第6章 材料的磁学性能

1、基本磁学性能抗磁性与顺磁性铁磁性与反铁磁性磁化和磁滞回线 (1) 磁铁具有磁性，磁极间存在着相互作用力，磁铁具有磁性，磁极间存在着相互作用力，称为磁力；称为磁力； (2) 磁铁的磁铁的N极和极和S极相互依存而不可分离。而极相互依存而不可分离。而正电荷或负电荷却可以独立存在，这是磁现象正电荷或负电荷却可以独立存在，这是磁现象和电现在的基本区别。和电现在的基本区别。复习：磁性复习：磁性视频视频用什么物理量表示磁场的强弱？用什么物理量表示磁场的强弱？磁场强度磁场强度H和磁感应强度和磁感应强度B这两个物理量是如何定义的，二者之间这两个物理量是如何定义的，二者之间有何关系？有何关系？ 通电导线周围存在磁

2、场，磁场的强弱与电流通电导线周围存在磁场，磁场的强弱与电流I I成正比，和距导线轴线的距离成正比，和距导线轴线的距离r r成反比，磁成反比，磁场强度场强度H H定义为定义为: :磁场强度磁场强度H的定义的定义2IHr带电粒子垂直于磁场运动受到磁场力带电粒子垂直于磁场运动受到磁场力F F，其大小，其大小与磁场的强弱和与磁场的强弱和qvqv成正比，磁场的强弱定义为成正比，磁场的强弱定义为B B = F/qv= F/qvB B表示的是磁场的强弱，按照常规思维，应该定表示的是磁场的强弱，按照常规思维，应该定义为磁场强度，但是磁场强度已经定义成和电流义为磁场强度，但是磁场强度已经定义成和电流相关的物理量

3、，所以将相关的物理量，所以将B B定义为磁感应强度。定义为磁感应强度。磁感应强度B的定义 磁场强度和磁感应强度均为表征磁场性质磁场强度和磁感应强度均为表征磁场性质（即磁场强弱和方向）的两个物理量。（即磁场强弱和方向）的两个物理量。 磁场强度则完全只是反映磁场来源的属性；磁场强度则完全只是反映磁场来源的属性； 磁感应强度完全只是考虑磁场对于带电粒子磁感应强度完全只是考虑磁场对于带电粒子的作用。的作用。 真空中，磁感应强度和磁场强度真空中，磁感应强度和磁场强度H H的关系，的关系，式中式中0 0为真空磁导率，它是一个普适常数为真空磁导率，它是一个普适常数其值其值: 4: 41010-7-7单位单位

4、: H: H（亨利）（亨利）/m/m。HB00 磁化磁化在外磁场在外磁场H H的作用下，介质表现出一定的的作用下，介质表现出一定的磁性，产生一定的磁场，这个过程叫磁化。磁性，产生一定的磁场，这个过程叫磁化。 磁化的程度用磁化强度磁化的程度用磁化强度M M表示。表示。 磁介质磁化产生的磁场和原磁场共同作用，形成磁介质磁化产生的磁场和原磁场共同作用，形成总磁场。总磁场。磁介质中，磁感应强度和磁场强度磁介质中，磁感应强度和磁场强度H H的的关系和磁介质有关，为何？关系和磁介质有关，为何？磁介质磁化磁介质磁化tHHM磁化强度磁化强度M M与磁场强度与磁场强度H H的关系如下：的关系如下： 比例系数比例

5、系数c c为介质的磁化率，反映材料磁化的能力；为介质的磁化率，反映材料磁化的能力； c c没有单位，为一纯数。没有单位，为一纯数。 c c可正、可负，决定于材料的不同磁性类别。可正、可负，决定于材料的不同磁性类别。MHc此时磁感应强度和磁场强度此时磁感应强度和磁场强度H有何关系？有何关系？000()(1)tBHHMHc0(1)c令BH则，磁介质中，则，磁介质中，磁感应强度和磁场强度磁感应强度和磁场强度H的关系：的关系：为介质的磁导率，单位为为介质的磁导率，单位为H/m，是磁性材料最重，是磁性材料最重要的物理量之一，也反映了介质磁化的能力。要的物理量之一，也反映了介质磁化的能力。 0/r 实际应

6、用中，常使用相对磁导率。实际应用中，常使用相对磁导率。7.3.37.3.3 磁性的分类磁性的分类每一种材料至少表现出每一种材料至少表现出其中一种磁性，这取决其中一种磁性，这取决于材料的成分和结构。于材料的成分和结构。根据磁化率的大小进行根据磁化率的大小进行分类分类抗磁性特征：抗磁性特征：磁化率磁化率 0, 很小，约为很小，约为-10-5数量级数量级,。抗磁磁化是可逆的，当外磁场去除后，抗磁磁抗磁磁化是可逆的，当外磁场去除后，抗磁磁矩即行消失。矩即行消失。所有材料都有抗磁性。所有材料都有抗磁性。 磁化率磁化率0 0，很小，很小，为为10-610-3。 磁化率随着温度的增加而减小。磁化率随着温度的

7、增加而减小。 抗磁体和顺磁体对于磁性材料应用来说都视抗磁体和顺磁体对于磁性材料应用来说都视为无磁性。为无磁性。顺磁性特征顺磁性特征铁磁性特征铁磁性特征 磁化率磁化率0 0，很大，高达，很大，高达10103 3，MHMH在外磁在外磁场作用下产生很强的磁化强度。场作用下产生很强的磁化强度。 外磁场除去后仍保持相当大的永久磁性，外磁场除去后仍保持相当大的永久磁性，即磁滞现象。即磁滞现象。 存在居里温度，温度高于居里温度铁磁性存在居里温度，温度高于居里温度铁磁性消失，变成顺磁性。消失，变成顺磁性。亚铁磁性特征亚铁磁性特征 磁化率磁化率0 0，较大，较大，1-101-103 3。 外磁场除去后仍保持相当

8、大的永久磁性，外磁场除去后仍保持相当大的永久磁性，即磁滞现象。即磁滞现象。 存在居里温度，温度高于居里温度亚铁磁存在居里温度，温度高于居里温度亚铁磁性消失，变成顺磁性。性消失，变成顺磁性。反铁磁性特征反铁磁性特征 磁化率磁化率0 0，很小，约，很小，约为为10-510-3 。 磁化率随着温度的增加而增加。磁化率随着温度的增加而增加。 存在奈尔温度，温度低于奈尔温度为反铁存在奈尔温度，温度低于奈尔温度为反铁磁性，温度高于奈尔温度为顺磁性。因此，磁性，温度高于奈尔温度为顺磁性。因此，磁化率有极大值。磁化率有极大值。磁源于电，任何一个封闭的电流都具有磁矩m。磁矩：环形电流周围的磁场，符合右手螺旋法则

9、，其磁矩定义为m 载流线圈的磁矩载流线圈的磁矩I - 载流线圈通过的电流载流线圈通过的电流S - 载流线圈的面积载流线圈的面积n - 载流线圈平面的法线方向上的单位矢量载流线圈平面的法线方向上的单位矢量SnIm磁矩7.27.2 磁性的微观解释磁性的微观解释物质中的微观粒子产生环形电流吗？物质中的微观粒子产生环形电流吗？ 物质由分子组成，分子由原子组成，原子由物质由分子组成，分子由原子组成，原子由原子核和电子组成，原子核运动和电子的轨道原子核和电子组成，原子核运动和电子的轨道运动和自旋运动均会形成环形电流，因此产生运动和自旋运动均会形成环形电流，因此产生磁矩。磁矩。 原子磁矩包括电子轨道磁矩、电

10、子自旋磁矩原子磁矩包括电子轨道磁矩、电子自旋磁矩和原子核磁矩。和原子核磁矩。 原子核磁矩很小，与电子磁矩相比忽略不计。原子核磁矩很小，与电子磁矩相比忽略不计。原子中电子的轨道磁矩和电子的自旋磁矩构成原子中电子的轨道磁矩和电子的自旋磁矩构成了原子固有磁矩，也称本征磁矩。了原子固有磁矩，也称本征磁矩。 Orbital Spin轨道磁矩轨道磁矩自旋磁矩自旋磁矩轨道磁矩轨道磁矩电子围绕原子核的电子围绕原子核的轨道运动，产生一轨道运动，产生一个非常小的磁场，个非常小的磁场，形成一个沿旋转轴形成一个沿旋转轴方向的磁矩，即轨方向的磁矩，即轨道磁矩。道磁矩。自旋磁矩自旋磁矩每个电子本身有自每个电子本身有自旋运

11、动产生一个沿旋运动产生一个沿自旋轴方向的磁矩，自旋轴方向的磁矩，即自旋磁矩。即自旋磁矩。 原子是否具有磁矩，取决于其具体的电子壳层结构。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旅磁矩各自相球形对称的集体，则电子轨道磁矩和自旅磁矩各自相抵消，此时原子本征磁矩抵消，此时原子本征磁矩P P=0=0。 如：如：Ar 3Ar 3s s2 23 3p p6 6 若有末被填满的电子壳层，其电子的自旋磁矩未被完若有末被填满的电子壳层，其电子的自旋磁矩未被完全抵消，则原子就具有永

12、久磁矩。全抵消，则原子就具有永久磁矩。 如：如： Fe3Fe3s s2 23 3p p6 63 3d d6 64 4s s2 2磁化强度磁化强度M的微观解释的微观解释 磁性材料未被磁化时，原子磁矩方向各异，磁性材料未被磁化时，原子磁矩方向各异，磁矩互相抵消，净磁矩为零，无宏观磁性；磁矩互相抵消，净磁矩为零，无宏观磁性； 磁性材料被磁化后，磁矩顺着外磁场方向排磁性材料被磁化后，磁矩顺着外磁场方向排列，净磁矩不为零，有宏观磁性；列，净磁矩不为零，有宏观磁性； 单位体积内具有的磁矩矢量和即为磁化强度。单位体积内具有的磁矩矢量和即为磁化强度。 mMV 有外磁场作用时，即使对于那种总磁矩为零有外磁场作用

13、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轨运动在外磁场的作用下产生了抗磁磁矩P P的缘故。的缘故。7.4.1 抗磁性抗磁性图图 产生抗磁矩的示意图产生抗磁矩的示意图（沿圆周箭头指电流方向（沿圆周箭头指电流方向）mmmm 顺磁体的原子或离子是有磁矩的，其源于原子内未填顺磁体的原子或离子是有磁矩的，其源于原子内未填满的电子壳层，或源于具有奇数个电子的原子。满的电子壳层，或源于具有奇数个电子的原子。 无外磁场时，由于热振动的影响，其原子磁矩的取向无外磁场时，由于热振动的影响，其原子磁矩的取向是无序的

14、，故总磁矩为零。是无序的，故总磁矩为零。 当有外磁场作用，则原子磁矩便排向外磁场的方向，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化。总磁矩便大于零而表现为正向磁化。7.4.2 7.4.2 物质的顺磁性物质的顺磁性图图 顺磁物质磁顺磁物质磁化过程示意图化过程示意图 1 铁磁质的自发磁化铁磁质的自发磁化 1907年法国科学家外斯系统地提出了铁磁性假说，铁年法国科学家外斯系统地提出了铁磁性假说，铁磁物质内部存在很强的磁物质内部存在很强的“分子场分子场”，使原子磁矩趋于，使原子磁矩趋于同向平行排列，即自发磁化至饱和，称为自发磁化；同向平行排列，即自发磁化至饱和，称为自

15、发磁化；产生铁磁性的条件：产生铁磁性的条件： 1 1）有原子固有磁矩，即有未填满的电子壳层）有原子固有磁矩，即有未填满的电子壳层 2 2）形成自发磁化。）形成自发磁化。 1.1.如果原子磁矩取同向平行排列能量最低，则体现如果原子磁矩取同向平行排列能量最低，则体现为铁磁性。为铁磁性。 2.2.如果原子磁矩取反向平行排列能量最低，分为两如果原子磁矩取反向平行排列能量最低，分为两种情况。种情况。 1 1）如果相邻原子磁矩相等，自发磁化强度等于）如果相邻原子磁矩相等，自发磁化强度等于零。这样一种特性称为反铁磁性。零。这样一种特性称为反铁磁性。 2 2）如果相邻原子的磁矩不相等，反向平行的磁）如果相邻原

16、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，这矩就不能恰好抵消，二者之差表现为宏观磁矩，这就是亚铁磁性。就是亚铁磁性。 7.2 7.2 铁磁性、反铁磁性和亚铁磁性铁磁性、反铁磁性和亚铁磁性三种磁化状态示意图三种磁化状态示意图尼尔点尼尔点尼尔点是反铁磁性转变为顺磁性的温度尼尔点是反铁磁性转变为顺磁性的温度(有时有时也称为反铁磁物质的居里点也称为反铁磁物质的居里点Tc) 。 对于所有的磁性材料来说，并不是在任何温对于所有的磁性材料来说，并不是在任何温度下都具有磁性。度下都具有磁性。 一般地，磁性材料具有一个一般地，磁性材料具有一个，居居里温度。在这个温度以上，顺磁性。里温

17、度。在这个温度以上，顺磁性。 在此温度以下，原子磁矩排列整齐，产生自在此温度以下，原子磁矩排列整齐，产生自发磁化，物体变成铁磁性或亚铁磁性。发磁化，物体变成铁磁性或亚铁磁性。 铁磁态或亚铁磁态铁磁态或亚铁磁态 顺磁态顺磁态Tc铁磁性材料的居里温度铁磁性材料的居里温度 磁畴磁畴物质内部存在着自发磁化的小区域。物质内部存在着自发磁化的小区域。7.6.4 磁畴磁畴由于各个磁畴的磁化方向各不相同，其磁性彼此由于各个磁畴的磁化方向各不相同，其磁性彼此相互抵消，所以大块铁磁体对外不显示磁性。相互抵消，所以大块铁磁体对外不显示磁性。当磁性材料被磁化后，磁畴的磁化方向趋于一当磁性材料被磁化后，磁畴的磁化方向趋

18、于一致，对外显示出磁性。致，对外显示出磁性。 在磁畴与磁畴的交界（磁畴壁）处原子磁矩又是怎在磁畴与磁畴的交界（磁畴壁）处原子磁矩又是怎样排列的呢？样排列的呢？ 在畴壁的一侧，原子磁矩指向某个方向，假设在畴在畴壁的一侧，原子磁矩指向某个方向，假设在畴壁的另一侧原子磁矩方向相反。那么，在畴壁内部，壁的另一侧原子磁矩方向相反。那么，在畴壁内部，原子磁矩必须成某种形式的过渡状态。原子磁矩必须成某种形式的过渡状态。 实际上，畴壁由很多层原子组成。为了实现磁矩的实际上，畴壁由很多层原子组成。为了实现磁矩的转向，从一侧开始，每一层原子的磁矩都相对于磁转向，从一侧开始，每一层原子的磁矩都相对于磁畴中的磁矩方向

19、偏转了一个角度，并且每一层的原畴中的磁矩方向偏转了一个角度，并且每一层的原子磁矩偏转角度逐渐增大，到另一侧时，磁矩已经子磁矩偏转角度逐渐增大，到另一侧时，磁矩已经完全转到和这一侧磁畴的磁矩相同的方向。完全转到和这一侧磁畴的磁矩相同的方向。轨轨道道磁磁矩矩自自旋旋磁磁矩矩抗磁性（很小）抗磁性（很小）电电子子磁磁矩矩原原子子核核磁磁矩矩（很小，忽略）（很小，忽略）原原子子本本征征磁磁矩矩PP0抗磁体抗磁体P0（电子壳（电子壳层填满）层填满）（电子壳（电子壳层未填满）层未填满）无分无分子场子场作用作用顺磁性顺磁性（很小）（很小）顺磁性顺磁性抗磁性抗磁性顺磁体顺磁体顺磁性顺磁性抗磁性抗磁性抗磁体抗磁体

20、有分子有分子场作用场作用铁磁性铁磁性（很大）（很大）原子磁矩原子磁矩同向排列同向排列原子磁矩原子磁矩反向排列反向排列相邻原子相邻原子磁矩相等磁矩相等反铁磁性反铁磁性相邻原子相邻原子磁矩不等磁矩不等(磁矩抵销磁矩抵销)(磁矩不抵销磁矩不抵销)亚铁磁性亚铁磁性（很大）（很大）各种磁性产生的原因的总结各种磁性产生的原因的总结7.4 磁化曲线和磁滞回线磁化曲线和磁滞回线磁性材料的磁化曲线和磁滞回线是材料在外加磁场时磁性材料的磁化曲线和磁滞回线是材料在外加磁场时表现出来的宏观磁特性。表现出来的宏观磁特性。（2） 磁化曲线磁化曲线对磁化过程的宏观描述。对磁化过程的宏观描述。可以是可以是M-H曲线，也可曲线，也可以是以是B-H曲线。曲线。（1） 磁化过程磁化过程处于磁中性状态的强磁体处于磁中性状态的强磁体在外磁场的作用下，其在外磁场的作用下，其磁化状态随外磁场发生变磁化状态随外磁场发生变化的过程。化的过程。/B