材料磁学性能第一节

1、第三章材料磁学性能“磁性”（magnetism）一词来源：盛产磁石的小亚细亚（今天的土耳其亚洲部分）的Magnesia州的州名。我国河北省的磁县古称磁州，也是因盛产磁石而得名由于天然磁石的存在，人类很早就观察到了磁现象在我国春秋时期的一些著作中，已有关于磁石的描述。东汉在论衡一书中描述了世界上最早的指南器¾司南勺。北宋在梦溪笔谈中明确地记载了指南针，以 及通过与天然磁石摩擦人工磁化指南针的方法。指南针是我国古代的四大发明之一，对世界文明的发展有贡献1磁性不只是一个宏观的物理量，它与物质的微观结构密切相关。它不仅取决于物质的结构，还取决于间的相互作用，即键合情况、晶体结构。因此，研究磁

2、性也是研究物质内部结构的重要方法之一本章将简要介绍磁性的一般理论、磁性的分类，着重讨论铁磁性材料和铁氧体材料的结构与磁学性能的关联，最后简单介绍几类磁性材料及其应用第一节磁学概论第二节铁磁性第三节铁氧体的结构与磁性能第四节磁性材料及其应用2第一节磁学概论一、磁学基本量1. 磁偶极子磁偶极子：类似于电偶极子，在磁性材料中由南极和北极组成一个磁偶极子磁矩（或称磁偶极矩）：环形电流在其运动中心处产生一个磁矩Pm，其方向与环形电流法线方向一致，可用右手定则确定，其大小为电流I与封闭环形的面积S的乘积，即： Pm = IS 磁矩的概念不仅适用于通电圆线圈，它同样适用于其它任意形状的通电线圈许多微线圈拼成

3、的六角形线圈，微线圈组合的效果，是使电流只呈现在周界上3将磁矩Pm放入磁感应强度为B的磁场中，它将受到磁场力的作用而产生力矩，所受力矩为：t = Pm ´ B 磁矩与外加磁场的作用能称为静磁能。处于磁场中某方向的磁矩，所具有的静磁能U为：U = - Pm · B 力矩力图使磁矩Pm处于位能最低的方向，上式是分析磁体相互作用，以及在磁场中所处状态是否稳定的依据42. 磁场矢量对于通电的密绕螺线管，若螺线管高为l、线圈匝数为N、通过的电流为I，则螺线管内所产生的磁场强度H为：l磁感应强度B（也称磁通密度）：是磁场面积的磁通量。在磁场内，磁偶极子会受到力矩的作用，运动电荷也会感受

4、到力的作用。磁感应强度就是用以描述磁场所具有的这种效力的参数磁场在真空中的磁感应强度为B0，磁场强度H与B0的关系是： B0 = m0 H （m0=4p×10-7H/m，称为真空磁导率）将材料放入磁场H的自由空间，材料中的磁感应强度为： B = m H （m为材料的磁导率，只与介质有关）5H = NIl相对磁导率mr为：mr= B / B0 = m / m0磁导率或相对磁导率用于度量材料被磁化的程度，或在外磁场H中感应出磁感应强 度B的难易程度磁化强度M：一个物体在外磁场中被磁化的程度，用体积内磁矩多少来衡量，称之为磁化强度M。磁场强度、磁感应强度与磁化强度间的关系由下式给出： B

5、= m0 H + m0 M = m0 ( H + M )任何材料在外磁场作用下都会或大或小地显示出磁性，这种现象称为材料被磁化由上式可看出，材料内部的磁感应强度B可看两部分的场叠加而成：一是材料对自由空间磁场的反应m0H；另一部分是材料对磁化引起的附加磁场的反应m0M，它 是由材料中偶极矩沿外磁场方向平行排列而引起的m0M称磁极化强度磁化强度或磁极化强度比磁感应强度更能反映磁性材料内禀性质6从宏观来看，物体在磁场中被磁化的程度与磁场的磁场强度有关，其公式为： M = c H c称为体积磁化率。根据M与H的方向，c可取正（当M与H同向），可取负（当M与H反向），这与物质的磁性本质有关磁化率与磁导

6、率的关系为：mr= m / m0 = 1 + cmr、m、c这三个磁性参数实质上是描写同一客观现象，已知其中一个，就可以确 定其它两个7制（厘米-克-秒制电磁，cgs-在磁学中，曾经还常使用另一种制，即emu）。各参数的国际制（SI）与制（cgs-emu）的换算关系见下表8参数符号SIcgs-emu转换关系衍生原始BT（或 Wb/m2）Kg/s·C（Gs）1Wb/m2 = 104 GsHA/mC/m·s（Oe）1A/m = 4p´10-3 OeMA/mC/m·s/厘米 2（maxwell/cm2）1A/m = 10-3 maxwell/cm2m0H/mk

7、g·m/C2无量纲（emu）4p´10-7 H/m = 1emumr(SI)m(cgs-emu)无量纲无量纲无量纲mr=mc (SI)c(cgs-emu)无量纲无量纲无量纲c = 4pc二、磁性的本质磁现象和电现象存在着本质的，物质的磁性本源是电荷的运动。物质的磁性与、电子结构有着密切的关系磁性包括：电子轨道磁矩、电子自旋磁矩和仅为电子自旋磁矩的千分之几，可以忽略不计核磁矩。核的自旋磁矩1. 电子的磁矩电子磁矩由电子的轨道磁矩和自旋磁矩组成电子在轨道中核运动，相当于一个小的通电线圈，形成一个很小的磁场，因此沿电子运动轴方向存在一个磁矩，如图a所示此外，每个电子还存在如图b所

8、示的自旋运动，自旋运动形成许许多多细微的电流环，因而也形成一个磁矩Pm+电子核(a)Pm电子(b)自旋方向是玻尔磁子mB，mB=9.27×10-24A·m2，是一个极小的量磁矩的最基本中每个电子自旋磁矩近似值等于±mB，正号表示自旋向上，负号表示自旋向下 电子轨道磁矩等于mlmB，ml为电子的磁量子数（各电子支壳层的轨道数）在晶体中，电子的轨道磁矩受晶格场的作用，其方向是变化的，不能形成一个磁矩，对外没有磁性作用。因此，物质的磁性不是由电子的轨道磁矩引起，而是主要由自旋磁矩引起电子自旋向上的磁矩可以与自旋向下的磁矩互相抵消，子的自旋磁矩总和：的净磁矩等于所含电就不

9、具有“具有完全填充的电子壳层，则由于电子磁矩互相抵消，磁矩”就具有“永中如果有未被填满的电子壳层，其电子的自旋磁矩未被抵消，久磁矩”（如铁的6个3d电子中的4个填充在4个轨道中，且自旋相同，故总的电子自旋磁矩为4mB）102. 交换作用铁磁性（如铁，具有很强的磁性）：其磁性除与电子结构有结构，还决定于晶体“交换”作用：处于不同间的、未被填满壳层上的电子发生的特殊相互作用，而是“公有化”了。参与这种相互作用的电子已不再局限于原来的象在交换电子，故称为“交换”作用间好“交换”作用所产生的“交换能” H与晶格的间距有密切关系：当距离很大时，交换能H接近于零。随着距离的减小，相互作用有所增加间距Rab

10、与未被填满的电子壳层半径r之比Rab/r>3时，交换能H为正值，就当呈现出铁磁性当Rab/r<3时，交换能H为负值，为反铁磁性11三、物质的磁性分类根据物质磁化率，可以把物质的磁性大致分为抗磁性、顺磁性、铁磁性、反铁磁性和亚铁磁性等五类，有时候也把亚铁磁性和反铁磁性归入铁磁性中1. 抗磁性抗磁性：磁化方向与外加磁场方向相反，即当磁化率c或磁化强度M为负时，固体表现为抗磁性特征：抗磁性物质的（离子）的磁矩应为零，即不存在磁矩。当抗磁性物质放入外磁场中，外磁场使电子轨道改变，感生一个磁矩，其方向与外磁场方向相反，表现为抗磁性抗磁性物质的抗磁性一般很弱，磁化率c一般约为-10-5量级，相

11、对磁导率mr略小于1；几乎所有的材料都有抗磁性，但由于抗磁性很弱，只有当材料不存在其它磁性的时候，才可观察到抗磁性12H = 0H2. 顺磁性顺磁性：在外加磁场作用下，每个磁矩比较规则地取向，材料显示极弱的磁性。磁化强度M与外磁场方向一致，M为正，而且M严格地与外磁场H成正比特征：不论外加磁场是否存在，的电子磁矩或轨道磁矩不能互相抵消，内部存在动，宏磁矩。但在无外加磁场时，由于顺磁性物质的做无规则的热运来，没有磁性HH = 0顺磁性物质的磁化率c一般也很小，室温下c约为10-310-6量级，相对磁导率mr略 大于1，还依赖于温度。其磁化率c与温度T成反比：顺磁性物质的磁性除了与H有c = C

12、/ T C称为常数，上式即为定律133. 铁磁性铁磁性：过渡金属Fe、Co、Ni和某些稀土金属如Gd等物质，无论是否施加外磁场，都具有磁矩，且在无外加磁场或较弱的磁场作用下，就能产生很大的磁化强度。室温下的磁化率c很大，可达106数量级，属于强磁性物质铁磁性物质和顺磁性物质的主要差异在于：即使没有磁场的情况下，铁磁性物质的磁偶极子也可在很大的区域内保持同向平行排列（即磁畴）抗磁性、顺磁性、铁磁性物质的磁化强度与磁场强度的关系见右图14-+M00H铁磁性物质顺磁性物质抗磁性物质4. 反铁磁性反铁磁性：由于“交换”作用为负值，电子自旋磁矩反向平行排列。在同一子晶格 中有自发磁化强度，电子磁矩是同向

13、排列的，在不同子晶格中，电子磁矩反向排列。两个子晶格中自发磁化强度大小相同，方向相反，整个晶体磁化强度M=0温度很高时，c极小，温度降低，c逐渐增大。在一定温度TN时，c达最大值cN。 称TN为反铁磁性物质的奈耳温度（Nèel temperature），它是反铁磁性转变为顺磁性的温度奈耳点存在cN的解释：在极低温度下，由于相邻的自旋完全反向，其磁矩几乎完全抵消，故磁化率c几乎接近于零。当温度上升时，使自旋反向的作用减弱，c 增加。当温度升至奈耳点以上时，热扰动的影响较大，此时反铁磁体与顺磁体有相同的磁化行为氧化锰显示反铁磁性，O2+不存在净磁矩15Mn2+O2+5. 亚铁磁性亚铁磁性

14、：由磁矩大小不同的两种离子（或）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的。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，二者之差表现为宏观磁矩具有亚铁磁性的物质绝大部分是金属的氧化物，是非金属磁性材料，一般称为铁氧体，又称磁性瓷或氧16四、温度对物质磁性的影响温度提高使得原先定向排列的磁矩趋向于无轨排列。可见，温度对物质的磁性具有重要影响的热运动造成了铁磁性和亚铁磁性物质的磁化强度下降0K的热振动最小，磁化强度最大。随温度增加，物质的磁化强度下降，并在某一温度，磁化强度快速降到零，变成了顺磁性，该温度称为温度T （ CurieCtemperature）17M ( A/m x 106 )2.0铁磁性1.5纯铁1.00.5Fe3O40.0-20002004006008001000温度 ( OC )亚铁磁性温度对反铁磁性物质的磁性也有影响，存在相似的转变温度，即奈耳温度TN（Nèel temperature） 。高于TN，