材料的磁学性能剖析
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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
当物体在外加磁场中被磁化时，物体所在空间的总磁场强度 Ht=H+M，根据Ht=H+H’，得到：
H M
磁化强度不仅与外加磁场有关，还与物质本身的磁化特性有关。 磁化率χ：表征物质本身的磁化特性，量纲为1，其值可正、可负。
M H
磁感应强度B(磁通密度)：通过磁场中某点，垂直于磁场方 向单位面积的磁力线数，单位为T(特斯拉)，它与磁场强度H 的关系是：
➢所有物质都是由原子构成的，而原子由原子核及核外电 子构成。带有负电荷的电子在原子核周围作轨道运动和自 旋运动。
近
代发 原现 子电 论子
带 核 原 子
轨 道 原
结子
电
构结
子
模构
云
型模
模
型
型
➢无论轨道运动还是自旋运动都会产生磁矩。原子核，由 于带电，其运动也会产生磁矩，只是其磁矩很小，例如， 氢核质子产生的磁矩仅为电子产生磁矩的1/2000左右。
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。
轨道角量子数l：l=0时说明原子中电子运动情况同角度无关，即原子轨道的轨 道是球形对称的；如l=1时，其原子轨道呈哑铃形分布；如l=2时，则呈花瓣形 分布。
– 磁体间的力（吸引或排斥）； – 电磁感应； – 能量转换、存储或改变能量状态。
• 磁性状态及磁性强弱与物质结构密切相关。
– 材料电子结构、原子结构、晶体结构等的研究。
中国古代四大发明之一 -司南
指南针
电磁铁
磁铁
第一节 基本磁学性能
一、材料的磁性
➢物质的磁性的根源是材料内部电子的Biblioteka Baidu轨和自旋运动， 或者说，是电流。
• 磁性是最早发现一切物质的基本属性之一。
– 公元前3世纪《吕氏春秋》记载：“慈石招铁，或引之也”； – 司马迁《史记》记载：黄帝在作战中使用了指南车； – 公园11世纪沈括《梦溪笔谈》记载：磁石南北指向、磁偏角； – 公园12世纪初朱或《萍洲可谈》记载：罗盘的使用。
• 磁性是磁性材料的一种使用性能。
支杆法/触头法 prods
磁化方法
线圈法 coil
磁介质：能被磁场磁化的物质。
抗磁质
磁介质内部总磁场削弱。 惰性气体、Cu、Ag、Au、Hg、Cd等
顺磁质
磁介质内部总磁场加强。 O、石墨、所有碱金属、碱土金属(Be除外)、 Ti、V、Cr、Mn等
铁磁质
强磁性物质，是特殊的顺磁质。 主要为Fe、Co、Ni
m IS
m
在均匀磁场中，磁矩受到磁场作用的力矩J
J mB
磁矩在磁场中所受的力
Fx
m
dB 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
➢物质磁性的主要根源是电子的运动。
磁矩
磁偶极子的概念是讨论磁性材料的核心问题。磁体的 最小基元是小圆形电流（“分子电流”）一个小圆形 电流所形成的磁场。因此一个小圆形电流可称作一个 磁偶极子。一个电偶极子有它的电矩。一个磁偶极子 (小圆形电流)有它的磁矩。
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 ：
透过铁粉显示出的磁场线
地球磁场倒转
磁化强度M：
磁化强度表征磁介质本身的磁化程度。在外磁场的作用下，在磁 介质内任取一个体积单元，要求这个体积单元在微观上要足够大， 即包含足够数量的磁偶极子，但在宏观上要足够小，即能表征该 处的磁化强度。磁化强度的物理意义：单位体积的磁矩。
M
1 V
mi
磁化强度的单位是 A/m(安/米)。mi为原 子固有磁矩。
磁场强度在历史上最先由磁荷观点引出。类比于电荷的库仑定 律，人们认为存在正负两种磁荷，并提出磁荷的库仑定律。单
位正点磁荷在磁场中所受的力被称为磁场强度H。
当磁介质在磁场强度为H的外加磁场中被磁化时，会产生 一个附加磁场H’，此时总磁场强度Ht为两部分的矢量和
Ht H H 磁场强度的单位是A/m(安/米).
↑↓ ↑ ↑ ↑ ↑
未抵消自旋数：4
4)分子磁矩 当原子结合成分子时，它们的外层电子磁矩要发生变化，所 以分子磁矩并不是单个原子磁矩的总和。
一个分子中的电子的轨道运动产生的轨道磁矩和电子自旋产 生的自旋磁矩的总和就构成分子的分子磁矩。
二、材料的磁化
磁铁从铜铸管中通过
磁化：物质在磁场中由于受磁场的作用会改变磁场的强度， 即都呈现出一定的磁性的现象。
B 0( H M ) 0(1 )H 0r H H
式中:μ0为真空磁导率，它等于4π×10-7H/m(享/米)，μr为相 对磁导率； μ为磁导率或导磁系数，单位与μ0相同，反应了 磁感应强度B随外磁场H变化的速率。
磁力线
磁感应强度也被称为磁通量密度或磁通密度。磁感强度大表示 磁感强；磁感强度小，表示磁感弱。 在国际单位制（SI）中，磁感应强度的单位是特斯拉（T）。 在高斯单位制中，磁感应强度的单位是高斯(Gs )，1T=10KGs 等于10的四次方高斯。由于历史的原因，与电场强度E对应的 描述磁场的基本物理量被称为磁感应强度B，而另一辅助量却 被称为磁场强度H，名实不符，容易混淆。通常所谓磁场，均 指的是B。
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
2)自旋磁矩：电子自旋运动产生的磁矩，以ms表示，其 方向平行于自旋轴，其大小为
mS 2 Si Si 1mB
式中:Si为自旋量子数，其值为1/2。
原子中电子除了以极高速度在核外空间运动之外，也还有自旋 运动。电子有两种不同方向的自旋，即顺时针方向和逆时针方向 的自旋。 它决定了电子自旋角动量在外磁场方向上的分量。
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
当物体在外加磁场中被磁化时，物体所在空间的总磁场强度 Ht=H+M，根据Ht=H+H’，得到：
H M
磁化强度不仅与外加磁场有关，还与物质本身的磁化特性有关。 磁化率χ：表征物质本身的磁化特性，量纲为1，其值可正、可负。
M H
磁感应强度B(磁通密度)：通过磁场中某点，垂直于磁场方 向单位面积的磁力线数，单位为T(特斯拉)，它与磁场强度H 的关系是：
➢所有物质都是由原子构成的，而原子由原子核及核外电 子构成。带有负电荷的电子在原子核周围作轨道运动和自 旋运动。
近
代发 原现 子电 论子
带 核 原 子
轨 道 原
结子
电
构结
子
模构
云
型模
模
型
型
➢无论轨道运动还是自旋运动都会产生磁矩。原子核，由 于带电，其运动也会产生磁矩，只是其磁矩很小，例如， 氢核质子产生的磁矩仅为电子产生磁矩的1/2000左右。
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。
轨道角量子数l：l=0时说明原子中电子运动情况同角度无关，即原子轨道的轨 道是球形对称的；如l=1时，其原子轨道呈哑铃形分布；如l=2时，则呈花瓣形 分布。
– 磁体间的力（吸引或排斥）； – 电磁感应； – 能量转换、存储或改变能量状态。
• 磁性状态及磁性强弱与物质结构密切相关。
– 材料电子结构、原子结构、晶体结构等的研究。
中国古代四大发明之一 -司南
指南针
电磁铁
磁铁
第一节 基本磁学性能
一、材料的磁性
➢物质的磁性的根源是材料内部电子的Biblioteka Baidu轨和自旋运动， 或者说，是电流。
• 磁性是最早发现一切物质的基本属性之一。
– 公元前3世纪《吕氏春秋》记载：“慈石招铁，或引之也”； – 司马迁《史记》记载：黄帝在作战中使用了指南车； – 公园11世纪沈括《梦溪笔谈》记载：磁石南北指向、磁偏角； – 公园12世纪初朱或《萍洲可谈》记载：罗盘的使用。
• 磁性是磁性材料的一种使用性能。
支杆法/触头法 prods
磁化方法
线圈法 coil
磁介质：能被磁场磁化的物质。
抗磁质
磁介质内部总磁场削弱。 惰性气体、Cu、Ag、Au、Hg、Cd等
顺磁质
磁介质内部总磁场加强。 O、石墨、所有碱金属、碱土金属(Be除外)、 Ti、V、Cr、Mn等
铁磁质
强磁性物质，是特殊的顺磁质。 主要为Fe、Co、Ni
m IS
m
在均匀磁场中，磁矩受到磁场作用的力矩J
J mB
磁矩在磁场中所受的力
Fx
m
dB 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
➢物质磁性的主要根源是电子的运动。
磁矩
磁偶极子的概念是讨论磁性材料的核心问题。磁体的 最小基元是小圆形电流（“分子电流”）一个小圆形 电流所形成的磁场。因此一个小圆形电流可称作一个 磁偶极子。一个电偶极子有它的电矩。一个磁偶极子 (小圆形电流)有它的磁矩。
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 ：
透过铁粉显示出的磁场线
地球磁场倒转
磁化强度M：
磁化强度表征磁介质本身的磁化程度。在外磁场的作用下，在磁 介质内任取一个体积单元，要求这个体积单元在微观上要足够大， 即包含足够数量的磁偶极子，但在宏观上要足够小，即能表征该 处的磁化强度。磁化强度的物理意义：单位体积的磁矩。
M
1 V
mi
磁化强度的单位是 A/m(安/米)。mi为原 子固有磁矩。
磁场强度在历史上最先由磁荷观点引出。类比于电荷的库仑定 律，人们认为存在正负两种磁荷，并提出磁荷的库仑定律。单
位正点磁荷在磁场中所受的力被称为磁场强度H。
当磁介质在磁场强度为H的外加磁场中被磁化时，会产生 一个附加磁场H’，此时总磁场强度Ht为两部分的矢量和
Ht H H 磁场强度的单位是A/m(安/米).
↑↓ ↑ ↑ ↑ ↑
未抵消自旋数：4
4)分子磁矩 当原子结合成分子时，它们的外层电子磁矩要发生变化，所 以分子磁矩并不是单个原子磁矩的总和。
一个分子中的电子的轨道运动产生的轨道磁矩和电子自旋产 生的自旋磁矩的总和就构成分子的分子磁矩。
二、材料的磁化
磁铁从铜铸管中通过
磁化：物质在磁场中由于受磁场的作用会改变磁场的强度， 即都呈现出一定的磁性的现象。
B 0( H M ) 0(1 )H 0r H H
式中:μ0为真空磁导率，它等于4π×10-7H/m(享/米)，μr为相 对磁导率； μ为磁导率或导磁系数，单位与μ0相同，反应了 磁感应强度B随外磁场H变化的速率。
磁力线
磁感应强度也被称为磁通量密度或磁通密度。磁感强度大表示 磁感强；磁感强度小，表示磁感弱。 在国际单位制（SI）中，磁感应强度的单位是特斯拉（T）。 在高斯单位制中，磁感应强度的单位是高斯(Gs )，1T=10KGs 等于10的四次方高斯。由于历史的原因，与电场强度E对应的 描述磁场的基本物理量被称为磁感应强度B，而另一辅助量却 被称为磁场强度H，名实不符，容易混淆。通常所谓磁场，均 指的是B。
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
2)自旋磁矩：电子自旋运动产生的磁矩，以ms表示，其 方向平行于自旋轴，其大小为
mS 2 Si Si 1mB
式中:Si为自旋量子数，其值为1/2。
原子中电子除了以极高速度在核外空间运动之外，也还有自旋 运动。电子有两种不同方向的自旋，即顺时针方向和逆时针方向 的自旋。 它决定了电子自旋角动量在外磁场方向上的分量。