磁学性能课件

1.磁化现象与磁化强度

磁化：物质在磁场中受磁场的作用呈现一定磁性的现象。

物质在磁场中被磁化，它所占据的空间磁场强度是否变化（为什么？）

第三章材料的磁学性能

不同的物质所引起的磁场变化不同，如空气会使磁场略有增强，而铁会使磁场强烈增强（磁铁吸引铁块），铜则会使磁场减弱（微弱排斥）。

第1节材料的磁化及有关参数

磁介质（或磁质）：能被磁场磁化的物质。

实际上，所有的物质都是磁介质。

磁化强度：磁介质内磁矩矢量和与ΔV之比。

物质磁化理论有两种观点：分子电流观点和等效磁荷观点。

1.磁化现象与磁化强度第三章材料的磁学性能不同的物质●分子电流观点：

物质中的每个分子中都存在环形电流（分子中原子、离子核外电子循规、自旋运动，核子自旋运动)，每个环形电流都将产生磁场。无外磁场时，各分子环流取向杂乱无章，作用抵消，不显磁性；施加外磁场后，分子电流的磁矩在磁场场作用下趋于定向排列，而呈现出宏观磁性。磁化强度(M)：磁介质磁化单位体积产生的总磁矩（单位体积内环电流磁矩矢量和∑Pm/V）。衡量物质的磁化强弱和状态（强度和方向）。●等效磁荷观点：

把材料的磁分子看成磁偶极子，末磁化时各磁偶极子取向呈无序状态，其偶极矩的矢量和为0，不显磁性；当施加外磁场后，偶极子受外磁场作用而转向外场方向，使材料呈现宏观磁性。

磁极化强度（J）：单位体积的磁偶极矩的矢量和（∑jm/V）。材料内一个磁矩为Pm的电流环可看成是一个偶极矩为jm＝μ0Pm的磁偶极子，故有：J＝μ0Mμ0－真空磁导率（）。●分子电流观点：

研究材料磁性的最基本的任务是确定材料的磁化强度M与外磁场强度H和温度T的关系，在一定温度下，定义：M＝χH

χ称为物质的磁化率，即单位外磁场强度下材料的磁化强度。它的大小反映了物质磁化的难易程度，是材料的一个重要的磁参数。同时，它也是物质磁性分类的主要依据。

基本磁化曲线：不同磁介质其磁化曲线不同，曲线上任意一点都对应着材料的某种磁化状态，它与坐标原点连线的斜率即表示材料在该磁场下的磁化率。

磁化率三种表示形式：χV表示单位体积的磁化率，χA表示每摩尔的磁化率，χg表示单位质量（每克）的磁化率。

根据磁化率符号和大小，可把磁介质分为五类。2.磁化率与物质磁性的分类M铁磁性材料亚铁磁性材料顺磁性材料反铁磁性材料抗磁性材料H0研究材料磁性的最基本的任务是确定材料的磁化强度M与外2.磁化率与物质磁性的分类1）抗磁体

χ为甚小负常数，约在10-6数量级，即M与H方向相反，在磁场中使磁场稍减弱，受微弱斥力，约有一半的简单金属是抗磁体。分为：

(1)“经典”抗磁体，χ不随T变化，如铜、银、金、汞、锌等。

(2)反常抗磁体，χ随T变化，为前者10～100倍，如铋、镓、锑、锡等。2）顺磁体

χ为正常数，约为10－3～10－6数量级，即M与H方向相同，在磁场中使磁场稍增强，受微弱引力，分为：（l）正常顺磁体，χ随T变化，且符合与T反比关系，如铂、钯、奥氏体不锈钢、稀土金属等。

（2）χ与T无关的顺磁体，如锂、钠、钾、铷等。3）反铁磁体

χ是甚小的正常数，当T高于某个温度时（尼尔温度TN），转换为顺磁体，T－χ曲线？如α－Mn、铬、氧化镍、氧化锰等。4）铁磁体

χ为很大的正变数，约在10～106数量级，且不大的H就能产生很大的M，在磁场中被强烈磁化，受强大的吸力，如铁、钴、镍等。其M－H、χ－H曲线？5）亚铁磁体

类似铁磁体，但χ值没有铁磁体大，如磁铁矿（Fe3O4）等。2.磁化率与物质磁性的分类1）抗磁体3.磁导率

磁感应强度（B）：通过磁场中某点，垂直于磁场方向单位面积的磁力线数。单位：特斯拉。在真空中：

－真空磁导率。

磁场中有磁介质时（非真空）：磁介质被磁化，使该处的磁场发生变化，则，总磁感应强度：

称为附加磁场强度，其值等于磁化强度M。令称为相对磁导率，无纲量。称为介质的磁导率（绝对磁导率），反应磁感应强度随外磁场的变化速率，单位与相同，为亨/米。其大小与磁介质和外加磁场强度有关。

3.磁导率磁感应强度（B）：通过磁场中某点，垂

1）磁化曲线

对原先不存在宏观磁性的材料，施加一由0逐渐增大的磁场，所得到的M-H曲线，即材料磁化强度随外磁场变化的曲线。

铁磁性材料的磁化曲线：M、B、μ随H变化曲线。

微弱H阶段：B、M随H的增大缓慢增加，M与H近似呈直线关系，磁化可逆。

H继续增大：B、M随H急剧增加，μ增加很快并出现极大值，即达到最大磁导率μmax

，过程不可逆（去掉H后，仍保持部分磁化）。

H再进一步增大：B、M随H增加变缓，磁化进行越来越困难，当H达到Hs时，μ逐渐趋近于μ0，M达到饱和值Ms。Ms称为饱和磁化强度，对应的磁感应强度称为饱和磁感应强度Bs。H＞

Hs时，M不变，B继续缓慢增大。

所有铁磁性材料的磁化曲线都有以上规律，只是各阶段区间、Ms大小及上升的陡度不同。铁磁性材料从完全退磁状态到饱和之前的磁化过程称为技术磁化。

起始磁导率μi：H=0时的磁导率。

4.铁磁性材料的磁化曲线和磁滞回线1）磁化曲线4.铁磁性材料的磁化曲线和磁滞回线4.铁磁性材料的磁化曲线和磁滞回线2）铁磁性材料的磁滞回线：

铁磁性材料从饱和磁化状态逐渐降低H时，M不再沿原来的基本磁化曲线降低，而是降低的慢得多，当H降至0时，M≠0，而保留一定的值Mr，

Mr称为剩余磁化强度，这种现象称为剩磁现象。要使M降至0，必须施加一反向磁场－Hc，Hc称为磁矫顽力。继续增加反向磁场至－Hs，磁化强度达到－Ms。从－Ms改为正向磁场，随H的增加，M沿另一曲线逐渐增大至Ms。可见，整个过程中M的变化总是落后于H的变化，这种现象称为磁滞效应。由于磁滞效应的存在，磁化一周，得到一关于原点对称的闭合曲线，称为磁滞回线。是铁磁性材料的重要特征之一。磁滞现象表明，铁磁性材料的磁化过程存在着不可逆过程，磁化过程要消耗能量。磁滞回线包围的面积相当于磁化一周所产生的损耗，称为磁滞损耗。4.铁磁性材料的磁化曲线和磁滞回线2）铁磁性

3）铁磁性材料的退磁：磁滞回线的起点不是饱和点，而在饱和点以下时，H减小时，Mr和Hc减小，即磁滞回线变得短而窄，若施加的交变磁场幅值H趋于0时，则回线将成为趋于坐标原点的螺线，直至交变磁场的H＝0，铁磁体将完全退磁。

4）铁磁性参数、软磁材料与硬磁材料铁磁性参数主要包括μ、Mr、Hc、Ms，它们的大小决定了其磁滞回线的形状，主要取决于材料的化学组成与相组成，同时与材料的组织结构有关，即与制备工艺有关。不同铁磁性材料，磁滞回线的形状不同，据此将铁磁性材料分为软磁材料和硬磁（永磁）材料。

软磁材料：磁滞回线瘦长，μ高、Ms高、Hc小、Mr低，如变压器铁芯，常用材料如工业纯铁、硅铁、铁镍合金、铁钴合金等。

硬磁（永磁）材料：磁滞回线短粗，μ低、Hc与Mr高，常用材料如铁氧体、铝镍、稀土钴、稀土镍合金等，80年代发展的Nd-Fe-B系合金。

Mr/Ms接近于1的矩形回线材料即矩磁材料是理想的磁记录材料。4.铁磁性材料的磁化曲线和磁滞回线3）铁磁性材料的退磁：4.铁磁性材料的磁化曲线和磁1.原子的磁性1）材料磁性产生的本源任何物质由原子组成，原子又有带正电的原子核（核子）和带负电的电子构成。核子和电子本身都在做自旋运动，电子又沿一定轨道绕核子做循规运动。它们的这些运动形成闭合电流，从而产生磁矩。

材料磁性的本源是：材料内部电子的循轨运动和自旋运动。

核子自旋运动哪？（约为电子磁矩的1/2000）

2）电子磁矩

轨道磁矩：电子循规运动（绕核子在s、p、d、f等轨道运动）产生的磁矩。大小：I与闭合环面积S的乘积。方向:垂直于电子运动的轨迹平面，符合右手定则。自旋磁矩：电子自旋运动产生的磁矩，方向平行于自旋轴。电子磁矩：轨道磁矩和自旋磁矩的矢量和。原子核自旋产生的磁矩很小（重，速度很低），约为电子磁矩的1/2000，一般可忽略。第2节物质的磁性及其物理本质1.原子的磁性第2节物质的磁性及其物理本质1.原子的磁性3）原子、分子磁矩理论证明，原子中电子层被排满的壳层中总磁矩为0，只有原子中存在未被排满的电子层时，未排满的电子层中总磁矩不为0，原子才有磁矩，叫固有磁矩。原因：因排满时，在每一亚轨道上都有一对电子，它们自旋和循规运动的方向相反，成对电子的磁矩抵消；电子层未被填满时，根据洪特法则，电子尽量占据不同的亚轨道，且单电子间自旋、循规方向相同，电子磁矩不被抵消。如Fe：在3d轨道上未排满，只有6个电子（），3d的5个亚轨道上，有4个只有一个电子，故Fe原子的固有磁矩是这4个电子磁矩的总和。

原子结合成分子时，外层电子磁矩发生变化，故分子磁矩不等于单个原子磁矩之和。1.原子的磁性3）原子、分子磁矩2.物质的抗磁性

如前所述，电子壳层已填满的原子总磁矩为0，但这只是在无外H的情况下，在外H作用下，即使对于总磁矩为0的原子，也会产生磁矩。这是由于电子的循规运动在外H作用下都会产生抗磁矩(不管循规运动的方向是绕H轴向顺时针还是逆时针),即产生的附加磁矩总是与外H方向相反。为什么？取两个轨道平面与H方向垂直而循规方向相反的电子为例：

电子循规运动所产生的轨道磁矩：，同时必然受一向心力

，在磁场中运动，磁场还要对其产生一附加力△K（方向符合左手定则）。设H方向由下向上：

电流方向顺时针（电子逆时针）时：K与△K方向相同，等于向心力增加，根据，m和r不变，故ω增大，使Pl增大，即产生的附加磁矩△P的方向与外H方向相反。电流方向顺时针（电子逆时针）时：K与△K方向相反，等于向心力减小，根据，m和r不变，故ω减小，使Pl减小，也等于产生的附加磁矩△P的方向与外H方向相反。

★即不管电子循轨运动方向是顺时针还是逆时针，在外H中产生的附加磁矩方向总是与H方向相反，这就是物质产生抗磁性的原因。

2.物质的抗磁性如前所述，电子壳层已填满的原子总磁

显然，物质的抗磁性不是电子循轨、自旋本身产生的，而是在外H中电子循规运动产生的附加磁矩产生的，所以抗磁磁化是可逆的，且△P与H成正比。但抗磁体的磁化率很小。

对于一个原子，有多个电子，具有不同的轨道半径，且轨道平面不一定与H方向垂直。产生的抗磁磁矩：

思考：为什么说所有的物质都是磁介质？物质中为什么会产生抗磁性？为什么说任何物质在磁场中都要产生抗磁性？（不是说任何物质都是抗磁体，电子壳层未被填满的物质不是抗磁体）。2.物质的抗磁性显然，物质的抗磁性不是电子循轨、自旋本身产生的，而是在3.物质的顺磁性

来源：原子（离子）的固有磁矩。

无外H时：由于热运动的影响，固有磁矩取向无序，宏观上无磁性。

外H作用下：固有磁矩与H作用，有较高的静磁能，为降低静磁能，固有磁矩改变与H的夹角，趋于排向外H方向，表现为正向磁化。在常温和H不是很高的情况下，M与H成正比，磁化要克服热运动的干扰，磁矩难以有序排列，故顺磁化进行十分困难，磁化率较小。常温下顺磁体达到饱和磁化所需的H非常大，技术上难以达到，但温度降至接近0K时，就容易了。

根据顺磁磁化率与温度的关系，可把顺磁体分为三类：

正常顺磁体：磁化率随温度升高而降低的顺磁体。

符合居里定律：或居里－外斯定律：

磁化率与温度无关的顺磁体：如碱金属，其顺磁性是由价电子产生的。

存在反铁磁体转变的顺磁体：在居里点或称尼尔点TN以上，与正常顺磁体一样符合居里－外斯定律；在TN以下呈反铁磁性，随温度降低，磁化率降低，T→0时，磁化率趋近于一常数，在TN

温度磁化率最大。3.物质的顺磁性来源：原子（离子）的固有磁矩。4.金属的抗磁性与顺磁性

金属由点阵离子和自由电子构成，其磁性取决于：正离子的抗磁性：源于其电子的循规运动正离子的顺磁性：源于原子的固有磁矩自由电子的抗磁性：源于自由电子的运动自由电子的顺磁性：源于电子的自旋磁矩自由电子的顺磁性大于其抗磁性，所以表现为顺磁性。

金属的磁性是离子磁性和自由电子磁性的综合结果。4.金属的抗磁性与顺磁性金属由点阵离子和自由电子构成5.抗磁性、顺磁性的影响因素

1）原子结构

（会解释不同物质具有不同磁性的原因。）

材料内部既存在产生抗磁性的因素，也存在产生顺磁性的因素，属哪种磁性的材料取决于哪种因素占主导地位。●惰性气体：固有磁矩为0，只有电子循规运动产生抗磁性的本源，所以是典型的抗磁性物质。

●非金属：虽有固有磁矩，但由于它们形成分子时，基本上以共价键结合，共价电子对的磁矩相互抵消，所以它们是抗磁性物质；只有氧和石墨是顺磁性物质。●金属：只有内层电子未被填满时，才产生较强的顺磁性（自由电子对顺磁性的贡献较小)。

a.Cu、Ag、Au、Zn、Cd、Hg等，离子产生的抗磁性大于自由电子产生的顺磁性，属抗磁体。

b.

碱金属、碱土金属（除Be外）：自由电子产生的顺磁性强，占主导地位，表现为顺磁性。

c.

稀土金属：表现为较强的顺磁性（磁化率较大)，且遵从居里－外斯定律。因它们4f、5d电子壳层未被填满，存在固有磁矩。

d.过渡族元素：具有强烈的顺磁性，因它们存在未填满电子的d、f层，形成了晶体离子的固有磁矩。且其中有些存在铁磁转变（如Fe、Co、Ni），有些存在反铁磁转变（如Cr）。5.抗磁性、顺磁性的影响因素1）原子结构（会解释

2）温度

对抗磁性基本无影响，对顺磁性影响很大。因为：温度升高，质点热振动加剧，对磁矩排向的干扰增大，使磁矩的定向排向H方向困难，使磁化率降低。

3）相变及组织转变熔化凝固、塑性变形、晶粒细化和同素异构转变：电子轨道和原子密度变化，将使抗磁磁化率变化。熔化：一般使抗磁磁化率减小，但Ge、Au、Ag相反。

金属加工硬化：使抗磁性减弱，如Cu高度加工硬化可使其由抗磁性转化为顺磁性，退火后又恢复至抗磁性。晶粒细化：一般使抗磁性减弱，如Bi、Sb、Se、Te在晶粒高度细化时可由抗磁性转化为顺磁性。

熔化、加工硬化、晶粒细化都使晶体趋于非晶化，且都使原子间距趋于增大，密度减小，故影响效果类似。同素异构转变：使磁化率突变。因：往往引起原子间距和自由电子数的变化。5.抗磁性、顺磁性的影响因素2）温度5.抗磁性、顺磁性的影响因素

4）合金成分与组织的影响

●形成固溶体

低磁化率金属间：磁化率与成分间呈平滑曲线关系。

抗磁性金属中溶入过渡族的强顺磁性金属：情况复杂，视具体体系而定，不一定朝顺磁性转化。抗磁性金属中溶入铁磁性金属（Fe、Co、Ni）：磁化率剧增，甚至在低浓度时，就可转变为顺磁体。固溶体有序化：磁化率明显变化，有的抗磁性减弱，有的增强。

●合金形成中间相磁化率突变，磁化率与成分关系曲线出现极大或极小值。

●两相合金磁化率随成分呈直线变化。5.抗磁性、顺磁性的影响因素4）合金成分与组织的影响5.抗磁性、顺磁性的影响因

磁化特点与抗、顺磁质不同，其M与H呈复杂曲线关系，存在磁饱和与磁滞；磁化不可逆，交变磁场中形成磁滞回线；磁化率大，磁化容易。

为什么有这些特点，其磁化本质如何？怎么解释其在外H中的特殊行为？第3节物质的铁磁性及其物理本质一、铁磁质的自发磁化1.自发磁化与磁畴：自发磁化：铁磁性材料在没有外加H时，原子磁矩趋于同向排列，而发生的磁化。铁磁质的磁性是自发产生的，磁化过程只不过是把铁磁质本身的磁性显示了出来，而不是由外界向铁磁质提供磁性。磁畴：铁磁质自发磁化成的若干个小区域。由于各个区域的磁化方向各不相同，故其磁性彼此相消，所以大块铁磁体对外并不显示磁性。2.铁磁性产生的两个条件：原子有未被抵消的自旋磁矩、可发生自发磁化。

铁磁质自发磁化的起因是源于原子未披抵消的自旋磁矩，而轨道磁矩对铁磁性几乎无贡献。过渡族金属的3d壳层都未填满，都有未被抵消的自旋磁矩（固有磁矩），如Fe、Co、Ni是铁磁性的；但Mn虽有剩余自旋磁矩，却不是铁磁质，说明原子具有未抵消的自旋磁矩仅是产生铁磁性的必要条件，不是充分条件。金属要具有铁磁性，关键还在于它的自旋磁矩能自发同向排列，亦即能产生自发磁化。磁化特点与抗、顺磁质不同，其M与H呈复杂曲线关系，存在一、铁磁质的自发磁化3.自发磁化的产生机理与条件铁磁质的自发磁化，是由于电子间的静电相互作用而产生的。据键合理论，原子相互接近形成分子时，电子云要相互重叠，电子要相互交换位置。对过渡族金属，原子的3d与4S态能量接近，它们电子云重叠时引起了3d、4S态电子的交换。交换所产生的静电作用力称为交换力，交换力的作用迫使相邻原子的自旋磁矩产生有序的排列。因交换作用而产生的附加能量称为交换能：

A为交换能积分常数，为两相邻原子的两个电子自旋磁矩间夹角。可见，交换能的正负取决于A和。

A＞0，＝0时，具有最大负值，即自旋磁矩同向排列时才具备能量最低条件，就是说A＞0时可产生自发磁化，产生铁磁性。

A＜0，＝180°时，具有最大负值，即自旋磁矩反向排列时才具备能量最低条件，就是说A＜0时不能产生自发磁化，这种排列产生反铁磁性。

理论表明，A不仅与电子运动状态的波函数有关，且强烈依赖于原子间距和未填满壳层半径。即A与原子电子结构和晶体的点阵结构有关。一、铁磁质的自发磁化3.自发磁化的产生机理与条件3.自发磁化的产生机理与条件

实际上，Fe、Co、Ni及某些稀土元素A为较大正值，满足自发磁化的条件，为铁磁性金属。大部分稀土元素虽A＞0，但因原子间距/未填满壳层半径太大，电子云重叠很少或不重叠，电子间的静电交换作用很弱（A较小），对电子自旋磁矩的取向影响甚小，故在常温下为顺磁性；过渡族Cr、Mn，A＜0，原子磁矩反平行排列，为反铁磁性金属。

可见，铁磁性产生的充分条件：原子内部要有未填满的电子壳层（或说存在固有磁矩），且A具有较大的正值（或说可发生自发磁化）。前者是指原子的本征磁矩，后者指的是要有一定的晶体点阵结构。

根据自发磁化的过程和理论，可解释许多铁磁特性。如温度对铁磁性的影响，每一铁磁体都有一完全确定的温度（称磁性转变点或居里点），在此温度以上铁磁性转变为顺磁性。这是由于温度升高，原子间距加大，交换作用降低，同时热运动也破坏了原子磁矩的规则取向，故自发磁化强度降低，直至居里点，已完全破坏了原子磁矩的规则取向，自发磁化不能发生，材料即由铁磁性变为顺磁性。3.自发磁化的产生机理与条件实际上，Fe、Co、Ni及1.反铁磁性如前所述，当交换能积分常数A为负值时，原子磁矩反向平行排列；若相邻原子的磁矩相等，则相互抵消，使自发磁化强度趋于零。这种特性称为反铁磁性。除α－Mn、Cr外，某些金属氧化物如MnO、Cr2O3、CuO、NiO等也属反铁磁体，目前发现有40余种反铁磁性物质。

其磁化率χ在尼尔点（TN）出现极大值，T＜TN时呈反铁磁性，χ随温度的升高而增大；T＞TN时呈强顺磁性磁性，χ随温度的升高而降低，符合居里－外斯定律。尼尔点附近存在电阻、热膨胀、比热、弹性等反常现象，据此，反铁磁物质可能成为有实用意义的材料。如近几年正在研究具有反铁磁性的Fe－Mn合金作为恒弹性材料。二、反铁磁性和亚铁磁性TnTχ1.反铁磁性二、反铁磁性和亚铁磁性TnTχ

由两种离子组成，两亚点阵磁矩的方向相反，但大小不等，自发磁矩部分抵消，自发磁化强度不为0，称亚铁磁性。

具有亚铁磁性的物质大部分是金属氧化物。目前发现的一般是Fe2O3与二价金属氧化物组成的复合氧化物，称“铁氧体”，即以氧化铁为主要成分的磁性氧化物。

铁氧体中磁性离子都被较大的氧离子所隔离，故磁性离子间不存在直接交换作用。事实上铁氧体内部存在着很强的自发磁化，是通过夹在磁性离子间的氧离子而形成的间接交换，称超交换作用，使每个亚点阵内离子磁矩反向平行排列，大小不等，剩余部分即表现为自发磁化。

从已知的反铁磁结构出发，利用元素代换可能制成一种保持原来磁结构的反平行排列但磁矩不等的亚铁磁晶体。利用这一原理，已创造出一些新的亚铁磁体。同铁磁体一样，在铁氧体内也存在交换作用与热运动的矛盾，随温度升高铁氧体的饱和磁化强度降低，达某一足够温度时自发磁化消失，变为顺磁体，这一温度即为铁氧体的居里温度。

亚铁磁体属半导体，其高电阻率的特点使它可以应用于高频磁化。2.亚铁磁性三种磁性质的χ－T关系图和原子（离子）磁矩排列示意图。由两种离子组成，两亚点阵磁矩的方向相反，但大小不1.磁晶各向异性

铁磁单晶体磁化时沿不同晶向的磁化曲线不同，如沿铁的[100]、镍的[111]和钴的[0001]方向极易磁化，在很小的H下即可达到磁饱和，故它们是易磁化方向。而沿铁的[111]、镍的[100]和钴的[1010]方向磁化时，则需非常强的H才能达磁饱和，它们是难磁化方向。像这种在铁磁单晶体的不同晶向上磁性能不同的性质称为磁性的各向异性。2.磁各向异性的机理在晶体原子中，电子由于受自旋－轨道相互作用，电荷分布为椭球形，而不是球形，使得不同磁化方向上相邻原子电子云重叠程度不同，交换能的大小不同，磁化性质不同。3.磁晶各向异性能为使铁磁体磁化需消耗的能量称为磁化功。数量上等于M轴与磁化曲线围成的面积。易、难磁化方向上磁化功不同。磁化强度分量沿不同晶轴方向的能量差称磁晶各向异性能，简称磁晶能（即不同磁化方向的磁化曲线所围的面积）。

软磁材料要求具有小磁晶能，而大矫顽力的硬磁材料却要求较大的磁晶能，研究磁各向异性将为寻求新磁性材料提供线索。第4节磁晶各向异性和各向异性能1.磁晶各向异性第4节磁晶各向异性和各向异性能第5节磁致伸缩与磁弹性能1.磁致伸缩与磁致伸缩系数

铁磁体在磁场中被磁化时，其形状和尺寸都会发生变化的现象称磁致伸缩效应。此效应在技术上已得到应用，如具有高磁致伸缩系数的材料已被用来做超声波换能器、延迟线与存储器等。

磁致伸缩的大小可用磁致伸缩系数λ表示，λ＝△L/L

λ＞0，表示沿磁场方向的尺寸伸长，为正磁致伸缩；

λ＜0，表示沿磁场方向的尺寸缩短，为负磁致伸缩。

所有铁磁体均有磁致伸缩特性，但不同铁磁体其磁致伸缩系数不同。

随H提高M和增加，当H增至Hs时M达Ms，也达最大值（达饱和），此时的磁致伸缩系数λs称饱和磁致伸缩系数，对于一定的铁磁材料它是一常数。

机理：原子磁矩有序排列时，电子间的相互作用导致原子间距的自发调整而引起的。也可认为是其内部各磁畴形变的外观表现。

单晶铁磁体磁致伸缩有各向异性，多晶铁磁体磁致伸缩无各向异性。对于λs＞0的材料，沿H方向施加拉应力有利于磁化，施加压应力阻碍磁化；对于λs＜0的材料相反，这就是铁磁性材料磁化的应力各向异性。

2.磁弹性能由于磁致伸缩，在材料内部产生拉（或压）应力，引起的弹性能，称磁弹性能。物体内部缺陷、杂质等都可能增加其磁弹性能。

第5节磁致伸缩与磁弹性能1.磁致伸缩与磁致伸缩系数1.磁畴观察与磁畴壁

磁畴：在未加磁场时铁磁体内部已经磁化到饱和状态的小区域。各磁畴的磁化方向不同，所以大块铁磁体对外不显示磁性。磁畴的存在已为实验观察所证实，采用“粉纹法”，即将待察试样表面适当处理后敷一层含铁磁粉末的悬胶，铁磁粉末受试样表面磁畴磁极的作用，聚集在磁畴边界，在显微镜下可观察到铁磁粉末排列的图像，看出磁畴的形状和结构。有的磁畴大而长，称主畴，其自发磁化方向沿晶体易磁化方向；小而短的磁畴叫副畴，其磁化方向不定。相邻磁畴的界限称磁畴壁，是磁畴结构的重要部分，对磁畴的大小、形状及相邻磁畴都有重要影响。畴壁有两种，一是180°壁，另一种是90°壁。畴壁是一过渡区，有一定厚度，在这过渡区中原子磁矩逐步改变方向。若在整个过渡区中原子磁矩都平行于畴壁平面，这种畴壁叫布洛赫壁。

因畴壁内磁矩逐渐转向，故畴壁越厚交换能越低，但仍比磁矩同向排列的交换能大；磁矩逐渐转向使其偏离易磁化方向，故使磁晶能增加，即畴壁越厚，磁晶能越大。综合考虑此二因素，畴壁能的最小值所对应的壁厚No便是平衡状态时的壁厚。因原子磁矩逐渐转向，各个方向伸缩难易不同，还产生磁弹性能。即畴壁内的能量总比磁畴内的能量高，畴壁具有一定能量。第6节磁畴的形成与磁畴结构1.磁畴观察与磁畴壁第6节磁畴的形成与磁畴结构

磁畴的形状、尺寸、畴壁的类型与厚度构成磁畴结构。磁畴结构对磁化行为有直接影响，不同磁畴结构是铁磁质磁性千差万别的原因之一。铁磁材料的自发磁化为什么要分成很多的小区域（磁畴）呢？能量最小原则的必然结果。因磁畴结构受交换能、磁晶能、磁弹性能、畴壁能和退磁能的影响，平衡状态时的磁畴结构，使这些能量之和最小。

●交换能作用，趋于使整个晶体沿易磁化方向自发磁化至饱和，这样交换能和磁晶能都处于最小值；但会产生很大的退磁能（铁磁体产生的外磁场与内磁场方向相反，使其磁性减弱，继续自发磁化受阻），若把晶体分成若干个平行反向的自发区域，则可以大大地降低退磁能。这两个矛盾相互作用的结果将使大磁畴分割为小磁畴。●分畴后，虽退磁能减少，但却增加了畴壁能。随磁畴数目的增加，退磁能减少而畴壁能增加，当二者之和为最小值时，分畴停止。

●若能形成封闭磁畴结构（出现三角形封闭畴），由于其具有封闭磁通的作用，可以使退磁能降为零。

●但由于封闭畴（副畴）与主磁畴的磁化方向不同，会产生一定的磁晶能和磁弹性能，磁畴的尺寸愈大，磁晶能和磁弹性能愈高，使封闭磁畴趋于减小。但封闭畴减小，使畴壁能增大，使封闭磁畴趋于增大。

最后，铁磁晶体的各种能量之和具有最小值时，磁畴结构达到平衡，形成一定大小的三角形封闭畴。2.磁畴的形成与结构磁畴的形状、尺寸、畴壁的类型与厚度构成磁畴结构。1.技术磁化机制技术磁化：H作用下，铁磁体从完全退磁状态磁化至饱和的内部变化过程。实质上是H把各磁畴的磁矩方向转到H方向（或接近）的过程。已知铁磁质的基本磁化曲线大体分为三个阶段。

原始退磁状态铁磁体为封闭结构的磁畴，宏观上不显示磁性。磁化起始阶段：H较弱，通过磁畴壁的迁移使自发磁化方向与H成锐角的磁畴静磁能低而扩大，成钝角的磁畴缩小，宏观上表现出微弱磁化。可逆(因原位能态最低)，称畴壁可逆迁移区，磁化曲线平坦，磁导率不高。

中等H不可逆阶段：畴壁快速移动(巴克豪森跳跃)。大量与H成钝角磁畴瞬时转向与H成锐角的易磁化方向。磁化强烈，磁化曲线急剧上升，磁导率很高。取消外H畴壁不会自动迁回原位，即所谓的畴壁不可逆迁移区。最后使畴内所有的原子磁矩都转向与H成锐角的易磁化方向，成为单畴。

较强H中磁化缓慢增加阶段：易轴通常与H方向不一致，故当H继续增大时，锐角磁畴从易磁化方向逐渐转向与H方向一致的非易磁化方向。称磁畴旋转区，转动需相当大的能量，磁化非常缓慢。当H增至一定值，所有锐角磁畴转向与H一致（或基本一致）方向，M不再增加，达磁饱和状态。此时减小H，磁畴会转向锐角易磁化方向（磁畴的可逆转动）。第7节技术磁化和反磁化过程1.技术磁化机制第7节技术磁化和反磁化过程壁移磁化：畴壁的移动并不是原子移动了位置，只是通过原子磁矩方向的改变来实现的。畴转磁化：实际上是静磁能和磁晶能共同作用的结果，使Ms稳定在总能量最小的方向。技术磁化两种机制：畴壁迁移磁化(壁移磁化)磁畴旋转磁化(畴转磁化)。壁移磁化：畴壁的移动并不是原子移动了位置，只技术磁化两种机制（1）应力理论晶体缺陷、磁致伸缩等产生内应力且分布不均。

未磁化时：畴壁处于低应力区的a点，畴壁能最低，状态稳定。

H很小时：（壁移在b点前），可逆。（设b点为拐点）

随H增大：壁移超过b点，就很易跃过f点，而至c点，除去H后，壁移至新的低谷d点，而不能回到原来的a点，不可逆，导致剩磁，欲使畴壁回到a点，需加一反向磁场，这就是矫顽力的产生。（2）杂质理论

无外H时：畴壁在杂质处被穿孔而其面积减小，畴壁能降低，状态稳定；

外H作用下：畴壁脱离杂质，畴壁能升高。H小（磁化初始阶段）时，畴壁受H作用而移动弓出但未完全脱离杂质，可逆；H足够大时，畴壁完全脱离杂质而至新的稳定位置，不可逆，导致剩磁和矫顽力的产生。2.磁畴壁移动的阻力（1）应力理论2.磁畴壁移动的阻力1.磁化现象与磁化强度

磁化：物质在磁场中受磁场的作用呈现一定磁性的现象。

物质在磁场中被磁化，它所占据的空间磁场强度是否变化（为什么？）

第三章材料的磁学性能

不同的物质所引起的磁场变化不同，如空气会使磁场略有增强，而铁会使磁场强烈增强（磁铁吸引铁块），铜则会使磁场减弱（微弱排斥）。

第1节材料的磁化及有关参数

磁介质（或磁质）：能被磁场磁化的物质。

实际上，所有的物质都是磁介质。

磁化强度：磁介质内磁矩矢量和与ΔV之比。

物质磁化理论有两种观点：分子电流观点和等效磁荷观点。

1.磁化现象与磁化强度第三章材料的磁学性能不同的物质●分子电流观点：

物质中的每个分子中都存在环形电流（分子中原子、离子核外电子循规、自旋运动，核子自旋运动)，每个环形电流都将产生磁场。无外磁场时，各分子环流取向杂乱无章，作用抵消，不显磁性；施加外磁场后，分子电流的磁矩在磁场场作用下趋于定向排列，而呈现出宏观磁性。磁化强度(M)：磁介质磁化单位体积产生的总磁矩（单位体积内环电流磁矩矢量和∑Pm/V）。衡量物质的磁化强弱和状态（强度和方向）。●等效磁荷观点：

把材料的磁分子看成磁偶极子，末磁化时各磁偶极子取向呈无序状态，其偶极矩的矢量和为0，不显磁性；当施加外磁场后，偶极子受外磁场作用而转向外场方向，使材料呈现宏观磁性。

磁极化强度（J）：单位体积的磁偶极矩的矢量和（∑jm/V）。材料内一个磁矩为Pm的电流环可看成是一个偶极矩为jm＝μ0Pm的磁偶极子，故有：J＝μ0Mμ0－真空磁导率（）。●分子电流观点：

研究材料磁性的最基本的任务是确定材料的磁化强度M与外磁场强度H和温度T的关系，在一定温度下，定义：M＝χH

χ称为物质的磁化率，即单位外磁场强度下材料的磁化强度。它的大小反映了物质磁化的难易程度，是材料的一个重要的磁参数。同时，它也是物质磁性分类的主要依据。

基本磁化曲线：不同磁介质其磁化曲线不同，曲线上任意一点都对应着材料的某种磁化状态，它与坐标原点连线的斜率即表示材料在该磁场下的磁化率。

磁化率三种表示形式：χV表示单位体积的磁化率，χA表示每摩尔的磁化率，χg表示单位质量（每克）的磁化率。

根据磁化率符号和大小，可把磁介质分为五类。2.磁化率与物质磁性的分类M铁磁性材料亚铁磁性材料顺磁性材料反铁磁性材料抗磁性材料H0研究材料磁性的最基本的任务是确定材料的磁化强度M与外2.磁化率与物质磁性的分类1）抗磁体

χ为甚小负常数，约在10-6数量级，即M与H方向相反，在磁场中使磁场稍减弱，受微弱斥力，约有一半的简单金属是抗磁体。分为：

(1)“经典”抗磁体，χ不随T变化，如铜、银、金、汞、锌等。

(2)反常抗磁体，χ随T变化，为前者10～100倍，如铋、镓、锑、锡等。2）顺磁体

χ为正常数，约为10－3～10－6数量级，即M与H方向相同，在磁场中使磁场稍增强，受微弱引力，分为：（l）正常顺磁体，χ随T变化，且符合与T反比关系，如铂、钯、奥氏体不锈钢、稀土金属等。

（2）χ与T无关的顺磁体，如锂、钠、钾、铷等。3）反铁磁体

χ是甚小的正常数，当T高于某个温度时（尼尔温度TN），转换为顺磁体，T－χ曲线？如α－Mn、铬、氧化镍、氧化锰等。4）铁磁体

χ为很大的正变数，约在10～106数量级，且不大的H就能产生很大的M，在磁场中被强烈磁化，受强大的吸力，如铁、钴、镍等。其M－H、χ－H曲线？5）亚铁磁体

类似铁磁体，但χ值没有铁磁体大，如磁铁矿（Fe3O4）等。2.磁化率与物质磁性的分类1）抗磁体3.磁导率

磁感应强度（B）：通过磁场中某点，垂直于磁场方向单位面积的磁力线数。单位：特斯拉。在真空中：

－真空磁导率。

磁场中有磁介质时（非真空）：磁介质被磁化，使该处的磁场发生变化，则，总磁感应强度：

称为附加磁场强度，其值等于磁化强度M。令称为相对磁导率，无纲量。称为介质的磁导率（绝对磁导率），反应磁感应强度随外磁场的变化速率，单位与相同，为亨/米。其大小与磁介质和外加磁场强度有关。

3.磁导率磁感应强度（B）：通过磁场中某点，垂

1）磁化曲线

对原先不存在宏观磁性的材料，施加一由0逐渐增大的磁场，所得到的M-H曲线，即材料磁化强度随外磁场变化的曲线。

铁磁性材料的磁化曲线：M、B、μ随H变化曲线。

微弱H阶段：B、M随H的增大缓慢增加，M与H近似呈直线关系，磁化可逆。

H继续增大：B、M随H急剧增加，μ增加很快并出现极大值，即达到最大磁导率μmax

，过程不可逆（去掉H后，仍保持部分磁化）。

H再进一步增大：B、M随H增加变缓，磁化进行越来越困难，当H达到Hs时，μ逐渐趋近于μ0，M达到饱和值Ms。Ms称为饱和磁化强度，对应的磁感应强度称为饱和磁感应强度Bs。H＞

Hs时，M不变，B继续缓慢增大。

所有铁磁性材料的磁化曲线都有以上规律，只是各阶段区间、Ms大小及上升的陡度不同。铁磁性材料从完全退磁状态到饱和之前的磁化过程称为技术磁化。

起始磁导率μi：H=0时的磁导率。

4.铁磁性材料的磁化曲线和磁滞回线1）磁化曲线4.铁磁性材料的磁化曲线和磁滞回线4.铁磁性材料的磁化曲线和磁滞回线2）铁磁性材料的磁滞回线：

铁磁性材料从饱和磁化状态逐渐降低H时，M不再沿原来的基本磁化曲线降低，而是降低的慢得多，当H降至0时，M≠0，而保留一定的值Mr，

Mr称为剩余磁化强度，这种现象称为剩磁现象。要使M降至0，必须施加一反向磁场－Hc，Hc称为磁矫顽力。继续增加反向磁场至－Hs，磁化强度达到－Ms。从－Ms改为正向磁场，随H的增加，M沿另一曲线逐渐增大至Ms。可见，整个过程中M的变化总是落后于H的变化，这种现象称为磁滞效应。由于磁滞效应的存在，磁化一周，得到一关于原点对称的闭合曲线，称为磁滞回线。是铁磁性材料的重要特征之一。磁滞现象表明，铁磁性材料的磁化过程存在着不可逆过程，磁化过程要消耗能量。磁滞回线包围的面积相当于磁化一周所产生的损耗，称为磁滞损耗。4.铁磁性材料的磁化曲线和磁滞回线2）铁磁性

3）铁磁性材料的退磁：磁滞回线的起点不是饱和点，而在饱和点以下时，H减小时，Mr和Hc减小，即磁滞回线变得短而窄，若施加的交变磁场幅值H趋于0时，则回线将成为趋于坐标原点的螺线，直至交变磁场的H＝0，铁磁体将完全退磁。

4）铁磁性参数、软磁材料与硬磁材料铁磁性参数主要包括μ、Mr、Hc、Ms，它们的大小决定了其磁滞回线的形状，主要取决于材料的化学组成与相组成，同时与材料的组织结构有关，即与制备工艺有关。不同铁磁性材料，磁滞回线的形状不同，据此将铁磁性材料分为软磁材料和硬磁（永磁）材料。

软磁材料：磁滞回线瘦长，μ高、Ms高、Hc小、Mr低，如变压器铁芯，常用材料如工业纯铁、硅铁、铁镍合金、铁钴合金等。

硬磁（永磁）材料：磁滞回线短粗，μ低、Hc与Mr高，常用材料如铁氧体、铝镍、稀土钴、稀土镍合金等，80年代发展的Nd-Fe-B系合金。

Mr/Ms接近于1的矩形回线材料即矩磁材料是理想的磁记录材料。4.铁磁性材料的磁化曲线和磁滞回线3）铁磁性材料的退磁：4.铁磁性材料的磁化曲线和磁1.原子的磁性1）材料磁性产生的本源任何物质由原子组成，原子又有带正电的原子核（核子）和带负电的电子构成。核子和电子本身都在做自旋运动，电子又沿一定轨道绕核子做循规运动。它们的这些运动形成闭合电流，从而产生磁矩。

材料磁性的本源是：材料内部电子的循轨运动和自旋运动。

核子自旋运动哪？（约为电子磁矩的1/2000）

2）电子磁矩

轨道磁矩：电子循规运动（绕核子在s、p、d、f等轨道运动）产生的磁矩。大小：I与闭合环面积S的乘积。方向:垂直于电子运动的轨迹平面，符合右手定则。自旋磁矩：电子自旋运动产生的磁矩，方向平行于自旋轴。电子磁矩：轨道磁矩和自旋磁矩的矢量和。原子核自旋产生的磁矩很小（重，速度很低），约为电子磁矩的1/2000，一般可忽略。第2节物质的磁性及其物理本质1.原子的磁性第2节物质的磁性及其物理本质1.原子的磁性3）原子、分子磁矩理论证明，原子中电子层被排满的壳层中总磁矩为0，只有原子中存在未被排满的电子层时，未排满的电子层中总磁矩不为0，原子才有磁矩，叫固有磁矩。原因：因排满时，在每一亚轨道上都有一对电子，它们自旋和循规运动的方向相反，成对电子的磁矩抵消；电子层未被填满时，根据洪特法则，电子尽量占据不同的亚轨道，且单电子间自旋、循规方向相同，电子磁矩不被抵消。如Fe：在3d轨道上未排满，只有6个电子（），3d的5个亚轨道上，有4个只有一个电子，故Fe原子的固有磁矩是这4个电子磁矩的总和。

原子结合成分子时，外层电子磁矩发生变化，故分子磁矩不等于单个原子磁矩之和。1.原子的磁性3）原子、分子磁矩2.物质的抗磁性

如前所述，电子壳层已填满的原子总磁矩为0，但这只是在无外H的情况下，在外H作用下，即使对于总磁矩为0的原子，也会产生磁矩。这是由于电子的循规运动在外H作用下都会产生抗磁矩(不管循规运动的方向是绕H轴向顺时针还是逆时针),即产生的附加磁矩总是与外H方向相反。为什么？取两个轨道平面与H方向垂直而循规方向相反的电子为例：

电子循规运动所产生的轨道磁矩：，同时必然受一向心力

，在磁场中运动，磁场还要对其产生一附加力△K（方向符合左手定则）。设H方向由下向上：

电流方向顺时针（电子逆时针）时：K与△K方向相同，等于向心力增加，根据，m和r不变，故ω增大，使Pl增大，即产生的附加磁矩△P的方向与外H方向相反。电流方向顺时针（电子逆时针）时：K与△K方向相反，等于向心力减小，根据，m和r不变，故ω减小，使Pl减小，也等于产生的附加磁矩△P的方向与外H方向相反。

★即不管电子循轨运动方向是顺时针还是逆时针，在外H中产生的附加磁矩方向总是与H方向相反，这就是物质产生抗磁性的原因。

2.物质的抗磁性如前所述，电子壳层已填满的原子总磁

显然，物质的抗磁性不是电子循轨、自旋本身产生的，而是在外H中电子循规运动产生的附加磁矩产生的，所以抗磁磁化是可逆的，且△P与H成正比。但抗磁体的磁化率很小。

对于一个原子，有多个电子，具有不同的轨道半径，且轨道平面不一定与H方向垂直。产生的抗磁磁矩：

思考：为什么说所有的物质都是磁介质？物质中为什么会产生抗磁性？为什么说任何物质在磁场中都要产生抗磁性？（不是说任何物质都是抗磁体，电子壳层未被填满的物质不是抗磁体）。2.物质的抗磁性显然，物质的抗磁性不是电子循轨、自旋本身产生的，而是在3.物质的顺磁性

来源：原子（离子）的固有磁矩。

无外H时：由于热运动的影响，固有磁矩取向无序，宏观上无磁性。

外H作用下：固有磁矩与H作用，有较高的静磁能，为降低静磁能，固有磁矩改变与H的夹角，趋于排向外H方向，表现为正向磁化。在常温和H不是很高的情况下，M与H成正比，磁化要克服热运动的干扰，磁矩难以有序排列，故顺磁化进行十分困难，磁化率较小。常温下顺磁体达到饱和磁化所需的H非常大，技术上难以达到，但温度降至接近0K时，就容易了。

根据顺磁磁化率与温度的关系，可把顺磁体分为三类：

正常顺磁体：磁化率随温度升高而降低的顺磁体。

符合居里定律：或居里－外斯定律：

磁化率与温度无关的顺磁体：如碱金属，其顺磁性是由价电子产生的。

存在反铁磁体转变的顺磁体：在居里点或称尼尔点TN以上，与正常顺磁体一样符合居里－外斯定律；在TN以下呈反铁磁性，随温度降低，磁化率降低，T→0时，磁化率趋近于一常数，在TN

温度磁化率最大。3.物质的顺磁性来源：原子（离子）的固有磁矩。4.金属的抗磁性与顺磁性

金属由点阵离子和自由电子构成，其磁性取决于：正离子的抗磁性：源于其电子的循规运动正离子的顺磁性：源于原子的固有磁矩自由电子的抗磁性：源于自由电子的运动自由电子的顺磁性：源于电子的自旋磁矩自由电子的顺磁性大于其抗磁性，所以表现为顺磁性。

金属的磁性是离子磁性和自由电子磁性的综合结果。4.金属的抗磁性与顺磁性金属由点阵离子和自由电子构成5.抗磁性、顺磁性的影响因素

1）原子结构

（会解释不同物质具有不同磁性的原因。）

材料内部既存在产生抗磁性的因素，也存在产生顺磁性的因素，属哪种磁性的材料取决于哪种因素占主导地位。●惰性气体：固有磁矩为0，只有电子循规运动产生抗磁性的本源，所以是典型的抗磁性物质。

●非金属：虽有固有磁矩，但由于它们形成分子时，基本上以共价键结合，共价电子对的磁矩相互抵消，所以它们是抗磁性物质；只有氧和石墨是顺磁性物质。●金属：只有内层电子未被填满时，才产生较强的顺磁性（自由电子对顺磁性的贡献较小)。

a.Cu、Ag、Au、Zn、Cd、Hg等，离子产生的抗磁性大于自由电子产生的顺磁性，属抗磁体。

b.

碱金属、碱土金属（除Be外）：自由电子产生的顺磁性强，占主导地位，表现为顺磁性。

c.

稀土金属：表现为较强的顺磁性（磁化率较大)，且遵从居里－外斯定律。因它们4f、5d电子壳层未被填满，存在固有磁矩。

d.过渡族元素：具有强烈的顺磁性，因它们存在未填满电子的d、f层，形成了晶体离子的固有磁矩。且其中有些存在铁磁转变（如Fe、Co、Ni），有些存在反铁磁转变（如Cr）。5.抗磁性、顺磁性的影响因素1）原子结构（会解释

2）温度

对抗磁性基本无影响，对顺磁性影响很大。因为：温度升高，质点热振动加剧，对磁矩排向的干扰增大，使磁矩的定向排向H方向困难，使磁化率降低。

3）相变及组织转变熔化凝固、塑性变形、晶粒细化和同素异构转变：电子轨道和原子密度变化，将使抗磁磁化率变化。熔化：一般使抗磁磁化率减小，但Ge、Au、Ag相反。

金属加工硬化：使抗磁性减弱，如Cu高度加工硬化可使其由抗磁性转化为顺磁性，退火后又恢复至抗磁性。晶粒细化：一般使抗磁性减弱，如Bi、Sb、Se、Te在晶粒高度细化时可由抗磁性转化为顺磁性。

熔化、加工硬化、晶粒细化都使晶体趋于非晶化，且都使原子间距趋于增大，密度减小，故影响效果类似。同素异构转变：使磁化率突变。因：往往引起原子间距和自由电子数的变化。5.抗磁性、顺磁性的影响因素2）温度5.抗磁性、顺磁性的影响因素

4）合金成分与组织的影响

●形成固溶体

低磁化率金属间：磁化率与成分间呈平滑曲线关系。

抗磁性金属中溶入过渡族的强顺磁性金属：情况复杂，视具体体系而定，不一定朝顺磁性转化。抗磁性金属中溶入铁磁性金属（Fe、Co、Ni）：磁化率剧增，甚至在低浓度时，就可转变为顺磁体。固溶体有序化：磁化率明显变化，有的抗磁性减弱，有的增强。

●合金形成中间相磁化率突变，磁化率与成分关系曲线出现极大或极小值。

●两相合金磁化率随成分呈直线变化。5.抗磁性、顺磁性的影响因素4）合金成分与组织的影响5.抗磁性、顺磁性的影响因

磁化特点与抗、顺磁质不同，其M与H呈复杂曲线关系，存在磁饱和与磁滞；磁化不可逆，交变磁场中形成磁滞回线；磁化率大，磁化容易。

为什么有这些特点，其磁化本质如何？怎么解释其在外H中的特殊行为？第3节物质的铁磁性及其物理本质一、铁磁质的自发磁化1.自发磁化与磁畴：自发磁化：铁磁性材料在没有外加H时，原子磁矩趋于同向排列，而发生的磁化。铁磁质的磁性是自发产生的，磁化过程只不过是把铁磁质本身的磁性显示了出来，而不是由外界向铁磁质提供磁性。磁畴：铁磁质自发磁化成的若干个小区域。由于各个区域的磁化方向各不相同，故其磁性彼此相消，所以大块铁磁体对外并不显示磁性。2.铁磁性产生的两个条件：原子有未被抵消的自旋磁矩、可发生自发磁化。

铁磁质自发磁化的起因是源于原子未披抵消的自旋磁矩，而轨道磁矩对铁磁性几乎无贡献。过渡族金属的3d壳层都未填满，都有未被抵消的自旋磁矩（固有磁矩），如Fe、Co、Ni是铁磁性的；但Mn虽有剩余自旋磁矩，却不是铁磁质，说明原子具有未抵消的自旋磁矩仅是产生铁磁性的必要条件，不是充分条件。金属要具有铁磁性，关键还在于它的自旋磁矩能自发同向排列，亦即能产生自发磁化。磁化特点与抗、顺磁质不同，其M与H呈复杂曲线关系，存在一、铁磁质的自发磁化3.自发磁化的产生机理与条件铁磁质的自发磁化，是由于电子间的静电相互作用而产生的。据键合理论，原子相互接近形成分子时，电子云要相互重叠，电子要相互交换位置。对过渡族金属，原子的3d与4S态能量接近，它们电子云重叠时引起了3d、4S态电子的交换。交换所产生的静电作用力称为交换力，交换力的作用迫使相邻原子的自旋磁矩产生有序的排列。因交换作用而产生的附加能量称为交换能：

A为交换能积分常数，为两相邻原子的两个电子自旋磁矩间夹角。可见，交换能的正负取决于A和。

A＞0，＝0时，具有最大负值，即自旋磁矩同向排列时才具备能量最低条件，就是说A＞0时可产生自发磁化，产生铁磁性。

A＜0，＝180°时，具有最大负值，即自旋磁矩反向排列时才具备能量最低条件，就是说A＜0时不能产生自发磁化，这种排列产生反铁磁性。

理论表明，A不仅与电子运动状态的波函数有关，且强烈依赖于原子间距和未填满壳层半径。即A与原子电子结构和晶体的点阵结构有关。一、铁磁质的自发磁化3.自发磁化的产生机理与条件3.自发磁化的产生机理与条件

实际上，Fe、Co、Ni及某些稀土元素A为较大正值，满足自发磁化的条件，为铁磁性金属。大部分稀土元素虽A＞0，但因原子间距/未填满壳层半径太大，电子云重叠很少或不重叠，电子间的静电交换作用很弱（A较小），对电子自旋磁矩的取向影响甚小，故在常温下为顺磁性；过渡族Cr、Mn，A＜0，原子磁矩反平行排列，为反铁磁性金属。

可见，铁磁性产生的充分条件：原子内部要有未填满的电子壳层（或说存在固有磁矩），且A具有较大的正值（或说可发生自发磁化）。前者是指原子的本征磁矩，后者指的是要有一定的晶体点阵结构。

根据自发磁化的过程和理论，可解释许多铁磁特性。如温度对铁磁性的影响，每一铁磁体都有一完全确定的温度（称磁性转变点或居里点），在此温度以上铁磁性转变为顺磁性。这是由于温度升高，原子间距加大，交换作用降低，同时热运动也破坏了原子磁矩的规则取向，故自发磁化强度降低，直至居里点，已完全破坏了原子磁矩的规则取向，自发磁化不能发生，材料即由铁磁性变为顺磁性。3.自发磁化的产生机理与条件实际上，Fe、Co、Ni及1.反铁磁性如前所述，当交换能积分常数A为负值时，原子磁矩反向平行排列；若相邻原子的磁矩相等，则相互抵消，使自发磁化强度趋于零。这种特性称为反铁磁性。除α－Mn、Cr外，某些金属氧化物如MnO、Cr2O3、CuO、NiO等也属反铁磁体，目前发现有40余种反铁磁性物质。

其磁化率χ在尼尔点（TN）出现极大值，T＜TN时呈反铁磁性，χ随温度的升高而增大；T＞TN时呈强顺磁性磁性，χ随温度的升高而降低，符合居里－外斯定律。尼尔点附近存在电阻、热膨胀、比热、弹性等反常现象，据此，反铁磁物质可能成为有实用意义的材料。如近几年正在研究具有反铁磁性的Fe－Mn合金作为恒弹性材料。二、反铁磁性和亚铁磁性TnTχ1.反铁磁性二、反铁磁性和亚铁磁性TnTχ

由两种离子组成，两亚点阵磁矩的方向相反，但大小不等，自发磁矩部分抵消，自发磁化强度不为0，称亚铁磁性。

具有亚铁磁性的物质大部分是金属氧化物。目前发现的一般是Fe2O3与二价金属氧化物组成的复合氧化物，称“铁氧体”，即以氧化铁为主要成分的磁性氧化物。

铁氧体中磁性离子都被较大的氧离子所隔离，故磁性离子间不存在直接交换作用。事实上铁氧体内部存在着很强的自发磁化，是通过夹在磁性离子间的氧离子而形成的间接交换，称超交换作用，使每个亚点阵内离子磁矩反向平行排列，大小不等，剩余部分即表现为自发磁化。

从已知的反铁磁结构出发，利用元素代换可能制成一种保持原来磁结构的反平行排列但磁矩不等的亚铁磁晶体。利用这一原理，已创造出一些新的亚铁磁体。同铁磁体一样，在铁氧体内也存在交换作用与热运动的矛盾，随温度升高铁氧体的饱和磁化强度降低，达某一足够温度时自发磁化消失，变为顺磁体，这一温度即为铁氧体的居里温度。

亚铁磁体属半导体，其高电阻率的特点使它可以应用于高频磁化。2.亚铁磁性三种磁性质的χ－T关系图和原子（离子）磁矩排列示意图。由两种离子组成，两亚点阵磁矩的方向相反，但大小不1.磁晶各向异性

铁磁单晶体磁化时沿不同晶向的磁化曲线不同，如沿铁的[100]、镍的[111]和钴的[0001]方向极易磁化，在很小的H下即可达到磁饱和，故它们是易磁化方向。而沿铁的[111]、镍的[100]和钴的[1010]方向磁化时，则需非常强的H才能达磁饱和，它们是难磁化方向。像这种在铁磁单晶体的不同晶向上磁性能不同的性质称为磁性的各向异性。2.磁各向异性的机理在晶体原子中，电子由于受自旋－轨道相互作用，电荷分布为椭球形，而不是球形，使得不同磁化方向上相邻原子电子云重叠程度不同，交换能的大小不同，磁化性质不同。3.磁晶各向异性能为使铁磁体磁化需消耗的能量称为磁化功。数量上等于M轴与磁化曲线围成的面积。易、难磁化方向上磁化功不同。磁化强度分量沿不同晶轴方向的能量差称磁晶各向异性能，简称磁晶能（即不同磁化方向的磁化曲线所围的面积）。

软磁材料要求具有小磁晶能，而大矫顽力的硬磁材料却要求较大的磁晶能，研究磁各向异性将为寻求新磁性材料提供线索。第4节磁晶各向异性和各向异性能1.磁晶各向异性第4节磁晶各向异性和各向异性能第5节磁致伸缩与磁弹性能1.磁致伸缩与磁致伸缩系数

铁磁体在磁场中被磁化时，其形状和尺寸都会发生变化的现象称磁致伸缩效应。此效应在技术上已得到应用，如具有高磁致伸缩系数的材料已被用来做超声波换能器、延迟线与存储器等。

磁致伸缩的大小可用磁致伸缩系数λ表示，λ＝△L/L

λ＞0，表示沿磁场方向的尺寸伸长，为正磁致伸缩；

λ＜0，表示沿磁场方向的尺寸缩短，为负磁致伸缩。

所有铁磁体均有磁致伸缩特性，但不同铁磁体其磁致伸缩系数不同。

随H提高M和增加，当H增至Hs时M达Ms，也达最大值（达饱和），此时的磁致伸缩系数λs称饱和磁致伸缩系数，对于一定的铁磁材料它是一常数。

机理：原子磁矩有序排列时，电子间的相互作用导致原子间距