材料的磁学性能(1)
材料物理性能-_磁学性能
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4. 磁感应强度和磁导率（P133） 材料在磁场强度为 H 的外加磁场（直流、交变或脉冲磁 场）作用下，会在材料内部产生一定的磁通量密度，称其为 磁感应强度B，即在强度为H的磁场中被磁化后，物质内磁场 强度的大小。 在真空中，磁感应强度为：
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二、技术磁化（P154）
对未经外磁场磁化的 ( 或处于退磁状态的 ) 铁磁体，它们 在宏观上并不显示磁性，这说明物质内部各部分的自发磁化 强度的取向是杂乱的。因而物质的磁畴决不会是单畴，而是
由许多小磁畴组成的。
技术磁化：在外磁场作用下，铁磁体从完全退磁状态磁化到 饱和的内部变化过程。
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铁磁体在外磁场中的磁化过程主要为畴壁的 移动和磁畴内磁矩的转向。
因而自发磁化强度降低，铁磁性消失。这一温度称为居里 点Tc。在居里点以上，材料表现为顺磁性。
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4. 反铁磁性和亚铁磁性（P132、P144） 如果交换积分 A＜0时，则原于磁矩取反向平行排列能量最 低。如果相邻原子磁矩相等，由于原子磁矩反平行排列，原
子磁矩相互抵消，自发磁化强度等于零。这样一种特性称为
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磁学与电学基本物理量的比较 电学物理量 (单位) 磁学物理量 (单位)
J E P 0E
电流强度 I (A)
磁通量 Ф (Wb)
电流密度 J (A/m2)
电场强度 E (V/m)
磁通密度 B (Wb/m2)
磁场强度 H (A/m)
B H M H
r 1
电导率σ (Ω-1· m-1)
B0 0 H
式中μ0为真空磁导率
0 4 107 H / m
材料性能答案
名词解释第九章材料的磁学性能磁化：物质在磁场中由于受到磁场作用都呈现出一定的磁性，这种现象叫做磁化现象自发磁化：在没有外磁场的情况下，材料所发生的磁化。
技术磁化：铁磁材料心爱外加磁场的作用下所产生的磁化现象。
抗磁性：材料被磁化后，磁化矢量与外加磁场方向相反的成为抗磁性。
顺磁性：材料被磁化后，磁化矢量与外加磁场方向相同的成为抗磁性。
铁磁性：铁磁材料在外加磁场的作用下，可以产生很强的磁化，这是由于铁磁材料的原子组态所决定的。
铁磁性来源于原子违背抵消的自旋磁矩和自发磁化。
亚铁磁性：反铁磁性：交换积分常数A<0,相邻原子间的自旋趋于反相平行排列原子磁矩相互抵消，不鞥形成自发磁化区域。
固有磁矩：只有原子中存在的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0，原子才具有磁矩，这种磁矩叫做~最大磁滞回线：磁滞损失：由于磁滞效应的存在，磁化一周得到一个封闭回线，称之为磁滞回线，回线所包围的面积相当于磁化一周所产生的能量损耗，称为~退磁能：磁铁产生的外力磁场与内磁场方向相反，从而使铁磁体减弱，磁化能力增加。
磁畴：在铁磁性物质中，此你在着许多微小自发磁化区域，成为~剩磁：磁化达到饱和后，在逐渐减小到H的强度，M将随之减小。
当H=0时，磁感应强度并不等于0，而是保持一定大小的数值，这时铁磁金属的剩磁现象。
矫顽力：要使M值继续减小，必须加反向磁场-H, 当H等一定值Hc时，M值才等于0。
Hc 为去掉剩磁的临界外磁场，称为~~居里点：磁晶各向异性：当贴此物质磁化时，沿不同方向磁化所产生的磁化强度不同，即沿着不同方向磁化所消耗的磁化功不同。
这说明磁化矢量（M）在不同的晶向上有不同的能量，M沿易磁化方向时能量最高。
磁化强度沿不同晶轴方向的不同称为磁晶磁晶的各向异性。
磁致伸缩（效应）：铁磁物质收缩时，沿磁化方向发生长度伸长或缩短的现象称为~~自发体积磁致伸缩：最大磁能积：第十章材料的电学性能电导率：为电阻率的倒数超导临界转变温度：材料由正常状态转变为超导状态的温度超导临界磁场强度：能破环超导态的最小磁场强度超导临界电流密度：输入电流所产生的磁场一外磁场之和超过临界磁场，超导呗破坏。
材料磁学性能(材料科学基础)
h
2
（3）磁感应强度
真空
B。＝。H 。
B 磁感强度（Wb·m-2） (magnetic flux density)
H 磁场强度（A·m-1）(magnetic field strength)
0 真空磁导率，4×l0-7（H／m） (亨/米）
介质 B0(HM )HM: 磁化强度
h
3
（4）磁化率 χ(magnetic susceptibility)
➢ 不具“永久磁矩” ：原子各层都充满电子（电子自旋磁矩相互抵消）
如锌(3d104s2)，具有各层都充满电子的原子结构，其电子磁矩相互 抵消，因而不显磁性。
h
5
（2）“交换”作用
铁具有很强的磁性，这种磁性称为铁磁性。铁磁性除与电子结构有关外， 还决定于晶体结构。
处于不同原子间的、未被填满壳层上的电子发生特殊的相互作用，这种 相互作用称为“交换”作用。这是因为在晶体内，参与这种相互作用的电子 已不再局限于原来的原子，而是“公有化”了，原子间好象在交换电子，故 称为“交换”作用。
由这种“交换”作用所产生的“交换能”J与晶格的原子间距有密切关系。 当距离很大时，J接近于零，随着距离的减小，相互作用有所增加。 J为正值，就呈现出铁磁性，J为负值，就呈现出反铁磁性。
a：原子间距 D：未被填满的电子壳层直h 径
a/D ＞3时 交换能为正值， 为铁磁性 a/D ＜3时 交换能为负值， 为反铁磁性
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
§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
第三章;磁学性能(材料的磁化特征及其基本参数)
四、磁化曲线和磁滞回线
磁导率和磁场的关系
磁滞：指铁磁材料的磁性状态变化时，磁化 强度滞后于磁场强度，它的磁通密度B与磁场 强度 H之间呈现磁滞回线关系 剩磁Br：磁滞回线中，外磁场 减小为零时， 铁磁质所具有的磁感应强度 矫顽力Hc：为使剩磁降低为零而施加的反向 外磁场强度 磁致损耗：铁磁材料在磁化过程中由磁滞现 象引起的能量损耗。经一次循环，磁滞损耗 等于磁滞回线的面积
一个环形电流的磁矩：Pm=ΙS Ι环形电流的强度， S是环形所包围的面积。
当有外加磁场后，环形电流的磁矩沿磁场规律排 列，在宏观上显示磁性。用磁化强度衡量物质磁 性强弱及磁化状态
磁化强度
磁化强度：单位体积的总磁矩
磁极化强度
材料受磁化后呈规律排列，宏观上显示磁极 （南北极），把微观的磁分子称为磁偶极 子，宏观所表示出的磁矩称为磁偶极矩jm
第三章 材料的磁学性能
材料的磁化特征及其基本参数
一、磁化现象及磁化强度 磁性与物质的微观结构相关，决定于原子
结构、原子间的相互作用，例如:键结合和 晶体结构等。 磁性是微观结构表现出来的一种宏观现象。 研究磁性也是研究材料物质内部微观结构 的方法。
磁化现象及磁化强度
一切物质都具有磁性，任何空间都存在磁场，只是强弱不同而已。 根本原因：
• 磁----电 • 磁现象的本质是由于带电物体运动的结果。 • 原子中电子的绕核运动、电子本身的自旋，都会产生磁场。 • 一个分子内部全部电子运动产生的磁场的总和叫做分子磁
场。 • 物质在磁场中，由于受到磁作用而呈现一定磁性称为磁化 • 凡是能被磁场磁化的物质称为磁介质（磁质）。
当物质处于磁场中时，会使磁场发生变化，不 同的物质所引起的磁场变化不一样。
第六章 材料的磁学性能
5、亚铁磁体 • μr>>1,χ>0。 • 它是反铁磁体的一个变种，其内部的原子磁 矩之间存在着反铁磁相互作用，只是两种相 反平行排列的磁矩大小不同，导致了一定的 自发磁化。所以在外加磁场中的表现与铁磁 体相似。 • 亚铁磁体多为金属氧化物。Χ比铁磁体小。 • 例如：铁氧体（磁铁矿，Fe3O4）、V、Cr、 Mn、Fe、Co等与O、S、Te、P、As、Sb 等的化合物，钕铁硼磁体，稀土与金属间的
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三、正离子的顺磁性 • 正原子的顺磁性来源于原子的固有磁矩。 • 原子的固有磁矩就是电子轨道磁矩和电子自旋磁矩的 矢量和，又称本征磁矩，Pm。 • 如果原子中所有电子壳层都是填满的，由于形成一个 球形对称的集体，则电子轨道磁矩和自旋磁矩各自相 抵消，Pm=0，不产生顺磁性。 • 因此，产生顺磁性的条件就是： Pm≠0。在如下情况下， Pm≠0： 1. 具有奇数个电子的原子或点阵缺陷； 2. 内壳层未被填满的原子或离子。如过渡族金属（d壳层 没有填满电子）和稀土金属（f壳层未填满电子）。
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• 在B0=0时，由于原子的热运动，各原子的磁矩倾 向于混乱分布，此时原子的动能Ek∝kT。对外表 现出宏观磁特性H’=0。 • 当加上外加磁场时，外磁场要使原子磁矩Pm与 B0的夹角θ 减小。使原子磁矩转向外加磁场方向。 • 当外磁场逐渐增加到使能量U=-PmB0cosθ 的减 少能补偿热运动能量时，原子磁矩就一致排列了。 此时有kT=PmB0。
2
rj
22
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则可得：
2
抗
Ne 0
2
6m
j1
z
rj
磁学性能
物质的磁性
铁氧体
磁性材料
物质的磁性
一 、磁化、磁化强度和磁化率
1、磁化
物质在磁场中由于受磁场的作用而表现 出一定的磁性，这种现象就称之为磁化。
2、磁化强度
磁化强物理量 —— 单位体积的总磁矩
M
Pm V
3、磁化率
M H
Bi,Cu,Ag,Au 等金属具有这种性质
抗磁性物质放入外磁场中，外磁场使电
子轨道改变，产生一个磁矩，该磁矩的
方向与外磁场方向相反
抗磁性物质的抗磁性一般很微弱，磁化
率一般约为-10-5，为负值
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。 无外加磁场时，顺磁物质的原子做无 规则的热振动，宏观看来，没有磁性； 外加磁场作用下，每个原子磁矩比较 规则的取向，物质显示极弱的磁性。
铁氧体和铁磁性物质的异同
同：磁性较强 异：铁氧体磁性来自两种不同的磁 矩， 一种磁矩在一个方向排列整齐， 另一种在相反的方向排列。 这两种磁矩方向相反，大小不等。 因此，铁氧体又称为亚铁磁体。
磁性材料
• 软磁材料 • 硬磁材料 • 矩磁材料
一、 软磁材料
1、主要特点 具有较高的磁导率和较 高的饱和磁感应强度。
三、矩磁材料
具有高磁导率、高电阻率
可作磁性记忆元件
高分子材料的磁学性能
1、大多数体系为抗磁性材料 2、顺磁性仅存在于两类有机物
（1）含有过渡金属 （2）含有不饱和键、自由基
称为磁化率或磁化系数，它把物 质的磁化强度与外磁场强度联系 了起来，它的大小反映了物质磁 化的难易程度，是材料的一个重 要的磁参数，同时，它也是物质 磁性分类的主要依据。
第三章 磁学性能(磁性及其物理本质)
五、影响金属抗磁性及顺磁性的因素
；六、 磁化率的测量
磁秤 利用试样在非 均匀磁场中的受力情 况来确定它的磁化率。
利用与标准试样对比来确定它的磁化率。
但还有相当多的固溶体顺磁物质，特别是过渡族金属元 素是不符合居里定律的。它们的原子磁化率和温度的关系需 用居里-外斯定律来表达 。
居里-外斯定律
为居里温度 。 2. 磁化率与温度无关的顺磁质 碱金属Li、Na、K、Rb属于此类。
3.存在反铁磁体转变的顺磁体 过渡族金属及其合金或它们的化合物属于这类 顺磁体。它们都有一定的转变温度，称为反铁磁居 里点或尼尔点，以TN表示。当温度高于TN时，它们 和正常顺磁体一样服从居里-外斯定律，且△＞0； 当温度低于TN时，它们的χ随T的下降而下降，当 T→OK时，χ→常数；在TN处χ有一极大值，MnO、 MnS、NiCr、CrS-Cr2S、Cr2O3、FeS2、FeS等都属这 类。
顺磁体的χ-T 关系曲线示意图
四、金属的抗磁性与顺磁性 金属是由点阵离子和自由电子构成的，故金属的 磁性要考虑到点阵结点上正离子的抗磁性和顺磁性， 以及自由电子的抗磁性与顺磁性。 正离子的抗磁性源于其电子的轨道运动，正离子 的顺磁性源于原子的固有磁矩。 而自由电子的磁性的顺磁性源于电子的自旋磁矩， 自由电子的抗磁性源于共在外磁场中受洛仑兹力而 作的圆周运动，这种圆周运动产生的磁矩同外磁场 反向。 四种因素竞争的结果决定物质是否是抗磁体或 顺磁体。
电子循轨磁矩
电子的自旋磁矩
原子核的自旋磁矩
3.ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 物质的磁性及其物理本质
3.2.1 原子磁性
原子由原子核和核外电子构成，核外电子在各自 的轨道上绕核运动的同时还进行自转运动。因此，分 别具有轨道磁矩和自旋磁矩。
第三章;磁学性能(铁磁性及其物理本质)
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3.4 磁晶各向异性和各向异性能
磁各向异性
对于铁磁单晶的研究发现，沿不同晶向的磁化 曲线不同。这种在单晶体的不同晶向上磁性能不同 的性质，称为磁性的各向异性。
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相邻原子间电子轨道还有交换作用，由于自旋-轨 道相互作用，电荷的分布为旋转椭球性，非对称性与 自旋方向密切相关，所以自旋方向相对于晶轴的转动 将使交换能改变，同时也使原子电荷分布的静电相互 作用能改变，导致磁各向异性。
当 Rab／r ﹤ 3， A﹤0，则反向 排列， 为反铁磁性
铁磁性产生的充要条件：
原子内要有为填满的电子壳层，满足 Rab／r ﹥3使A﹥0。
前者指的是原子本征（固有）磁矩不为 零；后者指的是要有一定的晶体结构。
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Rab-原子间距 r未填满的电子层半
径
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铁磁性产生的条件：①原子内部要有末填满的 电子壳层；②及Rab／r之比大于3使交换积分A为正。 前者指的是原子本征磁矩不为零；后者指的是要有 一定的晶体结构。
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2
根据键合理论可知，原子相互接近形成分子时，电 子云要相互重叠，电子要相互交换位置。 对于过渡族金属，原子的3d的状态与4s态能量相 差不大，因此它们的电子云也将重叠，引起s、d状 态电子的再分配。 即发生了交换作用。交换作用产 生的静电作用力称为交换力。
交换力的作用迫使相邻原子的自旋磁矩产生有序 排列。其作用就像强磁场一样，外斯“分子场”即 来源于此。
具有亚铁磁性的物质绝大部分是金属的化物，是非金属磁性材料，一般称为铁氧体。磁性离子间并不存
在直接的交换作用，而是通过夹在中间的氧离子形成间
磁学性能
3. 物质的顺磁性
来源：原子（离子）的固有磁矩。 无外H时：由于热运动的影响，固有磁矩取向无序，宏观上无磁性。 外H作用下：固有磁矩与H作用，有较高的静磁能，为降低静磁能，固 有磁矩改变与H的夹角，趋于排向外H方向，表现为正向磁化。在常温和 H不是很高的情况下，M与H成正比，磁化要克服热运动的干扰，磁矩难 以有序排列，故顺磁化进行十分困难，磁化率较小。 常温下顺磁体达到饱和磁化所需的H非常大，技术上难以达到，但温度 降至接近0K时，就容易了。 根据顺磁磁化率与温度的关系，可把顺磁体分为三类： 正常顺磁体：磁化率随温度升高而降低的顺磁体。 符合居里定律： 或居里－外斯定律：
根据磁化率符号和大小，可把磁介质分为五类。
亚铁磁性材料
顺磁性材料 反铁磁性材料
0
抗磁性材料
H
2. 磁化率与物质磁性的分类
1）抗磁体 χ为甚小负常数，约在10-6数量级，即M与H方向相反，在磁场中使磁场稍减弱， 受微弱斥力，约有一半的简单金属是抗磁体。分为： (1)“经典”抗磁体，χ 不随T变化，如铜、银、金、汞、锌等。 (2)反常抗磁体，χ 随T变化，为前者10～100倍，如铋、镓、锑、锡等。 2）顺磁体 χ为正常数，约为10－3～10－6数量级，即M与H方向相同，在磁场中使磁场稍增 强，受微弱引力，分为： （l）正常顺磁体，χ 随T变化，且符合与T反比关系，如铂、钯、奥氏体不锈钢、 稀土金属等。 （2）χ 与T无关的顺磁体，如锂、钠、钾、铷等。 3）反铁磁体 χ是甚小的正常数，当T高于某个温度时（尼尔温度TN），转换为顺磁体，T－ 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。
材料的磁学性能与测试方法
材料的磁学性能与测试方法材料的磁学性能是指材料在磁场下的特性和行为。
磁学性能对于许多领域的应用至关重要，如电子设备、磁存储、能源转换等。
为了深入了解和评估材料的磁学性能，科学家和工程师们开发了各种测试方法和技术。
本文将介绍常见的材料磁学性能测试方法以及其应用。
一、磁矩与磁滞回线测试方法磁矩是一个材料在磁场中受磁化作用时所表现出的磁性强度。
磁矩可以通过磁滞回线测试方法进行测量。
该测试方法主要通过改变外加磁场的强度来测量材料的磁化强度。
磁滞回线图是磁矩随外加磁场变化的图像，通过分析磁滞回线图可以了解材料的磁化强度和磁滞损耗等。
二、磁化曲线测试方法磁化曲线测试方法主要用于测量材料的磁化特性。
这种方法通过在材料中施加不同大小的磁场，然后测量磁场对材料磁化程度的影响。
通过绘制磁化曲线，可以确定材料的磁化特性，如饱和磁化强度、剩余磁矩和矫顽力。
三、矫顽力和剩余磁矩测试方法矫顽力是指外加磁场移除后，材料保留的剩余磁矩。
矫顽力和剩余磁矩是材料磁学性能的重要指标之一。
这些指标可以通过磁化曲线测试方法中的回磁曲线来测量。
通过矫顽力和剩余磁矩的测量，可以评估材料的磁记忆效应，以及应用于数据存储等领域时的可靠性。
四、磁导率测试方法磁导率是材料对磁场的响应能力。
磁导率测试方法主要通过施加一个交变磁场，并测量材料的磁场强度和施加磁场的相位差来计算磁导率。
磁导率的测量可以用于评估材料的磁性能和应用于电磁设备中的性能。
五、饱和磁化强度测试方法饱和磁化强度是指材料在外加磁场逐渐增大的情况下，达到饱和状态时的磁化强度。
饱和磁化强度测试方法可以通过磁化曲线测试中的饱和磁化强度来测量。
饱和磁化强度是衡量材料磁性能的重要指标之一，对于电磁设备和磁性材料的设计和应用具有重要意义。
通过以上介绍的各种测试方法，我们可以准确测量和评估材料的磁学性能。
这些测试方法对于磁性材料的设计、磁性材料应用的改进以及电磁设备的开发都起到了至关重要的作用。
我们可以根据具体的需求选择合适的测试方法，以便更好地了解和利用材料的磁学性能。
5 材料的磁学性能
外磁场。
顺磁体的原子或离子是有磁矩的(称为原子固有磁矩，它是电子 的轨道磁矩和自旋磁矩的矢量和)，其源于原子内未填满的电子 壳层(如过渡元素的d层，稀土金属的f层)，或源于具有奇数个电
子的原子。但无外磁场时，由于热振动的影响，其原子磁矩的取 向是无序的，故总磁矩为零。
当有外磁场作用，则原子磁矩便排向外磁场的方向，总磁矩便大
材料名称 氧化铝 铜 金 水银 硅 银
当有介质时，介质被磁化后，其产生的磁场强度M和源
磁场强度H对运动电荷共同产生作用，此时磁感应强度
和Ｂ磁场强度H有何关系？
B 0 ( H M )
令 则
0 (1 ) H 0 (1 ) B H
式中的μ为介质的磁导率，单位为H/m，是磁性材料 最重要的物理量之一，其也反映了介质磁化的能力。
亚铁磁性物质由磁矩大小不同的两种离子(或原子)组成，
矩，这就是亚铁磁性（ferrimagnetism）。
尼尔点是反铁磁性转变为顺磁性的温度(有时也称为反铁磁 物质的居里点Tc) 。
尼尔点
图5-14 三种磁化状态示意图
5.3.3 磁畴 铁磁性（ferromagnetism）材料所以能使磁化 强度显著增大（即使在很弱的外磁场作用下， 也能显示出强弱性），这是由于物质内部存在 着自发磁化的小区域——磁畴（magnetic domain）的缘故。
外磁场除去后仍保持相当大的永久磁性， 这种磁性称为铁磁性。
过渡金属铁、钴、镍和某些稀土金属如钆、 钇、钐、铕等都具有铁磁性。 此材料的磁化率可高达103，M>>H
5.2 抗磁性与顺磁性
任何物质都是由原子组成的，而原子又是由带正
电荷的原子核(简称核子)和带负电荷的电子所构
材料的磁学性能
运动电子的磁矩，一般是轨道磁矩和自旋磁矩的矢量和。
3) 原子的磁矩 由原子的结构决定 原子中的一个次电子层被排满时，这个电子层的磁矩总和 为零 原子中的电子层均被排满时，原子没有磁矩
只有原子中存在未被排满的电子层时，原子才具有磁矩，
这种磁矩称为原子的固有磁矩 如原子序数为26的Fe原子，电子层分布为
玻璃瓶里的磁流体
磁化泥吞金属
磁流体变成圣诞树形
---------------《材料性能学》----------------
第九章
材料的磁学性能
本章主要对材料磁性的本质、抗磁 性、顺磁性以及铁磁性的特点及影响 因素进行简要介绍。
第一节 基本磁学性能 第二节 抗磁性与顺磁性 第三节 铁磁性与反铁磁性
• 磁性是最早发现一切物质的基本属性之一。
• 一个好的磁芯必须有高的磁导率。 • μ合金是一种镍-铁合金（75%镍，15%铁，外加铜和钼），并有非常高的磁 导率。 • 磁导率最高的材料是钴基非晶态磁性合金，其高频退火磁导率为1,000,000（ 直流磁导率最大值（µ ））。氢退火的（纯铁-N5级）可达到160,000（µ ）的 磁导率，但相对很昂贵。
m IS
m
在均匀磁场中，磁矩受到磁场作用的力矩J
J m B
磁矩在磁场中所受的力
dB Fx m dx
所以，磁矩是表征磁性物体磁性大小的物理量。磁矩愈大， 磁性愈强，即物体在磁场中所受的力也大。磁矩只与物体 本身有关，与外磁场无关。
1) 轨道磁矩：由电子循轨运动产生的磁矩，以ml表示，ml为 矢量，它垂直于电子运动的轨道平面，其大小为
ml li li 1mB
式中:l为轨道角量子数，可取0，1，2， 3,…，( n-1)，分别 代表s, p, d, f,g层的电子态，mB为玻尔磁子，mB=9.27×10-24 Am2，是磁矩的最小单元。
第五章材料的磁学性能
(2) 自旋磁矩
每个电子本身作自旋运动，产生一个沿自旋轴方向的 自旋磁矩（electronic spin magnetic moment）。因此 可以把原子中每个电子都看作一个小磁体，具有永久 的轨道磁矩和自旋磁矩，如图5-4所示。实验测定电子 自旋磁矩在外磁场方向上的分量恰为一个玻尔磁子： （5-17）
ez l B l
式中，ml为电子运动状态的磁量子数，下角z表示外磁 场方向；μB为玻尔磁子(Bohr magneton)，是电子磁矩 的最小单位，其值为 eh B 9.27 1024 ( J T 1 )（5-16） 4me 式中 ， e ， h和 me 分别为电子电量、普朗克(Planck) 常量和电子质量。
5.1.1 磁学基本量
（1）磁感应强度和磁导率 1820年，奥斯特发现电流能在周围空间产生磁场， 一根通有I安培(A)直流电的无限长直导线，在距导线 轴线r米(m)处产生的磁场强度H（magnetic field strength）为：
H
I
(5-1)
2r
在国际单位制中，的单位为安培/米(A/m)。
磁矩（magnetic moment）是表示磁体本质的一个物 理量。任何一个封闭的电流都具有磁矩m。其方向与 环形电流法线的方向一致，其大小为电流与封闭环形 的面积的乘积IΔS(图5-1)。在均匀磁场中，磁矩受到 磁场作用的力矩J J＝m×B (5-4) 式中，J为矢量积，B为磁感应强度，其单位为：
(1) 电子轨道磁矩 电子绕原子核的轨道运动，产生一个非常小的磁场， 形成一个沿旋转轴方向的轨道磁矩。设r为电子运动轨 道的半径，L为电子运动的轨道角动量，ω为电子绕核 运动的角速度，电子的电量为e，质量为m。根据磁矩 等于电流与电流回路所包围的面积的乘积的原理，电 子轨道磁矩（electronic orbital magnetic moment）的 大小为： e e 2 2 Pe iS e( )r mr L (5-14) 2 2m 2m 该磁矩的方向垂直于电子运功轨迹平面，并符合右 手螺旋定则。它在外磁场方向上的投影，即电子轨道 磁矩在外磁场方向上的分量，满足量子化条件 (5-15) P m (m 0， 1 ， 2， ， l)
材料磁学性能实验报告
材料磁学性能实验报告学号：姓名：班级：一、叙述实验原理和实验方法实验目的：1．了解振动样品磁强计（VSM ）测量材料磁性能的测试方法。
2．测定材料的磁化曲线和磁滞曲线，了解饱和磁化强度、剩磁、矫顽力等磁参量。
实验原理：振动样品磁强计（VSM ）是一种磁性测量常用的仪器，在科研和生产中有着广泛的应用。
它是利用小尺寸样品在磁场中做微小振动，使临近线圈感应出电动势而进行磁性参数测量的系统。
与一般的感应法不同，VSM 不用对感应信号进行积分，从而避免了信号漂移。
另一个优点是磁矩测量灵敏度高，最高达到10-7emu ，对测量薄膜等弱磁信号更具优势。
如果一个小样品（可近似为一个磁偶极子）在原点沿Z 轴作微小振动，放在附近的一个小线圈（轴向与Z 轴平行）将产生感应电压：km t m G e g ==ωωδcos其中G 为线圈的几何因子，ω为振动频率，δ为振幅， m 为样品的磁矩，N 、A 为线圈的匝数和面积。
原则上，可以通过计算确定出g e 和m 之间的关系k ，从而由测量的电压得到样品的磁矩。
但这种计算很复杂，几乎是不可能进行的。
实际上是通过实验的方法确定比例系数k ，即通过测量已知磁矩为m 的样品的电压g e ，得到k =e g m ，这一过程称为定标。
定标过程中标样的具体参数（磁矩、体积、形状和位置等）越接近待测样品的情况，定标越准确。
永磁材料的全部技术参数都可以由VSM 测量得到。
永磁材料的技术参数（饱和磁化强度、剩磁、矫顽力和磁能积等）可以由磁化曲线和磁滞回线反映出来，如图1，温度特性可以由不同温度下的磁滞回线给出。
720200)5(43r x r z NA G -=μπ图4 永磁材料的磁化曲线和磁滞回线图二、描述实验过程1. 准备样品。
样品重量约30mg 左右，形状尽量呈圆形。
2. 将样品用胶水粘到样品杆上，并晾干一天或吹风机烘干使其固定良好。
3.将样品竖直固定于仪器固定杆上，将接头连接稳固，放入磁场中，开始测试。
材料的磁学性能
Ed
M
0 Hd dM
M NMdM 1 NM 2
0
2
2、铁磁质自发磁化的机理（铁磁质的自发磁化理论）
1）Wiss 铁磁性假说 分子场假说：铁磁质内部存在很强的分子场，在该分子场的作用下，原子磁
矩趋向于同方向平行排列 磁畴假说：铁磁质内分布有若干原子磁矩同向平行排列的小区域（磁畴），
各磁畴的磁化方向随机分布，彼此抵消，整体对外不显磁性
(l s j )i J 或
ji ( li si ) J
i
i
③原子序数在32～82之间，为两种混合耦合方式
3d 过渡族金属、 4f 稀土金属及其合金主要为 L-S 耦合
二、物质的磁化特性及磁介质分类
1、抗磁性（diamagnetic） 0 ，10-6~10-4数量级，与H、T无关的常数
亚铁磁Fe3O4中，Fe2+和 Fe3+的自旋磁矩的排列
1、铁磁质的磁化特性
1）磁化曲线和磁位能
第一阶段：磁化强度随外磁场缓慢增 加；撤除外磁场，磁化强度恢复为原 始值（可逆磁化） 第二阶段：磁化强度随外磁场快速增 加；去除外磁场，磁化强度不能完全 恢复至原始状态（不可逆磁化或有剩 磁） 第三阶段：磁化强度又随外磁场缓慢 增加并趋于饱和状态
顺磁 铁磁 亚铁磁 反铁磁
三、顺磁性及其物理本质 主要由各原子或离子实的磁矩 J 和各自由电子的自旋磁矩 s 在外磁场中的
取向过程造成
原子或离子实磁矩的顺磁性：
磁场H中的磁位能： EH J 0H J 0H cos
T 温度下磁矩数量： n exp( EH kBT ) +d之间的磁矩数量： n 2 sind
特点是：凡电学量如q、I、E、P、D等都采用CGSE制单位，凡磁学量如B、M、H等都采用 CGSM 制单位；电容率ε和磁导率μ都是无量纲的纯数
《材料物理性能》课后习题答案
《材料物理性能》第一章材料的力学性能1-1一圆杆的直径为2.5 mm 、长度为25cm 并受到4500N 的轴向拉力，若直径拉细至2.4mm ，且拉伸变形后圆杆的体积不变,求在此拉力下的真应力、真应变、名义应力和名义应变，并比较讨论这些计算结果。
解：由计算结果可知：真应力大于名义应力，真应变小于名义应变。
1-5一陶瓷含体积百分比为95%的Al 2O 3 (E = 380 GPa)和5%的玻璃相(E = 84 GPa)，试计算其上限和下限弹性模量。
若该陶瓷含有5 %的气孔，再估算其上限和下限弹性模量。
解：令E 1=380GPa,E 2=84GPa,V 1=0.95,V 2=0.05。
则有当该陶瓷含有5%的气孔时，将P=0.05代入经验计算公式E=E 0(1-1.9P+0.9P 2)可得，其上、下限弹性模量分别变为331.3 GPa 和293.1 GPa 。
0816.04.25.2ln ln ln 22001====A A l l T ε真应变)(91710909.4450060MPa A F =⨯==-σ名义应力0851.0100=-=∆=AA l l ε名义应变)(99510524.445006MPa A F T =⨯==-σ真应力)(2.36505.08495.03802211GPa V E V E E H =⨯+⨯=+=上限弹性模量)(1.323)8405.038095.0()(112211GPa E V E V E L =+=+=--下限弹性模量1 / 101-6试分别画出应力松弛和应变蠕变与时间的关系示意图，并算出t = 0,t = ∞ 和t = τ时的纵坐标表达式。
解：Maxwell 模型可以较好地模拟应力松弛过程：V oigt 模型可以较好地模拟应变蠕变过程：以上两种模型所描述的是最简单的情况，事实上由于材料力学性能的复杂性，我们会用到用多个弹簧和多个黏壶通过串并联组合而成的复杂模型。
材料磁学性能及其测量
磁学测量等。
1.1 材料的磁化现象及磁学基本量
磁场：由运动电荷（或电流）产生的在空间连续分布的一种物质。 宏观性能：在场内运动的电荷会受到作用力。
任何有限尺寸的物体处于磁场中，都会使它所占用的空间的磁场发生变化，
能量各向异性的特征称为形状各向异性。
退磁场对样品的磁性能的影响是明显的：
有退磁场时磁化曲线是倾斜的。
所以性能表给出的磁导率数值都是针对有效磁场的数值，材料性能的实际 测量中必须尽量克服退磁场的影响。
各种不同单位的换算
磁学量的单位目前常用的是国际单位制(SI)和高斯单位制(CGS）。
磁矩：
在高斯单位制中0=1G/Oe，则磁偶极矩与磁矩无差别，统称
到高频和微波领域。非晶合金磁性的发展，开拓了优质软磁材料的领域。 近20年来，磁记录材料和磁光记录材料正在迅猛发展。在多层膜中发现
巨磁电阻以来，自旋相关导电材料及其器件不断出现，有机铁磁体、
C60化合物铁磁体及室温铁磁体的发现预示了磁性与磁性材料的发展前 景。
本章主要介绍材料的磁化现象及磁学基本量，铁磁性和亚铁磁性物
方向：-m指向+m 单位Wb.m
用环形电流描述磁偶极子：
A m2 磁矩： m iA jm 0 m
0 4 107 H .m 1
电子的轨道运动相当于一个恒定的电流回路，必然有一个磁矩（轨道磁 矩），自旋也会产生磁矩（自旋磁矩），自旋磁矩是基本粒子的固有磁 矩。
当物体受外加磁场的作用被磁化后，便会表现出一定的磁性。实际上， 物体的磁化并不改变原子固有磁矩的大小，而是改变了它们的取向。
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5．反铁磁体： >0，且在低温时与磁场方向有
关，在高温时与顺磁体相同。 如-Mn，MnO，Cr2O3，Cr, CoO, ZnFeO4等。
铁磁体和亚铁磁体称为强磁体；抗磁体、顺磁体 和反铁磁体称为弱磁体，通常磁性材料为强磁体。
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3
7.1.1 材料磁性能的表征参量 (Character parameters of
magnetic properties of materials)
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4
人类最早认识的磁现象：磁石吸铁、指南北、分 磁极、磁偏角。磁针——以磁石使铁针磁化。
划时代的伟大发现——1820年，奥斯特，电流能 在周围空间产生磁场，首次将电与磁联系起来。
H——描述磁场的一个重要的物理量，无论在真
空或在磁介质中，H只表征传导电流的磁场特征，
与磁介质无关。
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7
将材料放入磁场强度为H的自由空间，则材料中 的磁感应强度
B=H 其中称为材料的磁导率或绝对磁导率。
所以
B=B0+B=0H+0M=0(H+M)
其中M称为材料的磁化强度，其物理意义为材料 在外磁场中被磁化的程度。
原子的磁矩来源于电子的运动和原子核的自旋。
电子轨道磁矩 原子的磁矩 电子自旋磁矩
原子核自旋磁矩
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17
1. 磁矩
与电荷类似，将磁荷定义成磁的基本单位。两磁 极若分别有q1和q2磁荷的磁极强度，则其作用力
F
k
q1q2 r2
其中r为磁极间距，k为比例常数。
磁极q在外磁场中要受到力的作用，且有该力
第7章 材料的磁学性能 (Magnetic properties of
materials)
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1
磁性材料获得了越来越多的应用： 软磁材料：铁芯、电磁铁 硬磁材料：永久磁铁 磁记录材料：磁头、软盘、硬盘、磁带
普通物理——强调电与磁的交互作用
本章内容： 材料的磁学——材料磁学性质、来源？ 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。
单位：F为牛顿(N)，q为库仑(C)，v为米／秒 (m/s)，B为特斯拉(T)。
B是矢量，其方向是磁场方向，规定为该点所放 的小磁针平衡时N极所指的方向。
磁介质在磁场中发生磁化而影响磁场，所以磁介 质中的磁感应强度B等于真空中的磁感应强度B0 和由于磁介质磁化而产生的附加磁感应强度B之 和，即
B=B0+B
磁偶极矩与真空磁导率0的比值称为磁矩，用m
——材料内部的磁感应强度可看成材料对自由
空间的反应0H和磁化引起的附加磁场0M两
部分场叠加而成。
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8
磁化强度M用单位体积内的磁矩多少来衡量，即
其中V为材料的体积，m为其中磁矩的矢量和。
外磁场强度H增大，则材料的磁化强度增大
M=H
其中称为材料的磁化率，即单位磁场强度可引
起的材料的磁化强度，是一个无量纲的量。
磁性与材料的微观结构的联系——通过磁性研
究材料的结构：键合情况编辑p、pt 晶体结构。
2
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)
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6
——磁感应强度B描述的是传导电流的磁场和磁 介质中磁化电流的磁场的综合场的特性。
电介质中的电场强度E为真空中的电场强度E0和 由于电极化而产生的附加电场强度E之和
如果磁场在真空中形成的磁感应强度为B0，则磁 场的强度H可由下式确定：
B0=0H
0：真空磁导率（真空透磁率）
0=410-7亨利／米(H/m)
magnetization)
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根据材料 的磁化率， 将材料分 为五类
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1. 抗磁体：<0且绝对值很小，在10-6数量级。
约一半金属是抗磁体，如Cu，Ag，Au，Hg， Zn、Bi、Ga、Sb、Sn、In等。
2．顺磁体： >0，在10-3～10-6数量级。
如奥氏体， Pt，Pd，Li，Na，K，Rb等。
F=qH其ຫໍສະໝຸດ H为外磁场的强度。编辑ppt
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实际上磁极总是以正负对的形式存在，目前尚 未发现单独存在的磁极。 （此句要修正——《Science, 2009,9,3》）
将相互接近的一对磁极＋q和－q称为磁偶极子
真空中，单位外磁场作用在相距d的磁偶极子上 的最大的力矩
Pm＝qd 称为该磁偶极子的磁偶极矩（磁动量）。
磁力——通过磁场传递。
磁场——通过对载流导体或运动电荷有力的作用 体现出来的——定义磁场中一点的磁感应强度
B k Fmax qv
q：磁场中运动电荷的电量；v：电荷的运动速度； Fmax：电荷在磁场中所受的最大力，出现在电荷 运动速度与磁场方向垂编直辑pp时t ；k：比例系数 5
国际单位制中通过选择合适的单位使k=1，则 B Fmax qv
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7.2 孤立原子的磁矩 (Magnetic moment of isolated
atoms)
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7.2.1 电子和原子核的磁矩 (magnetic moments of
electrons and atomic nucleus)
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从本质上说，一切材料的磁性都来源于电荷的运 动（或电流）。 材料的磁性源于原子（小磁铁）的磁性。
定义
r
0
为材料的相对磁导率，编辑rp也pt 是无量纲的。可推9导
B=H=0H+0M=0H+0H＝0(1+)H
所以
0
1r
1
——绝对磁导率、相对磁导率r、和磁化率都
是描述材料在外磁场下磁化能力的物理量，他们 之间有固定的关系，知道其中的一个即可求出另 外的两个。
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7.1.2 材料磁化的分类 (classification of material
顺磁体的另一特征是其磁化率一般与绝对温度
成反比。
3．铁磁体： >0且很大，可达106数量级，与外
磁场呈非线性关系。
在高于某一临界温度Tc变成顺磁体， Tc称为居里 点或居里温度。外磁场消失仍保留一定的磁化率
如Fe，Co，Ni，Y，Dy及其某些合金等。
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4．亚铁磁体： >0，与铁磁体类似，但 小些。