磁学性能
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各磁畴内部的磁矩平行或反平行于外加磁场， 不受这一磁场的力矩。而畴壁附近的磁矩方 向发生改变，使畴壁产生横向移动。
运 动 方 式
移 动
3. 1
磁学基础－磁化过程与技术
磁参量
（1） M随H呈线性地缓慢增 长，可逆畴壁移动过程。 （2） M随H急剧增长，不可 逆畴壁移动过程，的巴克豪森 （Barkhausen）跳跃。 （3）M的增长趋于缓慢。磁 畴的磁化矢量已转到最接近H 方向，M的增长主要靠可逆转 动过程来实现。 （4）磁化曲线极平缓地趋近 于水平线而达到饱和状态。
四. 磁畴与技术磁化
磁畴
铁磁性材料所以能使磁化强度显著增大，在
于自发磁化，产生磁畴（Domain）结构 每个磁矩方向一致的区域就称为一个磁畴。 在未受到磁场作用时，磁畴方向是无规的， 因而在整体上净磁化强度为零
不同的磁畴方向不同，两磁畴间的区域就称
为磁畴壁 。
(a) Each magnetic domain is a highly magnetized region that behaves like a small magnet (represented by an arrow whose head indicates a north pole). An unmagnetized piece of iron consists of many domains that are randomly aligned. The size of each domain is exaggerated for clarity. (b) The external magnetic field of the permanent magnetic causes those domains that are parallel or nearly parallel to the field to grow in size (shown in gold)
技术磁化的机制
技术磁化机制示意图
技术磁化的过程
3个阶段
磁学基础－磁性材料分类
力按 分矫 类顽 软磁材料 半硬磁材料 Hc<100A/m(1.25 Oe) Hc :100～1000A/m (1.25～12.5Oe)
硬（永）磁材料 Hc>1000A/m(12.5Oe) 铁芯材料 分按 类用 途 磁头材料 磁记录材料 磁致伸缩材料 变压器、继电器 录音机 磁带、磁盘 传感器
3. 物质磁性的本质
物质的磁性与原子、电子结构密切相关 A: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，而主要由自
旋磁矩引起 （后者比前者大很多） 孤立原子的磁矩决定于原子的结构
原子中有未被填满的电子壳层，原子具有固有磁矩；
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
一. 物质的磁性
1. 磁矩
Magnetic Moments
磁矩是表示磁性物体磁性大小的一个物理量。
2. 物质具有磁性的根源
原子中的电子的轨道磁矩和自旋磁矩。
轨道磁矩ml：携带电荷e的电子以轨道角动 量进行绕核运动时将产生环电流，此环电 流产生的磁矩称为轨道磁矩 自旋磁矩ms：电子自旋角动量产生的磁矩
3. 1
磁学基础－物质的磁性
（二）基本磁性参量 磁场强度：电流强度为 I 的电流在一个每米有N匝线圈的 无限长螺旋管轴线中央产生的磁场强度 H 为： H=N xI A/m （安/米） 距离永磁体r处的磁场强度 H 为： H = km1r0/r2 H/m（亨利/米） m1为磁极的磁极强度，单位为Wb(韦伯)；r0是r的矢量单 位； 磁化强度(M ):单位体积磁性材料内各磁畴磁矩的矢量和， 单位为A/m。 磁感应强度(B ):物质在外磁场作用下，其内部原子磁矩 的有序排列还将产生一个附加磁场。在磁性材料内部外加 磁场与附加磁场的和,单位为T（特斯拉）。
第九章 材料的磁学性能
物质的磁性与磁化
磁性分类
磁畴与技术磁化
磁性材料
This beautiful display of light, known as the northern lights, arises when electrons, streaming from the sun, become trapped by the earth’s magnetic fields. The electrons collide with molecules in the upper atmosphere,and the result is the production of light.
B=H+M
3. 1
磁学基础－物质的磁性
磁导率和磁化率 在真空中磁感应强度B与磁场强度H间的关系为： B=μ0H 在磁性材料中： B=μ0（H+ M） 在均匀的磁性材料中，上式的矢量和可改成代数和： B=μ0（H+M） 磁性材料的磁导率定义为磁感应强度与磁场强度之比： μ=B/H μ 0 : 真空磁导率; μ: 绝对磁导率，单位为 H/m， μr: 相对磁导率 μr =μ/μ0 磁化率定义为磁化强度与磁场强度之比： χ = M/H
A magnetic resonance imaging machine. The patient is inserted into a circular opening at one end of a solenoid.
Electric generators such as these supply electrical power to homes and industries, by producing an induced emf 电动势 (electromotive force) according to Faraday’s law of electromagnetic induction.
属，都属于顺磁物质
居里点以上的Fe,Ni,Co等
铁磁性 χ >0，室温下约为101~ 106 χ 与外磁场呈非线性变化。 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。 来源：自旋磁矩和自发磁化 结构条件： 原子内部有未填满的的电子壳层； 一定的晶体结构。
抗磁性 铁磁性
被磁化后，磁化场方向与外场方 向相反，χ ： －（10-5 – 10-6 ）
被磁化后，磁化场方向与外 场方向相同，χ ： 1 – 104
与外加磁 场的关系 Diamagnetic, Paramagnetic, Ferromagnetic, Ferrimagnetic, and Superparamagnetic
H
Dk k
m
Dm 抗磁性具有普遍性
物质是否表现出抗磁性要看物质的抗 磁场是否大于其顺磁场
顺磁性
χ >0，很小，室温下约为10-3~ 10-6
顺磁性来源：原子内部存在永久磁矩。
顺磁性物质的磁性除了与有关外，还依赖
于温度，其磁化率与绝对温度成反比
C T
过渡元素、稀土元素、还有铝铂等金
反铁磁性
亚铁磁性
χ >0，很大，但小于铁磁体的值。 典型的亚铁磁性材料：磁铁矿 （Fe3O4）
各类物质的磁化率和温度的关系及其磁结构示意图
3. 1
磁学基础－物质的磁性
(四）磁各向异性 磁性材料在不同方向上具有不同磁性能的特性。 包括：磁晶各向异性，形状各向异性，感生各向异性 和应力各向异性等。
技术磁化
铁磁体在外磁场下的宏观磁化，称为技术磁化 （以别于自发磁化），技术磁化具有不可逆性， 即磁滞现象。
磁学基础－磁化过程与技术磁参量
（二）磁畴移动与磁化过程
磁化过程：磁性材料在外磁场作用下由宏观的无磁状 态转变为有磁状态的过程。磁化是通过磁畴的运动来 实现。
转 动
受外磁场作用时，畴内整齐排列在易磁化方 向上原子磁矩一致地偏离易磁化方向而向外 磁场方向转动。外场愈强，材料的磁各向异 性愈弱，则磁矩就愈偏向外场方向。
硬磁材料的磁滞回线 宽肥，它具有高的剩 磁，高矫顽力和高饱
和磁感应强度。磁化
后可长久保持很强磁 性，难退磁，适于制
成永久磁铁。
◆ 矩磁材料
矩磁性材料 在信息存储 领域内的作 用越来越重 要 录音技术 录像技术 计算机技术 日常生活中
Savannah sparrows like the one shown in the photograph, use the earth’s magnetic field to navigate during migration.
The magnetic fringe field of the recording head penetrates the magnetic coating to become magnetized.
B:自发磁化（“交换作用”）
处于不同原子间的未被填满壳层上的电子 发生的特殊的相互作用称为 “交换”作用
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
“交换能”与晶格的原子间距有密切关系
交换能与a/r的关系
a:原子间距；r: 未填满壳层的原子半径
二. 物质的磁化
（三）磁化曲线
磁化过程四阶段：
磁滞回线
矫顽力Hc、 剩余磁感应强度Br （或剩余磁化强度Mr） 和最大磁能积（BH）max
矫顽力Hc:去掉剩磁的临界外磁场
铁磁体的技术磁化曲线（磁滞曲线）
磁滞回线
矫顽力Hc、 剩余磁感应强度Br （或剩余磁化强度Mr） 和最大磁能积（BH）max
铁磁体的技术磁化曲线（磁滞曲线）
磁化：
物质在磁场中由于受磁场的作用都呈现
出一定的磁性，这种现象称为磁化。
磁介质
凡是能被磁场磁化的物质
H总 = H + H’
磁化强度
磁化强度也是描述磁质被磁化后其磁性
强弱的一个物理量。
M H
χ 称为磁化率或磁化系数
3. 1
磁学基础－物质的磁性
(三）物质磁性Fra Baidu bibliotek分类 顺磁性 物 质 磁 性 分 类 被磁化后，磁化场方向与外 场方向相同，χ ：10-3-10-6
铁磁体的铁磁性只在某一温度以下才表现
出来，超过这一温度，铁磁性消失。这一温
度称为居里点其磁化率与温度的关系服从居
里一外斯定律
C T TC
自然界中的铁磁性材料都是金属。目
前发现9种元素。Fe,Ni,Co及其合金
反铁磁性
χ >0，很小，与
温度关系复杂。 反铁磁性物质大 都是非金属化合物， 如MnO。 不论在什么温度 下，都不能观察到 反铁磁性物质的任 何自发磁化现象， 因此其宏观特性是 顺磁性的
三.磁性的分类
抗磁性
当磁化强度为负时，固体表现为抗磁性
χ <0, -10-6，与温度无关。
抗磁性来源：电子循轨运动
任何物质在磁场作用下都要产生抗磁
性，只有永久磁矩为0的物质才能表现
出来。
Cu,Ag,Au 等金属具有这种性质
3. 1
磁学基础－物质的磁性
产生抗磁性的原理
m Dm k Dk m：磁矩 Dm ：附加磁矩 k：向心力 Dk ：附加向心力
单晶体的易磁化和难磁化方向
3. 1
磁学基础－物质的磁性
（五）磁致伸缩 磁性材料磁化过程中发生沿磁化方向伸长 ( 或缩 短)，在垂直磁化方向上缩短 (或伸长 ) 的现象，叫 做磁致伸缩。它是一种可逆的弹性变形。材料磁致 伸缩的相对大小用磁致伸缩系数λ表示，即 ： λ=Δl/l 式中， Δl 和l 分别表示磁场方向的绝对伸长与原 长。在发生缩短的情况下， l 为负值，因而 λ 也为 负值。当磁场强度足够高，磁致伸缩趋于稳定时， 磁致伸缩系数 λ 称为饱和磁致伸缩系数，用 λ s 表 示。 对于3d金属及合金:λ s约为 10-5—10-6。
磁屏蔽材料
通讯仪器、电器
五. 磁性材料
◆
软磁材料 (Soft Magnetic Materials)
● 在外磁场中容易被磁化
也容易退磁的材料
●
起始磁导率高，矫顽力
很小（磁滞损耗小）。
● 磁材料适合于交变磁场
的电感元件，如变压器的 铁芯，这时，铁芯的发热
量少。此外，还可用于电
机和开关器件
◆ 硬磁材料 (Hard magnetic materials)
运 动 方 式
移 动
3. 1
磁学基础－磁化过程与技术
磁参量
（1） M随H呈线性地缓慢增 长，可逆畴壁移动过程。 （2） M随H急剧增长，不可 逆畴壁移动过程，的巴克豪森 （Barkhausen）跳跃。 （3）M的增长趋于缓慢。磁 畴的磁化矢量已转到最接近H 方向，M的增长主要靠可逆转 动过程来实现。 （4）磁化曲线极平缓地趋近 于水平线而达到饱和状态。
四. 磁畴与技术磁化
磁畴
铁磁性材料所以能使磁化强度显著增大，在
于自发磁化，产生磁畴（Domain）结构 每个磁矩方向一致的区域就称为一个磁畴。 在未受到磁场作用时，磁畴方向是无规的， 因而在整体上净磁化强度为零
不同的磁畴方向不同，两磁畴间的区域就称
为磁畴壁 。
(a) Each magnetic domain is a highly magnetized region that behaves like a small magnet (represented by an arrow whose head indicates a north pole). An unmagnetized piece of iron consists of many domains that are randomly aligned. The size of each domain is exaggerated for clarity. (b) The external magnetic field of the permanent magnetic causes those domains that are parallel or nearly parallel to the field to grow in size (shown in gold)
技术磁化的机制
技术磁化机制示意图
技术磁化的过程
3个阶段
磁学基础－磁性材料分类
力按 分矫 类顽 软磁材料 半硬磁材料 Hc<100A/m(1.25 Oe) Hc :100～1000A/m (1.25～12.5Oe)
硬（永）磁材料 Hc>1000A/m(12.5Oe) 铁芯材料 分按 类用 途 磁头材料 磁记录材料 磁致伸缩材料 变压器、继电器 录音机 磁带、磁盘 传感器
3. 物质磁性的本质
物质的磁性与原子、电子结构密切相关 A: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，而主要由自
旋磁矩引起 （后者比前者大很多） 孤立原子的磁矩决定于原子的结构
原子中有未被填满的电子壳层，原子具有固有磁矩；
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
一. 物质的磁性
1. 磁矩
Magnetic Moments
磁矩是表示磁性物体磁性大小的一个物理量。
2. 物质具有磁性的根源
原子中的电子的轨道磁矩和自旋磁矩。
轨道磁矩ml：携带电荷e的电子以轨道角动 量进行绕核运动时将产生环电流，此环电 流产生的磁矩称为轨道磁矩 自旋磁矩ms：电子自旋角动量产生的磁矩
3. 1
磁学基础－物质的磁性
（二）基本磁性参量 磁场强度：电流强度为 I 的电流在一个每米有N匝线圈的 无限长螺旋管轴线中央产生的磁场强度 H 为： H=N xI A/m （安/米） 距离永磁体r处的磁场强度 H 为： H = km1r0/r2 H/m（亨利/米） m1为磁极的磁极强度，单位为Wb(韦伯)；r0是r的矢量单 位； 磁化强度(M ):单位体积磁性材料内各磁畴磁矩的矢量和， 单位为A/m。 磁感应强度(B ):物质在外磁场作用下，其内部原子磁矩 的有序排列还将产生一个附加磁场。在磁性材料内部外加 磁场与附加磁场的和,单位为T（特斯拉）。
第九章 材料的磁学性能
物质的磁性与磁化
磁性分类
磁畴与技术磁化
磁性材料
This beautiful display of light, known as the northern lights, arises when electrons, streaming from the sun, become trapped by the earth’s magnetic fields. The electrons collide with molecules in the upper atmosphere,and the result is the production of light.
B=H+M
3. 1
磁学基础－物质的磁性
磁导率和磁化率 在真空中磁感应强度B与磁场强度H间的关系为： B=μ0H 在磁性材料中： B=μ0（H+ M） 在均匀的磁性材料中，上式的矢量和可改成代数和： B=μ0（H+M） 磁性材料的磁导率定义为磁感应强度与磁场强度之比： μ=B/H μ 0 : 真空磁导率; μ: 绝对磁导率，单位为 H/m， μr: 相对磁导率 μr =μ/μ0 磁化率定义为磁化强度与磁场强度之比： χ = M/H
A magnetic resonance imaging machine. The patient is inserted into a circular opening at one end of a solenoid.
Electric generators such as these supply electrical power to homes and industries, by producing an induced emf 电动势 (electromotive force) according to Faraday’s law of electromagnetic induction.
属，都属于顺磁物质
居里点以上的Fe,Ni,Co等
铁磁性 χ >0，室温下约为101~ 106 χ 与外磁场呈非线性变化。 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。 来源：自旋磁矩和自发磁化 结构条件： 原子内部有未填满的的电子壳层； 一定的晶体结构。
抗磁性 铁磁性
被磁化后，磁化场方向与外场方 向相反，χ ： －（10-5 – 10-6 ）
被磁化后，磁化场方向与外 场方向相同，χ ： 1 – 104
与外加磁 场的关系 Diamagnetic, Paramagnetic, Ferromagnetic, Ferrimagnetic, and Superparamagnetic
H
Dk k
m
Dm 抗磁性具有普遍性
物质是否表现出抗磁性要看物质的抗 磁场是否大于其顺磁场
顺磁性
χ >0，很小，室温下约为10-3~ 10-6
顺磁性来源：原子内部存在永久磁矩。
顺磁性物质的磁性除了与有关外，还依赖
于温度，其磁化率与绝对温度成反比
C T
过渡元素、稀土元素、还有铝铂等金
反铁磁性
亚铁磁性
χ >0，很大，但小于铁磁体的值。 典型的亚铁磁性材料：磁铁矿 （Fe3O4）
各类物质的磁化率和温度的关系及其磁结构示意图
3. 1
磁学基础－物质的磁性
(四）磁各向异性 磁性材料在不同方向上具有不同磁性能的特性。 包括：磁晶各向异性，形状各向异性，感生各向异性 和应力各向异性等。
技术磁化
铁磁体在外磁场下的宏观磁化，称为技术磁化 （以别于自发磁化），技术磁化具有不可逆性， 即磁滞现象。
磁学基础－磁化过程与技术磁参量
（二）磁畴移动与磁化过程
磁化过程：磁性材料在外磁场作用下由宏观的无磁状 态转变为有磁状态的过程。磁化是通过磁畴的运动来 实现。
转 动
受外磁场作用时，畴内整齐排列在易磁化方 向上原子磁矩一致地偏离易磁化方向而向外 磁场方向转动。外场愈强，材料的磁各向异 性愈弱，则磁矩就愈偏向外场方向。
硬磁材料的磁滞回线 宽肥，它具有高的剩 磁，高矫顽力和高饱
和磁感应强度。磁化
后可长久保持很强磁 性，难退磁，适于制
成永久磁铁。
◆ 矩磁材料
矩磁性材料 在信息存储 领域内的作 用越来越重 要 录音技术 录像技术 计算机技术 日常生活中
Savannah sparrows like the one shown in the photograph, use the earth’s magnetic field to navigate during migration.
The magnetic fringe field of the recording head penetrates the magnetic coating to become magnetized.
B:自发磁化（“交换作用”）
处于不同原子间的未被填满壳层上的电子 发生的特殊的相互作用称为 “交换”作用
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
“交换能”与晶格的原子间距有密切关系
交换能与a/r的关系
a:原子间距；r: 未填满壳层的原子半径
二. 物质的磁化
（三）磁化曲线
磁化过程四阶段：
磁滞回线
矫顽力Hc、 剩余磁感应强度Br （或剩余磁化强度Mr） 和最大磁能积（BH）max
矫顽力Hc:去掉剩磁的临界外磁场
铁磁体的技术磁化曲线（磁滞曲线）
磁滞回线
矫顽力Hc、 剩余磁感应强度Br （或剩余磁化强度Mr） 和最大磁能积（BH）max
铁磁体的技术磁化曲线（磁滞曲线）
磁化：
物质在磁场中由于受磁场的作用都呈现
出一定的磁性，这种现象称为磁化。
磁介质
凡是能被磁场磁化的物质
H总 = H + H’
磁化强度
磁化强度也是描述磁质被磁化后其磁性
强弱的一个物理量。
M H
χ 称为磁化率或磁化系数
3. 1
磁学基础－物质的磁性
(三）物质磁性Fra Baidu bibliotek分类 顺磁性 物 质 磁 性 分 类 被磁化后，磁化场方向与外 场方向相同，χ ：10-3-10-6
铁磁体的铁磁性只在某一温度以下才表现
出来，超过这一温度，铁磁性消失。这一温
度称为居里点其磁化率与温度的关系服从居
里一外斯定律
C T TC
自然界中的铁磁性材料都是金属。目
前发现9种元素。Fe,Ni,Co及其合金
反铁磁性
χ >0，很小，与
温度关系复杂。 反铁磁性物质大 都是非金属化合物， 如MnO。 不论在什么温度 下，都不能观察到 反铁磁性物质的任 何自发磁化现象， 因此其宏观特性是 顺磁性的
三.磁性的分类
抗磁性
当磁化强度为负时，固体表现为抗磁性
χ <0, -10-6，与温度无关。
抗磁性来源：电子循轨运动
任何物质在磁场作用下都要产生抗磁
性，只有永久磁矩为0的物质才能表现
出来。
Cu,Ag,Au 等金属具有这种性质
3. 1
磁学基础－物质的磁性
产生抗磁性的原理
m Dm k Dk m：磁矩 Dm ：附加磁矩 k：向心力 Dk ：附加向心力
单晶体的易磁化和难磁化方向
3. 1
磁学基础－物质的磁性
（五）磁致伸缩 磁性材料磁化过程中发生沿磁化方向伸长 ( 或缩 短)，在垂直磁化方向上缩短 (或伸长 ) 的现象，叫 做磁致伸缩。它是一种可逆的弹性变形。材料磁致 伸缩的相对大小用磁致伸缩系数λ表示，即 ： λ=Δl/l 式中， Δl 和l 分别表示磁场方向的绝对伸长与原 长。在发生缩短的情况下， l 为负值，因而 λ 也为 负值。当磁场强度足够高，磁致伸缩趋于稳定时， 磁致伸缩系数 λ 称为饱和磁致伸缩系数，用 λ s 表 示。 对于3d金属及合金:λ s约为 10-5—10-6。
磁屏蔽材料
通讯仪器、电器
五. 磁性材料
◆
软磁材料 (Soft Magnetic Materials)
● 在外磁场中容易被磁化
也容易退磁的材料
●
起始磁导率高，矫顽力
很小（磁滞损耗小）。
● 磁材料适合于交变磁场
的电感元件，如变压器的 铁芯，这时，铁芯的发热
量少。此外，还可用于电
机和开关器件
◆ 硬磁材料 (Hard magnetic materials)