川大材料科学与工程基础课件4-4 材料的磁学性能

4-4材料的磁学性能

magneticpropertiesofmaterialsWhataremagneticfieldstrength.magnetization,fluxdensity,permeabilityandmagneticsusceptibility?Twosourcesofmagneticmomentsinmaterials.Thenatureandsourceofdiamagnetism,paramagnetismandferromagnetismDomainandmagnetichysteresis;whyferromagneticandferrimagneticmaterialsexperiencemagnetichysteresis;Softandhardmagneticmaterials.4-4材料的磁学性能

(magneticproperties)4-4-1物质的磁性1、磁学基本量（1）磁矩——表征磁性物体磁性大小的物理量。m电子轨道磁矩电子自旋磁矩物体本身特性方向：右手法则大小：I△S单位:A.m2（2）磁化强度(Magnetization)A、磁化:

外磁场,各磁矩规则取向，宏观呈磁性

B、磁化强度:外磁场，物质被磁化的程度

M＝Σm／ΔV,物理意义单位：A·m-1

方向：矢量和

C、磁感应强度

真空

B。＝

。H。

B

磁感强度（Wb·m-2）(magneticfluxdensity)

H

磁场强度（A·m-1）(magneticfieldstrength)

磁导率，4

×l0-7（H／m）

(亨/米）(permeability)

µB

波尔磁子，

9.27×

1024A·m2.Bohrmagneton,D、磁化率χ(magneticsusceptibility)

M=（μr-1）H

＝χH介质2、磁性的本质（1）电子的磁矩(Magneticmoments)

电子的自旋磁矩（spin)＞＞轨道磁矩(orbital)

孤立原子具有“永久磁矩”有未被填满的电子壳层

不具磁性原子各层都充满电子（2）“交换”作用不同原子间的、未被填满壳层上的电子发生的特殊相互作用铁磁性物质晶体结构原子间距

a/D＞3时交换能为正值a/D＜3时交换能为负值，为反铁磁性

3、磁性的分类——根据材料磁化率的分类（1）抗磁性(Ferrimagnetism)

M＜0Bi，Cu，Ag，Au

磁矩应为0；

x＜0，μr

＜1

外磁场中，感生一个磁矩，与外磁场方向相反

抗磁性来源——原子轨道中电子轨道的变化

（2）顺磁性(Diamagnetism)

原子内部存在永久磁矩

无外磁场，宏观无磁性；

有外磁场，显示极弱磁性。磁化率很小室温下约为10-5

：

x＝C/T。C：居里常数。

x＞0，μr

＞1

过渡元素、稀土元素、钢系元素。（3）铁磁性(Ferromagnetism)

强磁性物质，Fe，Co，Ni

室温下磁化率可达103。较弱磁场较高的磁化强度；外磁场移去保留较强磁性；

x＞0，μr

＞1

强磁性来源——很强的内部交换场

基本特征-------自发磁化

居里点温度Tc，自发磁化强度变为0，铁磁性消失

Tc以上，材料表现为强顺磁性。

居里—外斯定律

(Curietemperature)M＞＞H（4）亚铁磁体(Paramagnetism)

类似铁磁体，x值没有铁磁体大。磁铁矿（Fe3O4）。晶体不同晶格内磁矩的反平行取向而导致的抵消作用不一，保留了剩余磁矩，表现出一定的铁磁性。（5）反铁磁性(Antiferromagnetism)

由于“交换”作用力负值，电子自旋反向平行排列，整个晶体M＝0。a/D＜3任何温度下，都不能观察到反铁磁性物质的任何自发磁化现象。4-4-2磁畴与磁滞回线(DomainandHysteresisloop)1．磁畴——物质内部存在的自发磁化的小区域。

磁畴结构形成的原因——为保持自发磁化的稳定性，必须使强磁体的能量达最低值，因而分裂成无数微小的磁畴；10-9cm3。

各磁畴之间彼此取向不同，首尾相接，形成闭合磁路，对外不显磁性。

磁畴壁)；相邻磁畴间的过度层。厚度，一般10-5cm(domainwall)2．磁滞回线——铁磁材料的一个基本特征磁化曲线(Hysteresiscurve)C点

BsMsHs

saturationmagnetizationBr剩余磁感应强度remanence,orremanentfluxdensity,退磁过程中的变化B落后于H的变化H

为交变磁场材料的磁滞损耗与回线面积成正比

硬磁具有大磁滞回线和剩磁的铁磁性材料(Hardmagneticmaterial)软磁具有小磁滞回线和小能量损耗的铁磁性材料(Softmagneticmaterial)矫顽力Hc

消除Br为零的反相磁场(coercivity)4-4-3金属材料的磁学性能1．金属的抗磁性和顺磁性来源于原子磁性

电子轨道磁矩

Pl＝（e／2m）L

自旋磁矩

Psz＝±μB（1）正离子的抗磁性和顺磁性去除自由电子后，剩余电子绕核运动

抗磁性：外磁场作用下，电子在轨道回路产生一个附加的感应电流，从而产生和外磁场方向相反的轨道磁矩次电子层填满了电子的物质，才能表现出抗磁性效应

为电子轨道半径的平方平均值，N为单位体积中的正离子数，Z为离子实电子数，m电子质量，μ0为真空磁导率顺磁性：来源于原子的固有磁矩（不为零）。

——电子轨道磁矩和电子自旋磁矩的矢量和。

条件具有奇数个电子的原子或点阵缺陷；

内壳层未被填满的原子或离子。过渡族金属（d壳层没有填满电子）和稀土族金属（f壳层没有填满电子）单位体积内金属顺磁磁化率

居里定律：x＝M／H＝nμ0Pm2／3kT＝C／T顺磁性物质中抗磁性被掩盖了

1-103顺磁性物质达到磁饱和是很困难的（2）自由电子的顺磁性和抗磁性

顺磁性——来源于电子的自旋磁矩

3μ0NμB2

自由电子的顺磁磁化率x＝————

2EF0

泡利顺磁性

N为单位体积中的自由电子数，

μB为自旋磁矩；

EF0为电子具有的最高能量

抗磁性

自由电子在垂直于磁场方向的平面内的运动因受洛伦兹力而做圆周运动，产生的磁矩同外磁场方向相反，

χ抗=-1/3χ泡利某些元素族的磁性分析磁性元素碱金属与碱土金属过渡稀土金属Cu、Ag、Au、Zn惰性气体离子χ抗√√√主要√主要离子χ顺ⅹ√主要ⅹⅹ自由电子

χ抗

χ顺√主要√√

ⅹ结论顺磁性抗磁性顺铁磁性

2、金属材料的铁磁性在不很强的磁场作用下，就可得到很大的磁化强度

铁、钴、镍及其合金，以及稀土族元素钆纯铁B0=10-6T（0.01Oe）时，其磁化强度M=104A/m（10Gs）居里温度饱和磁化强度Ms降低到零，铁磁性消失，材料变成顺磁性材料4-4-4无机非金属材料的磁学性能1、尖晶石型铁氧体

正尖晶石如Zn2+（Fe3+）204

反尖晶石如Fe3+（Fe3+M2+）04

磁性无机材料一般是含铁及其它元素的复合氧化物，通常称为铁氧体

亚铁磁性磁性来自两种不同磁矩：一种磁矩在一个方向排列整齐，另一种磁矩在相反的方向排列。方向相反，大小不等——磁矩之差形成自发磁化现象。2、石榴石型铁氧体