当某未满壳层中包含多个电子时，该支壳层的
电子按角动量耦合原则耦合成一个总角动量。原 子磁矩是和这个总角动量相联系的。
如Fe的原子序数26
2021/3/18
11
理论证明，当原子中的电子层均被排满时， 原子没有磁矩。只有原子中存在着未被排满的 电子层时，由于未被排满的电子层电子磁矩之 和不为零，原子才具有磁矩，这种磁矩称为原 子的固有磁矩。
2021/3/18
29
1. 原子结构的影响
所有的碱金属都是顺磁性的。碱土金属 (除Be外)也都是顺磁性的，以上两族金属元 素在离子状态时都与惰性气体相似，具有相 当的抗磁磁矩，但由于电子产生的顺磁性占 主导地位，故表现为顺磁性。稀土金属顺磁 性较强，磁化率较大，主要是因为这些元素 的原子4f层和5d层没有填满，存在着未能全 部抵消的自旋磁矩。
2021/3/18
36
4. 合金成分与组织的影响
当形成两相合金时， 在两相区范围内，其磁化 率随成分的变化呈直线关 系。
根据这些关系，结合 相图可对应画出磁化率随 成分的变化规律，如右图 所示：
2021/3/18
37
三、抗磁与顺磁磁化率的测量及应用
1. 用磁称法测量磁化率
由于抗磁与顺磁磁化率都很小，所 以要用较灵敏的测量方法，通常采用磁 称法进行测量，磁称也称为磁天平。
20XX年复习资料
大学复习资料
专 业： 班 级： 科目老师： 日 期：
第九章 材料的磁学性能
磁性材料具有能量转换、存储或改 变能量状态的功能，被广泛使用于计算 机、通讯、自动化、影像、仪器仪表、 航空航天、生物等技术领域，是重要的 功能材料。
当某未满壳层中包含多个电子时，该支壳层的
电子按角动量耦合原则耦合成一个总角动量。原 子磁矩是和这个总角动量相联系的。
如Fe的原子序数26
2021/3/18
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理论证明，当原子中的电子层均被排满时， 原子没有磁矩。只有原子中存在着未被排满的 电子层时，由于未被排满的电子层电子磁矩之 和不为零，原子才具有磁矩，这种磁矩称为原 子的固有磁矩。
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1. 原子结构的影响
所有的碱金属都是顺磁性的。碱土金属 (除Be外)也都是顺磁性的，以上两族金属元 素在离子状态时都与惰性气体相似，具有相 当的抗磁磁矩，但由于电子产生的顺磁性占 主导地位，故表现为顺磁性。稀土金属顺磁 性较强，磁化率较大，主要是因为这些元素 的原子4f层和5d层没有填满，存在着未能全 部抵消的自旋磁矩。
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4. 合金成分与组织的影响
当形成两相合金时， 在两相区范围内，其磁化 率随成分的变化呈直线关 系。
根据这些关系，结合 相图可对应画出磁化率随 成分的变化规律，如右图 所示：
2021/3/18
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三、抗磁与顺磁磁化率的测量及应用
1. 用磁称法测量磁化率
由于抗磁与顺磁磁化率都很小，所 以要用较灵敏的测量方法，通常采用磁 称法进行测量，磁称也称为磁天平。
20XX年复习资料
大学复习资料
专 业： 班 级： 科目老师： 日 期：
第九章 材料的磁学性能
磁性材料具有能量转换、存储或改 变能量状态的功能，被广泛使用于计算 机、通讯、自动化、影像、仪器仪表、 航空航天、生物等技术领域，是重要的 功能材料。
材料的磁学性能 ppt课件
3、在Guass单位制中（依据于磁偶极子观点），磁场用磁
场强度H描述，它是电流和磁性体所产生的磁场强度的矢量
和，而磁感应强度B只是一个引入的辅助量，仅在于满足方
程divB = 0。
从物理的角度来看到底哪一种观点更加合理、更加接近于 物质磁性起源的真实情况呢？
从目前来看，视乎分 子电流的观点更接近
于真实情况
磁场和物体的万有引力场，电荷的电场一样，都具有一 定的能量，磁场还有本身的特性：a) 磁场对载流导体或 运动电荷表现作用力；b）载流导体在磁场中运动要做功 现在物理研究表明，物质的磁性也是电流产生的。
地球是个大磁场。 地球的磁极却非亘古不变。自 地球诞生以来，其南北磁极曾 经发生过几次转变，即“磁极 倒转”。
作用，都必须使用B）
义磁场强度H：
B H M
0
Guass单位制（绝对电 磁单位制）：早年使用 的单位制，所有的磁学
其中磁化强度M被定义为：
M (ml)i 单位：
i
Guass
磁场强度H被定义为：
量都是通过磁偶极子的 概念建立起来的
在Guass单位制中，M 和 H 都有明确的物理意义， 是基本物理量，而B只是
7.1.1 材料磁性能的表征参量 (Character parameters of magnetic properties of materials)
温故 一、磁极、磁场和磁力线
➢磁极判断 ➢Single
Single
1928年相对论形式的薛定谔方程， 也就是著名的狄拉克方程(√) ；
预言了正电子的存在(√)； 预言了反粒子的存在，电子－正电 子对的产生和湮没(√) ； 提出反物质存在的假设； 1931年预言可能存在磁单极；
材料的磁学性能-材料性能学-金属力学性能-课件-北京工业大学-09
性能
§9.2材料的抗磁性与顺磁性
第二节 材料的抗磁性与顺磁性
一、材料抗磁性与顺磁性的物理本质
M 顺磁
0
抗磁
H
材料性能
第九章材料的磁学性能
§9.2材料的抗磁性与顺磁性
1.抗磁性
材料被磁化后，磁化矢量与外加磁场方向相反的称为抗磁 性，χ<0。 材料的抗磁性来源于电子循轨运动时受外加磁场作用所产生 的抗磁矩。 电子循轨运动所产生的轨道磁矩为 ml=0.5eωr2。 式中：e为电子电荷；ω为电子循轨运动的角速度；r为轨道半 径。 电子循轨运动的受力状态如图。
材料性能
第九章材料的磁学性能
§9.1材料的基本磁学性能
3.磁感应强度
任何物质被磁化时，由于内部原子磁矩的有序排列，除了外磁场外 还要产生一个附加磁场。在物质内部，外磁场H和附加磁场H’ 的和乘以
μ0 称为磁感应强度B，单位为韦伯/米2（Wb/m2）。
亦即，通过物质内部磁场中某点，垂直于磁场方向单位面积的磁力 线数。它与磁场强度H 的关系是 B=μ0(H+H’) 或 B=μ0(H+M) B=μ0(1+χ)H=μ0μrH=μH 式中μr为相对磁导率；μ为磁导率或导磁系数，它反应了磁感应强度B 随外磁场H变化的比率（或速率）。
χ＝C’/(T+Δ)
式中C’是常数，Δ对某一种物质也是常数，其值可大于0和小于0。 铁磁性物质在居里点以上是顺磁性的，其磁化率大致服从居里—外斯 定律，这时的Δ为-θ，θ表示居里温度。
材料性能
第九章材料的磁学性能
§9.2材料的抗磁性与顺磁性
3.相变及组织转变的影响
材料发生同素异构转变，由于晶格类型及原子间距发 生了变化，会影响电子运动状态而导致磁化率的变化。例 如， 正方晶格的白锡转变为金刚石结构的灰锡时，磁化率 明显变化。但影响的规律比较复杂。 加工硬化使金属的原子间距增大而密度减小，从而使 材料的抗磁性减弱。例如，当高度加工硬化时，铜可以由 抗磁变为顺磁。退火与加工硬化的作用相反，能使铜的抗 磁性重新得到恢复。 材料性能 第九章材料的磁学性能
§9.2材料的抗磁性与顺磁性
第二节 材料的抗磁性与顺磁性
一、材料抗磁性与顺磁性的物理本质
M 顺磁
0
抗磁
H
材料性能
第九章材料的磁学性能
§9.2材料的抗磁性与顺磁性
1.抗磁性
材料被磁化后，磁化矢量与外加磁场方向相反的称为抗磁 性，χ<0。 材料的抗磁性来源于电子循轨运动时受外加磁场作用所产生 的抗磁矩。 电子循轨运动所产生的轨道磁矩为 ml=0.5eωr2。 式中：e为电子电荷；ω为电子循轨运动的角速度；r为轨道半 径。 电子循轨运动的受力状态如图。
材料性能
第九章材料的磁学性能
§9.1材料的基本磁学性能
3.磁感应强度
任何物质被磁化时，由于内部原子磁矩的有序排列，除了外磁场外 还要产生一个附加磁场。在物质内部，外磁场H和附加磁场H’ 的和乘以
μ0 称为磁感应强度B，单位为韦伯/米2（Wb/m2）。
亦即，通过物质内部磁场中某点，垂直于磁场方向单位面积的磁力 线数。它与磁场强度H 的关系是 B=μ0(H+H’) 或 B=μ0(H+M) B=μ0(1+χ)H=μ0μrH=μH 式中μr为相对磁导率；μ为磁导率或导磁系数，它反应了磁感应强度B 随外磁场H变化的比率（或速率）。
χ＝C’/(T+Δ)
式中C’是常数，Δ对某一种物质也是常数，其值可大于0和小于0。 铁磁性物质在居里点以上是顺磁性的，其磁化率大致服从居里—外斯 定律，这时的Δ为-θ，θ表示居里温度。
材料性能
第九章材料的磁学性能
§9.2材料的抗磁性与顺磁性
3.相变及组织转变的影响
材料发生同素异构转变，由于晶格类型及原子间距发 生了变化，会影响电子运动状态而导致磁化率的变化。例 如， 正方晶格的白锡转变为金刚石结构的灰锡时，磁化率 明显变化。但影响的规律比较复杂。 加工硬化使金属的原子间距增大而密度减小，从而使 材料的抗磁性减弱。例如，当高度加工硬化时，铜可以由 抗磁变为顺磁。退火与加工硬化的作用相反，能使铜的抗 磁性重新得到恢复。 材料性能 第九章材料的磁学性能
磁学性能课件
二、材料的磁学性能内容：材料磁性的本质、抗磁性、顺磁性及铁磁性）：（一）基本磁学性能材料所在空间的磁场强度是外加磁场强度H和材料磁化强度M之和：H总= H + M = H (1+χ)。
磁化率：χ，表示材料在磁场中磁化的难易程度。
Μ=χΗ。
根据磁化率的符号和大小，可将材料的磁性分为铁磁性、亚铁磁性、反铁磁性、顺磁性和抗磁性。
磁感应强度Β：通过磁场中某点，垂直于磁场方向单位面积的磁力线数。
Β = μΗ，μ：磁导率。
Β = μ0Η总=μ0 (1+χ) H。
μ0 (1+χ) =μ。
相对磁导率: μr= μ/μ0 = 1 + χ（一）基本磁学性能磁偶极子：强度相等、极性相反且其距离无限接近的一对“磁荷”。
p m = ml 。
磁极化强度：单位体积内磁偶极矩矢量和。
J=∑p m /∆V, J = μ0M对磁偶极子外加一夹角为θ的恒磁场，磁偶极子受到的作用力矩为Τ = pm ×H 。
当θ为0时，力矩为0，磁偶极子处于稳定状态。
在磁场作用下，磁偶极子将转向与磁场平行的方向，该过程中磁场对磁矩所做的功为：E = ∫Td θ= p m H cos θ。
静磁能：原子磁矩与外加磁场的相互作用能。
（二）抗磁性与顺磁性材料分类：抗磁性、顺磁性与铁磁性抗磁性：材料受外磁场H 作用后，感生出和H 相反的磁化强度，使磁场减弱。
磁化率χ＜0，抗磁性的磁化率约10-4–10-6，且和温度、磁场无关。
材料的抗磁性来源于将材料放入外磁场中时，外磁场对电子轨道运动产生洛仑兹力，附加磁矩方向与外磁场方向相反。
抗磁矩为外磁场对电子轨道运动的作用结果，任何材料在磁场作用下都产生抗磁性。
抗磁磁化率绝对值很小，只有在材料的原子、离子或分子固有磁矩为0时，才能观察出抗磁性。
Cu, Au, Ag 及大多数有机材料在室温下是抗磁性材料，超导态的超导体也是抗磁性材料。
形成抗磁矩的示意图（二）抗磁性与顺磁性 顺磁性：材料在外磁场中感生出和H 相同方向的磁化强度，使磁场略有增强。
材料的磁性PPT课件
第26页/共82页
（三）物质磁性的特殊性和多样性
1. 电子交换作用 原子内具有未成对的电子使得原子的固有磁矩不为零是物质磁性的 必要条件。但是，由于近邻原子共用电子（交换电子）所引起的静电作 用，及交换作用可以影响物质的磁性。交换作用所产生能量，通常用A 表示，称作交换能，因其以波函数的积分形式出现，也称作交换积分。 它取决于近邻原子未填满的电子壳层相互靠近的程度，并决定了原子磁 矩的排列方式和物质的基本磁性。一般地： 当A大于零时，交换作用使得相邻原子磁矩平行排列，产生铁磁性 （Iferromagnetism）。 当A小于零时，交换作用使得相邻原子磁矩反平行排列，产生反铁磁 性（Antiferromagnetism）。 当原子间距离足够大时，A值很小时，交换作用已不足于克服热运动 的干扰，使得原子磁矩随机取向排列，于是产生顺磁性 （Paramagnetism）
原子内的电子做循轨运动和自旋运动，所以必然产
生磁矩。前者称为轨道磁矩，后者称为自旋磁矩。
电子的循轨磁矩
Pl =
eh
4m
l(l 1)
电子的自旋磁矩
Ps
=
eh
2m
s(s 1)
e：单位电荷；h:普朗克常数；m:电子质量；l:轨 道量子数；s:自旋量子数。
原子核的磁矩比电子磁矩小三个数量级，一般情况 下可忽略不计。
1 弱抗磁性 例如惰性气体、金属铜、锌、银、金、 汞等和大量的有机化合物，磁化率极低，约为-10-6，并基 本与温度无关；
2 反常抗磁性 例如金属铋、镓、碲、石墨以及γ-铜 锌合金，其磁化率较前者约大10-100倍，Bi的磁化率χ比 较反常，是场强H的周期函数，并强烈与温度有关；
3 超导体抗磁性 许多金属在其临界温度和临界磁场 以下时呈现超导性，具有超导体完全抗磁性，这相当于 其磁化率χ=-1.
（三）物质磁性的特殊性和多样性
1. 电子交换作用 原子内具有未成对的电子使得原子的固有磁矩不为零是物质磁性的 必要条件。但是，由于近邻原子共用电子（交换电子）所引起的静电作 用，及交换作用可以影响物质的磁性。交换作用所产生能量，通常用A 表示，称作交换能，因其以波函数的积分形式出现，也称作交换积分。 它取决于近邻原子未填满的电子壳层相互靠近的程度，并决定了原子磁 矩的排列方式和物质的基本磁性。一般地： 当A大于零时，交换作用使得相邻原子磁矩平行排列，产生铁磁性 （Iferromagnetism）。 当A小于零时，交换作用使得相邻原子磁矩反平行排列，产生反铁磁 性（Antiferromagnetism）。 当原子间距离足够大时，A值很小时，交换作用已不足于克服热运动 的干扰，使得原子磁矩随机取向排列，于是产生顺磁性 （Paramagnetism）
原子内的电子做循轨运动和自旋运动，所以必然产
生磁矩。前者称为轨道磁矩，后者称为自旋磁矩。
电子的循轨磁矩
Pl =
eh
4m
l(l 1)
电子的自旋磁矩
Ps
=
eh
2m
s(s 1)
e：单位电荷；h:普朗克常数；m:电子质量；l:轨 道量子数；s:自旋量子数。
原子核的磁矩比电子磁矩小三个数量级，一般情况 下可忽略不计。
1 弱抗磁性 例如惰性气体、金属铜、锌、银、金、 汞等和大量的有机化合物，磁化率极低，约为-10-6，并基 本与温度无关；
2 反常抗磁性 例如金属铋、镓、碲、石墨以及γ-铜 锌合金，其磁化率较前者约大10-100倍，Bi的磁化率χ比 较反常，是场强H的周期函数，并强烈与温度有关；
3 超导体抗磁性 许多金属在其临界温度和临界磁场 以下时呈现超导性，具有超导体完全抗磁性，这相当于 其磁化率χ=-1.
陶瓷-磁学性能课件
b) 磁场强度 磁场是带电粒子运动的结果。若给一个有N匝线圈的螺旋管 通电，则会产生一个磁场，此磁场的大小称为磁场强度， H＝NI／L 式中：N－线圈匝数；I－电流；L－螺旋管的长度 c) 磁感应强度 在强度为H的磁场被磁化后，物质内磁场强度的大小就称为 磁感应强度B, B=μH 其中：μ是磁导率，它是磁性材料最重要的物理量之一，反 映了介质的特性。磁场H在其中通过并产生磁感应强度B。 在真空状态下 B0＝μ0H μ0是真空磁导率1.257×10-6H/m。
当磁化强度M为负时，固体表现为抗磁性。Bi、Cu、Ag、Au等金属具有这 种性质。在外磁场中，这类磁化了的介质内部的磁感应强度B小于真空中的 B0，抗磁性物质的原子（离子）的磁矩应为零，即不存在永久磁
矩
b) 顺磁性 顺磁性物质的主要特征是，不论外加磁场是否存在，原子内 部存在永久磁矩。但在无外加磁场时，由于顺磁物质的原子 做无规则的热振动，宏观看来，没有磁性；在外加磁场作用 下，每个原子磁矩比较规则地取向，物质显示极弱的磁性。 磁化强度M和磁场方向一致，M为正，与外磁场H呈正比例关 系 极化率和温度的关系 C物质的居里常数
无机材料的磁学性质
磁性无机材料优点：高电阻、低损耗，还具有各种不同的磁学 性能，
磁性无机材料的应用：无线电电子学、自动控制、电子计算机、 信息存储、激光调制等方面，都有广泛的应用。
磁性无机材料一般是含铁及其它元素的复合氧化物，通常称为 铁氧体（ferrite）。它的电阻率为10～106Ω·m，属于半导体范 畴。
物质的磁性
a）磁矩 在磁场的作用下，物质中形成了成对的N、S磁极，称这种现 象为磁化。将一对等量异号的磁极相距很小的距离，把这样的 体系叫做磁偶极子。 在外磁场的影响下，磁偶极子沿磁场方向排列。为达到与磁 场平行，该磁矩在力矩 T=LqmHsin 的作用下，发生旋转。系数Lqm定义为磁矩M(Wb· m)。 磁矩是表征磁性物体大小的物理量，磁矩越大，磁性越强
《材料的磁性能》PPT课件
合成矢量受自旋-轨道耦合作用的控制：w=λL·S 形成总角动量： J=L+S (J=L-S，小于半满，J=L+S，大于半满)
2.晶场中的原子磁矩
晶场中电子受诸多相互作用的影响，总哈密顿量
H=Hw+ Hλ+ Hv+ Hs+ Hh Hw:原子内的库仑相互作用，如用n，l，m表征的电子轨道只能
容纳自旋相反的两个电子，在一个轨道上这两个电子的库仑 相互作用能(相互排斥，能量提高)。 Hλ:自旋-轨道相互作用能。 Hv:晶场对原子中电子的作用。 Hs:与周边原子间的磁相互作用 (交换相互作用和磁偶极相互作用)。
四类具有巨磁电阻效应的多层膜结构
磁学是一门即古老又年轻的学科。 磁学基础研究与应用的需求相互促进，在
国防和国民经济中起着重要作用。 磁学与其它学科交叉：信息、电气、交通、
生物、药物、天文、地质、能源、选矿等。 MEMS的发展不可避免的会使用各种类型
的磁性材料，而且是小尺寸复合型的材料。
静磁现象
第一类遵从居里定律：
cC/T
C称为居里常数
第二类遵从居里外斯定律：
cC/(T-qp) qp称为顺磁居里温度
如铁磁性物质在居里温度以上的顺磁性。
磁偶极子
未加场前 热运动， 总体无序排列
含有离散的磁矩的物质
加场后 顺场取向
外加磁场
郎之万顺磁性理论
假定顺磁系统包含N个磁性原子，每个原子具有的磁矩 M(Wbm)，当温度在绝对0度以上时，每个原子都在进行 热振动，原子磁矩的方向也作同样振动。在绝对温度 T(K)，一个自由度具有的热能是kT/2。原子磁矩在外磁 场作用下，静磁能U=MH。
静磁能的定义。
5.2 原子的磁性
2.晶场中的原子磁矩
晶场中电子受诸多相互作用的影响，总哈密顿量
H=Hw+ Hλ+ Hv+ Hs+ Hh Hw:原子内的库仑相互作用，如用n，l，m表征的电子轨道只能
容纳自旋相反的两个电子，在一个轨道上这两个电子的库仑 相互作用能(相互排斥，能量提高)。 Hλ:自旋-轨道相互作用能。 Hv:晶场对原子中电子的作用。 Hs:与周边原子间的磁相互作用 (交换相互作用和磁偶极相互作用)。
四类具有巨磁电阻效应的多层膜结构
磁学是一门即古老又年轻的学科。 磁学基础研究与应用的需求相互促进，在
国防和国民经济中起着重要作用。 磁学与其它学科交叉：信息、电气、交通、
生物、药物、天文、地质、能源、选矿等。 MEMS的发展不可避免的会使用各种类型
的磁性材料，而且是小尺寸复合型的材料。
静磁现象
第一类遵从居里定律：
cC/T
C称为居里常数
第二类遵从居里外斯定律：
cC/(T-qp) qp称为顺磁居里温度
如铁磁性物质在居里温度以上的顺磁性。
磁偶极子
未加场前 热运动， 总体无序排列
含有离散的磁矩的物质
加场后 顺场取向
外加磁场
郎之万顺磁性理论
假定顺磁系统包含N个磁性原子，每个原子具有的磁矩 M(Wbm)，当温度在绝对0度以上时，每个原子都在进行 热振动，原子磁矩的方向也作同样振动。在绝对温度 T(K)，一个自由度具有的热能是kT/2。原子磁矩在外磁 场作用下，静磁能U=MH。
静磁能的定义。
5.2 原子的磁性
无机材料物理性能第5讲PPT课件
➢铁磁性物质即使在较弱的磁场内，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。
➢无外磁场时，磁畴无序取向，M总=0 ➢外磁场作用下，磁畴沿外磁场取向，M总很大 ➢与顺磁性的最大区别：后者不会自发磁化形成
磁畴
➢饱和磁化强度：铁磁材料能达到的最大磁化强 度Ms
14
磁性的分类
❖铁磁性
16
Fe,Co,Ni,Gd,Tb,Dy,等元素及
M
其合金、金属间化合物。
FeSi,NiFe,CoFe,SmCo,NdFeB
,CoCr等
H
M
各种铁氧体系材料（Te,Go,Ni
氧化物）Fe,Co等与重稀土类
金属形成金属间化合物
（TbFe等)
M
H O2,Pt,Rh,Pd等，第一主族
（Li,Na,K等），第二主族
J m B
为了求得磁矩在磁场中所受的力，对一维情
况可以写出:
dB
Fx
m dx
磁矩是表征磁性体磁性大小的物理量。
磁感应强度B：外磁场作用下，材料内部的磁通
量密度
B H T或Wb/m2
6
物质的磁性
磁导率 材料特性常数，单位外磁场强度下，材料 内部的磁通量密度（H/m）。
相对磁导率μx： μx= μ/ μo 磁化强度M:外磁场H作用下，材料内部磁矩
24
磁畴
25
磁畴
右图表示 磁畴壁的 移动和磁 畴的磁化 矢量的转 向及其在 磁化曲线 上起作用 的范围
电子的磁矩
➢ 电子磁矩由电子的轨道磁矩和自旋磁矩组成 ➢ 物质的磁性不是由电子的轨道磁矩引起，而
是主要由自旋磁矩引起 ➢ 孤立原子的磁矩决定于原子的结构 ➢ 某些元素具有各层都充满电子的原子结构，
➢无外磁场时，磁畴无序取向，M总=0 ➢外磁场作用下，磁畴沿外磁场取向，M总很大 ➢与顺磁性的最大区别：后者不会自发磁化形成
磁畴
➢饱和磁化强度：铁磁材料能达到的最大磁化强 度Ms
14
磁性的分类
❖铁磁性
16
Fe,Co,Ni,Gd,Tb,Dy,等元素及
M
其合金、金属间化合物。
FeSi,NiFe,CoFe,SmCo,NdFeB
,CoCr等
H
M
各种铁氧体系材料（Te,Go,Ni
氧化物）Fe,Co等与重稀土类
金属形成金属间化合物
（TbFe等)
M
H O2,Pt,Rh,Pd等，第一主族
（Li,Na,K等），第二主族
J m B
为了求得磁矩在磁场中所受的力，对一维情
况可以写出:
dB
Fx
m dx
磁矩是表征磁性体磁性大小的物理量。
磁感应强度B：外磁场作用下，材料内部的磁通
量密度
B H T或Wb/m2
6
物质的磁性
磁导率 材料特性常数，单位外磁场强度下，材料 内部的磁通量密度（H/m）。
相对磁导率μx： μx= μ/ μo 磁化强度M:外磁场H作用下，材料内部磁矩
24
磁畴
25
磁畴
右图表示 磁畴壁的 移动和磁 畴的磁化 矢量的转 向及其在 磁化曲线 上起作用 的范围
电子的磁矩
➢ 电子磁矩由电子的轨道磁矩和自旋磁矩组成 ➢ 物质的磁性不是由电子的轨道磁矩引起，而
是主要由自旋磁矩引起 ➢ 孤立原子的磁矩决定于原子的结构 ➢ 某些元素具有各层都充满电子的原子结构，
第七章无机材料的磁学性能2课件
2. 磁各向异性 ❖ 对于晶体来说，不同的晶体学方向其磁化也有所不同，及存
在易磁化的和难磁化的晶体学方向，分别称为易磁化轴和难 磁化轴。
❖ 在铁磁体中存在着取决于自发磁化方向的自由能，自发磁化 向着该能量取最小值的方向时最稳定，而要向其它方向旋转， 能量会增加，称这种性质为磁各向异性，对应的自由能为磁 各向异性能。
一、高磁导率材料
❖ 这类材料要求磁导率高，饱和磁感应强度大，电阻高，损耗 低，稳定性好等。生产上为了获得高磁导率的磁性材料：
一方面要提高材料的MS值，这由材料的成分和原子结构 决定；
另一方面要减小磁化过程中的阻力，这主要取决于磁畴 结构和材料的晶体结构。
❖ 主要应用于电感线圈、小型变压器、脉冲变压器、中频变压 器等的磁芯以及天线棒磁芯、录音磁头、电视偏转磁轭、磁 放大器等。
长度为L的棒沿轴向磁化时，若长度变化为 L ，则磁致
伸缩率 L / L 。磁致伸缩率在强磁场作用下达到饱
和值 s ，称为磁致伸缩常数。 磁致伸缩可以使磁能（实质为电能）转换为机械能，逆
磁性材料是指具有可利用的磁学性质的材料。 ❖ 磁性材料按其功能可分为几大类：易被外磁场磁化的磁芯材
❖ 理论上提高磁导率的条件： 必要条件：MS要高； 充分条件: ❖原料杂质少； ❖密度要提高 ，即材料晶粒尺寸要大； ❖结构要均匀 (晶界阻滞减小)； ❖消除内应力 ； ❖气孔减少，另相减少(退磁场减弱)。
二、磁性记录材料
❖ 磁记录机是具有空气缝隙的环形记录磁头。环是铁铝合金片 或锰锌铁氧体等磁性材料制成。缝隙很小，小于0.001英寸。 记录用磁带是用极细小颗粒的磁性材料和一种非磁性材料的 粘和剂混合后涂敷在带机而成。输入讯号加到线圈形成的磁 通进入到磁带内，造成磁性颗粒的磁化，把信息保留在带内。 显然，磁记录必须是硬磁材料。讯号读出时，从记录带中磁 偶极子发出的磁通沿磁阻小的磁头磁芯进入，在线圈中感应 出电讯号而读出。所以对磁记录介质的磁性材料有类似永磁 体的性质，要求高的剩磁、矫顽力和Hm值。当然为了能记录 短波长，无规则噪声要最低，磁畴要小，并且它能够做成高 强度，柔顺而光滑的薄层。
磁学性能.ppt
χ曲线？如α－Mn、铬、氧化镍、氧化锰等。 4）铁磁体
χ为很大的正变数，约在10～106数量级，且不大的H就能产生很大的M，在磁场 中被强烈磁化，受强大的吸力，如铁、钴、镍等。其M－H 、 χ－H曲线？ 5）亚铁磁体
类似铁磁体，但χ值没有铁磁体大，如磁铁矿（Fe3O4）等。
3. 磁导率
磁感应强度（B）：通过磁场中某点，垂直于磁场方向单位面积的磁
一般可忽略。
1.原子的磁性
3）原子、分子磁矩 理论证明，原子中电子层被排满的壳层中总磁矩为0，只有原子中存在
未被排满的电子层时，未排满的电子层中总磁矩不为0，原子才有磁矩， 叫固有磁矩。
原因：因排满时，在每一亚轨道上都有一对电子，它们自旋和循规运动的 方向相反，成对电子的磁矩抵消；电子层未被填满时，根据洪特法则，电 子尽量占据不同的亚轨道，且单电子间自旋、循规方向相同，电子磁矩不 被抵消。
●分子电流观点： 物质中的每个分子中都存在环形电流（分子中原子、离子核外电子循
规、自旋运动，核子自旋运动)，每个环形电流都将产生磁场。 无外磁场时，各分子环流取向杂乱无章，作用抵消，不显磁性； 施加外磁场后，分子电流的磁矩在磁场场作用下趋于定向排列，而呈
现出宏观磁性。 磁化强度(M)：磁介质磁化单位体积产生的总磁矩（单位体积内环电
流磁矩矢量和∑Pm/V）。衡量物质的磁化强弱和状态（强度和方向）。
●等效磁荷观点：
把材料的磁分子看成磁偶极子，末磁化时各磁偶极子取向呈无序状态，
其偶极矩的矢量和为0，不显磁性；当施加外磁场后，偶极子受外磁场
作用而转向外场方向，使材料呈现宏观磁性。
磁极化强度（J）：单位体积的磁偶极矩的矢量和（∑jm/V）。
第2节 物质的磁性及其物理本质
1.原子的磁性 1）材料磁性产生的本源
χ为很大的正变数，约在10～106数量级，且不大的H就能产生很大的M，在磁场 中被强烈磁化，受强大的吸力，如铁、钴、镍等。其M－H 、 χ－H曲线？ 5）亚铁磁体
类似铁磁体，但χ值没有铁磁体大，如磁铁矿（Fe3O4）等。
3. 磁导率
磁感应强度（B）：通过磁场中某点，垂直于磁场方向单位面积的磁
一般可忽略。
1.原子的磁性
3）原子、分子磁矩 理论证明，原子中电子层被排满的壳层中总磁矩为0，只有原子中存在
未被排满的电子层时，未排满的电子层中总磁矩不为0，原子才有磁矩， 叫固有磁矩。
原因：因排满时，在每一亚轨道上都有一对电子，它们自旋和循规运动的 方向相反，成对电子的磁矩抵消；电子层未被填满时，根据洪特法则，电 子尽量占据不同的亚轨道，且单电子间自旋、循规方向相同，电子磁矩不 被抵消。
●分子电流观点： 物质中的每个分子中都存在环形电流（分子中原子、离子核外电子循
规、自旋运动，核子自旋运动)，每个环形电流都将产生磁场。 无外磁场时，各分子环流取向杂乱无章，作用抵消，不显磁性； 施加外磁场后，分子电流的磁矩在磁场场作用下趋于定向排列，而呈
现出宏观磁性。 磁化强度(M)：磁介质磁化单位体积产生的总磁矩（单位体积内环电
流磁矩矢量和∑Pm/V）。衡量物质的磁化强弱和状态（强度和方向）。
●等效磁荷观点：
把材料的磁分子看成磁偶极子，末磁化时各磁偶极子取向呈无序状态，
其偶极矩的矢量和为0，不显磁性；当施加外磁场后，偶极子受外磁场
作用而转向外场方向，使材料呈现宏观磁性。
磁极化强度（J）：单位体积的磁偶极矩的矢量和（∑jm/V）。
第2节 物质的磁性及其物理本质
1.原子的磁性 1）材料磁性产生的本源
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➢ 抗磁体的磁化率不依赖磁场强度且一般不依赖于 温度； ➢ 顺磁体的磁化率不依赖磁场强度且与温度成反比； ➢ 铁在某一温度（居里温度）以上失去磁性。
皮埃尔·居里 法国物理学家
1859-1906
压电效应的发现； 放射性物质研究，发现了镭。
17
.
郎之万和外斯
郎之万提出了抗磁性和顺磁性的经典理论。
用基元磁体的概念对物质的顺磁性及抗磁 性作了经典的说明。
9
.
库伦定律
同种磁极相互排斥，异种磁极 相互吸引。磁极之间的相互作 用力与距离的平方成反比。
库伦定律使电磁学研究由定 性进入定量阶段，是电磁学 史上一块重要的里程碑。
库伦，法国物理学家
1736——1806
库伦扭秤
.
➢两磁铁的同极性相斥，异极性相引。 两个距离为r，磁极强度(简称极强)分别为qml和qm2(单位: 韦伯Wb或A.m)的磁极间相互作用力在二者连线上，大
提出了电磁波这一概念，并确认光也 是一种电磁波，对后世影响深远。
是继法拉第之后集电磁学大成的伟 大科学家，揭示了光、电、磁现象 在本质的统一性，完成了物理学的 又一次大综合。
麦克斯韦，英国物理学家
1831—1879
16
.
居里定律
发明了磁秤（磁天平），实现了对弱磁性 的测量。
根据大量的实验结果，总结出著名的居里 定律。
21
.
温故 一、磁极、磁场和磁力线
➢磁极判断 ➢Single
22
.
Single
1928年相对论形式的薛定谔方程， 也就是著名的狄拉克方程(√) ；
预言了正电子的存在(√)； 预言了反粒子的存在，电子－正电 子对的产生和湮没(√) ； 提出反物质存在的假设； 1931年预言可能存在磁单极；
23
.
如何寻找磁单极子?
➢ 司徒南：东汉时期思想家王充写的《论衡》书中“司南 之杓，投之于地，其柢指南”的记载。不要太相信古代 中国人对电和磁有多少科学的理解。
➢ 公元前600年，希腊的Thales也有琥珀摩擦吸引草屑的记
载。
电磁学真正的科学研究来自于英国William Gilbert(电磁
学之父)对电和磁的实验。吉伯为磁通势单位，用以纪念
电和磁本质上是统一的。
14
.
电磁感应现象
1831年，由法拉第发现。
俗称磁生电，直接导致了发电机的 发明，影响非常深远。
其它成果：
1834年，发现了电解定律，开创 了电化学学科。
发现了物质的抗磁性。
提出了电磁场这一概念。
15
.
自学成才
经典电动力学
推导出著名的麦克斯韦方程组，首次 将电和磁在理论上统一起来，在此基 础上创立了经典电动力学。
2
.
物质磁性的普遍性
磁性是物质的基本属性，应用领域很 广
3
.
5
.
6
.
电磁学是一门实验学科，诞生与发展依赖于实验现象与 分析。
7
.
磁学和电学基本物理量的比较源自8.磁性科学早期发展
➢ 古代春秋战国时期看到的磁石吸铁。(公元前770年~公元 前221年) 《管子•地数》载：“山上有慈石(即磁石)者， 其下有铜金。”
小为: Fk(qrm12.qm2)
其中，k=6.35 * l04N
11
.
电流的磁效应
1820年，由奥斯特等人发现。
证明电流可以产生磁场。
第一个非天然的磁场
无限长载流直导线：
磁 场
H I 2r
强
度
r
12
奥斯特，丹麦科学家 方向是切于与导 线垂直的且以导 线为轴的圆周
H
.
电和磁的关系
13
.
电磁相互作用
发现时间：1820 -1827
发现一 通电的线圈和磁铁相似。
发现二 相同方向的平行电流相互吸引， 相反方向的平行电流相互排斥。
推导出两个电流元之间的作用力公式。
发现三 磁是由运动的电荷产生的。
由此说明了地磁的成因和物质的磁性。
安培，法国科学家 （1775-1836）
发现四 提出了分子电流假说。
揭示了物质磁性的本质。
上穷碧落下黄泉，两处茫茫皆不见!
24
.
磁场
磁极之间的作用力是在磁极周围空间传递的，这里存在着 磁力作用的特殊物质，称之为磁场。 磁场是对磁极产生作用力的空间，采用磁场强度H和磁 通密度B来表示。 磁场是电磁场的组成部分，其特征可用场内运动着的带 电粒子所受的力来确定，这种力源于粒子的运动及其所带 电荷。
磁场和物体的万有引力场，电荷的电场一样，都具有一定 的能量，磁场还有本身的特性：a) 磁场对载流导体或运 动电荷表现作用力；b）载流导体在磁场中运动要做功 现在物理研究表明，物质的磁性也是电流产生的。
25
.
地球是个大磁场。 地球的磁极却非亘古不变。自 地球诞生以来，其南北磁极曾 经发生过几次转变，即“磁极 倒转”。
古老的地球的铁矿石和来自地球之外的铁陨石。 高能加速器加速质子冲击原子核。 宇宙射线(本身和碰撞)。 1973年“阿波罗”飞船带回的月岩。 宇宙射线照射高空的感光底板产生又粗又黑的痕迹 (强的吸引作用) 151天的超导量子干涉式磁强计的观察(未能重复)。 海洋、深海沉积物。 中国、瑞士、日本等国的研究小组在铁磁晶体的物 质中观察反常霍尔效应，提供假设的间接证据。
Paul Langevin 1872年-1946年
外斯提出了分子场理论，阐明了铁 磁性的起源，扩展了郎之万的理论。
Weiss Pierre 1865年-1940年
18
.
本
材料的磁学——材料磁学性质、来源？
章
材料对外磁场的反应？本质原因？ 不同磁性材料的性能及其应用。
提 要
磁性与材料的微观结构的联系——通过磁性研究材 料的结构：键合情况、晶体结构。
19
.
7.1 材料磁性能的表征参量和材料 磁化的分类 (Character parameters of magnetic properties of materials and classification of material magnetization)
20
.
7.1.1 材料磁性能的表征参量 (Character parameters of magnetic properties of materials)
第7章 材料的磁学性能 (Magnetic properties of materials)
1
.
Magnetism
➢物质磁性或磁学是 一门古老(现象与应 用的历史悠久)又年 轻 (应用愈加广泛， 形成了与磁学有关 的边缘学科)的学科。
➢磁性是物质的基本属性，一切物质都具有磁性； ➢磁性不只是一个宏观的物理量，而且与物质的微观结构 密切相关。因此，研究磁性是研究物质内部结构的重要方 法之一。
皮埃尔·居里 法国物理学家
1859-1906
压电效应的发现； 放射性物质研究，发现了镭。
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郎之万和外斯
郎之万提出了抗磁性和顺磁性的经典理论。
用基元磁体的概念对物质的顺磁性及抗磁 性作了经典的说明。
9
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库伦定律
同种磁极相互排斥，异种磁极 相互吸引。磁极之间的相互作 用力与距离的平方成反比。
库伦定律使电磁学研究由定 性进入定量阶段，是电磁学 史上一块重要的里程碑。
库伦，法国物理学家
1736——1806
库伦扭秤
.
➢两磁铁的同极性相斥，异极性相引。 两个距离为r，磁极强度(简称极强)分别为qml和qm2(单位: 韦伯Wb或A.m)的磁极间相互作用力在二者连线上，大
提出了电磁波这一概念，并确认光也 是一种电磁波，对后世影响深远。
是继法拉第之后集电磁学大成的伟 大科学家，揭示了光、电、磁现象 在本质的统一性，完成了物理学的 又一次大综合。
麦克斯韦，英国物理学家
1831—1879
16
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居里定律
发明了磁秤（磁天平），实现了对弱磁性 的测量。
根据大量的实验结果，总结出著名的居里 定律。
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温故 一、磁极、磁场和磁力线
➢磁极判断 ➢Single
22
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Single
1928年相对论形式的薛定谔方程， 也就是著名的狄拉克方程(√) ；
预言了正电子的存在(√)； 预言了反粒子的存在，电子－正电 子对的产生和湮没(√) ； 提出反物质存在的假设； 1931年预言可能存在磁单极；
23
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如何寻找磁单极子?
➢ 司徒南：东汉时期思想家王充写的《论衡》书中“司南 之杓，投之于地，其柢指南”的记载。不要太相信古代 中国人对电和磁有多少科学的理解。
➢ 公元前600年，希腊的Thales也有琥珀摩擦吸引草屑的记
载。
电磁学真正的科学研究来自于英国William Gilbert(电磁
学之父)对电和磁的实验。吉伯为磁通势单位，用以纪念
电和磁本质上是统一的。
14
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电磁感应现象
1831年，由法拉第发现。
俗称磁生电，直接导致了发电机的 发明，影响非常深远。
其它成果：
1834年，发现了电解定律，开创 了电化学学科。
发现了物质的抗磁性。
提出了电磁场这一概念。
15
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自学成才
经典电动力学
推导出著名的麦克斯韦方程组，首次 将电和磁在理论上统一起来，在此基 础上创立了经典电动力学。
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物质磁性的普遍性
磁性是物质的基本属性，应用领域很 广
3
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电磁学是一门实验学科，诞生与发展依赖于实验现象与 分析。
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磁学和电学基本物理量的比较源自8.磁性科学早期发展
➢ 古代春秋战国时期看到的磁石吸铁。(公元前770年~公元 前221年) 《管子•地数》载：“山上有慈石(即磁石)者， 其下有铜金。”
小为: Fk(qrm12.qm2)
其中，k=6.35 * l04N
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电流的磁效应
1820年，由奥斯特等人发现。
证明电流可以产生磁场。
第一个非天然的磁场
无限长载流直导线：
磁 场
H I 2r
强
度
r
12
奥斯特，丹麦科学家 方向是切于与导 线垂直的且以导 线为轴的圆周
H
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电和磁的关系
13
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电磁相互作用
发现时间：1820 -1827
发现一 通电的线圈和磁铁相似。
发现二 相同方向的平行电流相互吸引， 相反方向的平行电流相互排斥。
推导出两个电流元之间的作用力公式。
发现三 磁是由运动的电荷产生的。
由此说明了地磁的成因和物质的磁性。
安培，法国科学家 （1775-1836）
发现四 提出了分子电流假说。
揭示了物质磁性的本质。
上穷碧落下黄泉，两处茫茫皆不见!
24
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磁场
磁极之间的作用力是在磁极周围空间传递的，这里存在着 磁力作用的特殊物质，称之为磁场。 磁场是对磁极产生作用力的空间，采用磁场强度H和磁 通密度B来表示。 磁场是电磁场的组成部分，其特征可用场内运动着的带 电粒子所受的力来确定，这种力源于粒子的运动及其所带 电荷。
磁场和物体的万有引力场，电荷的电场一样，都具有一定 的能量，磁场还有本身的特性：a) 磁场对载流导体或运 动电荷表现作用力；b）载流导体在磁场中运动要做功 现在物理研究表明，物质的磁性也是电流产生的。
25
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地球是个大磁场。 地球的磁极却非亘古不变。自 地球诞生以来，其南北磁极曾 经发生过几次转变，即“磁极 倒转”。
古老的地球的铁矿石和来自地球之外的铁陨石。 高能加速器加速质子冲击原子核。 宇宙射线(本身和碰撞)。 1973年“阿波罗”飞船带回的月岩。 宇宙射线照射高空的感光底板产生又粗又黑的痕迹 (强的吸引作用) 151天的超导量子干涉式磁强计的观察(未能重复)。 海洋、深海沉积物。 中国、瑞士、日本等国的研究小组在铁磁晶体的物 质中观察反常霍尔效应，提供假设的间接证据。
Paul Langevin 1872年-1946年
外斯提出了分子场理论，阐明了铁 磁性的起源，扩展了郎之万的理论。
Weiss Pierre 1865年-1940年
18
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本
材料的磁学——材料磁学性质、来源？
章
材料对外磁场的反应？本质原因？ 不同磁性材料的性能及其应用。
提 要
磁性与材料的微观结构的联系——通过磁性研究材 料的结构：键合情况、晶体结构。
19
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7.1 材料磁性能的表征参量和材料 磁化的分类 (Character parameters of magnetic properties of materials and classification of material magnetization)
20
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7.1.1 材料磁性能的表征参量 (Character parameters of magnetic properties of materials)
第7章 材料的磁学性能 (Magnetic properties of materials)
1
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Magnetism
➢物质磁性或磁学是 一门古老(现象与应 用的历史悠久)又年 轻 (应用愈加广泛， 形成了与磁学有关 的边缘学科)的学科。
➢磁性是物质的基本属性，一切物质都具有磁性； ➢磁性不只是一个宏观的物理量，而且与物质的微观结构 密切相关。因此，研究磁性是研究物质内部结构的重要方 法之一。