材料物理性能磁

材料物理性能磁第一页，共七十八页，2022年，8月28日本章内容基本磁学性能抗磁性与顺磁性铁磁性、反铁磁性、亚铁磁性技术磁化第二页，共七十八页，2022年，8月28日第三页，共七十八页，2022年，8月28日第四页，共七十八页，2022年，8月28日臣心一片磁针石

不指南方不肯休文天祥渡扬子江

磁学的发展历程第五页，共七十八页，2022年，8月28日司南中国古代四大发明：司南、造纸术、火药、活字印刷。司南：发明于战国时期，《韩非子》中有记载。第六页，共七十八页，2022年，8月28日地磁场强度很弱,在最强的两极其强度不到10-4T,平均强度约为0.6x10-4T地磁场的起源？？古地磁研究：在过去的7600万年间，地球曾发生过171次磁极倒转。第七页，共七十八页，2022年，8月28日地磁偏角“然常微偏东，不全南也。”——沈括《梦溪笔谈》沈括，北宋人最早发现了地磁偏角。定义：地球表面任一点的磁子午圈同地理子午圈的夹角。地磁偏角示意图第八页，共七十八页，2022年，8月28日库伦定律库伦，法国物理学家1736——1806库伦扭秤同种磁极相互排斥，异种磁极相互吸引。磁极之间的相互作用力与距离的平方成反比。库伦定律使电磁学研究由定性进入定量阶段，是电磁学史上一块重要的里程碑。第九页，共七十八页，2022年，8月28日无限长载流直导线：方向是切于与导线垂直的且以导线为轴的圆周电流的磁效应磁场强度Hr奥斯特，丹麦科学家1820年，由奥斯特等人发现。第十页，共七十八页，2022年，8月28日直流环形线圈圆心：方向由右手螺旋法则确定。无限长直流螺线管：n：单位长度的线圈匝数rH第十一页，共七十八页，2022年，8月28日安培，法国科学家（1775-1836）电磁相互作用发现时间：1820~1827发现一通电的线圈和磁铁相似。发现二相同方向的平行电流相互吸引，相反方向的平行电流相互排斥。发现三磁是由运动的电荷产生的。由此说明了地磁的成因和物质的磁性。发现四提出了分子电流假说。揭示了物质磁性的本质。推导出两个电流元之间的作用力公式。电和磁本质上是统一的。第十二页，共七十八页，2022年，8月28日电磁感应现象法拉第，英国科学家自学成才1831年，由法拉第发现。俗称磁生电，直接导致了发电机的发明，影响非常深远。1834年，发现了电解定律，开创了电化学学科。发现了物质的抗磁性。其它成果：提出了电磁场这一概念。第十三页，共七十八页，2022年，8月28日经典电动力学麦克斯韦，英国物理学家1831—1879推导出著名的麦克斯韦方程组，首次将电和磁在理论上统一起来，在此基础上创立了经典电动力学。提出了电磁波这一概念，并确认光也是一种电磁波，对后世影响深远。是继法拉第之后集电磁学大成的伟大科学家，揭示了光、电、磁现象在本质的统一性，完成了物理学的又一次大综合。第十四页，共七十八页，2022年，8月28日居里定律皮埃尔·居里法国物理学家1859-1906发明了磁秤（磁天平），实现了对弱磁性的测量。根据大量的实验结果，总结出著名的居里定律。压电效应的发现；放射性物质研究，发现了镭。

抗磁体的磁化率不依赖磁场强度且一般不依赖于温度；顺磁体的磁化率不依赖磁场强度且与温度成反比；铁在某一温度（居里温度）以上失去磁性。第十五页，共七十八页，2022年，8月28日郎之万和外斯郎之万提出了抗磁性和顺磁性的经典理论。外斯提出了分子场理论，阐明了铁磁性的起源，扩展了郎之万的理论。用基元磁体的概念对物质的顺磁性及抗磁性作了经典的说明。第十六页，共七十八页，2022年，8月28日磁矩任何一个封闭的电流都具有磁矩m。其方向与环形电流法线的方向一致，其大小为电流与封闭环形的面积的乘积IΔS

在均匀磁场中，磁矩受到磁场作用的力矩J磁矩在磁场中所受的力所以，磁矩是表征磁性物体磁性大小的物理量。磁矩愈大，磁性愈强，即物体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。第十七页，共七十八页，2022年，8月28日无外磁场时有外磁场时第十八页，共七十八页，2022年，8月28日磁性起源的现代观点(实验论证)

物质的磁性来源于组成物质中原子的磁性。所有物质都是由原子构成的，而原子由原子核及核外电子构成。带有负电荷的电子在原子核周围作轨道运动和自旋运动。无论轨道运动还是自旋运动都会产生磁矩。原子核，由于带电，其运动也会产生磁矩，只是其磁矩很小，例如，氢核质子产生的磁矩仅为电子产生最小磁矩的1／658左右。第十九页，共七十八页，2022年，8月28日原子磁矩电子磁矩原子核磁矩jc电子磁矩轨道磁矩自旋磁矩原子核磁矩<<电子磁矩原子磁矩实际上来源于未填满壳层中的电子。量子力学分析：在填满的壳层中，总轨道磁矩和总自旋磁矩均为零。宏观：磁性微观：原子结构和原子间的相互作用（键合情况、晶体结构）第二十页，共七十八页，2022年，8月28日第二十一页，共七十八页，2022年，8月28日材料的磁化磁化：物质在磁场中由于受磁场的作用会改变磁场的强度，即都呈现出一定的磁性的现象。磁介质：能被磁场磁化的物质。磁场强度的单位是A/m(安/米)。磁化强度M：材料被磁化后，单位体积的磁矩磁化强度的单位是A/m(安/米)。mi为原子固有磁矩。第二十二页，共七十八页，2022年，8月28日磁化率χ：表征物质本身的磁化特性，量纲为1，其值可正、可负。磁导率μ：反映了磁感应强度与外磁场强度的关系，即当外磁场增加时磁感应强度增加的速率。磁化率：理论研究中常用的参数。磁导率：工程技术上喜欢采用的参数。第二十三页，共七十八页，2022年，8月28日磁感应强度B：通过磁场中某点，垂直于磁场方向单位面积的磁力线数，单位为T(特斯拉)，它与磁场强度H的关系是：式中:μ0为真空磁导率，它等于4π×10-7H/m(享/米)，μr为相对磁导率；μ为磁导率或导磁系数，单位与μ0相同，反应了磁感应强度B随外磁场H变化的速率。第二十四页，共七十八页，2022年，8月28日本章内容基本磁学性能抗磁性与顺磁性铁磁体与反铁磁性技术磁化第二十五页，共七十八页，2022年，8月28日

物质磁性的分类第二十六页，共七十八页，2022年，8月28日第二十七页，共七十八页，2022年，8月28日磁体的分类

抗磁体顺磁体反铁磁体铁磁体亚铁磁体磁化率为甚小的负常数，约为10-6数量级磁化率为比较小的正数，约为10-3~10-6数量级磁化率为小的正数，当T高于某个温度时，其行为像顺磁体。磁化率为很大的正变数，约为10~106数量级过渡族金属贵金属，稀土金属，碱金属如α-Mn、铬、氧化镍、氧化锰等铁、钴、镍类似铁磁体，但磁化率没有铁磁体那样大四氧化三铁等弱磁体强磁体第二十八页，共七十八页，2022年，8月28日MH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五类磁体的磁化曲线0第二十九页，共七十八页，2022年，8月28日物质的抗磁性外加磁场所感生的轨道矩改变抗磁性TORH抗磁性是普遍存在的，它是所有物质在外磁场作用下毫不例外地具有的一种属性，大多数物质的抗磁性因为被较强的顺磁性所掩盖而不能表现出来。第三十页，共七十八页，2022年，8月28日产生机理

外磁场穿过电子轨道时，引起的电磁感应使轨道电子加速。根据Lenz定律，由轨道电子的这种加速运动所引起的磁通，总是与外磁场变化相反，因而磁化率是负的。第三十一页，共七十八页，2022年，8月28日无论电子顺时针运动还是逆时针运动，所产生的附加磁矩△m都与外加磁场的方向相反，故称为抗磁矩。一个电子在外加磁场H的作用下，产生的的抗磁矩为式中，负号表示△ml与H的方向相反;分母me为电子质量一个原子常有z个电子，每个电子都要产生抗磁矩，由于电子的轨道半径不同，故一个原子的抗磁矩为任何材料在磁场作用下都要产生抗磁性，与温度、外磁场无关。从广义上来说，超导也是一种抗磁性。第三十二页，共七十八页，2022年，8月28日第三十三页，共七十八页，2022年，8月28日

物质的顺磁性主要源于原子内部存在永久磁矩。物质的顺磁性

顺磁性描述的是一种弱磁性，它呈现出正的磁化率，大小为10-3~10-6.C为居里常数，

为顺磁性居里温度。TO

顺磁性的磁化率满足以下规律：少部分大部分表示在某一个温度之上才显示顺磁性TO第三十四页，共七十八页，2022年，8月28日郎之万顺磁性理论理论的基本概念：顺磁性物质的原子间无相互作用（类似于稀薄气体状态），在无外场时各原子磁矩在平衡状态下呈现出混乱分布，总磁矩为零，当施加外磁场时，各原子磁矩趋向于H方向。顺磁磁化过程示意图(a)无磁场(b)弱磁场(c)强磁场第三十五页，共七十八页，2022年，8月28日顺磁体的分类kc正常顺磁体磁化率与温度无关的顺磁体磁化率服从居里定律或居里–

外斯定律。对于存在铁磁转变的物质，在居里点以上服从居里–

外斯定律。稀土金属，在居里点以上的铁磁金属等。锂、钠、钾、铷等碱金属。第三十六页，共七十八页，2022年，8月28日

影响材料抗磁性与顺磁性的因素在外磁场作用下电子的循轨运动要产生抗磁矩；离子的固有磁矩产生顺磁矩，固有磁矩来自于未相互抵消的自旋磁矩；自由电子的主要贡献是顺磁性。第三十七页，共七十八页，2022年，8月28日1.原子结构的影响惰性气体：抗磁性非金属：除氧气、石墨外，都是抗磁性金属：复杂，与在周期表中所处的位置相关第三十八页，共七十八页，2022年，8月28日2.温度的影响抗磁性：在相变温度（熔化、凝固、同素异构转变）影响抗磁磁化率；顺磁性：影响很大。居里定律居里-外斯定律第三十九页，共七十八页，2022年，8月28日3.相变及组织转变的影响当材料发生同素异构转变时，晶格类型及原子间距发生变化，会影响电子运动状态而导致磁化率的变化。例如，正方晶格的白锡转变为金刚石结构的灰锡时，磁化率明显变化。当材料发生其他相变时，也会影响磁化率，影响的规律比较复杂。第四十页，共七十八页，2022年，8月28日4.合金成分与组织的影响通常，由弱磁化率的两种金属组成固溶体时，其磁化率和成分按接近于直线的平滑曲线变化，如Al-Cu合金的α固溶体等。由抗磁金属为溶剂、强顺磁金属(或铁磁金属)为溶质形成固溶体时，情况则比较复杂。当固溶体合金有序化时，由于溶剂、溶质原子呈现有规则的交替排列，使原子之间结合力随之改变，因而导致合金磁化率发生明显变化。第四十一页，共七十八页，2022年，8月28日合金形成中间相(金属化合物)时，其磁化率将发生突变。中间相结构中由于自由电子数减少，几乎无固有原子磁矩，所以中间相的抗磁性很高。当形成两相合金时，在两相区范围内，其磁化率随成分的变化呈直线关系。第四十二页，共七十八页，2022年，8月28日Cu-Zn合金的磁化率磁化率随合金成分变化规律第四十三页，共七十八页，2022年，8月28日本章内容基本磁学性能抗磁性与顺磁性铁磁性、反铁磁性、亚铁磁性技术磁化第四十四页，共七十八页，2022年，8月28日

铁磁性的物理本质(外斯假说)皮埃尔.外斯（1865-1940），法国物理学家。他创建了几乎整个铁磁性理论，他的理论还被应用到亚铁磁性理论中，因此被誉为“现代磁学之父”。他几乎全部的工作都是在斯特拉斯堡大学完成的。铁磁体的磁化曲线第四十五页，共七十八页，2022年，8月28日分子场假说铁磁材料在0~Tc存在与外加磁场无关的自发磁化原子磁距克服热运动的无序效应，自发地平行一致取向在分子场作用下磁畴假说无外场时，各磁畴自发磁化到饱和，且磁化方向随机分布，宏观的总磁距为0对应的区域为磁畴自发磁化是按区域分布的第四十六页，共七十八页，2022年，8月28日分子场假说磁畴假说自发磁化理论技术磁化理论解释了铁磁性的本质解释了铁磁体在外磁场中的行为现代磁学理论第四十七页，共七十八页，2022年，8月28日

把铁磁物质和顺磁物质的磁化情形做一比较，可以很清楚地看出它们的差别。铁磁物质的自发磁化

从达些物质的原子磁矩来看，铁磁物质的原子磁矩和相似元素的原子磁矩并无本质的差别。例如过渡族的快础物质Fe，Co，Ni，与非铁磁性的Mn，Cr的原子内的3d层电子都是没什填满的壳层，原子都有一定的磁矩。怎样解释铁磁物质和顺磁物质的巨大差异呢？现在知道，物质是否具有铁磁性，关键不在于组成物质的原子本身所具有的磁矩的大小，而在于形成宏观物体后，原子之间可以形成自发磁化。第四十八页，共七十八页，2022年，8月28日铁磁材料的原子组态和原子磁矩金属元素铁（Fe）钴（Co）镍（Ni）原子外层电子排布3d64s23d74s23d84s2d层电子填充规律↑↓↑↑↑↑↑↓↑↓↑↑↑↑↓↑↓↑↓↑↑未抵消自旋数432铁、钴、镍原子的外层电子境充规律自然界中的铁磁性材料都是金属，它们的铁磁性来源于原子未被抵消的自旋磁矩和自发磁化。金属要具有铁磁性，它的原子只有未被抵消自旋磁矩还不够，还必须使自旋磁矩自发地同向排列，亦即产生自发磁化。第四十九页，共七十八页，2022年，8月28日热运动破坏了分子场对原子磁距有序取向的作用能：分子场强度居里温度第五十页，共七十八页，2022年，8月28日

量子力学计算表明，当磁性物质内部相邻原子的电子交换积分A为正时(A＞0)，相邻原子磁矩将同向平行排列，从而实现自发磁化。这就是铁磁性产生的原因。

理论计算证明，交换积分A不仅与电子运动状态的波函数有关，而且强烈地依赖于原子核之间的距离(点阵常数)。

这种相邻原子的电子交换效应，其本质仍是静电力迫使电子自旋磁矩平行排列，作用的效果好像强磁场一样。外斯分子场就是这样得名的。第五十一页，共七十八页，2022年，8月28日

只有当原子核之间的距离与参加交换作用的电子距核的距离(电子壳层半径)之比大于3时，交换积分才有可能为正铁、钴、镍以及某些稀土元素满足自发磁化的条件；铬、锰的A是负值，不是铁磁性金属，但通过合金化作用，改变其点阵常数，便可得到铁磁性合金。第五十二页，共七十八页，2022年，8月28日

铁磁性产生的条件①原子内部要有未填满的电子壳层；②Rab／r大于3使交换积分A为正；

前者指的是原子本征磁矩不为零；后者指的是要有一定的晶体结构。物质中的原子有磁矩原子磁矩间有相互作用自发磁化铁磁性第五十三页，共七十八页，2022年，8月28日铁、钴、镍因其交换积分A具有较大的正值，因此有较强的自发磁化倾向。一些稀土元素虽然也具有自发磁化倾向，但其A值很小，相邻原子间的自旋磁矩同向排列作用很弱，原子振动极易破坏这种同向排列，即它们的居里点很低，所以在常温下呈现为顺磁性。当温度升高时，原子间距加大，降低了交换作用，同时热运动不断破坏原子磁矩的规则取向、故自发磁化强度下降。直到温度高于居里点，自发磁矩就不存在了，材料由铁磁性变为顺磁性。jc第五十四页，共七十八页，2022年，8月28日第五十五页，共七十八页，2022年，8月28日铁磁性反铁磁性亚铁磁性xxxTTTTCTNTS第五十六页，共七十八页，2022年，8月28日

前面的讨论使我们知道，邻近原子的交换积分A＞0时，原子磁矩取同向平行排列时能量最低，自发磁化强度Ms不为0，从而具有铁磁性。如果交换积分A＜0时，则原子磁矩取反向平行排列能量最低。如果相邻原子磁矩相等，由于原子磁矩反平行排列，原子磁矩相互抵消，自发磁化强度等于零。这样一种特性称为反铁磁性。研究发现，纯金属—Mn、Cr等属于反铁磁性物；还有许多金属氧化物如MnO、Cr2O3、CuO、NiO等也属于反铁磁性物质。反铁磁性第五十七页，共七十八页，2022年，8月28日反铁磁性的分子场理论第五十八页，共七十八页，2022年，8月28日反铁磁性的基本特征第五十九页，共七十八页，2022年，8月28日第六十页，共七十八页，2022年，8月28日

亚铁磁性物质由磁矩大小不同的两种离子(或原子)组成，相同磁性的离子磁矩同向平行排列，而不同磁性的离子磁矩是反向平行排列。由于两种离子的磁矩不相等，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，这就是亚铁磁性。具有亚铁磁性的物质绝大部分是金属的氧化物，是非金属磁性材料，一般称为铁氧体(又称磁性瓷)。按其导电性而论属于半导体，但常作为磁介质而被利用。它不易导电，其高电阻率的特点使它可以应用于高频磁化过程。亚铁磁性第六十一页，共七十八页，2022年，8月28日亚铁磁性的基本特征存在磁有序—无序的转变温度

(居里点)存在磁滞现象存在磁各向异性和磁致伸缩效应饱和磁化强度较低居里温度较低电阻率高、介电常数大等同铁磁性不同于铁磁性第六十二页，共七十八页，2022年，8月28日第六十三页，共七十八页，2022年，8月28日铁氧体自身的优势kc高电阻低损耗应用领域：无线电子、自动控制、电子计算机、信息存储、激光调整等。特别适用于高频范围涡旋损耗例如，电饭煲控温功能。第六十四页，共七十八页，2022年，8月28日本章内容基本磁学性能抗磁性与顺磁性铁磁体与反铁磁性技术磁化第六十五页，共七十八页，2022年，8月28日磁畴磁畴：未加磁场时铁磁体内部已经到饱和状态的小区域。特征：磁矩同方向。磁畴壁：相邻磁畴的界限。有的磁畴大而长，称为主畴，其自发磁化方向沿晶体的易磁化方向；小而短的磁畴叫副畴，其磁化方向不一定是晶体的易磁化方向分为两种：180°磁畴壁90°磁畴壁第六十六页，共七十八页，2022年，8月28日180°90°90°（a）（b）（c）磁畴壁的种类

磁畴壁是一个过渡区，有一定厚度。磁畴的磁化方向在畴壁处不能突然转一个很大角度，而是经过畴壁的一定厚度逐步转过去的，即在这过渡区中原子磁矩是逐步改变方向的。磁畴壁具有交换能、磁晶各向异性能及磁弹性能。第六十七页，共七十八页，2022年，8月28日磁畴壁的厚度W0N0NECrEK磁畴壁越厚，则壁的交换能ECr越低；但磁畴壁厚度的增加也将会导致磁晶能EK增加，使壁倾向变薄。畴壁能的最小值所对应的壁厚N0为平衡状态时壁的厚度。畴壁能=磁交换能+磁晶能第六十八页，共七十八页，2022年，8月28日当铁磁晶体形成磁畴时，虽然降低了退磁场能，但增加了畴壁能。对大块晶粒来说，后者比前者要小很多，因此分畴在能量上是有利的。为了最大限度地减小退磁能，磁畴必须形成三角畴的封闭结构，即呈封闭磁路，这样可使退磁能等于零。磁畴的起因与结构磁畴结构类型的不同是铁磁质磁性千差万别的原因之一。以铁磁单晶体为例：第六十九页，共七十八页，2022年，8月28日磁畴的形成是能量最小原则的必然结果，即形成磁畴是为了降低系统的能量。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，应使这些能量之和为最小值。第七十页，共七十八页，2022年，8月28日

技术磁化和磁滞回线技术磁化的本质：外加磁场对磁畴的作用过程即外加磁场把各个磁畴的磁矩方向转到外磁场方向（和）或近似外磁场方向的过程。使铁磁材料的宏观磁性表现出来。技术磁化过程的描述：磁化曲线与磁滞回线。第七十一页，共七十八页，2022年，8月28日1）铁磁材料的基本磁化曲线第