材料的磁性能(1)

原子核 电荷：＋e 自旋： 1 磁矩： N
原 子 磁 矩
电 子 电荷：－e 自旋： ½ 磁矩： 自旋磁矩＋轨道磁矩
＝电子磁矩＋原子核磁矩
第三章 材料的磁性能
第一节 物质的磁性
磁性的基本参量
1、磁化强度 M
单位：A/m 或高斯（Gs），矢量，由S极指向N极。
2、磁场强度 H 3、磁化率χ χ＝M/H 4、磁感应强度 B
第三章 材料的磁性能
第一节 物质的磁性
大多数物质都属于顺磁性物质，如室温下的稀土金届，居 里点以上的铁、钻、镍．还有锂、钠、钾、钻、铝、钒等均 属于顺磁性物质。此外，过渡族金属的盐也表现为顺磁性。
补充：
金属自由电子的磁性：
1)金属的抗磁性和顺磁性都来自于费密面附近的少数电子;
2)抗磁性来源于自由电子在磁场作用下做螺旋运动；
第三章 材料的磁性能
第一节 物质的磁性 几种特殊材料的抗磁性
1、惰性气体；离子型固体，如氯化钠等；共价键的碳、硅、 锗、硫、磷等通过共有电子而填满了电子层；一些金属如铜、 银、锡等。 2、超导材料：在超导态，磁通密度B总是0，即使存在外磁 场H，也是如此(迈斯纳效应)。 3、一些有机化合物，例如苯环中的p电子像轨道电子那样 做园周运动，苯环相当于闭合壳层。当磁场垂直于环作用时， 呈现很强的抗磁性，磁场平行于环面时没有抗磁性。
第三章 材料的磁性能
第二节 铁磁性和亚铁磁性材料的特性
三、磁晶各向异性和各向异性能 晶体的磁性在各个晶轴方向是不一样的，这种性质叫磁 晶各向异性。 磁晶各向异性参数用K1表示，表征某铁磁物质在外磁场 下磁化时的难易程度。
为了使铁磁体磁化，要消耗一定 的能量．它在数值上等于右图中 阴影部分的面积，称为磁化功。
第三章 材料的磁性能
第一节 物质的磁性
具体材料有Mn、Cr，还有如氧化镍、氧化锰等。
第三章 材料的磁性能
第一节 物质的磁性
5、亚铁磁性
与铁磁性相似，在亚铁磁体中，A和B次晶格由不同的磁性原 子占据，而且有时由不同数目的原子占据，A和B位中的磁性 原子成反平行耦合，反铁磁的自旋排列导致一个自旋未能完 全抵消的自发磁化强度 这样的磁性称为亚铁磁性
第三章 材料的磁性能
第一节 物质的磁性
2、顺磁性
朗日万顺 磁理论
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。 Χ＞0， M与H方向相同； 10-3～10-5
磁化矢量沿不同晶轴方向的能量 差代表磁晶各向异性能，用Ek表 示。
磁 化 功 示 意 图
第三章 材料的磁性能
第二节 铁磁性和亚铁磁性材料的特性 3.2.2与磁化过程有关的特性
一、磁化曲线 Bs—饱和磁感应强度 μ0—起始磁导率
μm －最大磁导率
Hc －矫顽力 Br — 剩余磁感应强度
第三章 材料的磁性能
第三章 材料的磁性能
第三节 磁性材料的自发磁化和技术磁化
表象理论
充分的事实证明，铁磁性与顺磁性具有相同的来源。 外斯(Weiss)铁磁性假说：铁磁物质内部存 在很强的“分子场”，在“分子场”的作用 下，原子磁矩趋于同向平行排列，即自发磁 化至饱和，称为自发磁化；铁磁体内自发磁 化分成若干个小区域(这种自发磁化至饱和 的小区域称为磁畴)，由于各个区域(磁畴) 的磁化方向各不相同，其磁性被此相互抵消， 所以大块铁磁体对外不显示磁性。
铁磁性和顺 磁性有这么 大的区别？
第三章 材料的磁性能
第一节 物质的磁性
顺磁体磁化过程示意图
第三章 材料的磁性能
第一节 物质的磁性
注： A 材料的顺磁性来源于原子的固有磁矩。 产生顺磁性的条件就是原子的固有磁矩不为零。
B 在以下几种情况下，原子或正离子具有固有磁矩。
(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。金属中主要有过渡 族金属(d壳层没有填满电子)和稀土族金属(f壳层没有填 满电子)。 C 顺磁性物质的磁化率是抗磁性物质磁化率的1~103倍， 所以在顺磁性物质中抗磁性被掩了。
3)顺磁性来源于磁场的作用使自旋向上、向下的态密度发生变化； 4)它们都只能用量子力学来解释；磁化率与温度无关。
第三章 材料的磁性能
第一节 物质的磁性
3、铁磁性
在较弱的磁场作用下，就能产生很大的磁化强度。 Χ＞＞0， 104 物质具有铁磁性的基本条件：(1)物质中的原子有磁矩；(2) 原子磁矩之间有相互作用。实验事实：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。 磁化强度与磁场成非线性关系。
（1）金属磁致伸缩材料。其饱和磁化强度较高，力 学性能好，可承受较高的功率，但电阻率低，不适用 于高频段。常用的有铁基合金、镍基合金。 （2）铁氧体磁致伸缩材料。其饱和磁化强度较低， 材料的气隙率影响其力学性能，故不能承受较高功率， 但电阻率高，可用于高频段。
（3）巨磁致伸缩材料。其磁致伸缩系数（材料 在磁场力作用下产生的伸缩量与材料原长度之比） 远高于常规材料，耦合系数也高；缺点是所需磁化 场强高。
B = μ0 (H+M)
单位：特斯拉（T）韦/米2 (Wb/m2)
第三章 材料的磁性能
第一节 物质的磁性
5、磁矩m 6、磁通量 φ 7、磁导率 μ 3.1.2 磁性的分类
宏观：根据磁化率χ的大小
分类的原则是 什么呢？
微观：是否有固有原子磁矩？ 是否有相互作用？ 是什么相互作用？
第三章 材料的磁性能
磁致伸缩材料可用于制造超声和水声换能器件， 如超声探伤器、超声钻头、回声探测器等；用 于制造电信器件，如振荡器、滤波器、谐波发 生器等；也可用于制造自动控制器件及测量和 传感器件。
磁致伸缩液位仪
应用于各类储罐的液位测量。该种 液位仪具有精度高、环境适应性强、 安装方便等特点。因此，广泛应用 于石油、化工等液位测量领域，并 逐渐取代了其它传统的传感器，成 为液位测量中的精品。
第三章 材料的磁性能
第二节 铁磁性和亚铁磁性材料的特性
铁磁体和亚铁磁体，由于磁化状态的改变，其形状和尺寸都会 发生微小变化，这种变化称为磁致伸缩。 线磁致伸缩系数 注：所有铁磁体均有磁致伸缩的特性，但不同的铁磁体其磁 致伸缩系数不同，一般在10-6~10-3之间 体积磁致伸缩系数 其数量级约为10-8~10-10
二、居里温度（Tc）
当在某温度以下，迫使临近原子取向一致的相互作用超过 原子热运动的破坏作用。则在该温度以下，可形成一定程 度的自发磁化，在该温度以上，原子热运动超过了原子磁 矩取向一致的作用，而变为混乱状态，呈顺磁性。该温度 叫居里温度。
电饭锅的控温原理是什么？
日常使用的电饭锅就利用了磁性材料的居里点的特性。在电饭锅的底部中 央装了一块磁铁和一块居里点为105℃的磁性材料。当锅里的水分干了以后，食 品的温度将从100度上升。当温度到达大约105度时，由于被磁铁吸住的磁性材 料的磁性消失，磁铁就对它失去了吸力，这时磁铁和磁性材料之间的弹簧就会 把它们分开，同时带动电源开关被断开，停止加热。
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第三章 材料的磁性能
第二节 铁磁性和亚铁磁性材料的特性
退磁场---在铁磁体内部产生的与铁 磁体的磁化强度方向相反的磁场，它 起到退磁的作用，因此称为退磁场 退磁场的表达式：
铁磁体的退磁场
式中：N和D称为退磁因子
退磁能
第三章 材料的磁性能
第二节 铁磁性和亚铁磁性材料的特性 3.2.4 磁致伸缩与磁弹性能
第一节 物质的磁性
1. 抗磁性：没有固有原子磁矩 2. 3. 4. 5. 6. 7. 顺磁性：有固有磁矩，没有相互作用 铁磁性：有固有磁矩，直接交换相互作用 反铁磁性：有磁矩，直接交换相互作用 亜铁磁性：有磁矩，间接交换相互作用 自旋玻璃和混磁性：有磁矩，RKKY相互作用 超顺磁性：磁性颗粒的磁晶各向异性与热激发的竞争
第二节 铁磁性和亚铁磁性材料的特性
二、磁滞回线 磁滞现象-退磁过程中M的变化落后于H的变化。 磁滞回线所包围的面积表征磁化一周时所消耗的功，称为磁滞 损耗Q。其大小为：
3.2.3 铁磁体的形状各向异性及退磁能
形状各向异性----由退磁场引起的
第三章 材料的磁性能
第二节 铁磁性和亚铁磁性材料的特性
铁磁体的形状各向异性
3.2.1与内部原子结构和晶体结构有关的特性
一、自发磁化强度（Ms）
第三章 材料的磁性能
第二节 铁磁性和亚铁磁性材料的特性
铁磁性物质的原子都具有原子磁矩，同时又具有晶格结构， 这样它们的原子磁矩按照一定的规律排列在晶格点阵中。因 此，每一个原子受到周围临近原子的强烈作用，使邻近原子 的磁矩方向趋向平行某一晶轴方向，因而自发地产生磁化强 度Ms。它决定于铁磁物质的原子结构和邻近原子间相互作用， 并随温度而变化。
第三章 材料的磁性能

物质的磁性 铁磁性与亚铁磁性 自发磁化与技术磁化 动态磁化 磁性材料
掌握磁性的起
因及其参量
掌握磁性的分
类及铁磁物质 的特性 及其在材料研 究中的应用。
了解磁性材料
第三章 材料的磁性能
3.1.1 磁性的产生及磁学基本参量

磁性的起源：原子固有 磁矩
未成对电子
具体材料有金属Fe、Co、Ni，某些稀土元素以及由Fe、 Co、Ni组成的合金等。
第三章 材料的磁性能
第一节 物质的磁性
4、反铁磁性
在反铁磁性中，近邻自旋反平行排列，它们的磁矩因而相互 抵消。因此反铁磁体不产生自发磁化磁矩，显现微弱的磁性。 Χ＞0， M与H方向相同；10-5～10-3 与顺磁体不同的是 自旋结构的有序化。
可分为两类： 正磁致伸缩是材料在磁化方向伸长，而在垂直于磁化方向缩短， 例如铁。 负磁致伸缩是材料在磁化方向缩短，而在垂直于磁化方向伸长， 例如镍。 这种性质将由它们的磁致伸缩系数值前面的正负号加以区别。
磁致伸缩的简单模型

磁致伸缩
在铁磁体和亚铁磁体材料中，原子磁矩的定 向排列，不仅导致磁性质的各向异性，还导致键合 力的各向异性和晶格常数的择优取向。这种作用在 宏观上的表现为磁化方向上的长度变化，即磁致伸 缩。利用磁致伸缩效应可以激励磁棒产生机械振动， 在电声技术有应用价值。
第三章 材料的磁性能
第二节 铁磁性和亚铁磁性材料的特性
物体在磁化时要伸长(或收缩)，如果受到限制，不能伸 长(或缩短)，则在物体内部产生压应力(或拉应力)。这样， 物体内部将产生弹性能，称为磁弹性能。
磁弹性能表达式： 式中：θ是磁化方向和应力方向的夹角， σ是材料所受应力。
具有显著磁致伸缩效应的磁性材料称为磁致伸缩材 料。已实用的磁致伸缩材料分为3类：
当施加外磁场时，由于自旋间反平行耦合的作用，正负自旋转 向磁场方向的转矩很小，因而磁化率比顺磁磁化率小。随着温 度升高，有序的自旋结构逐渐被破坏，磁化率增加，这与正常 顺磁体的情况相反。然而在某个临界温度以上，自旋有序结构 完全消失，反铁磁体变成通常的顺磁体。因而磁化率在临界温 度(称奈耳温度Neel point)显示出一个尖锐的极大值。
第三章 材料的磁性能
第一节 物质的磁性
1、抗磁性
物质的磁性不是由电子的轨 道磁矩和自旋磁矩本身所产 生，而是由外加磁场作用下 电子绕核运动所感生的附加 磁场造成的。
在与外磁场相反的方向诱导出磁化强度的现象称为抗磁性。
Χ＜0，M与H方向相反 ；磁化率Χ很小，-10-5 ～-10-6
产生的机理：外磁场穿过电子轨道时，引起的电磁感应使 轨道电子加速。根据楞次定律，由轨道电子的这种加速运 动所引起的磁通，总是与外磁场变化相反，因而磁化率是 负的。 注：任何物质在外场作用下均具有抗磁效应，但只有原子的 电子壳层完全填满了的电子物质，抗磁性才能表现出来。 （它出现在没有原子磁矩的材料中）
Χ＞＞0 亚铁磁性物质也是一种很重要的磁性材料，尖晶石型晶体、 石榴石型晶体等几种结构类型的铁氧体，稀土钴金属间化合 物和一些过渡族金属、非金属化合物都属于亚铁性物质。
第三章 材料的磁性能
第一节 物质的磁性
第三章 材料的磁性能
第二节 铁磁性和亚铁磁性材料的特性
内禀特性-与内部原子结构和晶体结构 有关的特性。 特性主要分为两类 磁化特性-与磁化过程有关的特性