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1、复复 习习傅立叶定律的内容傅立叶定律的内容固体材料的三种导热方式固体材料的三种导热方式影响材料热传导性能的因素影响材料热传导性能的因素材料具有磁性的根本原因在于什么？材料具有磁性的根本原因在于什么？2024/8/21自由电子的运动、晶格振动、光子辐射自由电子的运动、晶格振动、光子辐射温度、晶体结构、化学组成、复相材料与气孔温度、晶体结构、化学组成、复相材料与气孔第十章 材料的磁学性能 河海大学机电工程学院河海大学机电工程学院This moment will nap, you will have a dream; But this moment study, you will interpret
2、 a dream.磁性材料具有能量转换、储存或改变能量状态的功磁性材料具有能量转换、储存或改变能量状态的功能，广泛地用于计算机、通讯、自动化、电机、影能，广泛地用于计算机、通讯、自动化、电机、影像、仪器仪表、生物和医疗等领域，是一种重要的像、仪器仪表、生物和医疗等领域，是一种重要的功能材料。功能材料。本章主要内容：本章主要内容： 介绍材料磁学性能的一些基本概念、影响材料介绍材料磁学性能的一些基本概念、影响材料磁性指标的主要因素，磁性的测量和应用。磁性指标的主要因素，磁性的测量和应用。 重点要掌握材料磁化的实质，抗磁材料、顺磁重点要掌握材料磁化的实质，抗磁材料、顺磁材料和铁磁材料的差异，以及磁畴
3、、磁畴结构、磁材料和铁磁材料的差异，以及磁畴、磁畴结构、磁滞回线等基本概念。了解磁性的测量和应用。滞回线等基本概念。了解磁性的测量和应用。 第一节第一节 基本磁学性能基本磁学性能一、材料的磁性一、材料的磁性材料的磁性材料的磁性源于材料内部电子的源于材料内部电子的轨道运动轨道运动和和自旋自旋运动运动。任一封闭电流都有磁矩，其方向与环行电任一封闭电流都有磁矩，其方向与环行电流法线方向一致，大小为电流与封闭环行面积的流法线方向一致，大小为电流与封闭环行面积的乘积。乘积。材料内部电子的材料内部电子的轨道运动轨道运动和和自旋运动自旋运动都可以看作都可以看作为为闭合的环行电流闭合的环行电流，因而必然会产生
4、磁矩。，因而必然会产生磁矩。2024/8/24材料内部材料内部电子运子运动产生的磁矩可以分生的磁矩可以分3种：种：电子子轨道磁矩道磁矩：由：由电子子绕轨道运道运动产生的磁矩，生的磁矩，用用ml表示。表示。电子自旋磁矩子自旋磁矩：电子自旋运子自旋运动产生的磁矩，用生的磁矩，用ms表示。表示。原子核磁矩原子核磁矩：很小，：很小，约为电子磁矩的子磁矩的1/2000，一般忽略不一般忽略不计。 基本磁学性能基本磁学性能2024/8/25l为轨道角量子数，为轨道角量子数，mB为玻尔磁子为玻尔磁子磁矩的最小单元，磁矩的最小单元，S为自旋量子数为自旋量子数原子原子/离子的固有磁矩离子的固有磁矩mj：原子、分子
5、是否具有磁矩取决于该原子、分子的原子、分子是否具有磁矩取决于该原子、分子的结构。当原子中一个电子层被排满时，这个电子结构。当原子中一个电子层被排满时，这个电子层的磁矩总和为零；当原子的电子层均被排满时，层的磁矩总和为零；当原子的电子层均被排满时，原子没有磁矩。原子没有磁矩。只有当原子中存在着未被排满的电子层时，原子只有当原子中存在着未被排满的电子层时，原子才有磁矩，这种磁矩称为才有磁矩，这种磁矩称为固有磁矩固有磁矩。 基本磁学性能基本磁学性能2024/8/26Fe原子的电子分布为原子的电子分布为1S22S22P63S23P63d64S2，除，除3d 层外，其他各层的电子轨道磁矩和自旋磁矩均相互
6、层外，其他各层的电子轨道磁矩和自旋磁矩均相互抵消。抵消。3d层有层有5个轨道，最多可以有个轨道，最多可以有10个电子，现在个电子，现在只有只有6个电子，根据洪特法则，电子尽可能填充到不个电子，根据洪特法则，电子尽可能填充到不同的轨道，并且以同一方向自旋。同的轨道，并且以同一方向自旋。 Fe原子原子3d层的层的5个轨道上，有个轨道上，有4个轨道只有一个电个轨道只有一个电子，并且以同一方向自旋。铁原子的磁矩是子，并且以同一方向自旋。铁原子的磁矩是4个电子个电子磁矩的总和。磁矩的总和。当原子结合成分子时，其外层电子分布要变化，所当原子结合成分子时，其外层电子分布要变化，所以分子磁矩并不是单个原子磁矩
7、的总和。以分子磁矩并不是单个原子磁矩的总和。 基本磁学性能基本磁学性能2024/8/27二、材料的磁化二、材料的磁化n无外加磁场时，通常物体本身的自旋磁矩和轨道无外加磁场时，通常物体本身的自旋磁矩和轨道磁矩之总和为零，物体不表现出磁性。磁矩之总和为零，物体不表现出磁性。n有外加磁场时有外加磁场时有些材料使磁场强烈地增强（如铁）有些材料使磁场强烈地增强（如铁）,称称铁磁性材铁磁性材料料。有些材料使磁场减弱（如铜）有些材料使磁场减弱（如铜）,称称抗磁性材料抗磁性材料。有些材料使磁场有微弱的增强（如铝）有些材料使磁场有微弱的增强（如铝）,称称顺磁性顺磁性材料材料。n置于外加磁场，物体表现出一定磁性的
8、现象称为置于外加磁场，物体表现出一定磁性的现象称为磁化磁化。基本磁学性能基本磁学性能2024/8/28凡是能被磁场磁化的物质称为凡是能被磁场磁化的物质称为磁质磁质或或磁介质磁介质。当磁介质在外加磁场当磁介质在外加磁场H中被磁化时，产生一个附中被磁化时，产生一个附加磁场加磁场H，则该处磁场总强度为，则该处磁场总强度为H和和H的矢量之的矢量之和，即：和，即： H总总= H + H （A/m）物体磁化，产生一个附加磁场，并没有改变原子物体磁化，产生一个附加磁场，并没有改变原子固有磁矩的大小，而是改变了它们的取向。固有磁矩的大小，而是改变了它们的取向。 基本磁学性能基本磁学性能2024/8/29磁场强
9、度单位，安磁场强度单位，安/米米材料磁化程度可用所有原子的固有磁矩的总和材料磁化程度可用所有原子的固有磁矩的总和 来表示。为了便于比较材料磁化强弱程度，来表示。为了便于比较材料磁化强弱程度，用单位体积的用单位体积的 来表示，称为来表示，称为磁化强度磁化强度，用，用 表示，单位为表示，单位为A/m。= /V （A/m）磁化强度磁化强度M 就是就是附加磁场附加磁场H。磁化强度磁化强度M不仅与外加磁场有关，而且还与物质不仅与外加磁场有关，而且还与物质本身的磁化特性有关，表示为：本身的磁化特性有关，表示为：= 式中：式中：为为磁化率磁化率，其值可正、可负。，其值可正、可负。基本磁学性能基本磁学性能20
10、24/8/210通过一个垂直于磁场方向单位面积的磁力线数称通过一个垂直于磁场方向单位面积的磁力线数称为为磁感应强度磁感应强度B，单位为特斯拉（，单位为特斯拉（T）。）。 式中：式中：0为真空磁导率；为真空磁导率；r为相对磁导率；为相对磁导率； 为为磁导率磁导率或磁导系数，它反映了磁感应强度随或磁导系数，它反映了磁感应强度随外加磁场外加磁场H的变化速率。的变化速率。基本磁学性能基本磁学性能2024/8/211在磁场强度在磁场强度H的外磁场作用下，材料内部产生的磁的外磁场作用下，材料内部产生的磁通量密度。通量密度。第二节第二节 抗磁性与顺磁性抗磁性与顺磁性物质磁性的分类：物质磁性的分类：2024/
11、8/212第二节第二节 抗磁性与顺磁性抗磁性与顺磁性 根据材料被磁化后对磁场所产生的影响，把根据材料被磁化后对磁场所产生的影响，把材料分为材料分为3类：类：使磁场减弱的材料称为使磁场减弱的材料称为抗磁性材料抗磁性材料：磁化磁：磁化磁场场M与外加磁场与外加磁场H方向相反，磁化率方向相反，磁化率0。使磁场略有增强的材料称为使磁场略有增强的材料称为顺磁性材料顺磁性材料：M与与H方向相同，磁化率方向相同，磁化率0；M与与H呈直线关系，呈直线关系，磁化率常数很小，当外磁场去除，磁场也随即去磁化率常数很小，当外磁场去除，磁场也随即去除。除。 使磁场强烈地增强的材料称为使磁场强烈地增强的材料称为铁磁性材料铁
12、磁性材料2024/8/2132024/8/214居里温度居里温度奈尔温度奈尔温度一、材料抗磁性与顺磁性一、材料抗磁性与顺磁性 电子轨道磁矩和电子自电子轨道磁矩和电子自旋磁矩对原子（离子）磁旋磁矩对原子（离子）磁矩的贡献可说明材料的抗矩的贡献可说明材料的抗磁性和顺磁性的物理本质。磁性和顺磁性的物理本质。抗磁性与顺磁性抗磁性与顺磁性2024/8/2151、抗磁性、抗磁性材料的抗磁性来源于外加材料的抗磁性来源于外加磁场对电子轨道运动的影磁场对电子轨道运动的影响。响。用洛伦兹力分析外加磁场用洛伦兹力分析外加磁场对对2个轨道运动相反的电子个轨道运动相反的电子的影响的影响 。无论电子是顺时针还是逆无论电子
13、是顺时针还是逆时针运动，所产生的附加时针运动，所产生的附加磁矩磁矩ml都与外加磁场方都与外加磁场方向相反，故称为抗磁矩。向相反，故称为抗磁矩。 抗磁性与顺磁性抗磁性与顺磁性2024/8/216一个电子的抗磁矩为：一个电子的抗磁矩为： 式中负号表示式中负号表示ml 和和 H方向相反。方向相反。一个原子常有多个电子，一个原子的抗磁矩为：一个原子常有多个电子，一个原子的抗磁矩为： 式中：式中：ri为电子运动轨道半径在垂直于磁场方向上为电子运动轨道半径在垂直于磁场方向上的投影长度。的投影长度。在外加磁场作用下的电子轨道运动产生抗磁性，在外加磁场作用下的电子轨道运动产生抗磁性，任何材料都存在电子的轨道运
14、动，因此任何材料都存在电子的轨道运动，因此任何材料任何材料都具有抗磁性都具有抗磁性。 抗磁性与顺磁性抗磁性与顺磁性2024/8/2172、顺磁性、顺磁性材料的顺磁性主要来源于原子材料的顺磁性主要来源于原子（离子）的固有磁矩。（离子）的固有磁矩。没有外加磁场时，原子（离子）没有外加磁场时，原子（离子）的固有磁矩呈无序分布，宏观上的固有磁矩呈无序分布，宏观上不表现出磁性。不表现出磁性。有外加磁场时，磁矩与磁场方向有外加磁场时，磁矩与磁场方向形成一定夹角。随着外加磁场的形成一定夹角。随着外加磁场的增强夹角越来越小，磁矩沿磁场增强夹角越来越小，磁矩沿磁场方向的分量越来越大，磁场强度方向的分量越来越大，
15、磁场强度不断增强，这一现象称为不断增强，这一现象称为磁化磁化。2024/8/218二、影响材料抗磁性和顺磁性的因素二、影响材料抗磁性和顺磁性的因素 1、原子结构、原子结构电子的轨道运动产生抗磁性电子的轨道运动产生抗磁性原子（离子）的固有磁矩产生顺磁性原子（离子）的固有磁矩产生顺磁性自由电子也产生抗磁性和顺磁性，不过其抗磁性自由电子也产生抗磁性和顺磁性，不过其抗磁性远小于顺磁性，故自由电子也是表现出顺磁性。远小于顺磁性，故自由电子也是表现出顺磁性。材料都是由原子（离子）和电子构成的，它既存材料都是由原子（离子）和电子构成的，它既存在着抗磁性因素，也存在着顺磁性因素，但最终在着抗磁性因素，也存在着
16、顺磁性因素，但最终表现出是抗磁性还是顺磁性主要取决于那种因素表现出是抗磁性还是顺磁性主要取决于那种因素占主导地位。占主导地位。 抗磁性与顺磁性抗磁性与顺磁性2024/8/219惰性气体惰性气体的原子磁矩是零，抗磁性。的原子磁矩是零，抗磁性。大多数大多数非金属材料非金属材料，原子具有磁矩，形成分子时，原子具有磁矩，形成分子时，形成共价键，电子被充满，就不具有磁矩。绝大形成共价键，电子被充满，就不具有磁矩。绝大多数非金属材料是抗磁性的，只有氧和石墨是顺多数非金属材料是抗磁性的，只有氧和石墨是顺磁性物质。磁性物质。金属金属Cu、Ag、Au、Cd、Hg等电子的轨道运动产等电子的轨道运动产生的抗磁性大于
17、自由电子的顺磁性，表现为抗磁生的抗磁性大于自由电子的顺磁性，表现为抗磁性。性。碱金属和碱土金属碱金属和碱土金属（除（除Be外），外），3价金属，稀土金价金属，稀土金属属等都是顺磁性材料。等都是顺磁性材料。Ti、V、Cr、Mn等等过渡族元素过渡族元素，3d层未被填满，层未被填满，具有较强的固有磁矩，产生强烈的顺磁性。具有较强的固有磁矩，产生强烈的顺磁性。抗磁性与顺磁性抗磁性与顺磁性2024/8/2202、温度、温度温度对抗磁性一般没有多大影响，只有当金属熔温度对抗磁性一般没有多大影响，只有当金属熔化、凝固、同素异晶转变以及形成化合物时，才化、凝固、同素异晶转变以及形成化合物时，才发生磁化率的变化
18、。发生磁化率的变化。温度对顺磁性影响很大。顺磁物质的磁化率与温温度对顺磁性影响很大。顺磁物质的磁化率与温度的关系一般用居里定律来表示度的关系一般用居里定律来表示 =C/T 式中：式中：C是居里常数，它等于是居里常数，它等于nm2at/3k，n是单位体是单位体积内的原子数，积内的原子数，mat是原子磁矩，是原子磁矩，k是玻尔兹曼常是玻尔兹曼常数；数；T是绝对温度。是绝对温度。抗磁性与顺磁性抗磁性与顺磁性2024/8/221只有少数物质符合居里定律，绝大多数物质的只有少数物质符合居里定律，绝大多数物质的磁化率和温度的关系要用居里磁化率和温度的关系要用居里外斯定律来表外斯定律来表示：示： =C/（T
19、+） （9-13） 式中：式中：C是常数；对于同一种物质是常数；对于同一种物质也是常数，也是常数，不同的物质，不同的物质， 可以大于可以大于0，也可以小于，也可以小于0。抗磁性与顺磁性抗磁性与顺磁性2024/8/222铁磁性铁磁性 反铁磁性反铁磁性 亚铁磁性亚铁磁性对于铁磁性材料，在居里温度以上是顺磁性，其对于铁磁性材料，在居里温度以上是顺磁性，其磁化率大致服从居里磁化率大致服从居里外斯定律，即外斯定律，即 =C/(T Tc ) 式中：式中：Tc为居里温度。为居里温度。 抗磁性与顺磁性抗磁性与顺磁性2024/8/2233、相变和组织转变、相变和组织转变n材料发生同素异晶转变时，晶格类型和原子的
20、间材料发生同素异晶转变时，晶格类型和原子的间距发生变化，会影响电子的运动状态，从而使材距发生变化，会影响电子的运动状态，从而使材料磁化率发生变化。料磁化率发生变化。如正方晶格的白锡转变为金刚石结构的灰锡时，如正方晶格的白锡转变为金刚石结构的灰锡时，导磁率明显变化；导磁率明显变化；-Fe-Fe的转变。的转变。n加工硬化，使原子间距增加，密度减小，从而使加工硬化，使原子间距增加，密度减小，从而使材料的抗磁性减弱。材料的抗磁性减弱。如铜，高度加工硬化时，可由抗磁性转变为顺磁如铜，高度加工硬化时，可由抗磁性转变为顺磁性。退火与加工硬化的作用相反，能使铜的抗磁性。退火与加工硬化的作用相反，能使铜的抗磁性
21、得到恢复。性得到恢复。 抗磁性与顺磁性抗磁性与顺磁性2024/8/2244、合金成分与组织、合金成分与组织合金成分和组织对原子的结合合金成分和组织对原子的结合力产生影响，因此也影响磁化力产生影响，因此也影响磁化率。率。由弱磁化率的两种金属组成固由弱磁化率的两种金属组成固溶体时，其磁化率和成分按接溶体时，其磁化率和成分按接近于直线的平滑曲线变化。近于直线的平滑曲线变化。抗磁顺磁金属，或者当固溶抗磁顺磁金属，或者当固溶体合金有序化时，合金的磁化体合金有序化时，合金的磁化率都会有明显变化率都会有明显变化抗磁性与顺磁性抗磁性与顺磁性2024/8/225三、抗磁与顺磁磁化率的测量三、抗磁与顺磁磁化率的测
22、量 磁称法：磁称法：抗磁性与顺磁性抗磁性与顺磁性2024/8/226有坡度有坡度z缺点：缺点：必须保证试样与标准的体积必须保证试样与标准的体积V相同；相同；所处位置的磁场强度与磁场梯度完全一致。所处位置的磁场强度与磁场梯度完全一致。四、磁化率的应用四、磁化率的应用 确定合金的最大溶解度曲线。确定合金的最大溶解度曲线。 根据：根据：单相固溶体比两相混合组织的顺磁性高；单相固溶体比两相混合组织的顺磁性高；混合组织的顺磁性与合金成分之间呈直线关系的混合组织的顺磁性与合金成分之间呈直线关系的规律。规律。 研究铝合金的分解。研究铝合金的分解。 测定磁化率变化曲线还可以研究材料的有序无序测定磁化率变化曲线
23、还可以研究材料的有序无序转变、同素异晶转变和测定材料的再结晶温度等。转变、同素异晶转变和测定材料的再结晶温度等。抗磁性与顺磁性抗磁性与顺磁性2024/8/227第三节第三节 铁磁性与反铁磁性铁磁性与反铁磁性一、铁磁材料的电子分布和原子磁矩一、铁磁材料的电子分布和原子磁矩铁磁性材料与顺磁材料有显著的不同，在外加磁铁磁性材料与顺磁材料有显著的不同，在外加磁场的作用下，可以产生很强的附加磁场，其磁化场的作用下，可以产生很强的附加磁场，其磁化矢量与外加磁场的方向一致。矢量与外加磁场的方向一致。这些特性都是铁磁材料原子的电子分布状态所决这些特性都是铁磁材料原子的电子分布状态所决定的。定的。 2024/8
24、/228 铁、钴、镍是铁磁材料，其原子的铁、钴、镍是铁磁材料，其原子的3d层电子的充层电子的充填情况为：填情况为： 金属元素金属元素金属元素金属元素 Fe Fe Co Co Ni Ni 原子外层电子分布原子外层电子分布原子外层电子分布原子外层电子分布 3d3d6 64s4s2 2 3d3d7 74s4s2 2 3d3d8 84s4s2 2 3d3d层电子充填规律层电子充填规律层电子充填规律层电子充填规律 未抵消自旋电子数未抵消自旋电子数未抵消自旋电子数未抵消自旋电子数 4 43 32 2铁磁性材料的固有磁矩能够自发地排列，产生铁磁性材料的固有磁矩能够自发地排列，产生铁磁性材料的固有磁矩能够自发
25、地排列，产生铁磁性材料的固有磁矩能够自发地排列，产生自发自发自发自发磁化磁化磁化磁化。铁磁性与反铁磁性铁磁性与反铁磁性2024/8/229产生铁磁性的条件产生铁磁性的条件：有未被抵消的自旋磁矩；自旋磁矩同向排列：有未被抵消的自旋磁矩；自旋磁矩同向排列二、自发磁化二、自发磁化没有外磁场作用，材料发生的磁化叫做没有外磁场作用，材料发生的磁化叫做自发磁化自发磁化。键合理论：原子相互接近时，电子云重叠。过渡键合理论：原子相互接近时，电子云重叠。过渡族金属族金属3d状态的电子与状态的电子与4s状态的电子能量相差不状态的电子能量相差不大，电子云重叠，会发生大，电子云重叠，会发生3d和和4s层的层的电子交换
26、电子交换。原子间交换电子引起的能量变化为：原子间交换电子引起的能量变化为： Eex=-2AS1S2=-2AS2cos 式中：式中：A为交换能积分常数为交换能积分常数；S1与与S2分别是两个电分别是两个电子的自旋动量矩矢量；子的自旋动量矩矢量；是两个自旋动量矩矢量夹是两个自旋动量矩矢量夹角；角；S是是S1与与S2的模。的模。 2024/8/230n交换能积分常数交换能积分常数A与与a/r的关系曲线的关系曲线（a为原子为原子间距，间距，r为未充满壳层的原子半径）为未充满壳层的原子半径）在在A0时，当时，当=0、cos=1时，时，Eex为最小值，这为最小值，这能迫使相邻原子的自旋磁矩按同方向排列；能
27、迫使相邻原子的自旋磁矩按同方向排列；在在A0时，当时，当=、cos=-1时，时，Eex为最小值，这为最小值，这迫使相邻原子的自旋磁矩按反方向排列。迫使相邻原子的自旋磁矩按反方向排列。 Eex=-2AS1S2=-2AS2cos2024/8/231电子交换能电子交换能迫使相邻原子的自旋磁矩产生有序排列。迫使相邻原子的自旋磁矩产生有序排列。当自旋磁矩同方向排列时，便产生了自发磁化。当自旋磁矩同方向排列时，便产生了自发磁化。Fe、Co、Ni的自旋磁矩均能按同方向排列，是的自旋磁矩均能按同方向排列，是铁磁铁磁性材料性材料Mn、Cr、-Fe的自旋磁矩以反方向排列，不会自发的自旋磁矩以反方向排列，不会自发磁
28、化，故为磁化，故为反铁磁性材料反铁磁性材料。 2024/8/232三、磁各向异性、磁致伸缩三、磁各向异性、磁致伸缩磁各向异性磁各向异性沿不同晶轴方向磁化所产生的磁化强度不同沿不同晶轴方向磁化所产生的磁化强度不同磁致伸缩磁致伸缩沿磁化方向发生长度的伸长或缩短的现象沿磁化方向发生长度的伸长或缩短的现象正磁致伸缩正磁致伸缩伸长伸长负磁致伸缩负磁致伸缩缩短缩短2024/8/233铁磁性物质的两个重要磁化特征：磁各向异性、磁致伸缩铁磁性物质的两个重要磁化特征：磁各向异性、磁致伸缩四、磁畴结构四、磁畴结构在铁磁性材料中存在着许多微小的自发磁化区域，在铁磁性材料中存在着许多微小的自发磁化区域，称为称为“磁畴
29、磁畴”。那么晶体和每个晶粒是否就是一。那么晶体和每个晶粒是否就是一个磁畴呢？个磁畴呢？晶体中磁畴按能量最小原则形成封闭的磁畴结构，晶体中磁畴按能量最小原则形成封闭的磁畴结构，见图。见图。 2024/8/234交换能交换能退磁能退磁能磁致伸缩能磁致伸缩能铁磁体产生的外磁场与内磁场的方向相反，反铁磁体产生的外磁场与内磁场的方向相反，反而使铁磁体的磁性减弱，造成磁化能增加。而使铁磁体的磁性减弱，造成磁化能增加。退磁能退磁能=0一个磁体中存在许多小磁畴，相邻两个磁畴不一个磁体中存在许多小磁畴，相邻两个磁畴不可能呈反向平行排列，而是在两个反向磁畴间可能呈反向平行排列，而是在两个反向磁畴间形成一个过渡层，
30、称之为形成一个过渡层，称之为磁畴壁磁畴壁。磁畴呈细小扁平的片状或细小的棱柱状，约为磁畴呈细小扁平的片状或细小的棱柱状，约为10-6mm3，磁化矢量指向易磁化方向。多晶体，磁化矢量指向易磁化方向。多晶体中，一个晶粒内可有数个磁畴。在磁场的作用中，一个晶粒内可有数个磁畴。在磁场的作用下，磁畴的大小会发生变化。下，磁畴的大小会发生变化。 2024/8/235五、铁磁材料的磁化过程五、铁磁材料的磁化过程/磁化机制磁化机制n磁化过程的磁化过程的3个阶段：个阶段：弱磁场强度时的弱磁场强度时的起始阶段起始阶段；中等磁场强度下的中等磁场强度下的不可逆磁化阶段不可逆磁化阶段强磁场中的强磁场中的磁化缓慢增加阶段磁
31、化缓慢增加阶段。n取取4个封闭结构的磁畴来说明磁化机制：个封闭结构的磁畴来说明磁化机制：磁化矢量的磁畴磁位能磁化矢量的磁畴磁位能（自旋磁矩转动）（自旋磁矩转动）磁畴逐步改变位向磁畴逐步改变位向磁畴壁移动磁畴壁移动 ，减薄。，减薄。 2024/8/236六、六、磁化曲线磁化曲线和磁滞回线和磁滞回线 第一阶段第一阶段，在微弱的外磁场作用下，在微弱的外磁场作用下，B和和M随随H的的增加平稳地增加，增加平稳地增加，M和和H近似呈线性关系。近似呈线性关系。第二阶段第二阶段，H继续增加，继续增加，B和和M急剧增高，急剧增高，快速增快速增长并且出现极大值长并且出现极大值m。 第三阶段第三阶段，H进一步增大，
32、进一步增大，B和和M的增大趋势逐步减慢，的增大趋势逐步减慢，导磁率减小，并趋于稳定值导磁率减小，并趋于稳定值0。达到。达到Hs时，时，M达到饱和达到饱和值值Ms，B随随H的增加而增加，的增加而增加，因为因为B=M+H。 Ms对应的对应的Bs称为称为饱和磁感饱和磁感应强度应强度。 2024/8/237六、磁化曲线和六、磁化曲线和磁滞回线磁滞回线沿沿Oab磁化到饱和状态，逐步减小磁化到饱和状态，逐步减小H，B沿沿bcd减减小。小。H=0时，时，B0，为，为Br剩余磁感应强度剩余磁感应强度。要。要使使B=0，加反向，加反向Hc矫顽力矫顽力。继续增大反向磁场，继续增大反向磁场，B沿沿de变化到变化到-
33、Bs。2024/8/238磁感应强度的变化总是落后于磁场强度的变化，磁感应强度的变化总是落后于磁场强度的变化，这种现象称为这种现象称为磁滞效应磁滞效应铁磁性材料的一个重铁磁性材料的一个重要特征。要特征。由于磁滞效应的存在，磁化一个循环，得到一个由于磁滞效应的存在，磁化一个循环，得到一个闭合回线，称为闭合回线，称为磁滞回线磁滞回线。 2024/8/239磁滞回线所包围的面积就等于磁化一周所消耗磁滞回线所包围的面积就等于磁化一周所消耗的能量，称为的能量，称为磁滞损耗磁滞损耗。2024/8/240表征永磁材料磁性能的参量表征永磁材料磁性能的参量最大磁能积最大磁能积隆起度隆起度回复系数回复系数2024
34、/8/241退磁曲线：磁滞回线的第二象限部分退磁曲线：磁滞回线的第二象限部分磁滞回线的形状：磁滞回线的形状：软磁材料软磁材料和和硬磁材料硬磁材料。n软磁材料软磁材料的磁滞回线瘦小，具有高的磁导率、高的磁滞回线瘦小，具有高的磁导率、高饱和磁化强度和低的剩余磁感应强度、低的矫顽饱和磁化强度和低的剩余磁感应强度、低的矫顽力。力。用于电磁铁和变压器铁心等，常用的材料有工业用于电磁铁和变压器铁心等，常用的材料有工业纯铁、硅钢、磁性陶瓷等。纯铁、硅钢、磁性陶瓷等。n硬磁材料硬磁材料又称为永磁材料，磁滞回线肥大，具有又称为永磁材料，磁滞回线肥大，具有高的高的Hc、Br和较大的磁滞回线面积和较大的磁滞回线面积
35、(BH)m，特别，特别是大的磁滞回线面积是大的磁滞回线面积(BH)m使材料在使用中保持稳使材料在使用中保持稳定的磁性。定的磁性。常用材料有铁氧体、铝镍钴、稀土钴以及稀土常用材料有铁氧体、铝镍钴、稀土钴以及稀土铁类合金。铁类合金。2024/8/2422024/8/243七、反铁磁性七、反铁磁性A0，相邻原子间的自旋反向平行排列；，相邻原子间的自旋反向平行排列；无论什么温度，反铁磁性材料在宏观上都是顺无论什么温度，反铁磁性材料在宏观上都是顺磁性；磁性；奈耳点，奈耳点，Tn 相邻原子自旋反向排列被完全破坏的温度相邻原子自旋反向排列被完全破坏的温度2024/8/244Eex=-2AS1S2=-2AS2
36、cos八、影响铁磁性参数的因素八、影响铁磁性参数的因素温度温度：T升高使铁磁性的饱和磁化强度升高使铁磁性的饱和磁化强度Ms下降下降形变和晶粒度形变和晶粒度：1、点阵畸变、内应力增加，磁化和退磁困难；、点阵畸变、内应力增加，磁化和退磁困难；2、形变织构、再结晶织构，导致磁性呈现方向性；、形变织构、再结晶织构，导致磁性呈现方向性；3、晶粒大小的影响类似冷变形、晶粒大小的影响类似冷变形形成固溶体和多相合金形成固溶体和多相合金：2024/8/245八、影响铁磁性参数的因素八、影响铁磁性参数的因素温度温度：T升高使铁磁性的饱和磁化强度升高使铁磁性的饱和磁化强度Ms下降下降形变和晶粒度形变和晶粒度：点阵畸
37、变、内应力增加；方向性：点阵畸变、内应力增加；方向性形成固溶体和多相合金形成固溶体和多相合金：1、铁磁性金属铁磁性金属溶入抗磁性溶入抗磁性/弱磁性元素，弱磁性元素，Ms降低；溶降低；溶入强顺磁性元素，入强顺磁性元素， Ms先增加后降低；溶入铁磁性元先增加后降低；溶入铁磁性元素形成固溶体，素形成固溶体， Ms随成分单调连续变化。随成分单调连续变化。2、铁磁性金属铁磁性金属中溶入中溶入C/N/O形成间隙固溶体，晶格点形成间隙固溶体，晶格点阵畸变；与顺磁性阵畸变；与顺磁性/抗磁性抗磁性金属金属形成的化合物是顺磁形成的化合物是顺磁性；与性；与非金属非金属元素形成的化合物是铁磁性的元素形成的化合物是铁磁
38、性的3、非铁磁性元素间可能形成铁磁性固溶体，、非铁磁性元素间可能形成铁磁性固溶体，Mn-S4、钢：铁素体、渗碳体、贝氏体、马氏体；奥氏体、钢：铁素体、渗碳体、贝氏体、马氏体；奥氏体2024/8/246课后作业课后作业1、解释下列名词：、解释下列名词：磁化强度、磁感应强度、磁致伸缩、磁化强度、磁感应强度、磁致伸缩、抗磁性、顺磁性、铁磁性、反铁磁性抗磁性、顺磁性、铁磁性、反铁磁性2、影响铁磁性参数的因素、影响铁磁性参数的因素2024/8/247复复 习习傅立叶定律的内容傅立叶定律的内容固体材料的三种导热方式固体材料的三种导热方式影响材料热传导性能的因素影响材料热传导性能的因素材料具有磁性的根本原因在于什么？材料具有磁性的根本原因在于什么？固有磁矩固有磁矩mj 、磁化强度磁化强度M、磁化率、磁化率x； 磁感应强度磁感应强度B、磁导率、磁导率；什么是抗磁性材料、顺磁性材料、铁磁性材料？什么是抗磁性材料、顺磁性材料、铁磁性材料？2024/8/248自由电子的运动、晶格振动、光子辐射自由电子的运动、晶格振动、光子辐射温度、晶体结构、化学组成、复相材料与气孔温度、晶体结构、化学组成、复相材料与气孔
