材料物理省公开课金奖全国赛课一等奖微课获奖课件

8磁性物理8.1概述（磁学基本量）磁性不只是一个宏观物理量，而且与物质微观结构亲密相关。它不但取决于物质原子结构，还取决于原子间相互作用—键合情况、晶体结构。所以，研究磁性是研究物质结构主要方法之一。一个宏观磁体由许多有固有原子磁矩μ原子组成。宏观磁体单位体积内原子磁矩矢量总和称为

①磁化强度：（A/m）11/39当原子磁矩同向平行排列时，宏观磁体对外显示磁性最强。当原子磁矩紊乱排列时，宏观磁体对外不显示磁性。依据电磁理论，通有电流导体能够产生磁场。比如，一个通有电流无限长螺旋管线圈，在螺旋管中心处

②磁场强度为：（A/m）n是线圈匝数，L是线圈长度（m），I是电流强度（A）。22/39在真空中产生磁场H时，在磁场空间就会有磁力线。单位面积上经过磁力线被称为

③磁感应强度B，B和H关系为：是真空磁导率。将磁性材料放入磁场空间时，B大小取决于材料M和H相互作用：

④μ为磁导率，也能够定义相对磁导率

33/39大表示材料有大磁场增强作用。是磁性材料一个主要参数。普通物质磁性强弱可由

⑤磁化率来表示。

和都反应了材料增强磁场程度，它们之间关系为：=+144/39从应用角度考虑，我们对含有大磁感应强度B、大磁化强度M材料感兴趣，并追求大相对磁导率。

8.2原子和离子固有磁矩物质磁性起源于原子磁矩。

材料宏观磁性起源于原子磁矩，原子中每个电子都含有磁性。产生磁矩原因有两个：

①电子围绕原子核轨道运动，产生一个非常小磁场，形成一个沿旋转轴方向轨道磁矩。

②每个电子本身作自旋运动，产生一个沿旋转轴方向自旋磁矩。55/39在原子中，一些电子正确轨道磁矩相互抵消，自旋磁矩也可能相互对消。（比如，一个自旋向上磁矩能够对消一个自旋向下磁矩）。所以一个原子净磁矩是全部电子磁矩相互作用矢量和。该磁矩称为原子磁矩。

（1）自由原子磁矩：

原子磁矩起源于电子和原子核，因为原子核磁矩仅有电子磁矩1/1836.5，所以原子磁矩主要起源于电子磁矩。电子磁矩由电子轨道磁矩和电子自旋磁矩组成。66/39

（2）铁氧体中原子磁矩认为轨道完全冻结，所以只考虑自旋磁矩。

（3）金属及合金中原子磁矩要从能带理论角度解释材料原子磁矩，能够用经验公式计算原子磁矩。

8.3物质抗磁性和顺磁性依据磁化率大小，物质大致可分为抗磁性、顺磁性、反磁性、铁磁性、亚铁磁性五大类。在五种不一样磁性物质中，铁磁性和亚铁磁性物质含有强磁性。77/39

抗磁性：一些物质受到外磁场H作用后，感生出和H相反磁化强度，磁化率＜0，这种物质称为抗磁性物质。普通抗磁性物质磁化率绝对值很小，约10-4～10-6，而且和磁场、温度无关。抗磁性起源于将物质放入外磁场中时，穿过电子轨道运动回路磁通会发生改变，为了抵抗该改变，在电子轨道回路要产生一个附加感应电流。这一附加感应电流磁矩方向和外磁场方向相反，所以抗磁性磁化率是负。又因为磁化率绝对值非常小，所以抗磁性在物质原子、离子或者分子固有磁矩为零时，才能观察出来。88/39

Au、Ag、Cu以及大多数有机物质在室温下是抗磁性物质，超导体一定是抗磁性物质。

顺磁性：一些物质受到外磁场H作用后，感生出和H相同磁化强度，磁化率＞0，这种物质称为顺磁性物质。普通顺磁性物质磁化率绝对值也很小，约10-2～10-5，组成顺磁性物质原子有未满壳层电子，所以有固有原子磁矩，不过原子受热扰动影响，原子磁矩方向混乱分布，在任何方向都没有净磁矩，对外不显示磁性。而将材料放入99/39外磁场中时，原子磁矩都有沿外磁场方向排列趋势，感生出和外磁场方向一致磁化强度M。所以磁化率＞0。普通顺磁性物质磁化强度随磁场改变磁化曲线M～H是直线，磁化率和温度关系恪守居里－外斯定律。

C－居里常数

－顺磁居里温度

1010/39

反磁性：在有些非铁磁性材料中，相邻原子或离子磁矩成反方向平行排列，结果总磁矩为零，这种性质叫反铁磁性。以上三种材料，对于磁性材料应用来说都视为是无磁性，因为它们只有在外磁场存在下才被磁化，且磁化率很小。

8.4铁磁性和亚铁磁性磁结构有些物质在放入外磁场中时，也感生出和H相同方向磁化强度，磁化强度＞0，但其数值很大，约10～106。试验发觉，这些物质磁化曲线M～H是非线性复杂函数，重复磁化时出现磁滞现象，这种物质称铁磁性物质。1111/39

（有些金属材料在外磁场作用下产生很强磁化强度，外磁场除去后仍保持相当大永久磁性，这种磁性称为铁磁性）。铁磁性物质原子不但有固有原子磁矩，而且原子磁矩分区间（磁畴）地自发平行取向。所以原子磁矩非常轻易朝外磁场方向排列，只要在很小磁场下就能够感生出很大磁化强度M。不过当温度高于某个临界值Tc（居里温度）时，材料铁磁性将转变成顺磁性，这时磁化率服从居里－外斯定律。当前发觉Fe、Co、Ni、Gd（钆gá）等单质元素在室温下含有铁磁性。1212/39

铁磁性材料和亚铁磁性材料都有磁有序相变点，称为居里点Tc。当温度高于Tc时，呈顺磁性，当温度低于Tc时呈铁磁性或亚铁磁性，均为强磁性。强磁性特点是其磁化率（=10～105）远高于弱磁性磁化率（=10-3～10-6）。其磁化曲线呈非线性，较易于到达磁饱和，磁化率随磁场而变，含有磁滞现象，含有磁畴。1313/39

强磁性上述特征起源于其自发磁化。在温度低于Tc时，铁磁物质中原子磁矩自发平行，或自发地使能带中正负自旋电子数不相等，故不加磁场时出现了不等于零自发磁化强度Ms。亚磁铁物质常为化合物或合金，在Tc温度以下时，原子磁矩呈反铁磁性排列，即自发反平行排列或其它类型自旋排列，不过或因为原子磁矩大小不等，或因为排列方式特殊性，它们磁矩没有抵消为零。其未抵消净磁矩便导1414/39致了自发磁化强度。自发磁化常出现在大块强磁体内微小区域中，称为磁畴。未加磁场而强磁体呈磁中性时，各磁畴中自发磁化矢量Ms分布使合成总磁化强度为零。加入磁场后，磁畴重新调整，造成了强磁物质磁化及磁化曲线、磁滞回线等特征。类似于铁磁体，亚铁磁体在某一临界温度Tc以下含有自发磁化，也属于强磁性物质；易于到达磁饱和，含有磁滞现象；存在磁畴。在临界温度Tc以上，自发磁化消失。1515/39亚铁磁性在宏观性能上与铁磁性类似，区分在于亚磁铁性材料饱和磁化强度比铁磁性低。能够看作是未抵消反铁磁体。

铁磁体和亚铁磁体磁结构铁磁体、亚铁磁体和反铁磁体原子磁矩在空间取向，都有长程有序规律，通称为磁有序，这种磁有序叫做磁结构。从磁结构角度考虑，把亚铁磁体和反铁磁体作比较，它们均属磁有序物质。它们磁有序转变温度分别称为居里点TC和奈尔点TN。在TC和TN1616/39以上温区呈顺磁性，在TC和TN以下处于磁有序状态。在反铁磁状态下，原子或电子磁矩空间有序分布使磁矩相互抵消，宏观自发磁化强度为零，其磁化率仍保持很小数值。亚铁磁体能够看作是未抵消反铁磁体。因为在磁有序转变温度TC以下温区，磁结构展现反铁性排列，但磁矩只部分抵消，故含有不为零自发磁化强度MS。1717/39大多数主要亚铁磁体是铁和其它金属一些复合（双）氧化物，称为铁氧体。其结构复杂，并含有各种元素。大量试验结果证实，亚铁磁体磁性不一样于铁磁体和反铁磁体。亚铁磁体虽属于强磁性物质，但其磁化率（或磁性）没有铁磁体那么大；而反铁磁体磁化率是小正数，属于弱磁性。磁性不一样，反应亚铁磁体磁结构显著不一样于铁磁体和反铁磁体磁结构。1818/39

8.5铁磁性和亚铁磁性“分子场”理论8.5.1铁磁性“分子场”理论

（1）铁磁物质内部存在很强“分子场”，它使原子磁矩同向平行排列，即自发磁化到饱和；

（2）铁磁体自发磁化分成若干磁畴（自发磁化到饱和区域称为磁畴），因为磁体中各磁畴磁化方向不一致，所以大块磁体对外不显示磁性。

8.5.2亚铁磁性“分子场”理论

（1）亚铁性磁材料在Tc以上时，常出现顺磁性；1919/39

（2）在Tc以下时，磁矩空间分布与反铁磁类似，呈反平行或其它类型排列（如螺旋型），但相互未抵消，宏观自发磁场强度不等于零。

8.6铁磁体中磁晶各向异性、磁致伸缩8.6.1磁晶各向异性在单晶体不一样晶体学方向上，其光学、电学、热膨胀、力学和磁学性能都不一样。这种特征称为晶体各向异性。单晶体磁性各向异性称为磁晶各向异性。2020/39比如，铁单晶体[100]、[110]和[111]晶向磁化曲线是不一样，如图8.13所表示是Fe单晶在不一样晶轴方向磁化曲线。铁磁体在磁化时，外磁场对铁磁体所做功为：2121/39

显然，沿铁单晶体[100]和[111]方向所消耗磁化功显著不一样。磁化功小方向方向称为易磁化方向，磁化功大方向称为难磁化方向。磁晶各向异性能EK定义为饱和磁化强度矢量在铁磁体中取不一样方向而改变能量。很显著，磁晶各向异性能是磁化强度方向函数。从这个角度考虑，磁晶各向异性能EK=f（α1，α2，α3）是多元函数。对立方晶体，设α1，α2，α3分别是磁化强度与立方晶体三个晶轴方向余弦，将它按泰2222/39勒级数展开，并用晶体对称性和三角函数关系式演算，可得磁晶各向异性能EK为：

式中K1，K2称为磁晶各向异性常数。当K2很小时，能够只用K1来描述立方晶体磁晶各向异性能EK。对于铁来说，K1是正，[100]是易磁化方向；对于镍来说，K1是负，[111]是易磁化方向，[100]是难磁化方向。磁晶各向异性常数K1，K2是衡量材料磁各向异性大小主要常数，它大小与晶体对称2323/39性相关。晶体对称性越低，它K1+K2数值越大。K1和K2主要决定于材料成份。用自旋-轨道相互作用来解释磁晶各向异性起源，其中心思想是，磁晶各向异性和晶体场与电子轨道运动影响相关。首先电子轨道磁矩产生磁场对电子自旋运动作用，使轨道和自旋间存在耦合作用；另首先电子轨道平面受晶体场作用能量合并被消除，这两方面作用叠加在一起，就使得原子磁矩倾向于在晶体一些方向上能量最低，而在另一些方向上能量高。原子2424/39磁矩能量低方向为易磁化方向，而能量高方向为难磁化方向。在无外磁场作用平衡状态下，原子磁矩倾向于排列在易磁化方向上。普通因为稀土元素轨道磁矩没有淬灭，所以轨道和自旋间存在耦合作用很强，它磁晶各向异性要大于过渡族元素，利用它大磁晶各向异性，能够制备永磁材料。

8.6.2退磁场能试验表明，磁性材料被磁化后，只要材料不是闭合形状或者无限长，材料内部总磁场H将2525/39小于外磁场He。这是因为非闭合磁性材料被磁化后在其端面将会有正负磁荷出现，如图8.14所表示。2626/39这些磁荷将在材料内外产生一个退磁场Hd，Hd方向在材料内部与He和M方向相反，其作用是减弱外磁场。退磁场越大，材料越不轻易磁化。在磁路设计和磁性测量中，必须考虑退磁场影响，尽可能降低退磁场。

8.6.3磁致伸缩在磁场中磁化时，铁磁体尺寸或体积发生改变现象称为磁致伸缩。当材料中存在内应力或外加应力时，磁致伸缩和应力相互作用，与此相关能量称为磁弹性能。磁弹性能小应力方向是易磁化方向。2727/39

8.7磁畴结构磁畴形成根本原因是为了降低退磁能（将铁磁体分成畴动力）。

决定磁畴结构原因有：退磁场能，磁晶各向异性能，磁弹性能以及磁体内部结构（尺寸、晶界、应力、掺杂、缺点等）等。

作业题：1、解释强磁性起源于其自发磁化？2、铁磁性和亚铁磁性分子场理论是什么？3、磁畴形成根本原因是什么？决定磁畴结构原因是什么？2828/39

磁性材料1介绍磁学把物质磁性分抗磁性、顺磁性、铁磁性、亚铁磁性、反铁磁性等不一样磁性。而按原子磁矩排列分为有序排列和无序排列。抗磁性和顺磁性物质为无序排列，其余为有序排列。如按外磁场作用下物质磁行为表现则可分为抗磁、弱磁、和强磁。抗磁性物质磁化率为-10-5～-10-8，顺磁性、反铁磁性、亚铁磁性、和铁磁性物质磁化率分别为10-3～10-6，10-3～10-5，1～104，1～106，所以抗磁性物质表现为抗磁，顺磁性物质表现为弱磁，亚铁磁性和铁磁性物质表现为强磁。2929/39下面介绍磁性材料是指常温下表现为强磁亚铁磁性和铁磁性材料。按不一样特点又可分为软磁，硬磁和铁氧体材料。而代表磁性材料性质基本参量是初始磁导率，最大磁导率，矫顽力，剩下磁感应强度，最大磁能积等。

２软磁材料所谓软磁材料就是矫顽力很低（小于0.8kA/m）磁性材料。亦即当材料在磁场中被磁化，取得磁性会很快全部或大部分丧失。3030/39

特点：矫顽力和磁滞损耗低；电阻率较高，磁通改变时产生涡流损耗小；高磁导率；高饱和磁感应强度。

1）软磁材料特征

磁导率：普通希望这个值越高越好

铁损：是指铁磁性材料在交变磁场中反覆磁化所消耗功率。铁损普通由磁滞损耗、涡流损耗和剩下损耗所组成。铁磁材料磁化时，出现磁滞现象，每磁化一周所消耗能量正比于磁滞回线面积，这种能量损失称为磁滞损耗。3131/39按照电磁感应定律，铁磁体在交变磁场中磁化，材料内磁通量发生改变时，在磁通周围会产生感应电动势，因为铁是导电物质，感应电动势在垂直于磁通方向截面上感应出闭合涡流电流。剩下磁耗包含驰豫损耗、畴壁共振损耗和自然共振损耗。

饱和磁感应强度：在磁化场足够强情况下，软磁材料可能到达最大磁感应强度

剩下磁感应强度：软磁材料经一定强度磁场磁化后，再将磁场强度减至零，此时材料内所剩磁感应强度。3232/39

2）软磁材料种类和应用

电工用纯铁：是一个含碳量很低，含铁量99.95%以上软钢。它属于高饱和材料，有较小矫顽力，主要用于制造电磁铁铁芯和磁极，继电器磁路和各种零件，制造扬声器磁路，电话中振动模等。Fe-Si，属于高饱和材料，主要用各种形式发电机，电动机中和变压器等。45坡莫合金（45%Ni-55%Fe）：含镍量在30％～90％镍铁合金，是由Fe，Ni，Mo，Cr，Cu等元素组成。主要应用在电讯工业、仪表、电子计算机和控制系统等领域。3333/39

软磁铁氧体：软磁铁氧体是铁氧体材料中一个，是一个轻易磁化和退磁铁氧体，其特点是起始磁导率高，矫顽力小，损耗小，使用频率可达高频或超高频范围。软磁铁氧体是氧离子和金属离子组成尖晶石结构氧化物。惯用镍锌铁氧体和锰锌铁氧体。主要应用于录音，统计仪统计磁头，变压器铁芯等在通讯广播电视和其它无线电技术中，比如收音机天线磁棒等。3434/393硬磁材料硬磁材料是含有强抗退磁能力和高剩下磁感应强度强磁材料，又称永磁材料。表征硬磁材料性能主要参数是剩下磁感应强度、矫顽力和最大磁能积，三者越高，硬磁性材料越好。

硬磁材料种