第11章 材料的磁性质

第十一章材料的磁性能磁矩的来源软磁与硬磁材料磁化过程与磁滞回线各类磁性与结构的关系磁性基本概念以及磁性参数主要内容载流线圈磁矩

I为线圈中电流；S为线圈面积；n为线圈平面法线方向单位矢量。•通电螺线圈产生磁场强度H：A/m(安/米)磁感应强度B：在外磁场H的作用下材料内部的磁通量密度，T（特斯拉）或Wb/m2（韦伯/米2）

磁导率μ0,H/m（亨利／米）真空磁导率μ0，4×10-7H/m，材料特性常数11.1几个基本概念B和H都是磁场向量，不仅有大小，而且有方向。2.描述固体材料的磁性参数相对磁导率量纲为1磁化强度M：在外磁场H作用下，材料中因磁矩沿外场方向排列而使磁场强化，等于单位体积材料内感应的磁矩。A/mχ是磁化率，量纲为1两种单位制的换算关系3.磁矩的起源原子磁矩的2个原因:(a)轨道磁矩(b)自旋磁矩宏观磁性来源于原子磁矩每个电子可看作一个小磁体。最小的磁矩，玻尔磁子=9.27×10-24A.m2e为电子电量；h为普朗克常量；m为电子质量原子固有磁矩净磁矩是一个原子的所有电子磁矩相互作用的矢量和原子的电子壳层被电子完全填满，磁矩全部相互抵消，原子固有磁矩为0。惰性气体（He，Ne和Ar等）材料磁性包括：抗磁性、顺磁性、铁磁性、亚铁磁性和反铁磁性取决于材料的成分与结构11.2物质的各类磁性1.抗磁性和顺磁性抗磁性:原子不具有本征磁矩一种很弱的、非永久性的磁性感应的磁矩很小,方向与外磁场相反相对磁导率＜1,磁化率＜0,约-10-5数量级抗磁材料应用：超导材料,完全抗磁性(χ=-1，μ=0)顺磁性:原子具有本征磁矩无外磁场作用时，原子磁矩无序排列，宏观无磁性；外磁场作用时，原子磁矩沿外场方向择优取向，表现出宏观磁性μr

＞1，磁化率χ=10-5～10-2。2.铁磁性具有原子磁矩存在自发磁化的磁畴（相邻原子磁矩都朝一个方向排列的小区域）很强的磁化强度,χ可高达106。决定铁磁性2个因素：①是否有净磁矩（未成对电子）；②原子间距与原子3d轨道直径的比值（决定自发磁化成磁畴的倾向）。铁磁材料中磁畴内原子磁矩排列比值在1.4～2.7之间，铁,钴,镍等,形成磁畴--铁磁性材料；比值在1.4～2.7范围之外,如锰,铬等,有未成对的3d电子，无自发磁化,非铁磁性材料。晶格中原子间距与它的3d轨道直径之比:3.反铁磁性和亚铁磁性反铁磁性:存在本征磁矩相邻原子或离子的磁矩作反方向平行排列,总磁矩零。金属Mn,Cr等,陶瓷如MnO等及某些铁氧体ZnFe2O4等亚铁磁性•存在本征磁矩宏观性能上与铁磁性类似，饱和磁化强度比铁磁性材料低。立方铁氧体亚铁磁体，MFe2O4,M2+O2-(Fe3+)2(O2-)3,M=Fe2+,Ni2+,Co2+等总磁矩为零Fe2+的总磁矩就是材料的净磁矩Fe3+的自旋磁矩完全抵消11.3温度对铁磁性的影响对铁磁体和亚铁磁体的BS在0K时最大，随温度上升而减小；温度TC（居里温度）时，铁磁体和亚铁磁体都转变为顺磁体。居里温度是重要的磁性参数，铁、钴、镍和磁铁矿的TC分别为768℃，1120℃，335℃和585℃。T≥TC11.4磁化与退磁化磁畴壁饱和磁感应强度BS饱和磁化强度(MS)与外磁场方向相近的磁畴先长大已退磁多晶体的每个晶粒可能由一个以上的磁畴组成,因此一块宏观样品包含许多个磁畴。未经磁化的样品,磁畴无序故磁畴的向量和为零,整块磁体宏观上不显示磁性。退磁化过程BS剩余磁感应强度矫顽力最大磁能积(BH)max磁滞回线:11.5磁性材料磁性材料(铁磁体和亚铁磁体)按磁滞特性粗略分类:软磁材料和硬磁材料两类。1.软磁材料具有较高的磁导率，较高的饱和磁感应强度，较小的矫顽力和较低的磁滞损耗。在磁场作用下易磁化，取消磁场后易退磁化，磁滞回线很窄。主要应用制造磁导体，变压器、继电器的磁芯、电动机转子和定子、磁存储元件等要求软磁材料的电阻率较高，以减少涡电流造成的能量损失。2.硬磁材料（永磁材料）主要应用制造各种永磁体，用于各类电表、电话、录音机和电视机等较大的矫顽力HC(104～106A/m)、高Br、(BH)max难以磁化又难以退磁化。矫顽力的大小取决于磁畴壁在磁场方向上的移动和畴转是否容易，一切阻碍磁畴运动的结构因素(晶体缺陷和析出)都将提高矫顽力。表11.5几种硬磁材料的基本性能SUMMA