无机材料磁学性能-杨正文

1、物质的磁性物质的磁性磁畴与磁滞回线磁畴与磁滞回线铁氧体的磁性与结构铁氧体的磁性与结构铁氧体磁性材料铁氧体磁性材料应用 磁学磁学 基础物质的磁性物质的磁性一、一、磁学性质基本概念磁学性质基本概念二、磁性的本质二、磁性的本质三、磁性的分类三、磁性的分类磁磁性性材材料料金属和合金金属和合金电阻率低，损耗大，不能满足应用之需要，电阻率低，损耗大，不能满足应用之需要，尤其在高频范围内。尤其在高频范围内。含铁及其它元素的复合氧化物。含铁及其它元素的复合氧化物。称为铁氧体（称为铁氧体（ferrite），电阻率），电阻率为为10106 m，属于半导体范，属于半导体范畴。畴。磁性无机材料：磁性无机材料：高电阻、

2、低损耗。高电阻、低损耗。一、电极化：在外电场作用下，介质内的质点（原子、分子、离子）正负电荷重心的分离，使其转变成偶极子的过程。或在外电场作用下，正、负电荷尽管可以逆向移动，但它们并不能挣脱彼此的束缚而形成电流，只能产生微观尺度的相对位移并使其转变成偶极子的过程。 二、磁化：是指在物质中形成了成对的N、S磁极。三、电荷磁极，极化强度磁极强度磁性质与介电性质磁性质与介电性质在磁场的作用下，物质中形成了成对的N、S磁极，称这种现象为磁化。NS S+-+qm- qm磁极上的磁荷如图，在N、S磁极上带有+qm、-qm的磁量。与电场对应，把磁量叫做磁荷。一对等量异号的磁极体系叫做磁极体系叫做磁偶极子。磁

3、偶极子。磁学性质基本概念磁化磁化：磁化：能被磁场磁化的介质称为能被磁场磁化的介质称为磁介质磁介质。NS S+-+qm- qm磁极上的磁荷对应于静电库仑定律，两个磁极间的相互作用F在二者的连线上，其大小与磁荷（qm1、qm2）及它们间的距离r有如下关系：221041rqqFmmr0为真空磁导率 =410-7 H/m磁学性质基本概念磁化将磁极强度（磁荷）为将磁极强度（磁荷）为qm、相距为相距为L的的磁偶极子磁偶极子置于磁置于磁场强度场强度H中中磁偶极子受到的磁场力可表磁偶极子受到的磁场力可表示为示为 F=qmHm=ql-qmHqmHSNHqmHsinL磁矩磁矩 (magnetic moment )

4、磁学性质基本概念电偶极子电偶极子-q+qlEql磁矩是表示磁矩是表示磁体本质磁体本质的一个物理量。的一个物理量。表征表征磁性物体磁性磁性物体磁性大小。大小。 磁偶极子磁偶极子小封闭环小封闭环形电流形电流SIm磁矩的方向为它本身在圆心磁矩的方向为它本身在圆心所产生的磁场方向。所产生的磁场方向。I - 电流强度电流强度， S 为封闭环形的面积为封闭环形的面积m：单位：单位A m2磁矩愈大，磁性愈强，即物质在磁场中所受的力也大。磁矩愈大，磁性愈强，即物质在磁场中所受的力也大。磁矩只与物体本身有关，与外磁场无关。磁矩只与物体本身有关，与外磁场无关。 磁学性质基本概念也可用环行电流描述也可用环行电流描述

5、磁矩。磁矩。磁矩磁矩 (magnetic moment )磁化强度与磁感应强度磁化强度与磁感应强度把物质置于外磁场中，物质可能被磁化。这时物质的把物质置于外磁场中，物质可能被磁化。这时物质的磁化强磁化强度度将发生变化。将发生变化。磁化强度磁化强度M M与磁场强度与磁场强度H H有如下关系式有如下关系式： M= M= H H 或或 =M/H=M/H式中，式中， 为物质的为物质的磁化率磁化率 ：介质的磁化率，仅与介质性质有关，反映材料磁化的能力。没有单位，：介质的磁化率，仅与介质性质有关，反映材料磁化的能力。没有单位，可正可负，取决于材料不同的磁型类别。可正可负，取决于材料不同的磁型类别。磁化强度

6、：磁化强度：磁化强度的物理意义是单位体积的磁矩。磁化强度的物理意义是单位体积的磁矩。表征磁介表征磁介质被磁化的程度。质被磁化的程度。磁化过程中伴随着磁偶极子的转向和磁畴壁的移动。M如图为如图为磁化强度磁化强度M与磁场强度与磁场强度H的关系曲线的关系曲线（磁化曲线）。它（磁化曲线）。它们一般并不呈线性关系。们一般并不呈线性关系。磁学性质基本概念材料被磁化：材料被磁化： H总总 HH1(矢量和矢量和)外加磁场强度为外加磁场强度为H，磁介质的总磁场强度：，磁介质的总磁场强度：H1=M H磁感应强度磁感应强度B：通过磁场中某点，垂直于通过磁场中某点，垂直于磁场方向单位面磁场方向单位面积的磁力线数积的磁

7、力线数。单位：。单位：Wb m-2（T特斯拉）特斯拉）HB00(H/m)104-70真空磁导率真空磁导率HHHB)1 (00总介质的磁导率介质的磁导率磁学性质基本概念0)1 (0/1r介质的相对磁导率介质的相对磁导率介质的磁导率介质的磁导率二、磁性的本质二、磁性的本质磁性的本源：电子的循轨运动和自旋运动。磁性的本源：电子的循轨运动和自旋运动。磁现象和电现象有着本质的联系。磁现象和电现象有着本质的联系。材料内部电子的循轨运动和材料内部电子的循轨运动和自旋运动都可以看作是一个闭合的环形电流自旋运动都可以看作是一个闭合的环形电流，因而必然会产生，因而必然会产生磁矩。磁矩。轨道磁矩轨道磁矩 自旋磁矩自

8、旋磁矩电子磁矩电子磁矩 电子轨道磁矩电子轨道磁矩电子自旋与绕核公转自旋电子-er原子核+e轨道运动电子绕核作圆周运动可以认为是一个闭合线路。则环形电流能产生磁矩。电子绕原子核运动产生电子轨道磁矩。二、磁性的本质二、磁性的本质设电子质量设电子质量m，电荷，电荷e，圆周运动半径，圆周运动半径r, 角速度角速度。则轨道运动速度为则轨道运动速度为/2。这相当于电流。这相当于电流大小大小为为 e/2 (A)流过界面积为流过界面积为 r2 的线圈的线圈。因此产生的磁矩为：因此产生的磁矩为： Mmi= IS= (e/2) r2 =(e/2m)P式中P=mr2称为电子轨道运动的角动量。 电子轨道磁矩电子轨道磁

9、矩二、磁性的本质二、磁性的本质 电子自旋磁矩电子自旋磁矩电子自旋产生自旋磁矩Mms。电子自旋的磁矩与电子自旋的角动量Ps存在以下关系。 Mms=(e/m)(h/2) Ps=2Ps B其中，h为普朗克常数。 二、磁性的本质二、磁性的本质电子自旋与绕核公转自旋电子-er原子核+e轨道运动 原子核磁矩原子核磁矩原子核的质量是电子的1800倍，运动速度仅为电子速度的千分之几，所以原子核的自旋磁矩仅为电子自旋磁矩的千分之几。原子核的自旋磁矩对原子磁矩贡献很小，可以忽略不计。二、磁性的本质二、磁性的本质二、磁性的本质二、磁性的本质磁性的本源：电子的循轨运动和自旋运动。磁性的本源：电子的循轨运动和自旋运动。

10、磁现象和电现象有着本质的联系。磁现象和电现象有着本质的联系。材料内部电子的循轨运材料内部电子的循轨运动和自旋运动都可以看作是一个闭合的环形电流动和自旋运动都可以看作是一个闭合的环形电流，因而必，因而必然会产生磁矩。然会产生磁矩。轨道磁矩轨道磁矩 自旋磁矩自旋磁矩电子磁矩电子磁矩 原子核磁矩很小，约为电子磁矩的原子核磁矩很小，约为电子磁矩的12000。忽略不计。忽略不计。物质的磁性主要由电子的自旋磁矩引起。物质的磁性主要由电子的自旋磁矩引起。原子、分子是否具有磁矩，决定于原子、分子的结构。原子、分子是否具有磁矩，决定于原子、分子的结构。v 原子中的电子层均被电子排满时，原子没有磁矩原子中的电子层

11、均被电子排满时，原子没有磁矩（方（方向相反的电子自旋磁矩可以互相抵消）向相反的电子自旋磁矩可以互相抵消）。v 只有原子中存在只有原子中存在未被排满的电子层未被排满的电子层时，电子磁矩之和时，电子磁矩之和不为零，原子才具有磁矩，称为原子的不为零，原子才具有磁矩，称为原子的固有磁矩固有磁矩。Fe原子：原子：3d64s2Zn：不显示磁性：不显示磁性各层都充满电子的原子结构各层都充满电子的原子结构原子结合成分子时，它们的原子结合成分子时，它们的外层电子磁矩外层电子磁矩要发生要发生变化，所以变化，所以分子磁矩不是单个原子磁矩的总和分子磁矩不是单个原子磁矩的总和。二、磁性的本质二、磁性的本质三、磁性的分类

12、三、磁性的分类使磁场减弱使磁场减弱使磁场略有增强使磁场略有增强使磁场强烈增强使磁场强烈增强1. 抗磁性抗磁性 0（-10-5），），磁化强度为负；磁化强度为负； B0 （10-5），磁化强度为正；），磁化强度为正； 磁化率与绝对温度呈反比，磁化率与绝对温度呈反比， C/T，C为居里常数；为居里常数； 原子（离子）存在固有磁矩；原子（离子）存在固有磁矩； M与与H呈线性关系。呈线性关系。如：过渡元素、稀土元素等。如：过渡元素、稀土元素等。3. 铁磁性铁磁性（强磁性）（强磁性） 0 （103），而且很大，磁化强度为正；），而且很大，磁化强度为正； 较弱的磁场，也可得到极高的磁化强度；较弱的磁场，也

13、可得到极高的磁化强度； 去除外磁场后，仍保留极强的磁性；去除外磁场后，仍保留极强的磁性； M与与H呈非线性关系。呈非线性关系。2. 顺磁性顺磁性（弱磁性）（弱磁性）锰（锰（25）、铬（）、铬（24）等其他元素也有剩余）等其他元素也有剩余的自旋磁矩，的自旋磁矩，但并不是铁磁性金属。但并不是铁磁性金属。如：如：Fe、Co、NiFe、Co、Ni原子的外层电子填充规律原子的外层电子填充规律金属元素金属元素FeCoNi原子外层电原子外层电子分布子分布3d64s23d74s23d84s2d层原子填充层原子填充规律规律未抵消未抵消自旋数自旋数4323. 铁磁性铁磁性（强磁性）（强磁性）处于不同原子间的、未被

14、填满壳层上的电子发处于不同原子间的、未被填满壳层上的电子发生特殊的相互作用生特殊的相互作用。参与相互作用的电子已不。参与相互作用的电子已不再局限于原来的原子，再局限于原来的原子，而是而是“公有化公有化”了，原了，原子间好像在交换电子，称为子间好像在交换电子，称为“交换作用交换作用”。结。结果迫使相邻原子果迫使相邻原子自旋磁矩产生有序排列。自旋磁矩产生有序排列。因交换作用所产生的附加能量称为因交换作用所产生的附加能量称为交换能交换能J。J为正值时，呈现铁磁性。为正值时，呈现铁磁性。交换能交换能J与晶格的原子间距有密切关系，原子间距与晶格的原子间距有密切关系，原子间距a与与未被未被填满的电子壳层直

15、径填满的电子壳层直径D之比大于之比大于3时，交换能为正值，表现时，交换能为正值，表现出铁磁性。出铁磁性。 a/D3时，交换能为负值，为反铁磁性。时，交换能为负值，为反铁磁性。铁磁体的铁磁性只在某一温度以下才能表现出来铁磁体的铁磁性只在某一温度以下才能表现出来，超过这一温度，由，超过这一温度，由于热振动破坏了于热振动破坏了电子自旋磁矩的平行取向电子自旋磁矩的平行取向，自发磁化强度变为零自发磁化强度变为零，铁，铁磁性消失。由顺磁性转变为铁磁性的温度为居里点。居里点以上，材磁性消失。由顺磁性转变为铁磁性的温度为居里点。居里点以上，材料的磁化率与温度的关系服从居里料的磁化率与温度的关系服从居里外斯定律

16、：外斯定律：0TTCC居里常数居里常数4. 反铁磁性反铁磁性（弱磁性）（弱磁性）J 任何温度下，都观察不到反铁磁性物质的任何自发磁任何温度下，都观察不到反铁磁性物质的任何自发磁化现象，因此其宏观特性是顺磁性的；化现象，因此其宏观特性是顺磁性的； M与与H呈线性关系；呈线性关系； 与温度的关系：与温度的关系： TTn反铁磁性物质反铁磁性物质 与温度的关系与温度的关系Tn反铁磁居里点反铁磁居里点抗抗7.2 7.2 磁畴与磁滞回线磁畴与磁滞回线一、磁畴一、磁畴二、磁滞回线二、磁滞回线一、磁畴一、磁畴铁磁性物质中自发磁化方向一致的微小区域，称为铁磁性物质中自发磁化方向一致的微小区域，称为磁畴磁畴。相邻

17、畴壁间的过渡层称为相邻畴壁间的过渡层称为磁畴壁磁畴壁。(BaFe12O19)磁畴结构保证体系能量最低磁畴结构保证体系能量最低磁畴首尾相接，形成闭合回路磁畴首尾相接，形成闭合回路主畴：主畴：大而长的磁畴组织，其自发磁化方向必定沿着晶大而长的磁畴组织，其自发磁化方向必定沿着晶体的易磁化方向。体的易磁化方向。副畴：副畴：小而短的磁畴组织，其自发磁化方向不一定是晶小而短的磁畴组织，其自发磁化方向不一定是晶体的易磁化方向。体的易磁化方向。磁畴壁：磁畴壁：180磁畴壁磁畴壁与与90磁畴壁磁畴壁 109.47 磁畴壁磁畴壁与与70.53磁畴壁磁畴壁磁畴壁是一个过渡区，有一定厚度。磁畴壁是一个过渡区，有一定厚

18、度。磁畴的磁化方向在畴壁处不能突然转一个大角度，磁畴的磁化方向在畴壁处不能突然转一个大角度，而是而是经过畴壁的一定厚度逐步转过去的经过畴壁的一定厚度逐步转过去的，即过渡区中的原子，即过渡区中的原子磁矩是逐步改变方向的。磁矩是逐步改变方向的。磁畴的形状、尺寸、畴壁的类型与厚度总称磁畴的形状、尺寸、畴壁的类型与厚度总称为为。同一磁性材料，磁畴结构不同，。同一磁性材料，磁畴结构不同，则其磁化行为也不同。则其磁化行为也不同。Bloch畴壁畴壁（块体磁性体中）（块体磁性体中）Neel畴壁畴壁（薄膜磁性体中）（薄膜磁性体中）磁畴壁内磁矩始终与畴壁平面磁畴壁内磁矩始终与畴壁平面平行，即磁矩围绕平行难磁化平行

19、，即磁矩围绕平行难磁化轴而转动。轴而转动。磁畴壁内磁矩始终与薄膜平面平磁畴壁内磁矩始终与薄膜平面平行，行，即磁矩围绕垂直薄膜表面的即磁矩围绕垂直薄膜表面的轴而转动。轴而转动。二、磁滞回线二、磁滞回线1. 磁化曲线磁化曲线铁磁体在外磁场中的磁化（使材料具有磁性的过程）过铁磁体在外磁场中的磁化（使材料具有磁性的过程）过程主要为程主要为畴壁的移动和磁畴内磁矩畴壁的移动和磁畴内磁矩的转向。的转向。磁导率磁导率 为磁化曲线上各点的斜率为磁化曲线上各点的斜率oa：微弱磁场中，磁感应强度：微弱磁场中，磁感应强度B随随外磁场强度外磁场强度H的增大缓慢上升，的增大缓慢上升，磁化强度磁化强度M与外磁场强度与外磁场

20、强度H之之间近似呈直线关系，磁化是可间近似呈直线关系，磁化是可逆的（可逆壁移）逆的（可逆壁移）。ab：畴壁移动使与外磁场方向一致：畴壁移动使与外磁场方向一致的磁畴范围扩大，的磁畴范围扩大，其它方向的其它方向的磁畴相应缩小。磁畴相应缩小。bc：与磁场方向不一致的磁畴的磁：与磁场方向不一致的磁畴的磁化矢量按外磁场方向转动，直化矢量按外磁场方向转动，直到处于饱和状态。到处于饱和状态。2. 磁滞曲线磁滞曲线Bs饱和磁感应强度饱和磁感应强度Br剩余磁感应强度剩余磁感应强度Hc矫顽磁场强度（矫顽力）矫顽磁场强度（矫顽力）材料磁化与外磁场的关系：材料磁化与外磁场的关系：回线所包围的面积相当于磁化一个周期所产

21、生的能量损回线所包围的面积相当于磁化一个周期所产生的能量损耗，称为磁滞损耗。耗，称为磁滞损耗。铁磁材料的一个基铁磁材料的一个基本特征。本特征。按照磁滞回线的形状分为：按照磁滞回线的形状分为： 软磁材料小软磁材料小Hc（磁滞回线瘦小）（磁滞回线瘦小） 硬磁材料大硬磁材料大Hc、Br （磁滞回线肥大）（磁滞回线肥大）v 铁电性由离子位移引起，铁磁性由原子取向引起。铁电性由离子位移引起，铁磁性由原子取向引起。v 铁电性在非对称性的晶体中发生，铁磁性发生在次价电子的铁电性在非对称性的晶体中发生，铁磁性发生在次价电子的非平衡自旋非平衡自旋中。中。v 铁电体的居里点是由于晶体相变引起的，铁磁性的居里点是铁

22、电体的居里点是由于晶体相变引起的，铁磁性的居里点是原子的原子的无规则振动破坏了原子间的无规则振动破坏了原子间的“交换交换”作用作用，从而使自，从而使自发磁化消失引起的。发磁化消失引起的。7.3 7.3 铁氧体的磁性与结构铁氧体的磁性与结构一、铁氧体的磁性一、铁氧体的磁性二、铁氧体的结构二、铁氧体的结构一、铁氧体的磁性一、铁氧体的磁性铁氧体铁氧体是含有铁酸盐的陶瓷磁性材料。是含有铁酸盐的陶瓷磁性材料。铁氧体铁氧体与与铁磁性物质铁磁性物质的异同的异同：具有自发磁化强度和磁畴具有自发磁化强度和磁畴相同之处：相同之处： 铁氧体一般都是多种金属的氧化物复合而铁氧体一般都是多种金属的氧化物复合而成；成； 其磁性来自两种不同的磁矩：一种磁矩在其磁性来自两种不同的磁矩：一种磁矩在一种方向排列整齐，另一种磁矩在相反的一种方向排列