第三章材料的磁学性能

稀土金属的顺磁性较强，磁化率较大且遵从居 里-外斯定律。这是因为它们的4f或5d电子完层未填 满，存在未抵消的自旋磁矩所造成的。
过渡族金属，在高温基本都属于顺磁体，但其 中有些存在铁磁转变(如Fe、Co、Ni)，有些则存在 反铁磁转变(如Cr)。这类金属的顺磁性主要是由于 它们的3d-5d电子壳层末填满，d-和f-态电子未抵消 的自旋磁矩形成了晶体离子的固有磁矩，从而产生 了强烈的顺磁性。
同质异构相转变时，伴随磁性转变。
合金的相结构及组织对磁性的影响比较复杂 。
3.2.6 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。
3.3 物质的铁磁性及其物理本质
铁磁性材料的磁性是自发产生的，磁化过程只 不过是把物质本身的磁性显示出来，而不是由外界 向物质提供磁性的过程。
因交换作用而产生的附加能量成为交换能。
交换能 A 为交换能积分常数，θ为相邻原子的两个电子 自旋磁矩之间的夹角。 系统稳定本着能量最低原则。 当磁性物质内部相邻原子电子的交换能积分常 数为正 (A＞0)时，相邻原子磁矩将同向平行排列 （能量最低），从而实现自发磁化。这就是铁磁性 产生的原因。这种相邻原子的电子交换效应，其本 质仍是静电力迫使电子自旋磁矩平行排列，作用的 效果好像强磁场一样。
3.3.2 反铁磁性和亚铁磁性
反铁磁性
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。这样一种特性称为反铁磁性。 研究发现，纯金属α-Mn、Cr等是属于反铁磁 性。还有许多金属氧化物如MnO、Cr2O3、CuO、 NiO等也属于反铁磁性。
但在常温下，由于热运动的影响，原子磁矩难以 有序化排列，故顺磁体的磁化十分困难，磁化率一般 仅为10-6～10-3。
根据顺磁磁化率与温度的关系，顺磁质分为三大类： 1. 正常顺磁体 O2、NO、Pd稀土金属，Fe、Co、Ni的盐类，以 及铁磁金属在居里点以上都属正常的顺磁体。其中 有部分物质能准确地符合居里定律，它们的原子磁 化率与温度成反比 。 居里定律
磁化率：磁化强度与外磁场强度的比值。与材料和温 度有关
介质磁化后必然影响介质所在处的磁场 加入介质前的磁感应强度。
加入介质后的强度磁感应强度。
令： 则：
磁导率
材料内磁感应强度与磁场强度的比值。 相对磁导率
物质的磁性分类 根据物质的磁化率，把物质的磁性大致分为抗磁 体、顺磁体、反铁磁体、铁磁体和亚铁磁体。
亚铁磁性
交换积分A＜0，则原于磁矩取反向平行排列能量 最低。如果相邻原子磁矩不等，原子磁矩不能相互抵 消，存在自发磁化。这样一种特性称为亚铁磁性。
亚铁磁性物质由磁矩大小不同的两种离子 (或原子) 组成，相同磁性的离子磁矩同向平行排列，而不同磁 性的离子磁矩是反向平行排列。由于两种离子的磁矩 不相等，反向平行的磁矩就不能恰好抵消，二者之差 表现为宏观磁矩。 具有亚铁磁性的物质绝大部分是金属的氧化物，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 接的交换作用，称为超交换作用。
时，
的状态
从退磁状态直到饱和之的磁化过程。 时的磁导率。
弱磁场下工作的软磁材料，要 求有较大的起始磁导率，信号变压 器、电感的磁芯。 最大磁导率 强磁场下工作的软磁材料，要 求有较大的最大磁导率。
磁滞
铁磁和亚铁磁材料在技术磁 化过程中存在不可逆过程，磁场 减小时 和 变化滞后。 剩余磁化强度 剩余磁感应强度
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。
磁化强度：单位体积的总磁矩。
等效磁荷观点 材料的的每个磁分子就是一个磁偶极子。
无外磁场时：热运动、杂乱无章，不显宏观磁性。 有外磁场时：沿磁场方向排列，显现宏观磁性。
磁极化强度：单位体积的总磁偶极矩。
磁化强度和磁极化强度：
μ0真空的磁导率。
3.1.2 磁化率和磁导率
磁化率 材料磁化强度与外磁场强度和温度有关。
1907年法国人外斯提出了铁磁性的“分子场”假说： 认为在铁Hale Waihona Puke Baidu质内部存在很强的“分子场”，在分 子场的作用下，原子磁矩趋向平行排列，即自发磁化 至饱和，称为自发磁化。 在这个理论的基础上发展了现代的铁磁理论。
铁磁质自发磁化成若干个小区 域（自发磁化至饱和的小区域“磁 畴”），由于各个区域的磁化方向 各不相同，其磁性彼此相消，所以 大块铁磁质对外并不显示磁性。
去掉磁场后的 矫顽力 时所需要的退磁场强度
磁滞损耗
磁滞回线所围的面积。
通常所说的磁滞回线及其表征参数是指磁化强度 随磁场强度的变化的曲线和参数。 和 随最大磁场强度的减 小而减小。 通过逐渐减小最大磁场的强 度，可实现退磁。
μ、Mr和Hc都是对材料组织敏感的磁参数，决定于 材料的组成、显微组织、形态和分布等因素的影响。 不同的磁性材料的应用范围也不同。 具有小Hc值、高μ的瘦长形磁滞回线的材料，适宜 作软磁材料。 具有大的Mr和Hc、低μ的短粗形磁滞回线的材料适 宜作硬磁(永磁)材料。 而Mr／Ms从接近于 1 的矩形磁滞回线的材料，即 矩磁材料则可作为磁记录材料。
3.2.5 影响金属抗、顺磁性的主要因素
温度和磁场强度对抗磁性的影响甚微，但当金 属熔化凝固、范性形变、晶粒细化和同素异构转变 时，电子轨道的变化和原子密度的变化，将使抗磁 磁化率发生变化。
熔化、加工硬化和晶粒细化等因素都是使金属 晶体趋于非晶化，都是因变化时原子间距增大、密 度减小，使得抗磁性减弱。
磁化曲线 物质的磁化强度、磁感应强度、磁导率等磁参量 随磁场强度增大的变化曲线。
铁磁体的三种磁化曲线 饱和磁化 饱和磁化强度 饱和磁感应强度
抗磁、顺磁和反铁磁物质的磁化曲线与过程无关。 铁磁性和亚铁磁性物质的磁化曲线与过程有关。
磁滞回线 磁化强度或磁感应强度随磁场强度变化一周形成 的闭合曲线。
退磁状态 技术磁化 起始磁导率
3.2.2 物质的抗磁性
原子的磁矩为零的物质对外不显示磁性。但在外 磁场的作用下原子的磁矩不再为零，对外表现出一定 的抗磁性。 抗磁性产生的原因 电子的轨道运动在外磁场的作用下产生了附加磁 矩。
附加磁矩与外磁场方向相反，物质磁化后内部产 生与外场方向相反的附加磁场，对外表现出抗磁性。 磁化强度与磁场强度方向相反，磁化率χ< 0。
3.1.1 磁化现象及磁化强度
磁化 物质受到磁场的作用而表现出一定的磁性。 磁介质 能够磁化的物质。
电磁学中物质磁化理论的两种观点：
（1） 分子环流观点。
（2） 等效磁荷观点。 分子电流观点
安培提出分子环流假说： 物质中的每个磁分子都相当一个环形电流，即是 一个分子磁矩。 无外磁场时：热运动、杂乱无章，不显宏观磁性。 有外磁场时：沿磁场方向排列，显现宏观磁性。
交换能积分常数A不仅与电子运动状态的波函数有关， 还强烈依赖于原子核间的距离和未填满壳层半径有关。
Rab-原子间距 r-未填满的电子层半径 如图所示。由图可见，只有当原子核之间的距 离Rab与参加交换作用的电子距核的距离(电子壳层 半径r) 之比大于3，交换积分才有可能为正。铁、钴、 镍以及某些稀土元素满足自发磁化的条件。
3.2 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。
Orbita 轨道磁矩
l
Spin 自旋磁矩
原子核也进行自转运动也有其自旋磁矩，但与电 子磁矩相比很小，通常被忽略。 原子磁矩 原子的磁矩主要由电子磁矩组成，而电子磁矩是 轨道磁矩和自旋磁矩的矢量和。 原子中的电子按不同的壳层进行排列，当电子壳 层被排满时电子的轨道运动和自旋运动占据了所有可 能方向，电子总的角动量为零，电子的总磁矩为零。 当某一电子壳层未被排满时，这个电子壳层的电 子总磁矩才不为零，该原子对外就要显示磁矩。
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。
铁磁质受热原子间距离增大，电子间交换作用 减弱，自发磁化减弱，当高于一定温度时交换作用 被破坏，表现为顺磁性，这个转变温度被称为居里 温度。
第三章 材料的磁学性能
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。它不仅取决于物质的原子结构，还 取决于原子间的相互作用——键合情况、晶体结构。 因此，研究磁性是研究物质内部结构的重要方法之一。
本章主要介绍有关磁性理论、磁性的现象和磁性 分析方法在材料研究中的主要应用。
3.1 材料的磁化特征及其基本参数
3.3.1铁磁质的自发磁化
3.3.1铁磁质的自发磁化
“分子场”来源于电子间的静电相互作用。 实验证明铁磁质自发磁化的起因是源于原子未被 抵消的电子自旋磁矩，而轨道磁矩对铁磁性几乎无贡 献。 物质具有铁磁性的基本条件： (1)物质中的原子有磁矩；
(2)原子磁矩之间有一定的相互作用。
铁磁性物质在居里温度以上是顺磁性；居里温 度以下原子磁矩间的相互作用能大于热振动能，显 现铁磁性。
1.抗磁体：χ 为负值，很小，约在10-6数量级。
2.顺磁体：χ 为正值，很小，约在10-3～10-6数量
级。
3.反铁磁体：χ 为正值，很小。 4.铁磁性体：χ 为正值，很大，约在10～106数量
级。
5.亚铁磁体：χ 为正值，没有铁磁性体大。
物质的磁性分类、磁性特征及磁化机制？？？
3.1.3 磁化曲线和磁滞回线
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。
非金属中除氧和石墨外，都是抗磁体。如 Si、S、 P以及许多有机化合物，它们基本上是以共价键结合 的，由于共价电子对的磁矩互相抵消，因而它们部 成为抗磁体。
在Cu、Ag、Au、Zn、Cd、Hg等金属中，由 于它们的离子所产生的抗磁性大于自由电子的顺磁 性，因而它们属抗磁体 。
所有的碱金属和除Be以外的碱土金属都是顺磁 体。虽然这两族金属元素在离子状态时有与惰性气 体相似的电子结构，似应成为抗磁体，但是由于自 由电子产生的顺磁性占据了主导地位，故仍表现为 顺磁性。
凡是电子壳层被排满了的物质都属于抗磁体。
电子壳层未被排满了的物质，也具有一定的抗磁 性，但不一定是抗磁体。
3.2.3 物质的顺磁性
顺磁性物质的原子或离子具有一定的磁矩，这 些原子磁矩来源于未满的电子壳层(例如过渡族元素 的3d壳层)。在顺磁性物质中，磁性原子或离子分开 的很远，以致它们之间没有明显的相互作用，因而在 没有外磁场时，由于热运动的作用，原子磁矩是无规 混乱取向。当有外磁场作用时，原子磁矩有沿磁场方 向取向的趋势，从而呈现出正的磁化率。

顺磁体的χ-T 关系曲线示意图
3.2.4 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。