第四章第六讲材料科学与工程基础(顾宜

4-4 材料的磁学性能 magnetic properties of materialsWhat are magnetic field strength. magnetization, flux density, permeability and magnetic susceptibility? Two sources of magnetic moments in materials. The nature and source of diamagnetism,paramagnetism and ferromagnetism Domain and magnetic hysteresis; why ferromagnetic and ferrimagnetic materials experience magnetic hysteresis; Soft and hard magnetic materials.

4-4 材料的磁学性能 (magnetic properties)4-4-1 物质的磁性 1、磁学基本量 (1)磁矩——表征磁性物体磁性大小的物理量。m 电子轨道磁矩 电子自旋磁矩 物体本身特性 方向：右手法则 大小：I△S 单位: 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

M=Σm/ΔV, 物理意义 单位：A· -1 m 方向：矢量和 C、磁感应强度 真空 B。= 。H 。B 磁感强度(Wb· -2) (magnetic flux density) m H 磁场强度(A· -1)(magnetic field strength) m 磁导率，4 ×l0-7(H/m) (亨/米)(permeability)

µ 波尔磁子， 9.27 × 1024 A· 2. Bohr magneton, m B

介质B 0 (H M ) H

D、磁化率 χ(magnetic susceptibility)(

0

1) H M

M=(μr -1)H =χH

2、磁性的本质 (1)电子的磁矩 (Magnetic moments)电子的自旋磁矩(spin)>>轨道磁矩(orbital) 孤立原子 具有“永久磁矩” 有未被填满的电子壳层 不具磁性 原子各层都充满电子

(2)“交换”作用不同原子间的、 未被填满壳层上 的电子发生的特 殊相互作用铁磁性 物质 晶体结构a/D >3时 交换能为正值

原子间距

a/D <3时 交换能为负值，为反铁磁性

3、磁性的分类——根据材料磁化率的分类 (1)抗磁性(Ferrimagnetism) M<0 Bi,Cu,Ag,Au磁矩应为0; x<0,μr <1 外磁场中，感生一个磁矩，与外磁场方向相反 抗磁性来源——原子轨道中电子轨道的变化

(2)顺磁性(Diamagnetism) 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、钢系元素。

(3)铁磁性(Ferromagnetism)强磁性物质，Fe,Co,Ni 室温下磁化率可达103。 较弱磁场 较高的磁化强度； 外磁场移去保留较强磁性；

M>>H

x>0,μr >1 强磁性来源——很强的内部交换场 基本特征-------自发磁化 居里点温度Tc,自发磁化强度变为0,铁磁性消失 Tc以上，材料表现为强顺磁性。 (Curie temperature) 居里—外斯定律

C T Tc

(4)亚铁磁体(Paramagnetism)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)反铁磁性(Antiferromagnetism)由于“交换”作用力负值，电子自旋反向平行排列，整 个晶体M=0。 a/D <3 任何温度下，都不能观察到反铁磁性物质的任何自发磁化现象。

4-4-2 磁畴与磁滞回线(Domain and Hysteresis loop)1.磁畴——物质内部存在的自发磁化的小区域。磁畴结构形成的原因——为保持自发磁化的稳定性，必须使 强磁体的能量达最低值，因而分裂成无数微小的磁畴；10-9cm3 。 各磁畴之间彼此取向不同，首尾相接，形成闭合磁路，对外 不显磁性。 磁畴壁);相邻磁畴间的过度层。 厚度，一般10-5cm (domain wall)

2.磁滞回线——铁磁材料的一个基本特征磁化曲线

(Hysteresis curve)C点

BsMs Hs saturation magnetization

Br 剩余磁感应强度 remanence, or remanent flux density,退磁过程中的变化B落后于H的变化

H 为交变磁场

材料的磁滞 损耗与回线 面积成正比

硬磁 具有大磁滞回线和剩磁的 铁磁性材料(Hard magnetic material) 软磁 具有小磁滞回线和小能量 损 耗 的 铁 磁 性 材 料 (Soft magneticmaterial)

矫顽力Hc 消除Br为零的反相磁场(coercivity)