材料物理性能-_磁学性能

1、1 第四章 材料的磁学性能 P 130 2 本章内容本章内容 q 材料的基本磁学性能材料的基本磁学性能 q 物质的磁性及其物理本质物质的磁性及其物理本质 q 磁畴及技术磁化磁畴及技术磁化 q 磁性材料磁性材料 3 I、材料的基本磁学性能、材料的基本磁学性能 u 磁性磁性：磁性是物质放在不均匀的磁场中会受到磁力的作用。在相同的 不均匀磁场中，由单位质量的物质所受到的磁力方向和强度，来确定物质 磁性的强弱。任何物质都具有磁性，只是种类和强弱不同。 u 磁化及磁介质磁化及磁介质：物质在磁场中受磁场的作用而表现出磁性的过程称为 磁化。能够被磁化的物质叫做磁性物质或磁介质。 u 磁场磁场：如果将两个磁极

2、靠近，在两个磁极之间产生作用力同性相 斥和异性相吸。磁极之间的作用力是在磁极周围空间传递的，这里存在着 磁力作用的特殊物质，称之为磁场。磁场的强弱可以用假想的磁力线数量 来表示，磁力线密的地方磁场强，磁力线疏的地方磁场弱。单位截面上穿 过的磁力线数目称为磁通量密度。 4 1. 磁矩磁矩 （P130） 磁矩是描述载流线圈或微观粒子磁性的物理量，表征磁 性物体磁性的大小，磁矩越大，磁性越强，即物体在磁场中 受的力也越大。 5 J = PmB 式中：J为矢量积，B为磁感应强度。 在均匀磁场中，磁矩受到磁场作用的力矩J为： 磁源于电：一个环形电流周围的磁场犹如一条形磁体的磁场， 具有磁矩Pm，其大小为

3、电流与封闭环形面积的乘积，其方向 符合右螺旋法则。 式中：m 载流线圈的磁矩； I 载流线圈通过的电流； S 载流线圈的面积； n 载流线圈平面的法线方向上的单位矢量。 Pm= nIS 6 对于一般磁介质，无外加磁场时，其内部各磁矩的取向不 一，宏观无磁性。但在外磁场作用下，各磁矩有规则地取向， 使磁介质宏观显示磁性，完成磁化过程。 为了描述物质的磁化状态和衡量其磁性强弱，引入磁化强 度的概念，磁化强度M是单位体积的总磁矩： 2. 磁化强度磁化强度（P130） l 磁化强度M是反映物质磁化状态（强度和方向）的物理量。 l M可正、可负，由磁体内磁矩矢量和的方向决定，因而磁化了 的磁介质内部的磁

4、感应强度B可能大于，也可能小于磁介质不存 在时真空中的磁感应强度B0。 V P M m 7 3. 磁化率磁化率（P131） 为了确定材料的磁化强度M与外磁场强度H、温度T之间 的关系，引入磁化率的概念。 在给定的外界条件（T常数），磁化率等于磁化强度M 与磁场强度H之比。 HM 式中：为介质的磁化率，反映材料磁化的难易程度，无量纲， 可正可负，是物质磁性分类的主要依据。 8 4. 磁感应强度和磁导率磁感应强度和磁导率（P133） 材料在磁场强度为H的外加磁场（直流、交变或脉冲磁 场）作用下，会在材料内部产生一定的磁通量密度，称其为 磁感应强度B，即在强度为H的磁场中被磁化后，物质内磁场 强度的

5、大小。 在真空中，磁感应强度为： 式中0为真空磁导率 HB 00 mH /104 7 0 9 式中：为磁导率，是磁性材料最重要的物理量之一，反映 了介质的特性，表示材料在单位磁场强度的外加磁场作用下， 材料内部的磁通量密度。 在磁介质中，磁感应强度与磁场强度的关系为： HHHMHBBB)1 ( 00000 0 )1 ( 0 HB 10 电学物理量 (单位)磁学物理量 (单位) 电流强度 I (A)磁通量 (Wb) 电流密度 J (A/m2)磁通密度 B (Wb/m2) 电场强度 E (V/m)磁场强度 H (A/m) 电导率 (-1m-1)磁导率 (H/m) 电偶极矩 (Cm)磁矩 Pm (W

6、bm) 极化强度 P (C/m2)磁化强度 M(Wb/m2) 极化率磁化率 磁学与电学基本物理量的比较磁学与电学基本物理量的比较 1 0 r EP EJ 1 r HM HB 11 II、物质的磁性及其物理本质、物质的磁性及其物理本质 一、物质磁性的基础一、物质磁性的基础（P135） Orbital Spin 轨道磁矩自旋磁矩 轨道磁矩轨道磁矩 电子围绕原子核的轨道运 动，产生一个非常小的磁 场，形成一个沿旋转轴方 向的磁矩，即轨道磁矩。 自旋磁矩自旋磁矩 每个电子本身有自旋运动 产生一个沿自旋轴方向的 磁矩，即自旋磁矩。 12 原子的磁距主要由电子的磁距组成，而电子的磁距又是其 轨道磁矩和自旋

7、磁矩的矢量和（原子固有磁距）。 原子是否具有磁矩，取决于其具体的电子壳层结构。 如果原子中所有电子壳层都是填满的，由于形成一个球 形对称的集体，则电子轨道磁矩和自旋磁矩各自相抵消，此 时原子本征磁矩Pm=0。 若有末被填满的电子壳层，这个壳层的电子总磁矩不为 零，则原子就具有对外的永久磁矩。 原子磁矩的确定原子磁矩的确定 原子固有磁矩的存在与否以及原子间的相互作用 使物质表现出不同的磁性。 13 根据物质磁性的强弱和磁化率的正负，可将物质的磁性 分为抗磁性、顺磁性、铁磁性、亚铁磁性和反铁磁性。 二、磁性的分类二、磁性的分类 对原先不存在宏观 磁性的材料，施加 一个从零逐渐增大 的磁场，则对不同

8、 的材料可得到不同 的M-H关系曲线， 即基本磁化曲线。 P 132 14 1. 抗磁性抗磁性（P132、P136） 抗磁性的抗磁性的理解理解 由于外磁场使电子的轨道运动发生变化而引起的，方向 与外磁场相反的一种磁性。它是一种很弱的、非永久性的磁 性，只有在外磁场存在时才能维持。 抗磁性的抗磁性的形成形成 原子磁矩取决于未填满壳层电子的轨道磁矩和自旋磁矩。 对于电子壳层已填满的原子，虽然其轨道磁矩和自旋磁矩的总 和为零，但这仅是在无外磁场的情况；当有外磁场作用时，即 使对于那种总磁矩为零的原子也会显示出磁矩来。这是由于电 子的循轨运动在外磁场的作用下产生了抗磁磁矩P的缘故。 15 电子产生抗磁

9、矩的示意图 （沿圆周箭头指电流方向） 抗磁性物质的原子(离子)磁矩为零， 当抗磁性物质放入外磁场中，电子 受到洛伦兹力的作用产生一个附加 向心力K，从而使电子轨道改变， 感生一个附加磁矩，其方向与外磁 场方向相反。 16 v 所感应的磁矩很小，方向与外磁场相反，即磁化强度M为 很小的负值，抗磁体在磁场中受微弱斥力。 v 相对磁导率r 1，磁化率 0（为负值）。 v 在抗磁体内部的磁感应强度B比真空中的小。抗磁体的磁 化率约为约为-10-6数量级。 v 所有材料都有抗磁性。因为它很弱，只有当其它类型的磁 性完全消失时才能被观察。 v 凡是电子壳层被填满的物质都属于抗磁体，如惰性气体、 离子型固体

10、、共价键的C, Si, Ge, S, P等。 抗磁性的抗磁性的特征特征 17 2. 顺磁性顺磁性（P132、P138） 顺磁性的顺磁性的理解理解 受外磁场作用时，原子磁矩能通过旋转而沿外场方向择 优取向，表现出宏观磁性，这种磁性称为顺磁性。 顺磁性的顺磁性的形成形成 顺磁体的原子或离子有原子固有磁矩（它是电子的轨道磁 矩和自旋磁矩的矢量和)，其源于原子内未填满的电子壳层(如 过渡元素的d层，稀土金属的f层)，或源于具有奇数个电子的原 子。但无外磁场时，由于热振动的影响，其原子磁矩的取向是 无序的，故总磁矩为零。 18 当有外磁场作用，则原子磁矩便排向外磁场的方向，总磁 矩便大于零而表现为正向磁

11、化。 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10-610-3。 顺磁物质磁化过程示意图 19 v 在顺磁体中，原子磁矩沿外磁场方向排列，磁场强度获得 增强，磁化强度为正值，抗磁体在磁场中受微弱引力。 v 相对磁导率r 1，磁化率为正值（0），也很小，只 有10-610-3。 v 顺磁体和抗磁体对于磁性材料应用来说都视为无磁性。 v 顺磁体只有在外磁场存在下才被磁化，且磁化率极小。 v 一般含有奇数个电子的原子或分子，电子未填满壳层的原 子或离子，如过渡元素、稀土元素、钢系元素，还有铝铂等 金属，都属于顺磁物质。 顺磁性的顺磁性的特征特征

12、20 3. 铁磁性铁磁性（P132、P142） 铁磁性的铁磁性的理解理解 抗磁和顺磁物质磁化率的绝对值都很小，因而都属于弱 磁性物质。另有一类物质如Fe，Co，Ni，室温下磁化率可达 103数量级，属于强磁性物质。这类物质的磁性称为铁磁性。 铁磁性物质和顺磁性物质的主要差异在于：即使在较弱 的磁场内，前者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。 21 铁磁性的铁磁性的形成形成 铁磁性材料的磁性是自发产生的。自发磁化是铁磁物质 的基本待征，也是铁磁物质和顺磁物质的区别所在。 铁磁性的自发磁化是由于电子间的静电相互作用（即交 换力）而产生的，当磁性物质内部相邻原子的电子交

13、换积分 为正时(A0)，相邻原子磁矩将同向平行排列，从而实现自发 磁化。 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。 铁磁性产生的充分条件: (1) 原子内部要有未填满 的电子壳层; (2) Rab /r3（也不能太大）使A0。 22 交换积分A与Rab /r的关系 （Rab-原子间距 r-未填满的电子层半径） Rab/r3时，A0， 原子磁距反平行排 列，反铁磁性。 Rab/r太大，原子核间距太 大，电子云重叠少，电子 间交换作用弱，顺磁性。 23 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，由于物质内部热骚

14、动破坏电子自旋磁矩的平行取向， 因而自发磁化强度降低，铁磁性消失。这一温度称为居里 点Tc。在居里点以上，材料表现为顺磁性。 铁磁性材料的居里温度铁磁性材料的居里温度 24 4. 反铁磁性和亚铁磁性反铁磁性和亚铁磁性（P132、P144） 如果交换积分A0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。 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

15、差表现为宏观磁矩，这就是亚 铁磁性。一般称为铁氧体的大部分铁系氧化物即为此。 25 顺磁性 亚铁磁性 反铁磁性 铁磁性 抗磁性：没有固有原子磁矩 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 亚铁磁性：有磁矩，间接交换相互作用 26 III、磁畴及技术磁化、磁畴及技术磁化 一、磁畴一、磁畴（P149） 铁磁体在很弱的外加磁场作用下能显示出强磁性，这是 由子物质内部存在着自发磁化的小区域磁畴的缘故。 未加磁场时铁磁体内部已经磁化到饱和状态的小区域称 为磁畴。（磁性物质内部自发磁化方向相同的小区域） 磁畴尺寸大约为10-9cm3，约有1

16、015个原子 。磁畴之间被 畴壁隔开，畴壁实质是相邻磁畴之间的过渡层，在过渡层中， 磁矩不是突然改变方向，而是逐渐的改变，因此过渡层有一 定厚度，畴壁的厚度一般为10-5cm。 27 对未经外磁场磁化的(或处于退磁状态的)铁磁体，它们 在宏观上并不显示磁性，这说明物质内部各部分的自发磁化 强度的取向是杂乱的。因而物质的磁畴决不会是单畴，而是 由许多小磁畴组成的。 二、技术磁化二、技术磁化（P154） 技术磁化：在外磁场作用下，铁磁体从完全退磁状态磁化到 饱和的内部变化过程。 28 铁磁体在外磁场中的磁化过程主要为畴壁的 移动和磁畴内磁矩的转向。 29 将一未经磁化或退磁状态的铁磁体放入外磁场H

17、中，其 磁体内部的磁感应强度B随外磁场H的变化是非线形的，如果 外磁场是交变磁场，则与电滞回线类似，可得磁滞回线。 磁滞回线是磁性 材料的主要特性 三、磁滞回线三、磁滞回线（P134） B H Bs Br Hc 30 (1) 饱和磁感应强度Bs。是指在指定温度下，用足够大的磁场 强度磁化物质时，磁化曲线达到接近水平时（即不再随外磁 场增大而明显增大）对于的B值。 (2) 剩余磁感应强度Br。铁磁物质磁化到饱和后，又将磁场强 度下降到零时，铁磁物质中残留的磁感应强度称为剩余磁感 应强度，简称剩磁。 (3) 矫顽场Hc。铁磁物质磁化到饱和后，由于磁滞现象，要使 磁介质中磁感应强度B为零，必须有一定

18、的反向磁场强度-H， 该磁场强度称为矫顽力Hc。 磁滞曲线的特征参数： 31 IV、磁性材料、磁性材料 由于金属和合金磁性材料的电阻率低，损耗大，因而无 法适用于高频。陶瓷质的磁性材料电阻率高，可以从商用频 率到毫米波范围以多种形态得到应用，而且具有较高的高频 磁导率，这是其他磁性材料难以比拟的。 磁性陶瓷分为含铁的铁氧体陶瓷材料和不含铁的磁性陶 瓷材料。 32 1. 铁氧体的磁性与结构 以氧化铁（Fe2O3）为主要成分的强磁性氧化物叫做铁氧 体。铁氧体磁性与铁磁性相同之处在于有自发磁化强度和磁 畴，因此有时也被统称为铁磁性物质。 铁氧体一般都是多种金属的氧化物复合而成，因此铁氧 体磁性来自两种不同的磁矩。一种磁矩在一个方向相互排列 整齐；另一种磁矩在相反的方向排列。这两种磁矩方向相反， 大小不等，两个磁矩之差，就产生了自发磁化现象。因此铁 氧体磁性又称亚铁磁性。 从晶体结构分，目前已有尖晶石型、石榴石型、磁铅石 型、钙钛