第六章材料的磁性能-第一节和第二节-Xu 2017.9.27

汉（公元前206－公元220年）。盘17.8×17.4厘米,勺长11.5，口径4.2厘
米。司南由青铜地盘与磁勺组成。地盘内圆外方；中心圆面下凹；圆 外盘面分层次铸有10天干，十二地支、四卦，标示二十四个方位。磁 勺是用天然磁体磨成，置于地盘中心圆内，勺头为N，勺尾为S，静止 时，因地磁作用，勺尾指向南方。
宏观 M H
M
微观 M m V
外磁场
材料
N
S
N
S
6.1.2、物质的磁性分类
根据物质磁化率，可将物质 的磁性大致分为五类： 抗磁性 顺磁性
铁磁性
亚铁磁性 反铁磁性
① 抗磁性
磁化率χ为很小的负值（-10-6） 常数

一半的简单金属都是抗磁性 根据与温度的变化分为
Compassing Global Position Systems Vehicle Detection
Navigation
Rotational Displacement
Position Sensing
Communication Products
Current Sensing
磁性材料器件及应用
汽车领域
司南
此模型是王振铎先 生据《论衡》等书 记载并参照出土汉 代地盘的研究复制。
中国古代制备指南针的方法
直接浮在水面上； 置于指甲上； 置于碗的边缘上； 悬于绳子上。
西方的传说
• 牧羊人发现他的木棍的铁端，被一块石头牢牢 吸住。 • 这种石头在小亚细亚（Asia Minor）、马其顿的 Magnesia地区以及爱奥尼亚的Magnesia城都被 发现过。 • 人们相信“Magnetism”一字来源于这些地名。
原子本征磁矩
磁来源于原子磁矩
电子轨道磁矩 me 电子自旋磁矩 ms
原子核磁矩
原子固有磁矩 （本征磁矩）
m
原子核磁矩很小，只有m的千分之一，忽略
金属为抗磁性还是顺磁性是由电子轨道磁矩和电子自旋磁 矩所决定，这两部分矢量和称为原子本征磁矩
源自文库
1、电子轨道磁矩
电子绕核运动好似环形电流——产生磁矩 me
1. 中国古代的磁性
书名
管子 (～645BC) 鬼谷子 (～400BC) 韩非子 (3rd century BC) 论衡 (82/83 AD) (东汉) 梦溪笔谈 (1086 AD，南宋)
作者
管仲 鬼谷 韩非 王充 沈括
描述
慈(磁)石 磁石吸针 司南 司南勺 指南针
参考文献: 李国栋, 中国磁学的历史 宋德生，李国栋，电磁学发展史
顺磁性物质中的抗磁性被掩盖了 大多数物质都属于顺磁性
自由电子的顺磁性
来源： 自由电子的自旋磁矩
电顺
2 N 0 B EF
B0
EF
E
N 2
自由电子的抗磁性
自由电子∥B0 的分运动将保持不变 自由电子⊥B0 的分运动，因受到洛仑兹力而作圆周运动 圆周运动产生的磁矩与外磁场方向相反——抗磁性
e e 2 2 me iS e r mr L 2m 2m 2
注意： me的方向⊥电子运动轨迹平面，符合右手螺旋定则 轨道磁矩在外磁场方向上的投影符合量子化条件 由玻尔量子轨道理论知道：在同一主电子层内，电子轨道磁矩为：
mez ml B
廖绍彬，钟文定铁磁学（上，中，下），科学出版 社
第六章
材料的磁性能
6.1 磁学基本量及磁性分类 6.2 铁磁性（亚铁磁性）的特性 6.3 磁性材料的自发磁化和技术磁化 6.4 磁性材料的动态特性 6.5 磁性材料 6.6 信息存储磁性 6.7 磁性测量及其在材料科学与工程的应用
第一节
磁矩
磁学基本量及磁性分类
③ 铁磁性

χ很大的正值
如：铁、钴、镍

在弱磁场下产生很大的磁化强度 与外磁场成非线性关系 有居里点 （铁磁性 顺磁性）
④ 亚铁磁性
χ值没有铁磁体大
⑤ 反铁磁性
χ值为小正值
在温度低于某温度时，χ同磁场取向有关， 高于这个温度行为像顺磁性。如：铬、氧化镍、氧化锰等
6.1.3、原子本征磁矩、抗磁性、顺磁性
Nijmegen High Field Magnet Laboratory
无重力的水珠
Nijmegen High Field Magnet Laboratory
结论
世上万物都有磁性 分类为强磁性和弱磁性 应用于科技和工程上的磁性材料多为强磁性物质
最早的磁铁矿主要为
Fe3O4
参考书
冯端等著，金属物理学，凝聚态物理丛书，第四卷， 超导电性和磁性。科学出版社（1998) 宛得福，磁性物理， 电子科技出版社 CHIKAZUMI, Physics of Ferromagnetsm. 2nd Edition， Oxford University Press
磁学是一门即古老又年轻的学科
磁石：最早的著作《De Magnete》W.Gibert 18世纪 奥斯特 电流产生磁场； 法拉弟效应 在磁场中运动导体产生电流；
安培定律 构成电磁学的基础。
电动机、发电机 开创现代电气工业。
1907年 1919年 1928年 1931年 1935年
6.1.1、磁学基本量
环形电流周围的磁场犹如条形电流磁场
S
m
i
环形电流磁矩为：
N
m iS
S为环流多包围的面积
力矩
将磁矩放到一个外磁场B中，它受到一个力矩τ
m B
m B sin
静磁能
磁矩与外磁场的作用能——静磁能
U d m B sin d m B cos


U m B m B cos
当m顺着B的方向（θ=0° ）时
当m逆着B的方向（θ=180°）时 cosθ=1 cosθ=-1
U mB 最小 U mB 最大
大小之间相差2mB
净力
磁矩在不均匀磁场中，还会受到一个净力（不平衡的力）的作用
一维情况：
B弱
F小 F小
正离子的顺磁性
正离子的顺磁性来源于原子的固有磁矩（本征磁矩）m me m m s m me=0 ms=0 如果原子中所有的电子壳层都是填满的
=0
磁矩相互抵消
产生顺磁性的条件
——原子的固有磁矩 m≠0 形成m≠0的条件有： 电子数为奇数的原子或正离子，ms≠0
电子壳层未填满的原子或正离子，me ≠ 0、ms ≠0
P.Weiss的磁畴和分子场假说 巴克豪森效应 海森堡模型：用量子力学解释分子场起源 Bitter在显微镜下直接观察到磁畴 荷兰Snoek发明软磁铁氧体
1933年 加藤与武井发现含Co的永磁铁氧体
1935年 Landau和Lifshitz考虑退磁场, 理论上预言 了磁畴结构 1946年 1948年 Bioembergen发现NMR效应 Neel建立亜铁磁理论
第六章 材料的磁性能
引言
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。 磁学运用到纳米学科-----纳米磁学，MEMS的发展 不可避免的会使用各种类型的磁性材料。
L

I
运动
L

me 与 L 的方向相反
e me L 2m
v
e
由于外磁场方向与运动产生的磁化方向相反，则
0 zNe 2 2 M 抗 r H 6m
χ抗与z成正比，与温度、磁场强弱无关 任何物质在外磁场作用下都要产生抗磁性
χ抗数量级很小10-6，常被顺磁性或其它磁性掩盖
m m
dU dB Fx m dx dx
N
F大 F大
B强
x
S
磁感应强度
磁场H在真空中的磁感应强度B0
真空磁导率
B0 0 H
磁感应 强度 磁场 强度 N
B0
S
将材料放入磁场 H的自由空间，材料中的磁感应强度B为
B H
绝对磁导率
任何材料在外磁场作用下都会或大或小地显示出磁性， 这种现象称为材料被磁化。 一个物体在外磁场中被磁化的程度，可以用物理量磁化 强度M来表示
原子（正离子）的抗磁性
来源：电子的轨道磁矩 正离子：核+内层电子 正离子在外磁场H作用下，产生 一个附加磁矩 m e
H ( B0 )
me

I
v
e
m e 的方向总是与H的方向相反
解释这一现象：
电量：转动起来 形成 环流 产生
H ( B0 )
电子
质量：转动起来 形成
me
me
轨道角动量 产生
材料的磁性要从
正离子的抗磁性 正离子的顺磁性 自由电子的抗磁性 自由电子的顺磁性
碱金属 过渡和稀 碱土金属 土族金属
四方面综合讨论
元 素 磁 性
μ 0 Ze 2 N 2 离抗 γ 6m μ 0 Nm 2 离顺 3kT
Cu, Au, Ag, Zn
惰性气 体
√
╳
自由电子顺
μ 0 Nμ B 2 EF
永磁起动电机 传感器 无刷直流电机
计算机领域 光驱 存储器 打印机 消费类电子产品领域 微型马达 扬声器 耳机 麦克风 电器领域 便携式电动工具电机 家用电器电 机 工业自动化领域 磁耦合器 伺服电机 工业产品领域 磁分离器 磁起重设备
11
草莓是磁性的吗？
实验：磁场约为16 Tesla，置于一强磁体的 Ø 32mm 孔中 (320.000 倍 地磁场)
ml 0,1,2 l B ——玻尔磁子，它是电子磁矩的最小单位
B e 2m 9.2731024 J / T
2、电子自旋磁矩
电子具有自旋运动，所以有自旋磁矩 自旋磁矩在外磁场方向上的分量恰好为一个玻尔磁子
msz B
电子自旋方向与外磁场方向 相同为正 相反为负
原子磁矩一致排列
B0 kT
m
B0 kT
m
——能使m∥B 排列的最小B0 通常室温下磁场大约20~60K Oe
要使m∥B
单位体积内金属 顺磁磁化率为：
顺 M
n 0 m C H 3kT T
居里定律 正离子的顺磁性与温度成反比
总结:
原子的磁性：


顺磁性物质磁化率比抗磁性物质磁化率大1~3个数量级
χ不随温度变化——”经典“抗磁体（铜、银、金、汞、锌等） χ随温度变化——反常抗磁体，χ值是前者的10～100倍（铋、镓 、锑等）
② 顺磁性
磁化率χ为很小的正值(10-3～10-6) 常数

根据与温度的变化分为
χ随温度变化——正常顺磁体（铂、钯、奥氏体不锈钢、稀土金 属等） χ不随温度变化——锂、钠、钾（碱金属）等
正离子的固有磁矩m在外磁场方向上的投影，形成原子 的顺磁磁矩
每个原子都有一个固有磁矩m
无外磁场时
根据经典统计理论，热振动原子的动能正比于温度
Ek kT
Ek kT
加外磁场后 m具有转向外磁场方向的趋势 静磁能下降 U m B0 cos 当：Ek=U时 θ=0°
kT mB0
1988年 巨磁电阻GMR的发现, M.N.Baibich 2007诺 贝尔奖A.Fert和P.Grü nberg 1994年 1995年 CMR庞磁电阻的发现，Jin等LaCaMnO3 隧道磁电阻TMR的发现,T.Miyazaki
The World of Magnetic Sensors
√主要
与T无 关
√ √主要 √
与T有关 顺→铁
√主要
╳
√主要
╳ ╳
√
内层电子壳层填满电子 ∴m=0 ,⊿me≠0显示
1954-1957年 RKKY相互作用的建立
1958年 1960年 1965年
Mö ssbauer效应的发现 非晶态物质的理论预言 Mader和Nowick制备了CoP铁磁非晶态合金
1970年
1982年 1984年 1986年
SmCo5稀土永磁材料的发现
扫描隧道显微镜,Brining和Rohrer, ( 1986 年,AFM ) NdFeB稀土永磁材料的发现 Sagawa 高温超导体，Bednortz-muller
材料内部的磁感应强度B可以看成是两部分叠加而成，即：
B 0 H 0 M 0 ( H M ) H
B 0 H 0 M 0 ( H M ) H
一是材料对自由空间磁场的反映 0 H
B
一是材料对磁化引起的附加磁场的反映 0 M
单位体积磁化率