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1、第三章 材料的磁学性能 博学善建 | 厚德大成 材料的磁性 磁化： 条件、行为、材料化学成分、组织结构、机制 磁性物理量： 磁化率、磁导率、磁致伸缩、磁致损耗、剩磁、矫顽力 3-1 磁性基本概念和物理量 一、磁性基本物理量 1、磁场 任何磁极和运动电荷或电流都能在其周围产生磁场，磁场的特性是能使其 中的磁介质磁化，对在其中运动的电荷或载流导体产生作用力并对它们作功 磁铁产生磁场 运动电荷（电流）产生磁场 博学善建 | 厚德大成 2、磁感应强度（磁通量密度） 在外部磁场 H 作用下，表征物质（介质）内部的磁场强弱的量，单位Wb/m2 真空中 介质中 相对磁导率： 真空磁导率： 绝对磁导率： 博学
2、善建 | 厚德大成 3、磁场强度 表征磁场大小的矢量 通电螺线管中，匝数N、电流I、长度l，则产生的磁场强度为H，单位 A/m 博学善建 | 厚德大成 4、磁化强度 磁化：任何物质（或磁介质）将其置于磁场中，都会表现出一定的磁特性 ，并对该处的磁场产生影响。磁介质可以根据其磁化特性进行分类。 磁化率，无量纲 5、磁通量 通过给定曲面的磁力线总数。单位：韦伯 博学善建 | 厚德大成 3-2 材料磁性的物理本质 一、物质的磁性 安培假说：物质的磁性起源于其内部的环电流（分子电流），环电流形成了 物质的基元磁铁 原子磁矩：环电流包括电子的自旋运动、循轨运动、核自旋运动 1、磁矩 环电流磁矩： 带电带
3、电 粒子，只要做循 轨轨运动动或自旋运动动，均可 等效为环电为环电 流，产产生磁 矩 I 电流强度； S 环电流所围面积 轨道磁矩 自旋磁矩 博学善建 | 厚德大成 2、电子的磁矩 1）电子的循轨磁矩 角动量（动量矩）： 磁矩： 根据量子力学，电子的轨道角动量的能量是量子化 ： 因此，电子的轨道磁矩： 玻尔磁子 电子约化质量 电子质量 离子实质量 轨道磁矩在外场方向Z上的分量： ml 轨道磁量子数（空间量子数），共2l+1个 轨道磁矩 博学善建 | 厚德大成 2）电子的自旋磁矩 电子自旋角动量（自旋动量矩）： 电子自旋磁矩： 电子自旋磁矩在外场方向Z上的分量 ： 自旋量子数 ms = 1/2
4、自旋磁量子数 3）核磁矩 核磁矩是由核内质子产生的磁矩，由于质子的质 量为电子质量的1836.5倍。所以，核磁矩 n 远小 于玻尔磁子。核磁矩通常被忽略。 自旋磁矩 博学善建 | 厚德大成 4）原子的总磁矩 原子的总磁矩 ，由原子核外未被电子填满的壳层上的所有电子的总轨道磁矩和总 自旋磁矩 组成， 等于 和 在 反方向的投影之和而不等于 和 的矢量之和，即 由各电子的磁矩（或角动量）组合成原子的总磁矩（或总角 动量），主要有两种耦合方式： 原子序数在32以下，为L-S 耦合，即 或 原子序数在82以上，为 j - j 耦合，即 或 原子序数在3282之间，为两种混合耦合方式 3d 过渡族金属、
5、 4f 稀土金属及其合金主要为 L-S 耦合 博学善建 | 厚德大成 二、物质质的磁化特性及磁介质质分类类 博学善建 | 厚德大成 1、抗磁性（diamagnetic） ，10-610-4数量级，与H、T无关的常数 2、顺磁性（paramagnetic） ，10-510-2数量级，与H无关 与T相关 3、铁磁性（ferromagnetic） ， 101106数量级，与H呈非线性关系 与T相关 4、亚铁磁性（ferrimagnetic） ，100103数量级 5、反铁磁性（antiferromagnetic） 顺磁 铁磁 亚铁磁 反铁磁 博学善建 | 厚德大成 三、顺磁性及其物理本质 主要由各原
6、子或离子实的磁矩 和各自由电子的自旋磁矩 在外磁场中的取 向过程造成 原子或离子实磁矩的顺磁性： H 磁场H中的磁位能： T 温度下磁矩数量： +d之间的磁矩数量： 、H方向磁矩分量之和： 原子的顺磁磁化率： 博学善建 | 厚德大成 自由电子的顺磁性： 自由电子的自旋磁矩 ，在外磁场作用下取向所引起 无外磁场时，电子自旋方向随机分布，宏观上不显示自旋引起的磁性 有外磁场时，为降低体系磁位能，部分自旋反平行外磁场的磁矩将转到平行外磁 场方向 自由电子引起的顺磁磁化率： 自旋反转引起磁位能降低和电 子跃迁至高能级而引起的系统 能量增高，两者达到平衡 博学善建 | 厚德大成 抗磁性材料 顺磁性材料
7、博学善建 | 厚德大成 原子或离子实的抗磁性 受到原子核束缚的电子在作循轨运动时，因受到外磁场劳伦兹力 的作用而产生附加磁矩 的结果 总是与外磁场 H 的方向相反，从而产生抗磁性 N 单位体积中原子（离子）数 Z 每个原子（离子）的电子数 第 i 个电子循轨运动的平均半径 0 真空磁导率 m、e 电子的质量、电量 四、抗磁性及其物理本质 源自电子（束缚电子、自由电子）的运动，在外磁 场作用下，受到劳伦兹力的作用而产生附加磁矩 博学善建 | 厚德大成 自由电子的抗磁性 源于自由电子因受到劳伦兹力的作用，而在垂直于外磁场的平面内作定向的 环绕运动所产生的附加磁矩，该附加磁矩也总是反平行于外磁场 自
8、由电子的抗磁磁化率： 自由电子的总磁化率： 所有物质在外磁场作用下均产生抗磁性，但因抗磁磁化率数值较小，只有当构 成物质的原子或离子的总磁矩为零或接近于零时，这种抗磁性才易被发现（或易 于显现），其它情况下则极易被顺磁性和铁磁性掩盖 抗磁磁化率基本上不受温度影响，而顺磁磁化率与温度有关 自由电子既可产生顺磁性，又能产生抗磁性，综合作用的结果，自由电子对物 质磁性的贡献是顺磁性 博学善建 | 厚德大成 五、铁磁性及其物理本质 物质中相邻原子或离子的磁矩，由于相互作用而在某些区域中大致按同一方 向排列，当所施加的磁场强度增大时，这些区域的合磁矩定向排列程度会随之增 加到某一极限值的现象 永久磁矩，
9、来源于电子自旋 净磁矩，无外场条件下（如图） 磁畴，晶体中自旋取向相同的区域 铁磁材料中，无外磁场条件 下，原子磁矩的定向排列 博学善建 | 厚德大成 反铁磁性（实例）： 反铁磁MnO中，自旋磁 矩的反向平行排列 反铁磁MnO中： Mn2+离子存在净磁矩 O2+离子的净磁矩为零 整个晶体的净磁矩为零 博学善建 | 厚德大成 亚铁磁性（实例）： 立方铁氧体Fe3O4（天然磁石）的分子 式表示为：Fe2+O2-(Fe3+)2 (O2-)3 O2-的净磁矩为零 Fe2+的净磁矩为4B Fe3+的净磁矩为5B 整个晶体存在净磁矩（如表） 亚铁磁Fe3O4中，Fe2+和 Fe3+的自旋磁矩的排列 博学善
10、建 | 厚德大成 1、铁磁质的磁化特性 1）磁化曲线和磁位能 第一阶段：磁化强度随外磁场缓慢增 加；撤除外磁场，磁化强度恢复为原 始值（可逆磁化） 第二阶段：磁化强度随外磁场快速增 加；去除外磁场，磁化强度不能完全 恢复至原始状态（不可逆磁化或有剩 磁） 第三阶段：磁化强度又随外磁场缓慢 增加并趋于饱和状态 磁位能： 静态磁化曲线 博学善建 | 厚德大成 磁滞：指铁磁材料的磁性状态变化时，磁化强 度滞后于磁场强度，它的磁通密度B与磁场强 度 H之间呈现磁滞回线关系 剩磁Br：磁滞回线中，外磁场 减小为零时， 铁磁质所具有的磁感应强度 矫顽力Hc：为使剩磁降低为零而施加的反向 外磁场强度 磁致损
11、耗：铁磁材料在磁化过程中由磁滞现象 引起的能量损耗。经一次循环，磁滞损耗等于 磁滞回线的面积 动态磁化曲线（磁滞回线） 博学善建 | 厚德大成 硬磁、软磁材料 (BH)max 最大磁能积 1 MGOe = 106 gauss-oersted 1 MGOe = 7.96 kJ/m3 博学善建 | 厚德大成 硬磁材料性能 软磁材料性能 博学善建 | 厚德大成 2）磁各向异性和磁各向异性能 磁各向异性：外磁场对铁磁单晶体的磁化，在不同的晶向上，磁化的难易程度各 不相同。容易磁化的晶向为易磁化方向，而难磁化的晶向为难磁化方向 博学善建 | 厚德大成 磁化功：磁化过程中，外磁场对磁介质所作 的功，代表外
12、磁场在此过程中消耗的能量 磁各向异性能：沿不同晶向磁化而增加的体系内能，其大小可用沿不同 晶向的磁化功表征。沿难磁化方向磁化，体系内能增加较多；而沿易磁化 方向磁化，内能增加较少 磁化曲线、磁化强度坐标轴 和饱和磁化强度三条线围成 的面积代表磁化功的大小 博学善建 | 厚德大成 3）磁致伸缩与磁弹性能 磁致伸缩：指磁介质被磁化时，其尺寸和形状发生改变的现象 磁弹性能：磁介质磁化时，当磁致伸缩受到应变阻力，磁化功中必须 额外增加一部分用于克服这种应变阻力，所额外增加的部分以磁弹性能 形式进入磁介质体系的内能中。磁致伸缩易于增加体系的磁弹性能 磁致伸缩系数： 博学善建 | 厚德大成 4）几何退磁因
13、子与退磁能 形状各向异性：磁介质磁化的难易程度收到外部几何形状影响的现象 退磁场Hd：铁磁介质被磁化时，其内部会出现 退磁场，用以阻碍外磁场对它的磁化 3个样品长径比： 1 易磁化 2 3 难磁化 退磁能Ed：退磁场与铁磁质的相互作用能 N 形状退磁因子 博学善建 | 厚德大成 2、铁磁质自发磁化的机理（铁磁质的自发磁化理论） 1）Wiss 铁磁性假说 分子场假说：铁磁质内部存在很强的分子场，在该分子场的作用下，原子磁 矩趋向于同方向平行排列 磁畴假说：铁磁质内分布有若干原子磁矩同向平行排列的小区域（磁畴）， 各磁畴的磁化方向随机分布，彼此抵消，整体对外不显磁性 尽管Wiss理论并未揭示分子场
14、的本质，但基本上正确描述了铁磁质的内部形态 铁磁质由磁畴组成，而磁畴是因某种场力作用，使原子磁矩同方向平行排列、磁化达到 饱和状态的小区域 在无外磁场时，铁磁质内已自发磁化形成磁畴，只不过是因为方向紊乱而对外不显示磁 性而已 如果把原子磁矩比作个体，磁畴比作团体，则顺磁质磁化是原子磁矩的个体行为，而铁 磁质是磁畴的团体行为 博学善建 | 厚德大成 2）自发磁化的条件 自发磁化：铁磁质不依靠外磁场（或仅依靠其内磁场），形成若干饱和磁化 小区域（磁畴）的现象 原子结构条件（必要）： 原子（或离子）总磁矩 ，即存在未被抵消的轨道、自旋磁矩，特 别是 例如：在元素周期表中，第四周期副族，其3d亚 层均
15、未被电子填充满。理论上它们均有可能构成 铁磁质，但实际上只有Fe、Co、Ni才具有铁磁性 博学善建 | 厚德大成 晶体结构条件（充分）： 原子磁矩同方向平行排列的“分子场”,实际上是晶体内相邻原子间电子自旋 的交换作用，与其相对应的能量为交换能： 自旋角动量， 两自旋角动量夹角 A 交换积分常数，取决于电子运动状态的波函数和两原子间距 A 0时， = 0，两电子自旋磁矩同向平行排列 A 0时， = ，两电子自旋磁矩反向平行排列 A a/r3dA 0 Fe、Co、Ni Cr、Mn Gd 原子间间距能够够决定A 的正、负负或趋趋于 0 决定磁性 博学善建 | 厚德大成 3）磁畴结构及其成因 磁畴：
16、 铁磁质内部自发磁化至饱和状态（原子磁矩同向平行排列）的小区域，自 发磁化的结果 磁畴结构（磁畴组态）：磁畴的形态、尺寸、取向、畴壁类型、畴壁厚度及其组 成形式 磁畴结构 a）主畴：一般都为大而长的片状或棱柱状，通常沿晶体易磁化方向； 副畴：多为短而小的三角形，不保证都出现在易磁化方向 b）磁畴壁：相邻磁畴之间、自旋磁矩改变方向的过渡区 c）相邻磁畴通过主畴、副畴和磁畴壁组合形成自己封闭的磁回路 d）磁畴的尺度通常小于晶粒，畴壁不能穿越晶界 博学善建 | 厚德大成 决定磁畴结构的因素 交换能最低：倾向于让所有自旋磁矩同方向平行排列，形成磁单畴 退磁能最低：倾向于让所有磁畴均形成封闭磁回路 磁弹性能最低：倾向于形成多数量、小尺寸、多方向、应变自恰的磁畴结构 磁
