材料科学基础第一章

材料科学与工程基础主讲人：张红鹰4.4材料的磁学性能（MagneticPropertiesofMaterials）4.4.1磁性的本质4.4.2磁学基本量4.4.3磁性的分类4.4.1磁性的本质电子磁矩（Magneticmoments）电子轨道磁矩——电子绕核运动电子自旋磁矩——电子本身自旋电子自旋磁矩（spin）＞＞电子轨道磁矩（orbital）孤立原子原子各层都充满电子——不具磁性有未被填满的电子壳层——具有“永久磁矩”问题：所有的电子都具有磁矩，那所有的原子也都具有磁矩吗？“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——“公有化”，“交换”。铁磁性物质“交换”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。a原子间距；D未被填满电子壳层直径4.4.2磁学基本量（1）磁矩——表征磁性物体磁性大小的物理量。“磁”来源于“电”，任何一个封闭的电流都具有磁矩m。物体本身特性方向：右手法则式中：m为载流线圈的磁矩，S为线圈的面积，I为线圈通过的电流。单位为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，物质被磁化的程度单位：A/m；方向：矢量和物理意义：单位体积的磁矩。（3）磁感应强度（Magneticfluxdensity

）表示材料在外磁场H的作用下在材料内部的磁通量密度。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。磁场强度则完全只是反映磁场来源的属性；磁感应强度是完全只是考虑磁场对于带电粒子的作用。在真空中，磁感应强度为：0真空磁导率（Permeability）是一个常数：4π×10-7（H/m）（亨/米）B0

磁感应强度（Magneticfluxdensity）（Wb·m2）H磁场强度（Magneticfieldstrength）（A·m-1）当有介质时，会发生什么现象？磁化——在外磁场H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。磁化的程度用磁化强度M表示，其与磁场强度H的关系如下：x为介质的磁化率，仅与磁介质性质有关。反映材料磁化的能力，没有单位，为一纯数。x可正、可负，决定于材料的不同磁性类别。对于一般磁介质,无外加磁场时,其内部各磁矩的取向不一,宏观无磁性。但在外磁场作用下,各磁矩有规则地取向,使磁介质宏观显示磁性,这就叫磁化。

常见材料在室温时的磁化率材料名称磁化率材料名称磁化率氧化铝-1.81×10－5锌-1.56×10－5铜-0.96×10－5铝2.07×10－5金-3.44×10－5铬3.13×10－4水银-2.85×10－5钠8.48×10－6硅-0.41×10－5钛1.81×10－4银-2.38×10－5锆1.09×10－4当有介质时，介质被磁化后，其产生的磁场强度M和源磁场强度H对运动电荷共同产生作用，此时磁感应强度Ｂ和磁场强度H有何关系？令则式中的μ为介质的磁导率，单位为H/m，是磁性材料最重要的物理量之一，其也反映了介质磁化的能力。令μr为介质的相对磁导率，单位为H/m，是材料的特性常数，其也反映了介质磁化的能力μr=μ/μ0μr

＞

1、μr

＜1分别代表什么意思？（4）磁化率χ（Magneticsusceptibility）有关系式：是否外磁场（H）增大,磁化强度（M）就不断增大？饱和磁化强度Ms：磁化强度的最大值。饱和磁化强度Ms,等于净磁矩，和原子密度有关。对应饱和磁感应强度。4.4.3磁性的分类磁性的分类——根据材料磁化率的分类——5大类（1）抗磁性（Diamagnetism，或反磁性）M＜0Bi,Cu,Ag,Au磁矩应为0，即不存在永久磁矩。χ＜0，μr＜1外磁场中，感生一个磁矩，与外磁场方向相反。来源——原子轨道中电子轨道的变化。周期表中前18个元素构成了陶瓷中的阴离子（O2-、F-、Cl-等）抗磁性又称逆磁性，所有物质都有抗磁性，但在许多情况下，物质的逆磁性会被较强的其他类型的磁性所掩盖。只有当原子或离子的子壳层全部被电子填充，原子或离子不再具有本征磁矩，其他种类的磁性也就不存在了，抗磁性才能有效地显现出来。因此，抗磁性物质只有受到磁场作用时，才能感应出一个较弱的磁化强度，其方向与磁场方向相反。（2）顺磁性（Paramagnetism）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、镧系元素M∝H奇数电子未填满当组成物质的原子或离子的内部壳层未被电子填满的情况下，这些原子或离子具有稳定的固有磁矩。如果这些磁性原子或离子在物质中相距较远，它们之间的相互作用可以忽略，或者相互之间的交换作用远小于无规则的热运动，则原子或离子磁矩在空间中取向杂乱无章，因此物质的总磁矩为零。在磁场作用下，由于磁场对磁矩的力矩作用，使每个原子磁矩程度不同地朝磁场方向偏转从而沿磁场方向有一净磁化强度产生。（3）铁磁性（Ferromagnetism）强磁性物质：Fe、Co、Ni室温下磁化率可达103。较软磁场、较高的磁化强度；外磁场移去保留较强磁性。x＞0,μr

＞1M＞＞H强磁性来源——很强的内部交换场基本特征——自发磁化当物质内部原子磁矩之间由于强烈的交换作用而平行排列。随着温度逐渐升高，无规则热运动加剧，倾向于破坏磁矩间的平行排列。当交换作用和热运动两种相反趋势相等时，对应的温度称为居里温度Tc，这时原子磁矩之间又趋于混乱排列。居里点温度（Curietemperature）Tc自发磁化强度为0，铁磁性消失T＞Tc，材料表现为强顺磁性。磁化率与温度的关系符合居里—外斯定律（4）亚铁磁性（Sub-Ferromagnetism）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