第三章材料的磁學(xué)性能課件

第三章材料的磁學(xué)性能第三章材料的磁學(xué)性能

磁性不只是一個(gè)宏觀的物理量，而且與物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。它不僅取決于物質(zhì)的原子結(jié)構(gòu)，還取決于原子間的相互作用——鍵合情況、晶體結(jié)構(gòu)。因此，研究磁性是研究物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的重要方法之一。

本章主要介紹有關(guān)磁性理論、磁性的現(xiàn)象和磁性分析方法在材料研究中的主要應(yīng)用。磁性不只是一個(gè)宏觀的物理量，而且與物質(zhì)的微3.1材料的磁化特征及其基本參數(shù)3.1.1磁化現(xiàn)象及磁化強(qiáng)度磁化

物質(zhì)受到磁場(chǎng)的作用而表現(xiàn)出一定的磁性。

能夠磁化的物質(zhì)。磁介質(zhì)3.1材料的磁化特征及其基本參數(shù)3.1.1磁化現(xiàn)象及電磁學(xué)中物質(zhì)磁化理論的兩種觀點(diǎn)：（1）分子環(huán)流觀點(diǎn)。（2）等效磁荷觀點(diǎn)。分子電流觀點(diǎn)安培提出分子環(huán)流假說：

物質(zhì)中的每個(gè)磁分子都相當(dāng)一個(gè)環(huán)形電流，即是一個(gè)分子磁矩。無外磁場(chǎng)時(shí)：熱運(yùn)動(dòng)、雜亂無章，不顯宏觀磁性。有外磁場(chǎng)時(shí)：沿磁場(chǎng)方向排列，顯現(xiàn)宏觀磁性。電磁學(xué)中物質(zhì)磁化理論的兩種觀點(diǎn)：（1）分子環(huán)流觀點(diǎn)。分子磁化強(qiáng)度：?jiǎn)挝惑w積的總磁矩。

等效磁荷觀點(diǎn)

材料的的每個(gè)磁分子就是一個(gè)磁偶極子。無外磁場(chǎng)時(shí)：熱運(yùn)動(dòng)、雜亂無章，不顯宏觀磁性。有外磁場(chǎng)時(shí)：沿磁場(chǎng)方向排列，顯現(xiàn)宏觀磁性。磁化強(qiáng)度：?jiǎn)挝惑w積的總磁矩。等效磁荷觀點(diǎn)材磁極化強(qiáng)度：?jiǎn)挝惑w積的總磁偶極矩。

磁化強(qiáng)度和磁極化強(qiáng)度：μ0真空的磁導(dǎo)率。磁極化強(qiáng)度：?jiǎn)挝惑w積的總磁偶極矩。磁化強(qiáng)度和磁極化強(qiáng)度：μ磁化率：磁化強(qiáng)度與外磁場(chǎng)強(qiáng)度的比值。與材料和溫度有關(guān)

材料磁化強(qiáng)度與外磁場(chǎng)強(qiáng)度和溫度有關(guān)。3.1.2磁化率和磁導(dǎo)率磁化率磁化率：磁化強(qiáng)度與外磁場(chǎng)強(qiáng)度的比值。與材料和溫度有關(guān)材料磁介質(zhì)磁化后必然影響介質(zhì)所在處的磁場(chǎng)加入介質(zhì)前的磁感應(yīng)強(qiáng)度。加入介質(zhì)后的強(qiáng)度磁感應(yīng)強(qiáng)度。令：則：介質(zhì)磁化后必然影響介質(zhì)所在處的磁場(chǎng)加入介質(zhì)前的磁感應(yīng)強(qiáng)度。磁導(dǎo)率材料內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁場(chǎng)強(qiáng)度的比值。相對(duì)磁導(dǎo)率磁導(dǎo)率材料內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁場(chǎng)強(qiáng)度的比值。相對(duì)磁導(dǎo)率物質(zhì)的磁性分類

根據(jù)物質(zhì)的磁化率，把物質(zhì)的磁性大致分為抗磁體、順磁體、反鐵磁體、鐵磁體和亞鐵磁體。物質(zhì)的磁性分類根據(jù)物質(zhì)的磁化率，把物質(zhì)的磁1.抗磁體：χ為負(fù)值，很小，約在10-6數(shù)量級(jí)。2.順磁體：χ為正值，很小，約在10-3～10-6數(shù)量級(jí)。3.反鐵磁體：χ為正值，很小。4.鐵磁性體：χ為正值，很大，約在10～106數(shù)量級(jí)。5.亞鐵磁體：χ為正值，沒有鐵磁性體大。

物質(zhì)的磁性分類、磁性特征及磁化機(jī)制？？？1.抗磁體：χ為負(fù)值，很小，約在10-6數(shù)量級(jí)。物質(zhì)的磁性分3.1.3磁化曲線和磁滯回線

物質(zhì)的磁化強(qiáng)度、磁感應(yīng)強(qiáng)度、磁導(dǎo)率等磁參量隨磁場(chǎng)強(qiáng)度增大的變化曲線。磁化曲線3.1.3磁化曲線和磁滯回線物質(zhì)的磁化強(qiáng)鐵磁體的三種磁化曲線

鐵磁性和亞鐵磁性物質(zhì)的磁化曲線與過程有關(guān)。

抗磁、順磁和反鐵磁物質(zhì)的磁化曲線與過程無關(guān)。飽和磁化飽和磁化強(qiáng)度飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度鐵磁體的三種磁化曲線鐵磁性和亞鐵磁性物質(zhì)的磁化曲線與磁滯回線

磁化強(qiáng)度或磁感應(yīng)強(qiáng)度隨磁場(chǎng)強(qiáng)度變化一周形成的閉合曲線。磁滯回線磁化強(qiáng)度或磁感應(yīng)強(qiáng)度隨磁場(chǎng)強(qiáng)度變化一時(shí)，的狀態(tài)退磁狀態(tài)技術(shù)磁化

從退磁狀態(tài)直到飽和之的磁化過程。起始磁導(dǎo)率時(shí)的磁導(dǎo)率。最大磁導(dǎo)率

弱磁場(chǎng)下工作的軟磁材料，要求有較大的起始磁導(dǎo)率，信號(hào)變壓器、電感的磁芯。

強(qiáng)磁場(chǎng)下工作的軟磁材料，要求有較大的最大磁導(dǎo)率。時(shí)，的狀態(tài)退磁狀態(tài)技術(shù)磁化剩余磁化強(qiáng)度剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度矯頑力

去掉磁場(chǎng)后的

時(shí)所需要的退磁場(chǎng)強(qiáng)度

鐵磁和亞鐵磁材料在技術(shù)磁化過程中存在不可逆過程，磁場(chǎng)減小時(shí)和變化滯后。磁滯剩余磁化強(qiáng)度剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度矯頑力去掉磁場(chǎng)后的

和隨最大磁場(chǎng)強(qiáng)度的減小而減小。

磁滯回線所圍的面積。磁滯損耗

通常所說的磁滯回線及其表征參數(shù)是指磁化強(qiáng)度隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化的曲線和參數(shù)。

通過逐漸減小最大磁場(chǎng)的強(qiáng)度，可實(shí)現(xiàn)退磁。和隨最大磁場(chǎng)強(qiáng)度的減小而μ、Mr和Hc都是對(duì)材料組織敏感的磁參數(shù)，決定于材料的組成、顯微組織、形態(tài)和分布等因素的影響。不同的磁性材料的應(yīng)用范圍也不同。具有小Hc值、高μ的瘦長形磁滯回線的材料，適宜作軟磁材料。具有大的Mr和Hc、低μ的短粗形磁滯回線的材料適宜作硬磁(永磁)材料。而Mr／Ms從接近于1的矩形磁滯回線的材料，即矩磁材料則可作為磁記錄材料。μ、Mr和Hc都是對(duì)材料組織敏感的磁參數(shù)，決定3.2物質(zhì)的磁性及其物理本質(zhì)3.2.1原子磁性

原子由原子核和核外電子構(gòu)成，核外電子在各自的軌道上繞核運(yùn)動(dòng)的同時(shí)還進(jìn)行自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。因此，分別具有軌道磁矩和自旋磁矩。OrbitalSpin軌道磁矩自旋磁矩3.2物質(zhì)的磁性及其物理本質(zhì)3.2.1原子磁性

原子核也進(jìn)行自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)也有其自旋磁矩，但與電子磁矩相比很小，通常被忽略。原子磁矩

原子的磁矩主要由電子磁矩組成，而電子磁矩是軌道磁矩和自旋磁矩的矢量和。

原子中的電子按不同的殼層進(jìn)行排列，當(dāng)電子殼層被排滿時(shí)電子的軌道運(yùn)動(dòng)和自旋運(yùn)動(dòng)占據(jù)了所有可能方向，電子總的角動(dòng)量為零，電子的總磁矩為零。當(dāng)某一電子殼層未被排滿時(shí)，這個(gè)電子殼層的電子總磁矩才不為零，該原子對(duì)外就要顯示磁矩。原子核也進(jìn)行自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)也有其自旋磁矩，但與電子3.2.2物質(zhì)的抗磁性

原子的磁矩為零的物質(zhì)對(duì)外不顯示磁性。但在外磁場(chǎng)的作用下原子的磁矩不再為零，對(duì)外表現(xiàn)出一定的抗磁性?？勾判援a(chǎn)生的原因

電子的軌道運(yùn)動(dòng)在外磁場(chǎng)的作用下產(chǎn)生了附加磁矩。3.2.2物質(zhì)的抗磁性原子的磁矩為零的物

附加磁矩與外磁場(chǎng)方向相反，物質(zhì)磁化后內(nèi)部產(chǎn)生與外場(chǎng)方向相反的附加磁場(chǎng)，對(duì)外表現(xiàn)出抗磁性。磁化強(qiáng)度與磁場(chǎng)強(qiáng)度方向相反，磁化率χ<0。

凡是電子殼層被排滿了的物質(zhì)都屬于抗磁體。

電子殼層未被排滿了的物質(zhì)，也具有一定的抗磁性，但不一定是抗磁體。附加磁矩與外磁場(chǎng)方向相反，物質(zhì)磁化后內(nèi)部產(chǎn)生3.2.3物質(zhì)的順磁性

順磁性物質(zhì)的原子或離子具有一定的磁矩，這些原子磁矩來源于未滿的電子殼層(例如過渡族元素的3d殼層)。在順磁性物質(zhì)中，磁性原子或離子分開的很遠(yuǎn)，以致它們之間沒有明顯的相互作用，因而在沒有外磁場(chǎng)時(shí)，由于熱運(yùn)動(dòng)的作用，原子磁矩是無規(guī)混亂取向。當(dāng)有外磁場(chǎng)作用時(shí)，原子磁矩有沿磁場(chǎng)方向取向的趨勢(shì)，從而呈現(xiàn)出正的磁化率。3.2.3物質(zhì)的順磁性順磁性物質(zhì)的原子或離子具O2、NO、Pd稀土金屬，F(xiàn)e、Co、Ni的鹽類，以及鐵磁金屬在居里點(diǎn)以上都屬正常的順磁體。其中有部分物質(zhì)能準(zhǔn)確地符合居里定律，它們的原子磁化率與溫度成反比。

但在常溫下，由于熱運(yùn)動(dòng)的影響，原子磁矩難以有序化排列，故順磁體的磁化十分困難，磁化率一般僅為10-6～10-3。根據(jù)順磁磁化率與溫度的關(guān)系，順磁質(zhì)分為三大類：1.正常順磁體居里定律O2、NO、Pd稀土金屬，F(xiàn)e、Co、Ni的鹽類居里-外斯定律

但還有相當(dāng)多的固溶體順磁物質(zhì)，特別是過渡族金屬元素是不符合居里定律的。它們的原子磁化率和溫度的關(guān)系需用居里-外斯定律來表達(dá)。

為居里溫度。2.磁化率與溫度無關(guān)的順磁質(zhì)

堿金屬Li、Na、K、Rb屬于此類。居里-外斯定律但還有相當(dāng)多的固溶體順磁物質(zhì)，3.存在反鐵磁體轉(zhuǎn)變的順磁體

過渡族金屬及其合金或它們的化合物屬于這類順磁體。它們都有一定的轉(zhuǎn)變溫度，稱為反鐵磁居里點(diǎn)或尼爾點(diǎn)，以TN表示。當(dāng)溫度高于TN時(shí)，它們和正常順磁體一樣服從居里-外斯定律，且△＞0；當(dāng)溫度低于TN時(shí)，它們的χ隨T的下降而下降，當(dāng)T→OK時(shí)，χ→常數(shù)；在TN處χ有一極大值，MnO、MnS、NiCr、CrS-Cr2S、Cr2O3、FeS2、FeS等都屬這類。3.存在反鐵磁體轉(zhuǎn)變的順磁體過渡族金屬及順磁體的χ-T關(guān)系曲線示意圖順磁體的χ-T關(guān)系曲線示意圖3.2.4金屬的抗磁性與順磁性

金屬是由點(diǎn)陣離子和自由電子構(gòu)成的，故金屬的磁性要考慮到點(diǎn)陣結(jié)點(diǎn)上正離子的抗磁性和順磁性，以及自由電子的抗磁性與順磁性。

正離子的抗磁性源于其電子的軌道運(yùn)動(dòng)，正離子的順磁性源于原子的固有磁矩。而自由電子的磁性的順磁性源于電子的自旋磁矩，自由電子的抗磁性源于共在外磁場(chǎng)中受洛侖茲力而作的圓周運(yùn)動(dòng)，這種圓周運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的磁矩同外磁場(chǎng)反向。

四種因素競(jìng)爭(zhēng)的結(jié)果決定物質(zhì)是否是抗磁體或順磁體。3.2.4金屬的抗磁性與順磁性金屬是由點(diǎn)

非金屬中除氧和石墨外，都是抗磁體。如Si、S、P以及許多有機(jī)化合物，它們基本上是以共價(jià)鍵結(jié)合的，由于共價(jià)電子對(duì)的磁矩互相抵消，因而它們部成為抗磁體。

在Cu、Ag、Au、Zn、Cd、Hg等金屬中，由于它們的離子所產(chǎn)生的抗磁性大于自由電子的順磁性，因而它們屬抗磁體。

所有的堿金屬和除Be以外的堿土金屬都是順磁體。雖然這兩族金屬元素在離子狀態(tài)時(shí)有與惰性氣體相似的電子結(jié)構(gòu)，似應(yīng)成為抗磁體，但是由于自由電子產(chǎn)生的順磁性占據(jù)了主導(dǎo)地位，故仍表現(xiàn)為順磁性。非金屬中除氧和石墨外，都是抗磁體。如Si、

稀土金屬的順磁性較強(qiáng)，磁化率較大且遵從居里-外斯定律。這是因?yàn)樗鼈兊?f或5d電子完層未填滿，存在未抵消的自旋磁矩所造成的。

過渡族金屬，在高溫基本都屬于順磁體，但其中有些存在鐵磁轉(zhuǎn)變(如Fe、Co、Ni)，有些則存在反鐵磁轉(zhuǎn)變(如Cr)。這類金屬的順磁性主要是由于它們的3d-5d電子殼層末填滿，d-和f-態(tài)電子未抵消的自旋磁矩形成了晶體離子的固有磁矩，從而產(chǎn)生了強(qiáng)烈的順磁性。稀土金屬的順磁性較強(qiáng)，磁化率較大且遵從居3.2.5影響金屬抗、順磁性的主要因素

溫度和磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)抗磁性的影響甚微，但當(dāng)金屬熔化凝固、范性形變、晶粒細(xì)化和同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變時(shí)，電子軌道的變化和原子密度的變化，將使抗磁磁化率發(fā)生變化。

熔化、加工硬化和晶粒細(xì)化等因素都是使金屬晶體趨于非晶化，都是因變化時(shí)原子間距增大、密度減小，使得抗磁性減弱。

同質(zhì)異構(gòu)相轉(zhuǎn)變時(shí)，伴隨磁性轉(zhuǎn)變。

合金的相結(jié)構(gòu)及組織對(duì)磁性的影響比較復(fù)雜。3.2.5影響金屬抗、順磁性的主要因素溫3.2.6磁化率的測(cè)量磁秤

利用試樣在非均勻磁場(chǎng)中的受力情況來確定它的磁化率。

利用與標(biāo)準(zhǔn)試樣對(duì)比來確定它的磁化率。3.2.6磁化率的測(cè)量磁秤利用試樣在3.3物質(zhì)的鐵磁性及其物理本質(zhì)1907年法國人外斯提出了鐵磁性的“分子場(chǎng)”假說：認(rèn)為在鐵磁質(zhì)內(nèi)部存在很強(qiáng)的“分子場(chǎng)”，在分子場(chǎng)的作用下，原子磁矩趨向平行排列，即自發(fā)磁化至飽和，稱為自發(fā)磁化。在這個(gè)理論的基礎(chǔ)上發(fā)展了現(xiàn)代的鐵磁理論。

鐵磁性材料的磁性是自發(fā)產(chǎn)生的，磁化過程只不過是把物質(zhì)本身的磁性顯示出來，而不是由外界向物質(zhì)提供磁性的過程。3.3物質(zhì)的鐵磁性及其物理本質(zhì)1907年法國人外斯提出

鐵磁質(zhì)自發(fā)磁化成若干個(gè)小區(qū)域（自發(fā)磁化至飽和的小區(qū)域“磁疇”），由于各個(gè)區(qū)域的磁化方向各不相同，其磁性彼此相消，所以大塊鐵磁質(zhì)對(duì)外并不顯示磁性。3.3.1鐵磁質(zhì)的自發(fā)磁化

鐵磁質(zhì)自發(fā)磁化成若干個(gè)小區(qū)域（自發(fā)磁化至飽和3.3.1鐵磁質(zhì)的自發(fā)磁化

物質(zhì)具有鐵磁性的基本條件：(1)物質(zhì)中的原子有磁矩；(2)原子磁矩之間有一定的相互作用。鐵磁性物質(zhì)在居里溫度以上是順磁性；居里溫度以下原子磁矩間的相互作用能大于熱振動(dòng)能，顯現(xiàn)鐵磁性?！胺肿訄?chǎng)”來源于電子間的靜電相互作用。

實(shí)驗(yàn)證明鐵磁質(zhì)自發(fā)磁化的起因是源于原子未被抵消的電子自旋磁矩，而軌道磁矩對(duì)鐵磁性幾乎無貢獻(xiàn)。3.3.1鐵磁質(zhì)的自發(fā)磁化物質(zhì)具有鐵磁性的基本條件：

根據(jù)鍵合理論可知，原子相互接近形成分子時(shí)，電子云要相互重疊，電子要相互交換位置。

對(duì)于過渡族金屬，原子的3d的狀態(tài)與4s態(tài)能量相差不大，因此它們的電子云也將重疊，引起s、d狀態(tài)電子的再分配。即發(fā)生了交換作用。交換作用產(chǎn)生的靜電作用力稱為交換力。

交換力的作用迫使相鄰原子的自旋磁矩產(chǎn)生有序排列。其作用就像強(qiáng)磁場(chǎng)一樣，外斯“分子場(chǎng)”即來源于此。

因交換作用而產(chǎn)生的附加能量成為交換能。根據(jù)鍵合理論可知，原子相互接近形成分子時(shí)，電子

當(dāng)磁性物質(zhì)內(nèi)部相鄰原子電子的交換能積分常數(shù)為正(A＞0)時(shí)，相鄰原子磁矩將同向平行排列（能量最低），從而實(shí)現(xiàn)自發(fā)磁化。這就是鐵磁性產(chǎn)生的原因。這種相鄰原子的電子交換效應(yīng)，其本質(zhì)仍是靜電力迫使電子自旋磁矩平行排列，作用的效果好像強(qiáng)磁場(chǎng)一樣。交換能

A

為交換能積分常數(shù)，θ為相鄰原子的兩個(gè)電子自旋磁矩之間的夾角。

系統(tǒng)穩(wěn)定本著能量最低原則。交換能積分常數(shù)A不僅與電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的波函數(shù)有關(guān)，還強(qiáng)烈依賴于原子核間的距離和未填滿殼層半徑有關(guān)。當(dāng)磁性物質(zhì)內(nèi)部相鄰原子電子的交換能積分常數(shù)

如圖所示。由圖可見，只有當(dāng)原子核之間的距離Rab與參加交換作用的電子距核的距離(電子殼層半徑r)

之比大于3，交換積分才有可能為正。鐵、鈷、鎳以及某些稀土元素滿足自發(fā)磁化的條件。Rab-原子間距

r-未填滿的電子層半徑如圖所示。由圖可見，只有當(dāng)原子核之間的距離R

鐵磁性產(chǎn)生的條件：①原子內(nèi)部要有末填滿的電子殼層；②及Rab／r之比大于3使交換積分A為正。前者指的是原子本征磁矩不為零；后者指的是要有一定的晶體結(jié)構(gòu)。

鐵磁質(zhì)受熱原子間距離增大，電子間交換作用減弱，自發(fā)磁化減弱，當(dāng)高于一定溫度時(shí)交換作用被破壞，表現(xiàn)為順磁性，這個(gè)轉(zhuǎn)變溫度被稱為居里溫度。鐵磁性產(chǎn)生的條件：①原子內(nèi)部要有末填滿的電子3.3.2反鐵磁性和亞鐵磁性

如果交換積分A＜0時(shí)，則原于磁矩取反向平行排列能量最低。如果相鄰原子磁矩相等，由于原子磁矩反平行排列，原子磁矩相互抵消，自發(fā)磁化強(qiáng)度等于零。這樣一種特性稱為反鐵磁性。

研究發(fā)現(xiàn)，純金屬α-Mn、Cr等是屬于反鐵磁性。還有許多金屬氧化物如MnO、Cr2O3、CuO、NiO等也屬于反鐵磁性。反鐵磁性

3.3.2反鐵磁性和亞鐵磁性如果交換積

亞鐵磁性物質(zhì)由磁矩大小不同的兩種離子(或原子)組成，相同磁性的離子磁矩同向平行排列，而不同磁性的離子磁矩是反向平行排列。由于兩種離子的磁矩不相等，反向平行的磁矩就不能恰好抵消，二者之差表現(xiàn)為宏觀磁矩。

具有亞鐵磁性的物質(zhì)絕大部分是金屬的氧化物，是非金屬磁性材料，一般稱為鐵氧體。磁性離子間并不存在直接的交換作用，而是通過夾在中間的氧離子形成間接的交換作用，稱為超交換作用。亞鐵磁性

交換積分A＜0，則原于磁矩取反向平行排列能量最低。如果相鄰原子磁矩不等，原子磁矩不能相互抵消，存在自發(fā)磁化。這樣一種特性稱為亞鐵磁性。亞鐵磁性物質(zhì)由磁矩大小不同的兩種離子(或原子鐵磁性

反鐵磁性

亞鐵磁性

反鐵磁性和亞鐵磁性的物質(zhì)可以看作由兩套亞點(diǎn)陣組成，每個(gè)亞點(diǎn)陣中的離子磁矩同向平行排列，不同亞點(diǎn)陣反向平行。鐵磁性

反鐵磁性

3.4磁晶各向異性和各向異性能

對(duì)于鐵磁單晶的研究發(fā)現(xiàn)，沿不同晶向的磁化曲線不同。這種在單晶體的不同晶向上磁性能不同的性質(zhì)，稱為磁性的各向異性。磁各向異性[100][110][111]3.4磁晶各向異性和各向異性能對(duì)于鐵磁單第三章材料的磁學(xué)性能課件

相鄰原子間電子軌道還有交換作用，由于自旋-軌道相互作用，電荷的分布為旋轉(zhuǎn)橢球性，非對(duì)稱性與自旋方向密切相關(guān)，所以自旋方向相對(duì)于晶軸的轉(zhuǎn)動(dòng)將使交換能改變，同時(shí)也使原子電荷分布的靜電相互作用能改變，導(dǎo)致磁各向異性。相鄰原子間電子軌道還有交換作用，由于自旋-軌磁各向異性能

沿不同方向的磁化功不同，反映了磁化強(qiáng)度矢量在不同取向的能量不同，沿易磁化軸時(shí)能量最低，沿難磁化軸時(shí)能量最高，其能量差稱為磁各向異性能。其等于沿難磁化軸和沿易磁化軸時(shí)的磁化功之差。易磁化軸磁化功

為使鐵磁體磁化需要一定的能量，數(shù)量上等于陰影面積，稱為磁化功。磁各向異性能沿不同方向的磁化功不同，反映了磁3.5磁致伸縮與磁彈性能

鐵磁性物質(zhì)的尺寸和形狀在磁化過程中發(fā)生形變的現(xiàn)象，叫磁致伸縮。產(chǎn)生原因：原子磁矩有序排列時(shí)，電子間的相互作用導(dǎo)致原子間距的的自發(fā)調(diào)整。

當(dāng)磁致伸縮引起的形變受到限制，在材料內(nèi)部將產(chǎn)生應(yīng)力，因而存在一種彈性能，稱為磁彈性能。3.5磁致伸縮與磁彈性能鐵磁性物質(zhì)的尺寸第三章材料的磁學(xué)性能課件

鐵磁體在磁場(chǎng)中具有的能量稱為靜磁能，它包括鐵磁體與外磁磁場(chǎng)的相互作用能和鐵磁體在自身退磁場(chǎng)中的能量，后者常稱為退磁能。

鐵磁體的形狀各向異性是由退磁場(chǎng)引起的，當(dāng)鐵磁體磁化出現(xiàn)磁極后，這時(shí)在鐵磁體內(nèi)部由磁極作用而產(chǎn)生一個(gè)與外磁化場(chǎng)反向的磁場(chǎng)，因它起到退磁（減弱外磁場(chǎng)）的作用，故稱為退磁場(chǎng)，用Hd表示。

Hd=-NMN為退磁因子，與材料的幾何形狀、尺寸有關(guān)；M磁化強(qiáng)度。3.6鐵磁體的形狀各向異性及退磁能鐵磁體在磁場(chǎng)中具有的能量稱為靜磁能，它包括鐵磁體退磁場(chǎng)作用在鐵磁體上的退磁能為：退磁場(chǎng)作用在鐵磁體上的退磁能為：3.7磁疇的形成與磁疇結(jié)構(gòu)

因物質(zhì)由許多小磁疇組成的。在未受到磁場(chǎng)作用時(shí)，磁疇方向是無規(guī)則的，因而在整體上凈磁化強(qiáng)度為零。形成原因：由于原子磁矩間的相互作用，晶體中相鄰原子的磁偶極子會(huì)在一個(gè)較小的區(qū)域內(nèi)排成一致的方向，導(dǎo)致形成一個(gè)較大的凈磁矩。磁疇

未加磁場(chǎng)時(shí)鐵磁體內(nèi)部已經(jīng)磁化到飽和狀態(tài)的小區(qū)域。3.7.1

磁疇與磁疇壁

3.7磁疇的形成與磁疇結(jié)構(gòu)因物質(zhì)由許多小磁疇壁：相鄰磁疇的界限區(qū)域稱為磁疇壁，分為兩種：磁疇的結(jié)構(gòu)主疇：大而長的磁疇，其自發(fā)磁化方向沿晶體的易磁化方向。相鄰主疇磁化方向相反。副疇：小而短的磁疇，其磁化方向不定。（1）180o壁。相鄰磁疇的磁化方向相反。（2）90o壁。相鄰磁疇的磁化方向垂直。磁疇壁：磁疇的結(jié)構(gòu)主疇：副疇：（1）180o壁。相鄰磁疇的第三章材料的磁學(xué)性能課件磁疇壁具有交換能、磁晶能及磁彈性能。磁疇壁的厚度本著能量最小原則。交換能使疇壁厚度大，磁晶能使疇壁厚度減小。兩種能量竟?fàn)幨巩牨诰哂幸欢ǖ暮穸取?.7.2

磁疇的起因與結(jié)構(gòu)

磁疇的形狀、尺寸、疇壁的類型與厚度總稱為磁疇結(jié)構(gòu)。磁疇壁具有交換能、磁晶能及磁彈性能。磁疇壁的厚度本著能量最小

形成磁疇是為了降低系統(tǒng)的能量（主要是降低退磁能和磁彈性能）。因磁疇結(jié)構(gòu)受交換能、磁晶能、磁彈性能、疇壁能和退磁能的影響，平衡狀態(tài)時(shí)的磁疇結(jié)構(gòu)，應(yīng)使這些能量之和為最小值。（1）若把晶體分成若干個(gè)平行反向的自發(fā)區(qū)域，則大大降低退磁能。形成磁疇是為了降低系統(tǒng)的能量（主要是降低退（2）若能形成圖d中封閉式的磁疇結(jié)構(gòu)，由于其具有封閉磁通的作用，故可以使退磁能降低為零。（3）但由于封閉疇與主磁疇的磁化方向不同，引起的磁致伸縮不同，因而會(huì)產(chǎn)生一定的磁晶能和磁彈性能。磁彈性能與磁疇的尺寸有關(guān)，尺寸愈大，磁致伸縮所引起的尺寸變化就愈不易補(bǔ)償，因而磁彈性能就愈高。因此封閉磁疇結(jié)構(gòu)還要由更小的封閉疇構(gòu)成。（2）若能形成圖d中封閉式的磁疇結(jié)構(gòu)，由于其具有封閉磁通的作

磁疇壁的能量高于磁疇內(nèi)的能量，阻礙了磁疇的減小傾向，形成了一個(gè)平衡的磁疇結(jié)構(gòu)。3.7.3

不均勻物質(zhì)中的磁疇

多晶

不同晶粒的磁疇取向不同，材料對(duì)外顯示各向同性。缺陷

如果存在夾雜物和空洞，此處磁通的連續(xù)性被破壞，在其周圍將形成楔形磁疇。磁疇壁的能量高于磁疇內(nèi)的能量，阻礙了磁疇的第三章材料的磁學(xué)性能課件3.7.4

單疇顆粒與磁泡疇

當(dāng)鐵磁顆粒小到某一尺寸，它形成疇壁的疇壁能大于顆粒的退磁能時(shí)，鐵磁顆粒形成單疇顆粒。

單疇顆粒沒有磁疇壁。單疇顆粒3.7.4單疇顆粒與磁泡疇當(dāng)鐵磁顆粒小到某磁泡疇

對(duì)于單軸各向異性的薄晶片或薄膜，如果加偏置磁場(chǎng)，使其方向垂直薄晶面并與薄晶片的易磁化軸平行，可以形成小圓柱形磁疇。磁泡疇對(duì)于單軸各向異性的薄晶片或薄膜，如果加3.8技術(shù)磁化和反磁化過程3.8.1

技術(shù)磁化的機(jī)制技術(shù)磁化的實(shí)質(zhì)：外磁場(chǎng)把各個(gè)磁疇的磁矩方向轉(zhuǎn)到（或接近）外磁場(chǎng)方向的過程。鐵磁質(zhì)的基本磁化曲線大體可分為三個(gè)階段。（1）可逆遷移；（2）不可逆遷移；（3）旋轉(zhuǎn)3.8技術(shù)磁化和反磁化過程3.8.1技術(shù)磁化的機(jī)制技術(shù)第三章材料的磁學(xué)性能課件第三章材料的磁學(xué)性能課件（1）可逆遷移：起始階段，疇壁微小移動(dòng)，磁化曲線平坦，磁導(dǎo)率（初始磁導(dǎo)率）較小，過程可逆，無磁滯。（2）不可逆遷移：疇壁發(fā)生瞬時(shí)跳躍移動(dòng)，大量原子磁矩瞬時(shí)轉(zhuǎn)向，表現(xiàn)出強(qiáng)烈的磁化，磁化曲線急劇上升，磁導(dǎo)率很高，過程不可逆。疇壁遷移的結(jié)果：使得所有原子的磁矩轉(zhuǎn)向與磁場(chǎng)成銳角的易磁化方向，晶體成單疇。（3）旋轉(zhuǎn)：由于易磁化軸通常與外場(chǎng)不一致，當(dāng)磁場(chǎng)繼續(xù)增大時(shí)，整個(gè)晶體單疇磁矩的方向?qū)⒅饾u轉(zhuǎn)向外場(chǎng)方向（磁疇旋轉(zhuǎn)）。

由于磁感應(yīng)強(qiáng)度B與磁化強(qiáng)度M的物理意義不同，其對(duì)應(yīng)的磁化曲線形狀不同。（1）可逆遷移：起始階段，疇壁微小移動(dòng)，磁化曲線平坦，磁導(dǎo)率壁移磁化以180o壁為例：旋轉(zhuǎn)磁化壁移磁化的實(shí)質(zhì)：相鄰磁疇接近疇壁的區(qū)域和磁疇內(nèi)部原子磁矩發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。

整個(gè)晶體單疇磁矩的方向?qū)⒅饾u轉(zhuǎn)向外場(chǎng)方向（磁疇旋轉(zhuǎn)）。壁移磁化以180o壁為例：旋轉(zhuǎn)磁化壁移磁化的實(shí)質(zhì)：3.8.2

影響磁壁移動(dòng)的因素

一般鐵磁體在弱場(chǎng)范圍內(nèi)的磁化過程是疇壁的位移過程。即接近于外磁場(chǎng)方向的磁疇長大，遠(yuǎn)離外磁場(chǎng)方向的磁疇縮小。理想完美的鐵磁晶體，它內(nèi)部的磁疇結(jié)構(gòu)只由其外形的退磁場(chǎng)作用所決定，在外磁場(chǎng)作用下，只要其內(nèi)部有效磁場(chǎng)不為零，磁疇壁將被驅(qū)動(dòng)，直到疇結(jié)構(gòu)改組到有效場(chǎng)等于零時(shí)才穩(wěn)定下耒，因此這種理想晶體的起始磁化率應(yīng)為無限大。實(shí)際的鐵磁晶體內(nèi)總是存在著晶格缺陷、雜貭和某種形式分布的內(nèi)應(yīng)力。結(jié)構(gòu)的不均勻產(chǎn)生對(duì)疇壁位移的阻力，使起始磁化率降低為有限數(shù)值，而且使疇壁位移過程有可逆和不可逆的區(qū)別。3.8.2影響磁壁移動(dòng)的因素一般鐵磁體在弱（1）鐵磁材料中的夾雜（2）第二相空隙的數(shù)量及分布（3）內(nèi)應(yīng)力的起伏大小和分布（4）磁體磁化產(chǎn)生的退磁能，壁移產(chǎn)生的磁晶各向異性能和磁彈性能等。磁壁移動(dòng)阻力的來源：技術(shù)磁化過程需要外場(chǎng)克服壁阻力做功。

磁壁移動(dòng)過程，就是外場(chǎng)克服阻力，系統(tǒng)的各能量相互競(jìng)爭(zhēng)，使得系統(tǒng)自由能經(jīng)過調(diào)整，達(dá)到最低狀態(tài)的過程。（1）鐵磁材料中的夾雜磁壁移動(dòng)阻力的來源：技術(shù)磁化過程需要外

在疇壁位移過程中，鐵磁晶體的總自由能(包括外磁場(chǎng)能)將不斷發(fā)生變化。主要是當(dāng)疇壁在不同位置時(shí)疇壁能發(fā)生變化，磁疇內(nèi)應(yīng)力能的變化，以及內(nèi)部雜貭引起雜散磁場(chǎng)能的變化等。

如圖所示，對(duì)于180o疇壁位移，在位移方向鐵磁晶體內(nèi)自由能F(x)的變化曲線。未加磁場(chǎng)時(shí)疇壁的平衡位置在F(x)最小值的位置，如圖b中的a點(diǎn)。在a點(diǎn)：能量最低，狀態(tài)穩(wěn)定。在疇壁位移過程中，鐵磁晶體的總自由能(包括外

當(dāng)外加磁場(chǎng)時(shí)，疇壁向右移動(dòng)。設(shè)位移dx，外磁場(chǎng)所做的功等于自由能F(x)的增加量。在b點(diǎn),,為最大值。當(dāng)外加磁場(chǎng)時(shí)，疇壁向右移動(dòng)。設(shè)位移dx，外磁bc,不穩(wěn)定的，是不可逆位移過程。在c點(diǎn)，若去掉外場(chǎng)，疇壁將穩(wěn)定在d點(diǎn)。由于磁疇壁從x1處到x2處是瞬間完成的，相當(dāng)一個(gè)跳躍，稱為巴克豪森跳躍。產(chǎn)生強(qiáng)烈磁化。bc,不穩(wěn)定的，是不可逆位移雜質(zhì)對(duì)疇壁移動(dòng)的影響：

雜質(zhì)有吸引疇壁的作用。雜質(zhì)使疇壁穿孔，疇壁面積減小，疇壁能降低，對(duì)疇壁具有“訂扎”作用，限制疇壁的移動(dòng)。使得疇壁在外磁場(chǎng)的作用下發(fā)生跳躍性移動(dòng)。雜質(zhì)對(duì)疇壁移動(dòng)的影響：雜質(zhì)有吸引疇壁的作用。3.8.3反磁化過程和磁矯頑力

在技術(shù)磁化后，把外磁場(chǎng)去掉，由于磁晶能的作用，則磁疇的磁化方向?qū)⑥D(zhuǎn)動(dòng)到離磁場(chǎng)方向最近的易磁化方向。因此，在外磁場(chǎng)方向仍有磁化強(qiáng)度的分量，這就是存在剩磁Mr的原因。從該狀態(tài)開始施加的反向磁場(chǎng)經(jīng)歷的過程稱為反磁化過程。3.8.3反磁化過程和磁矯頑力在技術(shù)磁化后，把外矯頑力-Hc

矯頑力是材料在正向加磁場(chǎng)使磁化強(qiáng)度達(dá)到飽和，然后去掉磁場(chǎng)，再反向加磁場(chǎng)直到磁化強(qiáng)度為零，其相對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)稱為矯頑力Hc。1、增加壁移阻力（雜質(zhì)、應(yīng)力等）矯頑力提高2、降低材料晶粒尺寸矯頑力-Hc矯頑力是材料在正向加磁場(chǎng)使磁化強(qiáng)度達(dá)

磁化曲線是各構(gòu)成晶粒的平均效果。對(duì)于多晶體磁化曲線是各構(gòu)成晶粒的平均效果。對(duì)于多晶體3.9影響金屬及其合金鐵磁性的因素1、外部環(huán)境（溫度、應(yīng)力等）2、金屬及合金內(nèi)部因素（組織敏感性參數(shù)和組織不敏感性參數(shù)）。

屬于組織不敏感的磁參數(shù)有飽和磁化強(qiáng)度Ms、磁致伸縮系數(shù)λs、居里點(diǎn)θc以及磁各向異性常數(shù)K等。其中Ms和λs是鐵磁體自發(fā)磁化強(qiáng)度的函數(shù)。具體地說，它們和原子結(jié)構(gòu)、合金成分、相結(jié)構(gòu)和組成相的數(shù)量有關(guān)，而與組成相的晶粒大小、分布和組織形態(tài)無關(guān)。θc只與組成相的成分和結(jié)構(gòu)有關(guān)。K只決定于組成相的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，而與組織無關(guān)。3.9影響金屬及其合金鐵磁性的因素1、外部環(huán)境

屬于組織敏感的磁參數(shù)有矯頑力Hc、磁導(dǎo)率μ、剩余磁化強(qiáng)度Mr、剩余磁感應(yīng)Br等。它們都與組成相的晶粒尺寸、分布情況和組織形態(tài)有密切關(guān)系。

它們都與組成相的晶粒尺寸、分布情況和組織形態(tài)有密切關(guān)系。屬于組織敏感的磁參數(shù)有矯頑力Hc、磁導(dǎo)率μ、剩余磁化影響鐵磁性的因素：

1、溫度的影響

2、應(yīng)力、形變、晶粒及雜質(zhì)的影響

3、磁場(chǎng)中退火

4、合金的成分和組織的影響

5、Spinodal分解影響鐵磁性的因素：

溫度升高使原子熱運(yùn)動(dòng)加劇，原子磁矩的無序排列傾向增大而導(dǎo)致Ms下降，矯頑力減小。1、溫度的影響溫度升高使原子熱運(yùn)動(dòng)加劇，原子磁矩的無序排列傾向增大

溫度升高，引起應(yīng)力松弛，利于磁化，使得初始磁導(dǎo)率增加。溫度升高，引起應(yīng)力松弛，利于磁化，使得初始磁導(dǎo)率增加。

當(dāng)應(yīng)力的方向與金屬的磁致伸縮為同號(hào)時(shí)，則應(yīng)力對(duì)磁化起促進(jìn)作用。2.1、應(yīng)力的影響當(dāng)應(yīng)力的方向與金屬的磁致伸縮為同號(hào)時(shí)，則應(yīng)力對(duì)磁2.2形變（加工硬化）的影響

加工硬化能引起晶體點(diǎn)陣扭曲，晶粒破碎，內(nèi)應(yīng)力增加，對(duì)壁移造成阻力。使得最大磁導(dǎo)率降低，矯頑力增大。2.2形變（加工硬化）的影響加工硬化能引起晶體點(diǎn)陣2.3晶粒細(xì)化的影響

晶粒細(xì)化使得晶界增多，對(duì)磁化的阻力增大，使得最大磁導(dǎo)率降低，矯頑力增大。2.3晶粒細(xì)化的影響晶粒細(xì)化使得晶界增多，

雜質(zhì)會(huì)造成點(diǎn)陣扭曲，當(dāng)夾雜物存在于疇壁穿孔，這會(huì)給壁位移造成阻力，使得最大磁導(dǎo)率降低，矯頑力增大。

改善鐵磁材料μ的方法：1）消除鐵磁材料中的雜質(zhì)；2）晶粒足夠大并呈等軸狀；3）形成再織構(gòu)；4）采用磁場(chǎng)中退火。2.4、雜質(zhì)的影響雜質(zhì)會(huì)造成點(diǎn)陣扭曲，當(dāng)夾雜物存在于疇壁穿孔，這會(huì)給壁磁場(chǎng)中退火

各磁疇受磁致伸縮而發(fā)生形變，主要是沿易軸的形變。假如鐵棒冷卻后在室溫下順著棒的軸向磁化，因磁致伸縮，各磁疇將沿與磁場(chǎng)方向（即棒的軸向）成角度最小的易軸伸長。由于冷卻時(shí)經(jīng)過居里點(diǎn)而產(chǎn)生的各項(xiàng)雜亂形變將妨礙室溫下磁化的新變形，于是產(chǎn)生應(yīng)力。這種應(yīng)力將妨礙磁致伸縮，使磁導(dǎo)率降低。高磁導(dǎo)率不但可以由晶體易軸的擇優(yōu)取向（冷加工和再結(jié)晶）達(dá)到，同樣也可由內(nèi)應(yīng)力的擇優(yōu)取向（通過磁場(chǎng)中退火）達(dá)到。前者稱為冷加工或再結(jié)晶織構(gòu)，后者稱為磁織構(gòu)。磁場(chǎng)中退火各磁疇受磁致伸縮而發(fā)生形變，主要是沿易軸的合金的成分和組織的影響1、形成固溶體（1）順磁、抗磁溶質(zhì)原子的固溶，使得飽和磁化強(qiáng)度急劇減小。（2）鐵磁性溶質(zhì)的原子有較強(qiáng)的固有磁矩，當(dāng)少量加入形成固溶體時(shí)，通過點(diǎn)陣常數(shù)的變化，使交換作用增強(qiáng)，因而對(duì)自發(fā)磁化有所促進(jìn)。（3）固溶體合金的有序化對(duì)合金的磁性有顯著的影響，飽和磁化強(qiáng)度增大。2、形成化合物（1）與順磁、抗磁金屬，鐵磁性能降低（2）與非金屬（O、S），多呈亞鐵磁性。合金的成分和組織的影響1、形成固溶體3.10動(dòng)態(tài)磁化特性為什么研究動(dòng)態(tài)磁化？鐵磁材料主要作為鐵芯廣泛用于各種電機(jī)和變壓器。因交變的磁化過程和高磁通密度，考慮到鐵芯的損耗（鐵耗）。另外，對(duì)高頻條件下工作的磁芯因能耗而引起磁芯品質(zhì)因子Q降低的問題----引入----動(dòng)態(tài)磁化.3.10動(dòng)態(tài)磁化特性為什么研究動(dòng)態(tài)磁化？3.10.1磁滯和渦流損耗

鐵磁材料在交變磁場(chǎng)中反復(fù)磁化時(shí)，由于磁化處于非平衡狀態(tài)，磁化曲線表現(xiàn)出動(dòng)態(tài)特性。

交流磁化曲線的形狀介于直流磁滯回線和橢圓之間。

當(dāng)外場(chǎng)的振幅不大時(shí)（磁化基本是可逆的）的磁滯回線稱為瑞利磁滯回線，形狀為橢圓形。3.10.1磁滯和渦流損耗鐵磁材料在交變磁場(chǎng)中反復(fù)

瑞利磁化曲線的磁滯損耗（曲線包圍的面積）：

變化的磁場(chǎng)在其空間將產(chǎn)生渦旋電場(chǎng)，在渦旋電場(chǎng)的作用下，鐵磁材料內(nèi)部將產(chǎn)生渦旋電流—渦流。渦流產(chǎn)生的能量損耗—渦流損耗。

均勻磁化時(shí)：非均勻磁化時(shí)：

非均勻磁化的磁滯損耗是均勻磁化的4

倍。瑞利磁化曲線的磁滯損耗（曲線包圍的面積）：

渦旋電流將產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)來阻止外磁場(chǎng)引起的磁通變化，使得鐵磁體內(nèi)的實(shí)際磁場(chǎng)的變化總是要滯后于外磁場(chǎng)。渦流對(duì)磁化的滯后效應(yīng)

若交變磁場(chǎng)的頻率很高，鐵磁體的電阻率較小，可能出現(xiàn)材料內(nèi)部無磁場(chǎng)，磁場(chǎng)只存在于鐵磁體表層的“趨膚效應(yīng)”。渦流對(duì)工作于交變磁場(chǎng)的鐵磁體是非常有害的。渦旋電流將產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)來阻止外磁場(chǎng)引起的磁通3.10.2磁后效應(yīng)及復(fù)數(shù)磁導(dǎo)率

磁化強(qiáng)度（或磁感應(yīng)強(qiáng)度）跟不上磁場(chǎng)變化的延遲現(xiàn)象。磁后效應(yīng)主要原因：（1）渦旋電流產(chǎn)生的抗磁場(chǎng)。（2）點(diǎn)陣間隙位置雜質(zhì)原子的擴(kuò)散弛豫。（3）疇壁移動(dòng)的弛豫。

由于在交變磁場(chǎng)中存在的磁滯后效應(yīng)，利用復(fù)數(shù)的形式表示磁場(chǎng)及其參量。3.10.2磁后效應(yīng)及復(fù)數(shù)磁導(dǎo)率磁化強(qiáng)度復(fù)數(shù)磁導(dǎo)率磁導(dǎo)率實(shí)部磁導(dǎo)率虛部復(fù)數(shù)磁導(dǎo)率磁導(dǎo)率實(shí)部磁導(dǎo)率虛部

磁導(dǎo)率的實(shí)部與磁場(chǎng)強(qiáng)度同相位，虛部比磁場(chǎng)強(qiáng)度落后90o。

由于磁導(dǎo)率虛部的存在，B落后于H，引起鐵磁材料在動(dòng)態(tài)磁化過程中不斷地耗能。

處于均勻交變磁場(chǎng)中的單位體積鐵磁體，單位時(shí)間的平均能耗（磁損耗功率密度）為：磁導(dǎo)率的實(shí)部與磁場(chǎng)強(qiáng)度同相位，虛部比磁場(chǎng)強(qiáng)度

交變磁場(chǎng)在鐵磁體內(nèi)的儲(chǔ)能密度為：品質(zhì)因子磁損耗系數(shù)（損耗角的正切）交變磁場(chǎng)在鐵磁體內(nèi)的儲(chǔ)能密度為：品質(zhì)因子磁損耗系數(shù)（損耗3.10.3磁導(dǎo)率減落及磁共振損耗

起始磁導(dǎo)率隨時(shí)間的推移而降低的現(xiàn)象，稱為磁導(dǎo)率減落。減落系數(shù):

減落系數(shù)越小越好3.10.3磁導(dǎo)率減落及磁共振損耗起始磁磁導(dǎo)率減落的原因：

由材料中電子或離子的擴(kuò)散后效所造成。因磁性材料退磁時(shí)處于亞穩(wěn)態(tài)，隨時(shí)間的推移，為使磁性體的自由能達(dá)到最小值，電子或離子將不斷向有利的位置擴(kuò)散，把疇壁穩(wěn)定在勢(shì)阱中，導(dǎo)致了鐵氧體起始磁導(dǎo)率隨時(shí)間的減落。磁導(dǎo)率減落的原因：由材料中電子或離子的擴(kuò)散后

磁損耗隨頻率而變，在某一頻率下出現(xiàn)明顯增大的損耗就是一種共振損耗。隨磁場(chǎng)頻率的變化，將出現(xiàn)不同形式的共振損耗。在鐵磁材料中一般都存在著磁各向異性場(chǎng)Hk，微觀磁化強(qiáng)度將繞著Hk進(jìn)動(dòng)。其進(jìn)動(dòng)的頻率為

當(dāng)進(jìn)動(dòng)的頻率與高頻磁場(chǎng)的頻率一致時(shí)，出現(xiàn)共振損耗。這種由磁各向異性場(chǎng)形成的共振現(xiàn)象，稱為自然共振。v為旋磁系數(shù)。磁損耗隨頻率而變，在某一頻率下出現(xiàn)明顯增大的損耗就是3.11射頻鐵氧體

鐵氧體的可貴之處是其高電阻率，金屬鐵磁材料的電阻率是不可能做得>10-4Ω.cm，而鐵氧體的電阻率可達(dá)=1~1012Ω.cm。低電阻會(huì)引起過大的渦流損耗，該項(xiàng)損耗正比于D2f/ρ（D為蕊厚度，f為交流場(chǎng)頻率，ρ

為電阻率）。磁性材料ρ

越低，應(yīng)用頻率越高，渦流損耗越大。因此，在磁性元件中采用高電阻率的大塊鐵氧體磁蕊是一項(xiàng)相當(dāng)大的節(jié)約，它即使應(yīng)用到光頻6×1014HZ也未表現(xiàn)出過大的渦流損耗。3.11射頻鐵氧體鐵氧體的可貴之3.11.1射頻鐵氧體按用途的分類1.約1MHz以下頻率用的鐵氧體2.在1MHz以上頻率用的鐵氧體3.射頻振蕩電路調(diào)諧用的鐵氧體4.做非線性電路元件用的鐵氧體5.其他有更重意義的鐵氧體3.11.1射頻鐵氧體按用途的分類3.11.2低頻鐵氧體

1、在低頻下，變壓器用鐵氧體的主要要求是高磁導(dǎo)率，以便減少雜散電感和做成盡可能小的尺寸，損失并不重要。

2、電視接收機(jī)線路中的變壓器要求變換大信號(hào)的各種應(yīng)用場(chǎng)合，要求有高的磁感應(yīng)強(qiáng)度和低矯頑力。

3、濾波器線圈的鐵氧體要求是應(yīng)有小的損失角正切和小的可變性及高磁導(dǎo)率。3.11.2低頻鐵氧體鐵氧體的磁損耗包括磁滯和渦流損耗兩部分，鐵氧體的B隨H變化的磁滯回線可決定磁滯損耗：ah可小到2×10-11T-1，在起始磁率范圍不出現(xiàn)磁滯損耗。鐵氧體的磁損耗包括磁滯和渦流損耗兩部分，鐵氧體的B隨H變化的3.11.3高頻鐵氧體在1-100MHz的頻率范圍內(nèi)主要采用Ni-Zn鐵氧體，磁導(dǎo)率頻散的頻率隨著Ni的含量增加而增高。欲使Ni-Zn鐵氧體的性能有實(shí)質(zhì)性的改善，必須搞清μ頻散的疇壁共振與自旋共振兩種機(jī)制。由于疇壁可以存在于不同的位置，故其共振的頻譜通常相當(dāng)寬，損耗可延伸到相當(dāng)?shù)偷念l率。3.11.3高頻鐵氧體

矩磁鐵氧體磁心之所以能存儲(chǔ)信息，是由于它具有+Br和-Br這兩個(gè)同樣穩(wěn)定的剩磁狀態(tài)。它需要加一個(gè)超過磁心所固有的閥場(chǎng)HK的外磁場(chǎng)，才能使磁心由一個(gè)剩磁狀態(tài)翻轉(zhuǎn)到另一個(gè)剩磁狀態(tài)。剩磁比：Br/BM，實(shí)用的矩磁鐵氧體的最大值>0.9比打擾：HK/Hm，當(dāng)閥場(chǎng)HK（回線的膝）達(dá)到飽和值以后，打擾比就隨驅(qū)動(dòng)場(chǎng)的增大而迅速降低。>0.6充許電流漂移、溫度漂移和其他干擾。3.12矩磁鐵氧體矩磁鐵氧體磁心之所以能存儲(chǔ)信息，是由3.13材料靜態(tài)磁性能的測(cè)量

磁性的測(cè)量包括對(duì)組織結(jié)構(gòu)不敏感量（本征參量）如Ms、K、λs、Tc和組織結(jié)構(gòu)敏感量（非本征量）如Hc、Br、X、μ等的測(cè)量，以及在交變磁場(chǎng)下的磁參數(shù)測(cè)量。前者為測(cè)量直流磁場(chǎng)下得到的基本磁化曲線、磁滯回線及由此定義的各種磁參數(shù)，如Ms、Hc、Br、μ以及最大磁能積(BH)max等，而后者則是測(cè)量軟磁材料在交變磁場(chǎng)中的性能，如在各種B、f下的μ和損耗。3.13材料靜態(tài)磁性能的測(cè)量磁性的3.13.1靜態(tài)磁性的沖擊法測(cè)量1、閉路試樣的沖擊法測(cè)量2、開路試樣的沖擊法測(cè)量3、靜態(tài)磁性的熱磁儀法測(cè)量3.13.1靜態(tài)磁性的沖擊法測(cè)量1、閉路試樣的沖擊法測(cè)量3.13.2靜態(tài)磁性的自動(dòng)測(cè)量1、光電放大磁通計(jì)2、電子積分運(yùn)算放大器3、數(shù)字磁通計(jì)3.13.2靜態(tài)磁性的自動(dòng)測(cè)量1、光電放大磁通計(jì)3.14動(dòng)態(tài)磁性能的測(cè)量3.14.1指示儀表測(cè)量法動(dòng)態(tài)磁化曲線的測(cè)量材料損耗的功率測(cè)量法3.14.2示波器法3.14.3電橋法3.14.4動(dòng)態(tài)磁特性的自動(dòng)測(cè)量3.14動(dòng)態(tài)磁性能的測(cè)量3.14.1指示儀表測(cè)量法3.15材料磁性分析的應(yīng)用

材料磁性分析對(duì)研究鋼的相變動(dòng)力學(xué)、淬火鋼中的殘余奧氏體、淬火鋼的回火轉(zhuǎn)變、建立合金的相圖、研究合金的時(shí)效，以及合金的結(jié)構(gòu)變化等是一種非常有效的方法。3.15材料磁性分析的應(yīng)用材料磁第三章材料的磁學(xué)性能課件

對(duì)碳鋼和低合金鋼對(duì)高碳高合金鋼3.15.1測(cè)定鋼中的殘余奧氏體量對(duì)碳鋼和低合金鋼3.15.1測(cè)定鋼中的殘余奧氏體量3.15.2研究淬火鋼的回火轉(zhuǎn)變

淬火鋼在回火的過程中，無論是馬氏體還是殘余奧氏體都要發(fā)生分解而引起飽和磁化強(qiáng)度Ms的變化。由于多相系統(tǒng)的Ms服從相加原則，故可采用Ms隨回火溫度的變化作為相分析的根據(jù)，從而確定不同相發(fā)生分解的溫度區(qū)間，判定成相的性質(zhì)。3.15.2研究淬火鋼的回火轉(zhuǎn)變淬火鋼在回火的過3.15.3研究過冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變

鋼的飽和磁化強(qiáng)度Ms與過冷奧氏體的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的數(shù)量成正比，因此研究過冷奧氏體分解過程中各相的相對(duì)數(shù)量的變化時(shí)，可選用Ms作測(cè)量參數(shù)。3.15.3研究過冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變鋼的飽和磁化3.15.4建立合金的相圖

置換式固溶體合金的成分對(duì)矯頑力基本無影響，但合金的組織對(duì)矯頑力有顯著影響。當(dāng)合金成分超過最大固溶度而生成第二相時(shí)，矯頑力將顯著增高，因此根據(jù)矯頑力的變化情況很容易確定合金的最大固溶度。3.15.4建立合金的相圖置換式固溶體合金的成分本章重點(diǎn)掌握內(nèi)容：磁介質(zhì)的分類？各類磁介質(zhì)的磁性來源及磁化機(jī)制？磁化率、磁導(dǎo)率、磁化強(qiáng)度等磁參量隨磁場(chǎng)強(qiáng)度及溫度的變化規(guī)律（包括磁轉(zhuǎn)變溫度以上）？（圖）鐵磁體的自發(fā)磁化？磁疇的形成及結(jié)構(gòu)？鐵磁體技術(shù)磁化的過程及物理機(jī)制？晶粒尺寸和雜質(zhì)對(duì)鐵磁體磁性的影響？鐵磁、亞鐵磁材料的動(dòng)態(tài)磁化特性？本章重點(diǎn)掌握內(nèi)容：磁介質(zhì)的分類？各類磁介質(zhì)的磁性來源及磁化機(jī)磁學(xué)的一些基本概念和基本現(xiàn)象磁學(xué)的一些基本概念和基本現(xiàn)象第二章重點(diǎn)掌握內(nèi)容：造成材料導(dǎo)電性差異的主要原因？金屬電阻產(chǎn)生的主要機(jī)制及其產(chǎn)生的電阻隨溫度的變化規(guī)律？影響金屬導(dǎo)電性的主要因素及其具體影響？本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)制及電學(xué)特性？什么是摻雜半導(dǎo)體？分類及導(dǎo)電機(jī)制？第二章重點(diǎn)掌握內(nèi)容：造成材料導(dǎo)電性差異的主要原因？金屬電阻產(chǎn)PN結(jié)的形成及特性？超導(dǎo)體的特性及其物理機(jī)制？評(píng)價(jià)超導(dǎo)電性能的主要參量？第一類半導(dǎo)體？第二類半導(dǎo)體？金屬—金屬的接觸電效應(yīng)及其物理機(jī)制？金屬熱電性及其物理機(jī)制？電學(xué)的一些基本概念和基本現(xiàn)象PN結(jié)的形成及特性？超導(dǎo)體的特性及其物理機(jī)制？評(píng)價(jià)超導(dǎo)電性能1、熱容的德拜模型2、熱容隨溫度的變化規(guī)律3、熱膨脹的物理機(jī)制。4、熱膨脹與熱容、德拜溫度、熔點(diǎn)溫度的關(guān)系及其原因。5、發(fā)生一、二級(jí)相變時(shí)，材料的熱容、體積、熱膨脹系數(shù)的變化特點(diǎn)。6、固體材料的熱傳導(dǎo)機(jī)制（按金屬、半導(dǎo)體和絕緣體分類）。7、影響金屬材料熱傳導(dǎo)的主要因素及其規(guī)律。8、影響材料熱穩(wěn)定性的主要因素。9、熱學(xué)的一些基本概念和基本現(xiàn)象第一章重點(diǎn)掌握內(nèi)容：1、熱容的德拜模型第一章重點(diǎn)掌握內(nèi)容：第三章材料的磁學(xué)性能課件第三章材料的磁學(xué)性能課件第三章材料的磁學(xué)性能第三章材料的磁學(xué)性能

磁性不只是一個(gè)宏觀的物理量，而且與物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。它不僅取決于物質(zhì)的原子結(jié)構(gòu)，還取決于原子間的相互作用——鍵合情況、晶體結(jié)構(gòu)。因此，研究磁性是研究物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的重要方法之一。

本章主要介紹有關(guān)磁性理論、磁性的現(xiàn)象和磁性分析方法在材料研究中的主要應(yīng)用。磁性不只是一個(gè)宏觀的物理量，而且與物質(zhì)的微3.1材料的磁化特征及其基本參數(shù)3.1.1磁化現(xiàn)象及磁化強(qiáng)度磁化

物質(zhì)受到磁場(chǎng)的作用而表現(xiàn)出一定的磁性。

能夠磁化的物質(zhì)。磁介質(zhì)3.1材料的磁化特征及其基本參數(shù)3.1.1磁化現(xiàn)象及電磁學(xué)中物質(zhì)磁化理論的兩種觀點(diǎn)：（1）分子環(huán)流觀點(diǎn)。（2）等效磁荷觀點(diǎn)。分子電流觀點(diǎn)安培提出分子環(huán)流假說：

物質(zhì)中的每個(gè)磁分子都相當(dāng)一個(gè)環(huán)形電流，即是一個(gè)分子磁矩。無外磁場(chǎng)時(shí)：熱運(yùn)動(dòng)、雜亂無章，不顯宏觀磁性。有外磁場(chǎng)時(shí)：沿磁場(chǎng)方向排列，顯現(xiàn)宏觀磁性。電磁學(xué)中物質(zhì)磁化理論的兩種觀點(diǎn)：（1）分子環(huán)流觀點(diǎn)。分子磁化強(qiáng)度：?jiǎn)挝惑w積的總磁矩。

等效磁荷觀點(diǎn)

材料的的每個(gè)磁分子就是一個(gè)磁偶極子。無外磁場(chǎng)時(shí)：熱運(yùn)動(dòng)、雜亂無章，不顯宏觀磁性。有外磁場(chǎng)時(shí)：沿磁場(chǎng)方向排列，顯現(xiàn)宏觀磁性。磁化強(qiáng)度：?jiǎn)挝惑w積的總磁矩。等效磁荷觀點(diǎn)材磁極化強(qiáng)度：?jiǎn)挝惑w積的總磁偶極矩。

磁化強(qiáng)度和磁極化強(qiáng)度：μ0真空的磁導(dǎo)率。磁極化強(qiáng)度：?jiǎn)挝惑w積的總磁偶極矩。磁化強(qiáng)度和磁極化強(qiáng)度：μ磁化率：磁化強(qiáng)度與外磁場(chǎng)強(qiáng)度的比值。與材料和溫度有關(guān)

材料磁化強(qiáng)度與外磁場(chǎng)強(qiáng)度和溫度有關(guān)。3.1.2磁化率和磁導(dǎo)率磁化率磁化率：磁化強(qiáng)度與外磁場(chǎng)強(qiáng)度的比值。與材料和溫度有關(guān)材料磁介質(zhì)磁化后必然影響介質(zhì)所在處的磁場(chǎng)加入介質(zhì)前的磁感應(yīng)強(qiáng)度。加入介質(zhì)后的強(qiáng)度磁感應(yīng)強(qiáng)度。令：則：介質(zhì)磁化后必然影響介質(zhì)所在處的磁場(chǎng)加入介質(zhì)前的磁感應(yīng)強(qiáng)度。磁導(dǎo)率材料內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁場(chǎng)強(qiáng)度的比值。相對(duì)磁導(dǎo)率磁導(dǎo)率材料內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁場(chǎng)強(qiáng)度的比值。相對(duì)磁導(dǎo)率物質(zhì)的磁性分類

根據(jù)物質(zhì)的磁化率，把物質(zhì)的磁性大致分為抗磁體、順磁體、反鐵磁體、鐵磁體和亞鐵磁體。物質(zhì)的磁性分類根據(jù)物質(zhì)的磁化率，把物質(zhì)的磁1.抗磁體：χ為負(fù)值，很小，約在10-6數(shù)量級(jí)。2.順磁體：χ為正值，很小，約在10-3～10-6數(shù)量級(jí)。3.反鐵磁體：χ為正值，很小。4.鐵磁性體：χ為正值，很大，約在10～106數(shù)量級(jí)。5.亞鐵磁體：χ為正值，沒有鐵磁性體大。

物質(zhì)的磁性分類、磁性特征及磁化機(jī)制？？？1.抗磁體：χ為負(fù)值，很小，約在10-6數(shù)量級(jí)。物質(zhì)的磁性分3.1.3磁化曲線和磁滯回線

物質(zhì)的磁化強(qiáng)度、磁感應(yīng)強(qiáng)度、磁導(dǎo)率等磁參量隨磁場(chǎng)強(qiáng)度增大的變化曲線。磁化曲線3.1.3磁化曲線和磁滯回線物質(zhì)的磁化強(qiáng)鐵磁體的三種磁化曲線

鐵磁性和亞鐵磁性物質(zhì)的磁化曲線與過程有關(guān)。

抗磁、順磁和反鐵磁物質(zhì)的磁化曲線與過程無關(guān)。飽和磁化飽和磁化強(qiáng)度飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度鐵磁體的三種磁化曲線鐵磁性和亞鐵磁性物質(zhì)的磁化曲線與磁滯回線

磁化強(qiáng)度或磁感應(yīng)強(qiáng)度隨磁場(chǎng)強(qiáng)度變化一周形成的閉合曲線。磁滯回線磁化強(qiáng)度或磁感應(yīng)強(qiáng)度隨磁場(chǎng)強(qiáng)度變化一時(shí)，的狀態(tài)退磁狀態(tài)技術(shù)磁化

從退磁狀態(tài)直到飽和之的磁化過程。起始磁導(dǎo)率時(shí)的磁導(dǎo)率。最大磁導(dǎo)率

弱磁場(chǎng)下工作的軟磁材料，要求有較大的起始磁導(dǎo)率，信號(hào)變壓器、電感的磁芯。

強(qiáng)磁場(chǎng)下工作的軟磁材料，要求有較大的最大磁導(dǎo)率。時(shí)，的狀態(tài)退磁狀態(tài)技術(shù)磁化剩余磁化強(qiáng)度剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度矯頑力

去掉磁場(chǎng)后的

時(shí)所需要的退磁場(chǎng)強(qiáng)度

鐵磁和亞鐵磁材料在技術(shù)磁化過程中存在不可逆過程，磁場(chǎng)減小時(shí)和變化滯后。磁滯剩余磁化強(qiáng)度剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度矯頑力去掉磁場(chǎng)后的

和隨最大磁場(chǎng)強(qiáng)度的減小而減小。

磁滯回線所圍的面積。磁滯損耗

通常所說的磁滯回線及其表征參數(shù)是指磁化強(qiáng)度隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化的曲線和參數(shù)。

通過逐漸減小最大磁場(chǎng)的強(qiáng)度，可實(shí)現(xiàn)退磁。和隨最大磁場(chǎng)強(qiáng)度的減小而μ、Mr和Hc都是對(duì)材料組織敏感的磁參數(shù)，決定于材料的組成、顯微組織、形態(tài)和分布等因素的影響。不同的磁性材料的應(yīng)用范圍也不同。具有小Hc值、高μ的瘦長形磁滯回線的材料，適宜作軟磁材料。具有大的Mr和Hc、低μ的短粗形磁滯回線的材料適宜作硬磁(永磁)材料。而Mr／Ms從接近于1的矩形磁滯回線的材料，即矩磁材料則可作為磁記錄材料。μ、Mr和Hc都是對(duì)材料組織敏感的磁參數(shù)，決定3.2物質(zhì)的磁性及其物理本質(zhì)3.2.1原子磁性

原子由原子核和核外電子構(gòu)成，核外電子在各自的軌道上繞核運(yùn)動(dòng)的同時(shí)還進(jìn)行自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。因此，分別具有軌道磁矩和自旋磁矩。OrbitalSpin軌道磁矩自旋磁矩3.2物質(zhì)的磁性及其物理本質(zhì)3.2.1原子磁性

原子核也進(jìn)行自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)也有其自旋磁矩，但與電子磁矩相比很小，通常被忽略。原子磁矩

原子的磁矩主要由電子磁矩組成，而電子磁矩是軌道磁矩和自旋磁矩的矢量和。

原子中的電子按不同的殼層進(jìn)行排列，當(dāng)電子殼層被排滿時(shí)電子的軌道運(yùn)動(dòng)和自旋運(yùn)動(dòng)占據(jù)了所有可能方向，電子總的角動(dòng)量為零，電子的總磁矩為零。當(dāng)某一電子殼層未被排滿時(shí)，這個(gè)電子殼層的電子總磁矩才不為零，該原子對(duì)外就要顯示磁矩。原子核也進(jìn)行自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)也有其自旋磁矩，但與電子3.2.2物質(zhì)的抗磁性

原子的磁矩為零的物質(zhì)對(duì)外不顯示磁性。但在外磁場(chǎng)的作用下原子的磁矩不再為零，對(duì)外表現(xiàn)出一定的抗磁性?？勾判援a(chǎn)生的原因

電子的軌道運(yùn)動(dòng)在外磁場(chǎng)的作用下產(chǎn)生了附加磁矩。3.2.2物質(zhì)的抗磁性原子的磁矩為零的物

附加磁矩與外磁場(chǎng)方向相反，物質(zhì)磁化后內(nèi)部產(chǎn)生與外場(chǎng)方向相反的附加磁場(chǎng)，對(duì)外表現(xiàn)出抗磁性。磁化強(qiáng)度與磁場(chǎng)強(qiáng)度方向相反，磁化率χ<0。

凡是電子殼層被排滿了的物質(zhì)都屬于抗磁體。

電子殼層未被排滿了的物質(zhì)，也具有一定的抗磁性，但不一定是抗磁體。附加磁矩與外磁場(chǎng)方向相反，物質(zhì)磁化后內(nèi)部產(chǎn)生3.2.3物質(zhì)的順磁性

順磁性物質(zhì)的原子或離子具有一定的磁矩，這些原子磁矩來源于未滿的電子殼層(例如過渡族元素的3d殼層)。在順磁性物質(zhì)中，磁性原子或離子分開的很遠(yuǎn)，以致它們之間沒有明顯的相互作用，因而在沒有外磁場(chǎng)時(shí)，由于熱運(yùn)動(dòng)的作用，原子磁矩是無規(guī)混亂取向。當(dāng)有外磁場(chǎng)作用時(shí)，原子磁矩有沿磁場(chǎng)方向取向的趨勢(shì)，從而呈現(xiàn)出正的磁化率。3.2.3物質(zhì)的順磁性順磁性物質(zhì)的原子或離子具O2、NO、Pd稀土金屬，F(xiàn)e、Co、Ni的鹽類，以及鐵磁金屬在居里點(diǎn)以上都屬正常的順磁體。其中有部分物質(zhì)能準(zhǔn)確地符合居里定律，它們的原子磁化率與溫度成反比。

但在常溫下，由于熱運(yùn)動(dòng)的影響，原子磁矩難以有序化排列，故順磁體的磁化十分困難，磁化率一般僅為10-6～10-3。根據(jù)順磁磁化率與溫度的關(guān)系，順磁質(zhì)分為三大類：1.正常順磁體居里定律O2、NO、Pd稀土金屬，F(xiàn)e、Co、Ni的鹽類居里-外斯定律

但還有相當(dāng)多的固溶體順磁物質(zhì)，特別是過渡族金屬元素是不符合居里定律的。它們的原子磁化率和溫度的關(guān)系需用居里-外斯定律來表達(dá)。

為居里溫度。2.磁化率與溫度無關(guān)的順磁質(zhì)

堿金屬Li、Na、K、Rb屬于此類。居里-外斯定律但還有相當(dāng)多的固溶體順磁物質(zhì)，3.存在反鐵磁體轉(zhuǎn)變的順磁體

過渡族金屬及其合金或它們的化合物屬于這類順磁體。它們都有一定的轉(zhuǎn)變溫度，稱為反鐵磁居里點(diǎn)或尼爾點(diǎn)，以TN表示。當(dāng)溫度高于TN時(shí)，它們和正常順磁體一樣服從居里-外斯定律，且△＞0；當(dāng)溫度低于TN時(shí)，它們的χ隨T的下降而下降，當(dāng)T→OK時(shí)，χ→常數(shù)；在TN處χ有一極大值，MnO、MnS、NiCr、CrS-Cr2S、Cr2O3、FeS2、FeS等都屬這類。3.存在反鐵磁體轉(zhuǎn)變的順磁體過渡族金屬及順磁體的χ-T關(guān)系曲線示意圖順磁體的χ-T關(guān)系曲線示意圖3.2.4金屬的抗磁性與順磁性

金屬是由點(diǎn)陣離子和自由電子構(gòu)成的，故金屬的磁性要考慮到點(diǎn)陣結(jié)點(diǎn)上正離子的抗磁性和順磁性，以及自由電子的抗磁性與順磁性。

正離子的抗磁性源于其電子的軌道運(yùn)動(dòng)，正離子的順磁性源于原子的固有磁矩。而自由電子的磁性的順磁性源于電子的自旋磁矩，自由電子的抗磁性源于共在外磁場(chǎng)中受洛侖茲力而作的圓周運(yùn)動(dòng)，這種圓周運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的磁矩同外磁場(chǎng)反向。

四種因素競(jìng)爭(zhēng)的結(jié)果決定物質(zhì)是否是抗磁體或順磁體。3.2.4金屬的抗磁性與順磁性金屬是由點(diǎn)

非金屬中除氧和石墨外，都是抗磁體。如Si、S、P以及許多有機(jī)化合物，它們基本上是以共價(jià)鍵結(jié)合的，由于共價(jià)電子對(duì)的磁矩互相抵消，因而它們部成為抗磁體。

在Cu、Ag、Au、Zn、Cd、Hg等金屬中，由于它們的離子所產(chǎn)生的抗磁性大于自由電子的順磁性，因而它們屬抗磁體。

所有的堿金屬和除Be以外的堿土金屬都是順磁體。雖然這兩族金屬元素在離子狀態(tài)時(shí)有與惰性氣體相似的電子結(jié)構(gòu)，似應(yīng)成為抗磁體，但是由于自由電子產(chǎn)生的順磁性占據(jù)了主導(dǎo)地位，故仍表現(xiàn)為順磁性。非金屬中除氧和石墨外，都是抗磁體。如Si、

稀土金屬的順磁性較強(qiáng)，磁化率較大且遵從居里-外斯定律。這是因?yàn)樗鼈兊?f或5d電子完層未填滿，存在未抵消的自旋磁矩所造成的。

過渡族金屬，在高溫基本都屬于順磁體，但其中有些存在鐵磁轉(zhuǎn)變(如Fe、Co、Ni)，有些則存在反鐵磁轉(zhuǎn)變(如Cr)。這類金屬的順磁性主要是由于它們的3d-5d電子殼層末填滿，d-和f-態(tài)電子未抵消的自旋磁矩形成了晶體離子的固有磁矩，從而產(chǎn)生了強(qiáng)烈的順磁性。稀土金屬的順磁性較強(qiáng)，磁化率較大且遵從居3.2.5影響金屬抗、順磁性的主要因素

溫度和磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)抗磁性的影響甚微，但當(dāng)金屬熔化凝固、范性形變、晶粒細(xì)化和同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變時(shí)，電子軌道的變化和原子密度的變化，將使抗磁磁化率發(fā)生變化。

熔化、加工硬化和晶粒細(xì)化等因素都是使金屬晶體趨于非晶化，都是因變化時(shí)原子間距增大、密度減小，使得抗磁性減弱。

同質(zhì)異構(gòu)相轉(zhuǎn)變時(shí)，伴隨磁性轉(zhuǎn)變。

合金的相結(jié)構(gòu)及組織對(duì)磁性的影響比較復(fù)雜。3.2.5影響金屬抗、順磁性的主要因素溫3.2.6磁化率的測(cè)量磁秤

利用試樣在非均勻磁場(chǎng)中的受力情況來確定它的磁化率。

利用與標(biāo)準(zhǔn)試樣對(duì)比來確定它的磁化率。3.2.6磁化率的測(cè)量磁秤利用試樣在3.3物質(zhì)的鐵磁性及其物理本質(zhì)1907年法國人外斯提出了鐵磁性的“分子場(chǎng)”假說：認(rèn)為在鐵磁質(zhì)內(nèi)部存在很強(qiáng)的“分子場(chǎng)”，在分子場(chǎng)的作用下，原子磁矩趨向平行排列，即自發(fā)磁化至飽和，稱為自發(fā)磁化。在這個(gè)理論的基礎(chǔ)上發(fā)展了現(xiàn)代的鐵磁理論。

鐵磁性材料的磁性是自發(fā)產(chǎn)生的，磁化過程只不過是把物質(zhì)本身的磁性顯示出來，而不是由外界向物質(zhì)提供磁性的過程。3.3物質(zhì)的鐵磁性及其物理本質(zhì)1907年法國人外斯提出

鐵磁質(zhì)自發(fā)磁化成若干個(gè)小區(qū)域（自發(fā)磁化至飽和的小區(qū)域“磁疇”），由于各個(gè)區(qū)域的磁化方向各不相同，其磁性彼此相消，所以大塊鐵磁質(zhì)對(duì)外并不顯示磁性。3.3.1鐵磁質(zhì)的自發(fā)磁化

鐵磁質(zhì)自發(fā)磁化成若干個(gè)小區(qū)域（自發(fā)磁化至飽和3.3.1鐵磁質(zhì)的自發(fā)磁化

物質(zhì)具有鐵磁性的基本條件：(1)物質(zhì)中的原子有磁矩；(2)原子磁矩之間有一定的相互作用。鐵磁性物質(zhì)在居里溫度以上是順磁性；居里溫度以下原子磁矩間的相互作用能大于熱振動(dòng)能，顯現(xiàn)鐵磁性?！胺肿訄?chǎng)”來源于電子間的靜電相互作用。

實(shí)驗(yàn)證明鐵磁質(zhì)自發(fā)磁化的起因是源于原子未被抵消的電子自旋磁矩，而軌道磁矩對(duì)鐵磁性幾乎無貢獻(xiàn)。3.3.1鐵磁質(zhì)的自發(fā)磁化物質(zhì)具有鐵磁性的基本條件：

根據(jù)鍵合理論可知，原子相互接近形成分子時(shí)，電子云要相互重疊，電子要相互交換位置。

對(duì)于過渡族金屬，原子的3d的狀態(tài)與4s態(tài)能量相差不大，因此它們的電子云也將重疊，引起s、d狀態(tài)電子的再分配。即發(fā)生了交換作用。交換作用產(chǎn)生的靜電作用力稱為交換力。

交換力的作用迫使相鄰原子的自旋磁矩產(chǎn)生有序排列。其作用就像強(qiáng)磁場(chǎng)一樣，外斯“分子場(chǎng)”即來源于此。

因交換作用而產(chǎn)生的附加能量成為交換能。根據(jù)鍵合理論可知，原子相互接近形成分子時(shí)，電子

當(dāng)磁性物質(zhì)內(nèi)部相鄰原子電子的交換能積分常數(shù)為正(A＞0)時(shí)，相鄰原子磁矩將同向平行排列（能量最低），從而實(shí)現(xiàn)自發(fā)磁化。這就是鐵磁性產(chǎn)生的原因。這種相鄰原子的電子交換效應(yīng)，其本質(zhì)仍是靜電力迫使電子自旋磁矩平行排列，作用的效果好像強(qiáng)磁場(chǎng)一樣。交換能

A

為交換能積分常數(shù)，θ為相鄰原子的兩個(gè)電子自旋磁矩之間的夾角。

系統(tǒng)穩(wěn)定本著能量最低原則。交換能積分常數(shù)A不僅與電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的波函數(shù)有關(guān)，還強(qiáng)烈依賴于原子核間的距離和未填滿殼層半徑有關(guān)。當(dāng)磁性物質(zhì)內(nèi)部相鄰原子電子的交換能積分常數(shù)

如圖所示。由圖可見，只有當(dāng)原子核之間的距離Rab與參加交換作用的電子距核的距離(電子殼層半徑r)

之比大于3，交換積分才有可能為正。鐵、鈷、鎳以及某些稀土元素滿足自發(fā)磁化的條件。Rab-原子間距

r-未填滿的電子層半徑如圖所示。由圖可見，只有當(dāng)原子核之間的距離R

鐵磁性產(chǎn)生的條件：①原子內(nèi)部要有末填滿的電子殼層；②及Rab／r之比大于3使交換積分A為正。前者指的是原子本征磁矩不為零；后者指的是要有一定的晶體結(jié)構(gòu)。

鐵磁質(zhì)受熱原子間距離增大，電子間交換作用減弱，自發(fā)磁化減弱，當(dāng)高于一定溫度時(shí)交換作用被破壞，表現(xiàn)為順磁性，這個(gè)轉(zhuǎn)變溫度被稱為居里溫度。鐵磁性產(chǎn)生的條件：①原子內(nèi)部要有末填滿的電子3.3.2反鐵磁性和亞鐵磁性

如果交換積分A＜0時(shí)，則原于磁矩取反向平行排列能量最低。如果相鄰原子磁矩相等，由于原子磁矩反平行排列，原子磁矩相互抵消，自發(fā)磁化強(qiáng)度等于零。這樣一種特性稱為反鐵磁性。

研究發(fā)現(xiàn)，純金屬α-Mn、Cr等是屬于反鐵磁性。還有許多金屬氧化物如MnO、Cr2O3、CuO、NiO等也屬于反鐵磁性。反鐵磁性

3.3.2反鐵磁性和亞鐵磁性如果交換積

亞鐵磁性物質(zhì)由磁矩大小不同的兩種離子(或原子)組成，相同磁性的離子磁矩同向平行排列，而不同磁性的離子磁矩是反向平行排列。由于兩種離子的磁矩不相等，反向平行的磁矩就不能恰好抵消，二者之差表現(xiàn)為宏觀磁矩。

具有亞鐵磁性的物質(zhì)絕大部分是金屬的氧化物，是非金屬磁性材料，一般稱為鐵氧體。磁性離子間并不存在直接的交換作用，而是通過夾在中間的氧離子形成間接的交換作用，稱為超交換作用。亞鐵磁性

交換積分A＜0，則原于磁矩取反向平行排列能量最低。如果相鄰原子磁矩不等，原子磁矩不能相互抵消，存在自發(fā)磁化。這樣一種特性稱為亞鐵磁性。亞鐵磁性物質(zhì)由磁矩大小不同的兩種離子(或原子鐵磁性

反鐵磁性

亞鐵磁性

反鐵磁性和亞鐵磁性的物質(zhì)可以看作由兩套亞點(diǎn)陣組成，每個(gè)亞點(diǎn)陣中的離子磁矩同向平行排列，不同亞點(diǎn)陣反向平行。鐵磁性

反鐵磁性

3.4磁晶各向異性和各向異性能

對(duì)于鐵磁單晶的研究發(fā)現(xiàn)，沿不同晶向的磁化曲線不同。這種在單晶體的不同晶向上磁性能不同的性質(zhì)，稱為磁性的各向異性。磁各向異性[100][110][111]3.4磁晶各向異性和各向異性能對(duì)于鐵磁單第三章材料的磁學(xué)性能課件

相鄰原子間電子軌道還有交換作用，由于自旋-軌道相互作用，電荷的分布為旋轉(zhuǎn)橢球性，非對(duì)稱性與自旋方向密切相關(guān)，所以自旋方向相對(duì)于晶軸的轉(zhuǎn)動(dòng)將使交換能改變，同時(shí)也使原子電荷分布的靜電相互作用能改變，導(dǎo)致磁各向異性。相鄰原子間電子軌道還有交換作用，由于自旋-軌磁各向異性能

沿不同方向的磁化功不同，反映了磁化強(qiáng)度矢量在不同取向的能量不同，沿易磁化軸時(shí)能量最低，沿難磁化軸時(shí)能量最高，其能量差稱為磁各向異性能。其等于沿難磁化軸和沿易磁化軸時(shí)的磁化功之差。易磁化軸磁化功

為使鐵磁體磁化需要一定的能量，數(shù)量上等于陰影面積，稱為磁化功。磁各向異性能沿不同方向的磁化功不同，反映了磁3.5磁致伸縮與磁彈性能

鐵磁性物質(zhì)的尺寸和形狀在磁化過程中發(fā)生形變的現(xiàn)象，叫磁致伸縮。產(chǎn)生原因：原子磁矩有序排列時(shí)，電子間的相互作用導(dǎo)致原子間距的的自發(fā)調(diào)整。

當(dāng)磁致伸縮引起的形變受到限制，在材料內(nèi)部將產(chǎn)生應(yīng)力，因而存在一種彈性能，稱為磁彈性能。3.5磁致伸縮與磁彈性能鐵磁性物質(zhì)的尺寸第三章材料的磁學(xué)性能課件

鐵磁體在磁場(chǎng)中具有的能量稱為靜磁能，它包括鐵磁體與外磁磁場(chǎng)的相互作用能和鐵磁體在自身退磁場(chǎng)中的能量，后者常稱為退磁能。

鐵磁體的形狀各向異性是由退磁場(chǎng)引起的，當(dāng)鐵磁體磁化出現(xiàn)磁極后，這時(shí)在鐵磁體內(nèi)部由磁極作