材料物理性能第七章熱學性能課件

概述

物質(zhì)磁性的普遍性——無處不在（1）物質(zhì)的各種形態(tài)，無論是固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)、等離子態(tài)、超高密度態(tài)和反物質(zhì)態(tài)都會具有磁性；（2）物質(zhì)的各個層次，無論是原子、原子核、基本粒子等都會具有磁性。（3）無限廣袤的宇宙，無論是各個天體，還是星際空間都存在著或強或弱的磁場。例如：地球磁場強度約為240A/m，太陽的普遍磁場強度約為80A/m.磁性是物質(zhì)的一種重要的屬性。從微觀粒子到宏觀物體，到宇宙天體，無不具有某種程度的磁性。磁性不僅是宏觀物理量，而且與物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)密切相關。磁性magnetism弱磁性和強磁性兩類。一般提到材料具有磁性是指強磁性——鐵磁性ferromagnetism鐵磁性理論的系統(tǒng)研究工作開始于上世紀初，1907年，法國物理學家外斯(Weiss)在郎之萬順磁性理論基礎上，第一次成功地建立起鐵磁性現(xiàn)象的物理模型，奠定了現(xiàn)代鐵磁性理論的基礎。物質(zhì)的磁性的普遍性還表現(xiàn)在磁性與物質(zhì)的其他屬性之間存在著廣泛的聯(lián)系，并構(gòu)成多種多樣的耦合效應和雙重（多重）效應（磁電效應、磁光效應、磁聲效應和磁熱效應等）。這些效應既是了解物質(zhì)結(jié)構(gòu)和性能關系的重要途徑，又是發(fā)展各種功能器件（磁光存儲技術、磁記錄技術和霍爾器件等）的基礎。5.1磁學基本量及分類

一、磁學基本量1.磁場強度H2.磁感應強度B3.磁化率與磁導率4.磁矩m和磁化強度M5.磁通量1.磁場強度H

磁場強度H是由導體中的電流或由永磁體產(chǎn)生。矢量，有大小，有方向磁場強度：用穩(wěn)定電流在空間產(chǎn)生的磁場的強度來規(guī)定。在國際單位制中，一根載有I安培電流的長直導線，在離導線為r米的地方所產(chǎn)生的磁場強度

取I=1安培，則在離導線距離為r米處所得的磁場強度就是單位磁場強度，1安/米（A/m）。電流產(chǎn)生磁場最常見的幾種形式

1．無限長載流直導線的磁場強度

H＝I/2r(5-1)I為通過直導線的電流，r為計算點至導線的距離，H的方向是切于與導線垂直且以導線為軸的圓周。

2．載流環(huán)形線圈圓心上的磁場強度

H＝I/2r(5-2)I為流經(jīng)環(huán)形線圈的電流，r為環(huán)形線圈的半徑。H方向按右手螺旋法則確定。3．無限長載流螺線管的磁場強度

H＝nI(5-3)I為流經(jīng)環(huán)形線圈的電流：n為螺線管上單位長度的線圈匝數(shù)。H的方向為沿螺線管的軸線方向。磁導率比例系數(shù)k與磁荷周圍的介質(zhì)和各量的單位有關點磁荷處于真空中，在國際(SI)單位制中，F(xiàn)的單位為牛頓N，k為0是真空磁導率0＝4×10－7[A.m-1]2、磁感應強度B

確定磁場效應的量是磁感應強度B，而不是磁場強度H。在SI單位制中，磁感應強度的定義公式

B=0(H十M)(5-4)磁感應強度B分為兩部分：材料對自由空間磁場的反應材料對磁化引起的附加磁場的反應M—磁化強度描述物質(zhì)在外磁場中被磁化的程度。

B的單位是[T]或Wb.m-2

當磁場強度為107／4[A.m-1]時，相應的磁感應強度為1特斯拉。H和B都是描述空間任一點的磁場參量。它們都是矢量，有大小和方向。材料在磁場強度為H的外加磁場作用下，會在材料內(nèi)部產(chǎn)生一定的磁通量密度，稱其為磁感應強度。B=0H+

J

(5-6)

J—磁極化強度（J=0M)1、在真空中，B＝0H(5-7)

在自由空間里，B和H始終是平行的．數(shù)值上成比例，兩者的關系只由真空磁導率0來聯(lián)系。2、在磁性體內(nèi)部，兩者的關系就復雜得多，由B=0H+J描述，方向上也不一定平行。

與磁感應強度B磁場強度相對磁導率在大多數(shù)情況下應用較多的是相對磁導率r=/0(5-8)

B=0(+1)H=0(H+H)

M=H根據(jù)M與H的方向，可取正、負+——M與H同方向——M與H反方向三個磁性參數(shù)r、已知其中一個，可以確定其他兩個

4、磁矩m與磁化強度

將永磁體靠近鐵釘、鐵片等，達到一定距離時被吸起，而一般情況下銅片等則不能。而且，被用磁體吸引過的鐵片，在靠近其他鐵片時也會產(chǎn)生吸引作用，或產(chǎn)生排斥作用。被永磁體吸引過的鐵片的磁性發(fā)生了變化。磁化時物質(zhì)中形成了成對的N、S磁極。這種成對的N-S極所構(gòu)成的磁學量稱為磁矩。物質(zhì)在磁場中由于受磁場的作用而表現(xiàn)出一定的磁性，這種現(xiàn)象稱為磁化。物質(zhì)中出現(xiàn)磁矩是所有磁現(xiàn)象的根源，是磁相互作用的基本條件。磁矩定義物理學：一環(huán)形電流周圍的磁場，猶如一條形磁鐵的磁場。環(huán)形電流在其運動中心處產(chǎn)生一個磁矩m（或稱磁偶極矩）一個環(huán)形電流的磁矩定義為

m=ISI為環(huán)形電流的強度；S為環(huán)形流所包圍的面積；m的方向可用右手定則來確定。單位為韋·米（Wb·m）磁化強度

磁化強度M是描述宏觀磁性體磁性強弱程度的物理量。磁化強度M的定義：單位體積磁體內(nèi)具有的磁矩矢量和用M表示

為體積元內(nèi)環(huán)電流的矢量和。未磁化時，=0，則M=0當材料被磁化時，環(huán)電流磁矩沿外電場排列，環(huán)電流磁矩定向排列程度越高，磁化強度M矢量就越大。磁化強度M反應物質(zhì)磁化的狀態(tài)（強度、方向）的物理量。2）磁荷的觀點材料的磁分子是磁偶極子，未磁化時，磁偶極子呈無序狀態(tài)，其偶極矩矢量和，不顯磁性。施加外磁場，偶極子受外磁場作用轉(zhuǎn)向排列。材料兩端呈現(xiàn)出磁極的性質(zhì)。磁荷的觀點定義磁極化強度：單位體積的磁偶極矩矢量和。在磁性體內(nèi)取一個宏觀體積元dV，在這個體積元內(nèi)包含了大量的磁偶極矩jm

。單位體積磁體內(nèi)具有的磁偶極矩矢量和稱為磁極化強度，用J表示；5.磁通量

磁通量就是磁感應通量。通過磁場中某一微小面積S的磁通量，等于該處磁感應強度B在垂直面積S的方向上的分量Bn和面積S的乘積，即

=Bn·S=B·cos·S,是磁感應強度方向與面積S的垂直方向的夾角。一般情況下，要求通過磁場中某一面積為S的曲面的磁通量，必須用積分表達式只有在均勻磁場中當磁感應強度的方向垂直與截面S時，通過該界面S的磁通量才能簡單地表示成

=B·S磁通量的單位:韋（Wb）磁矩的大小磁性的來源于原子磁矩：1、電子軌道磁矩pLL—電子運動軌道角動量，—電子繞核運動角速度，

s-自旋角動量2、電子自旋磁矩psz波爾磁子，表示原子磁矩的大小3、原子核磁矩mn

（1/2000）me忽略原子的磁性如何確定？原子的磁矩——電子磁矩組成電子磁矩——軌道磁矩+自旋磁矩（矢量和）

原子中的電子按照不同的殼層排列，電子磁矩與電子的角動量成正比當原子中某一電子殼層排滿時，各個電子軌道運動與自旋運動的取向占據(jù)了所有可能的方向，這些方向呈對稱分布，因此，電子的總角動量為零，該殼層得總角動量為零。只有當某一電子殼層未被填滿時，這個殼層的電子總磁矩才不為零，原子對外顯示磁性。不同原子具有不同電子殼層結(jié)構(gòu)，原子組成不同物質(zhì)時，表現(xiàn)出不同的磁性?？勾判?、順磁性的確定

為了確定材料的抗磁性順磁性——放入磁場觀察。原子的固有磁矩（本征磁矩）：軌道磁矩+自旋磁矩抗磁性：抗磁性來源于電子軌道磁矩。任何物質(zhì)均有抗磁性。但只有電子殼層排滿時抗磁性表現(xiàn)出來。惰性氣體、離子型固體等?？勾朋w每個分子磁矩為零(pm＝0)，在沒有外磁場作用時，所有分子磁矩的矢量和也為零pm＝o)，宏觀上不顯磁性。這類磁介質(zhì)在外磁場的作用下，能產(chǎn)生抗磁性。5.2材料磁性分類

根據(jù)磁化率的大小、方向不同，把物質(zhì)磁性分為五類(1)抗磁性

diamagnetism(2)順磁性paramagnetism(3)反鐵磁性opposite

ferromagnetism(4)鐵磁性ferromagnetism(5)亞鐵磁性

sub-ferromagnetism1、抗磁性

當受到外磁場H作用后，被感生出磁化強度。1）磁化強度M與H方向相反；2）磁化率<0這種磁性稱為抗磁性。3）為10-5的數(shù)量級；微弱斥力4）與磁場、溫度均無關?？勾判晕镔|(zhì)有：惰性氣體、大多數(shù)有機、無機化合物、共價鍵物質(zhì)(如Si、P和S等)；金屬(Bi、Zn、Ag和Mg等)。電子殼層填滿的物質(zhì)?？勾判晕矬w的磁化曲線為—直線。

3、反鐵磁性反鐵磁性:1）磁化率，均為103；2)高于TN順磁性，具有磁有序相變點；反鐵磁性物體在奈耳溫度以下時，其內(nèi)部磁結(jié)構(gòu)按次晶格自旋呈反平行排列，每一晶格的磁矩大小相等、方向相反，故它的宏觀磁性等于零，只有在很強的外磁場作用下才能顯示出微弱的磁性。反鐵磁性的奈耳溫度

1)當溫度達到某個臨界值TN以上(T>TN

)，磁化率與溫度的關系與正常順磁性物體的相似，服從居里-外斯定律．

2)當T＜TN時，磁化率不是繼續(xù)增大，而是降低．并逐漸趨于定位。磁化率在溫度等于TN存在極大值。TN是個臨界溫度，命名為奈耳溫度。反鐵磁性物體有過渡族元素的鹽類及化合物，如：Cr、NiOMnO2、Cr2O3、CoO等。弱磁性以上三種磁性為弱磁性在通常溫度和磁場下具有：磁化曲線為直線磁化率為常數(shù)磁化可逆可以用來表征磁性。4、鐵磁性

在很小的磁場作用下就能被磁化到飽和。1）磁化率，數(shù)值很大l01一106數(shù)量級；2）其磁化強度M與磁場強度H非線性關系；3）反復磁化時出現(xiàn)磁滯現(xiàn)象；4）自發(fā)磁化（物質(zhì)內(nèi)部的原子磁矩自發(fā)平行排列）。

5）當鐵磁性物體的溫度高于臨界溫度(T>Tc時)，鐵磁性將轉(zhuǎn)變成順磁性，并服從居里·外斯定律，

x＝C/T-Tp(5—19)c是居里常數(shù)；TP是鐵磁性物體的順磁性居里溫度磁性材料在外磁場作用下產(chǎn)生很強的磁化強度。外磁場除去后仍保持相當大的永久磁性，這種磁性稱為鐵磁性。具有鐵磁性的元素不多，具有鐵磁性的合金和化合物卻各種各樣。到目前為止，發(fā)現(xiàn)九個純元素晶體具有鐵磁性:過渡金屬：鐵、鈷、鎳稀土金屬：釓、鋱、鏑、鈥鉺、銩材料是否具有鐵磁性取決于兩個因素：(1)原子是否具有由未成對電子，即自旋磁矩貢獻的凈磁矩(本征磁矩)(2)原子在晶格中的排列方式

物質(zhì)的各類磁性鐵磁性幾種典型鐵磁性物體的Tc（K）物質(zhì)FeCoNiGdTbDyHoErTmTc1043139663129321989202032鐵磁體的居里溫度-應用實例

利用這個特點，人們開發(fā)出了很多控制元件。例如，電飯鍋就利用了磁性材料的居里點的特性。在電飯鍋的底部中央裝了一塊磁鐵和一塊居里點為105度的磁性材料。當鍋里的水分干了以后，食品的溫度將從100度上升。當溫度到達大約105度時，由于被磁鐵吸住的磁性材料的磁性消失，磁鐵就對它失去了吸力，這時磁鐵和磁性材料之間的彈簧就會把它們分開，同時帶動電源開關被斷開，停止加熱。5、亞鐵磁性的特征1）宏觀磁性與鐵磁性相同，2）磁化率的數(shù)量級稍低，大約為101一103。亞鐵磁性內(nèi)部磁結(jié)構(gòu)與反鐵磁性的相同，但相反排列的磁矩不等量。亞鐵磁性是未抵消的反鐵磁性結(jié)構(gòu)的鐵磁性。鐵氧體是典型的亞鐵磁性物體。亞鐵磁性在宏觀性能上與鐵磁性類似，區(qū)別在于亞鐵磁性材料的飽和磁化強度比鐵磁性的低。成因是由于材料結(jié)構(gòu)中原子磁矩不象鐵磁體中那樣向一個方向排列，而是呈反方向排列，相互抵消了一部分。物質(zhì)的各類磁性5、亞鐵磁性小結(jié)物質(zhì)磁性可分為——抗磁性、順磁性、反鐵磁性、

鐵磁性、亞鐵磁性前三種是弱磁性，后兩種為強磁性。具有這兩種磁性的材料通常叫做磁性材料。磁化曲線、特征用途：軟磁、硬磁、旋磁、短磁、壓磁功能：恒導磁率材料、磁性半導體材料、磁泡材料、磁光材料等等。5.3物質(zhì)鐵磁性的微觀本質(zhì)

組成物質(zhì)的最小單元是原子，原子又由電子和原子核組成。原子中的電子同時具有兩種運動形式，處于旋轉(zhuǎn)運動狀態(tài)下的電子，相當于一個電流閉合回路，必然伴隨有磁矩發(fā)生。電于軌道運動產(chǎn)生——電子軌道磁矩；電子自旋產(chǎn)生——電子自旋磁矩。核磁矩非常小，幾乎對原子磁性不起作用原子的總磁矩=電子軌道磁矩+電子自旋磁矩

物質(zhì)磁性起源于原子磁矩。核外多個電子原子的磁矩

電子的分布規(guī)律原子中電子的角動量是如何耦合電子狀態(tài)具有多電子的原子中，決定電子所處的狀態(tài)的準則有兩條：（一）泡利(w．Pauli)不相容原理—原子中每一個狀態(tài)只能容納一個自旋相同的電子。

（二）能量最低原理—

自旋相反電子具有最低能量最低，體系最穩(wěn)定。

電子的狀態(tài)：n、l、ml、ms四個量子數(shù)確定一、電子殼層與磁性

多電子原子中電子分布規(guī)律

n、l、mlms主、角、磁、自旋四個量子數(shù)確定以后，電子所處的位置隨之而定。2、n、l和ml三個量子數(shù)都相同的電子——兩個。第四個量子數(shù)ms不能相同，只能分別為1/2和-1/2。3、n、l兩個量子數(shù)相同的電子最多——2（2l+1）個。（對于同一個l．ml可以取(2l+1)個不同的值。對于每一個ml、Ms可以取±l／2兩個不同的值）。4、主量子數(shù)n相同的電子最多只有2n2個。1、n、l、mlms四個量子數(shù)都相同的電子——一個表5－1電子殼層的劃分及各殼層中可能存在的電子數(shù)目磁性電子殼層當電子填滿電子殼層時，各電子的軌道運動及自旋取向就占據(jù)了所有可能方向，形成一個球形對稱集合.

動量矩電子本身具有的互相抵消

磁矩#凡是滿電子殼層的總動量矩和總磁矩都為零。M總=0

只有未填滿電子的殼層上才有未成對的電子磁矩對原子的總磁矩作出貢獻。這種未滿殼層，我們稱它為磁性電子殼層。

軌道－自旋耦合（L-S)耦合角量子數(shù)-角量子數(shù)耦合（j-j）耦合

1、L-S耦合1）首先合成原子軌道角動量和自旋角動量2）然后由PL和PS再合成原子的總角動量PJ。發(fā)生在原于序數(shù)較小的原子中，在元素周期表中原子序數(shù)z＜32的原子，都為L—S耦合。鐵磁物質(zhì)的角動量大都屬于L—S耦合二、角動量耦合和原子總磁矩原子中的角動量耦合方式有兩種途徑2、j—j耦合1）首先由各處電子的s和l合成j；2）然后再由各電子的j合成原于的總角量子數(shù)J。從Z：32——82的原子，L—S耦合逐步減弱，最后完全過渡到另一種耦合。原于序數(shù)z＞82的元素，電子本身的s—l耦合較強，這類原子的J都以j—j方式進行耦合。鐵磁物質(zhì)的角動量大都屬于L—S耦合，

耦合方式圖解總軌道角量子數(shù)L和總自旋角量子數(shù)S原子的總動量PJ：軌道角動量PL和自旋角動量PS的矢量和

PJ=PL+PS

(5-21)PJ的絕對值為（5－22）

L-S耦合

J=L+S

J可以?。篔=L十S，L十S-1，…，∣L-S∣個的可能值。

1）當L＞S時，J可取從(L十S)到(L-S)共(2S十1)個可能值;2）當L＜S時，J可取從(S十L)到(S一L)共(2L十1)個可能值。角量子數(shù)分別為原子的總軌道角量子數(shù)L和總自旋角量子數(shù)S的矢量和總角動量及總磁矩的矢量模型PJ=PL+PS，用矢量模型原子的總角動量及總磁矩。分別作矢量PL和PS，它們的大小PL和PS的反方向再分別作相對應的μL和μS，它們的大小由圖5-3原子的PJ和μJ決定由于電子的μS比μL大一倍。μS和μL的合成矢量μL-S不在PJ的軸線方向上。為了得到原子磁矩μJ的值，將μL-S投影到PJ的軸線方向上（5－24）μJ的大小

令（5－27）gJ稱為蘭德（Lande）因子，簡稱為g因子

原子磁矩大小的表達式(5-26)討論兩種特殊情況：

(1)當L＝0時，J＝S，g＝2，說明原子總磁矩都是由自旋磁矩貢獻的。

(2)當S＝0時J＝L，g＝1，代入式(5-27)式說明原子總磁矩都是由軌道磁矩貢獻的。

g在1-2之間，原子磁矩的總磁矩=（軌道磁矩+自旋磁矩）貢獻結(jié)論：原子磁矩的大小取決于原子的總角量子數(shù)J。只要確定了S和L以及J，即可計算出原子的磁矩μJ。原子基態(tài)的S、L和J由洪德(F．Hund)規(guī)則確定。三、洪德規(guī)則

1.總自旋量子數(shù)S取泡利不相容原理所允許的最大值；

第一條洪德規(guī)則——反映了泡利不相容原理和電子間的庫侖排斥作用的要求。1）泡利不相容原理要求自旋同向的電子分開，它們的距離遠于自旋相反的電子；2）但庫侖相互作用，自旋同方向的電子能量較低。未滿次殼層上的電子自旋在同一方向排列，直至達到最大多重性為止，然后，再在相反方向排列。

泡利不相容原理要求按泡利不相容原理要求，每個軌道只能容納兩個自旋相反的電子，如果電子處于同一軌道，由于波函數(shù)交疊特別厲害，將產(chǎn)生大的庫倫排斥勢使體系能量增大，因此電子傾向于占據(jù)不同的軌道，由于庫侖相互作用．自旋同方向的電子能量較低。這意味著未滿次殼層上的電子自旋在同一方向排列，直至達到最大多重性為止，然后，再在相反方向排列。洪德規(guī)則——洪德研究了光譜項的實驗結(jié)果，并根據(jù)泡利原理，總結(jié)出的一條法則

2.在滿足(1)的條件下，總軌道量子數(shù)L取最大值；

第二條洪德規(guī)則說明當S相同時，只有L選擇最大值，能級量低。3.總角量子數(shù)J的值由下面兩種情況來決定：

(1)次殼層上的電子數(shù)不夠半滿時，J＝∣L一S∣，

(2)次殼層上的電子數(shù)正好半滿或超過半滿時，

J＝L+S。第三條洪德規(guī)則是自旋—軌道互作用的符號所導致的結(jié)果。

例：計算Fe的原子磁矩210-1-2解：Fe的磁性電子殼層為3d6,電子排布如圖則S=51/2-1/2=2L=2+1+0+(-1)+(-2)+2=2J=L+S=4,由（5-26）得：gJ=1.5,代入（5-27）得：μJ=6.7μB5.4鐵磁性物質(zhì)的基本特征

鐵磁性物質(zhì)的特性：自發(fā)磁化

磁疇

居里溫度

磁滯回線一、自發(fā)磁化

鐵磁性物質(zhì)內(nèi)的原子磁矩，通過某種作用，克服熱運動的無序效應，都能有序地取向，按不同的小區(qū)域分布。通過物質(zhì)內(nèi)自身某種作用將磁矩排列為有序取向的現(xiàn)象，稱為自發(fā)磁化。鐵磁性基本特征磁性材料內(nèi)部自發(fā)磁化的小區(qū)域。每個區(qū)域內(nèi)包含大量原子，這些原子的磁矩都象一個個小磁鐵那樣整齊排列，但相鄰的不同區(qū)域之間原子磁矩排列的方向不同。各個磁疇之間的交界面稱為磁疇壁。宏觀物體一般總是具有很多磁疇，磁疇的磁矩方向各不相同，結(jié)果相互抵消，矢量和為零，整個物體的磁矩為零，不對外顯示出磁性。磁性材料在正常情況下并不對外顯示磁性。只有當磁性材料被磁化以后，它才能對外顯示出磁性。二、磁疇

在無外磁場時，各磁疇排列雜亂無章，鐵磁質(zhì)不顯磁性在外磁場中，各磁疇沿外場轉(zhuǎn)向，介質(zhì)內(nèi)部的磁場迅速增加，在鐵磁質(zhì)充磁過程中伴隨著發(fā)聲、發(fā)熱。Bo磁疇：鐵磁質(zhì)中由于原子的強烈作用，在鐵磁質(zhì)中形成磁場很強的小區(qū)域——磁疇。磁疇的體積約為10-12m3

。

磁疇的轉(zhuǎn)向技術磁化技術磁化：外加磁場把各個方向的磁疇的磁矩方向轉(zhuǎn)到外磁場方向，即外加磁場對磁疇的作用過程。技術磁化兩種形式：1）磁疇壁的遷移；2）磁疇壁的旋轉(zhuǎn)。圖5－12磁化過程中磁疇轉(zhuǎn)動并伴隨著自發(fā)形變軸的旋轉(zhuǎn)

(a)H＝0,MN=0，(b)H0,MN0

對于所有的磁性材料來說，并不是在任何溫度下都具有磁性。一般地，磁性材料具有一個臨界溫度Tc，在這個溫度以上，由于高溫下原子的劇烈熱運動，原子磁矩的排列是混亂無序的。在臨界溫度Tc溫度以下，原子磁矩排列整齊，產(chǎn)生自發(fā)磁化，物體變成鐵磁性或亞鐵磁性。所以，居里溫度是鐵磁體或亞鐵磁體的相變轉(zhuǎn)變點，鐵磁態(tài)或亞鐵磁態(tài)順磁態(tài)Tc三、鐵磁性材料的居里溫度鐵磁性基本特征四、鐵磁性自發(fā)磁化的起源鐵磁性自發(fā)磁化起源于電子間的靜電交換相互作用。靜電交換相互作用主要由電子自旋磁矩產(chǎn)生1）鐵磁性產(chǎn)生的必要條件：原子的電子殼層有未被電子填滿的狀態(tài)。Fe3d4個未填滿的狀態(tài)4Ni3d2個未填滿的狀態(tài)2

產(chǎn)生較大磁矩Co3d3個未填滿的狀態(tài)3Mn3d5個未填滿的狀態(tài)5不是鐵磁性原子中存在未被電子填滿的狀態(tài)只是必要條件。不是充分條件210-1-2鐵、鈷、鎳等過渡元素都具有未成對的3d電子。分別具有4、3和2的凈磁矩。鐵、鈷、鎳金屬在室溫下具有自發(fā)磁化的傾向（交換作用）。形成相鄰原子的磁矩都向一個方向排列的小區(qū)域，稱為磁疇。Transitionalmetal-Unfilledd-,f-OrbitalsLeadtoLargeMagneticMoments!物質(zhì)的各類磁性鐵磁性2）鐵磁性產(chǎn)生的充分條件

根據(jù)鍵合理論，當原子相互接近形成分子時，電子云相互重疊，電子要相互交換位置。對于過渡金屬，3d狀態(tài)與s態(tài)能量相差不大，電子云相互重疊時，將引起s、d狀態(tài)的電子云重新分配。交換相互作用——鐵磁性產(chǎn)生的充分條件五、交換作用圖5-3氫分子模型

交換相互作用的基本原理，通過分析氫分子中兩個電子的相互作用來說明。氫分子體系，以記號A和B分別表示兩個原子核，它們各有一個電子分別用a和b代表。令A(a)和B(b)分別表示電子a和電子b處于孤立原子狀態(tài)時的波函數(shù)，整個氫分子系統(tǒng)的總波函數(shù)，可由兩個原子的電子波函數(shù)之積構(gòu)成：0(xa,ya,za;xb,yb,zb)=A(a)B(b)

(5－32)在量子力學中，由于電子的全同性，哪個電子屬于哪一原子系統(tǒng)是沒有區(qū)別的。電子a和b相互交換位置后，仍不改變系統(tǒng)的狀態(tài)。系統(tǒng)總的波函數(shù)0(xb,yb,zb;xa,ya,za)=A(b)B(a)(5－33)對稱性和反對稱要求的波函數(shù)具有下面的形式s=A(a)B(b)+A(b)B(a)

（1）

A=A(a)B(b)－A(b)B(a)

（2）（1）是對稱函數(shù)，與兩個電子的反平行(S＝0)自旋態(tài)相對應；（2）是反對稱函數(shù)，與兩個電子的平行(S＝1)自旋態(tài)相對應。?=

(5－34)

ra為電子a至原于核A的距離；rb為電子b至原于核B的距離；R為A原子核與B原于核間距；r為a電子與b電子間距；rAb為b電子至原子核A的距離；rBa為a電子至原子核B的距離，▽a、▽b分別為電子a和b的坐標的拉普拉斯,ε0為真空介電常數(shù)。

前兩項為二電子a和b的動能算符；后六項為電子與電子之間，原子核與原子核之間以及核與電子之間的靜電相互作用的勢能。

對稱和反對稱態(tài)的能量本征值

經(jīng)微擾計算，得到相應于對稱和反對稱態(tài)的能量本征值靜電交換作用，A原子波函數(shù)與B原子波函數(shù)交疊產(chǎn)生的交換能

ES=2E0+e2/R+K+AEA=2E0+e2/R+K－A

d1d2

庫侖靜電能量

d1d2

電子交換位置產(chǎn)生的能量積分式A稱為交換積分。代表電子—電子、電子—原子核的靜電交換作用。

靜電的交換相互作用影響到自旋的排列氫分子計算證明：氫分子的A＜0。有ES＜EA，它的兩個電子自旋反平行排列使系統(tǒng)的能量較低。

1）當相鄰原子的電子交換積分A＞0時，相鄰原子磁矩同相排列能量最低。鐵磁性排列能量低，產(chǎn)生自發(fā)磁化。2）當A＜0時，反鐵磁性排列能量低。交換積分A——電子運動狀態(tài)的波函數(shù)有關；強烈依賴于原子核之間的距離時，A>0

磁性的本質(zhì)（1）電子的磁矩

(Magneticmoments)

電子的自旋磁矩（spin)

軌道磁矩(orbital)磁性有未被填滿的電子殼層

不具磁性原子各層都充滿電子（2）“交換”作用不同原子間的、未被填滿殼層上的電子發(fā)生的特殊相互作用

鐵磁性物質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)原子間距

a/D＞3時交換能為正值,自發(fā)磁化a/D＜3時交換能為負值，為反鐵磁性

鐵磁性產(chǎn)生的條件1、原子內(nèi)部要有未填滿的電子殼層——必要條件

（原子固有磁矩不為零）2、電子交換積分A>0——充分條件

（具有一定晶體結(jié)構(gòu)）為什么溫度升高鐵磁性轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾判裕?）溫度升高，原子間距最大，交互作用降低；2）溫度升高，熱運動破壞了磁矩的同相排列（自發(fā)磁化）；3）當溫度升高到T>Tc，自發(fā)磁化不存在，鐵磁性轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾判?。六?/p>

超交換作用（不講）

對于一些含磁性離子的化合物磁性離子之間的交換作用是通過隔在中間的非磁性離子為媒介來實現(xiàn)的，稱為超交換作用。

以MnO為例來討論。由于MnO具有面心立方結(jié)構(gòu)，Mn2+離子的最近鄰為6個氧離子O2-，而氧離子的最近鄰為6個錳離子Mn2+，這樣，Mn2+-O2-—Mn2+的耦合，可以存在兩種鍵角，即180o和90o的鍵角。圖5－4MnO的Mn-O-Mn耦合鍵角

基態(tài)時，Mn2+離子的未滿電子殼層組態(tài)為3d5，5個自旋彼此平行取向；O2-的最外層電子組態(tài)為2P5，其自旋角動量和軌道角動量都是彼此抵消的，無凈自旋磁矩，它們的排列情愿如圖5-5(a)所示。這種情況下，Mn2＋與O2-的電子波函數(shù)在成180o鍵角方向時可能有較大的迭交，只是O2-離子無磁性，不能導致自發(fā)磁化。但是，由于有迭交，提供了2P電子遷移到Mn2＋的3d軌道內(nèi)的機會，使體系完全有可能變成含有Mn2+和O1-的激發(fā)態(tài)。如圖5—5(b)所示。當MnO系統(tǒng)處于激發(fā)態(tài)時，由于O1-中具有自旋磁矩，這個未配對的電子，當然有可能與近鄰的Mn2+離子的3d電子發(fā)生交換作用。

圖5－5超交換作用原理(a)基態(tài)(b)激發(fā)態(tài)超交換作用原理超交換作用的物理過程

設氧離子的2p電子受激后，有一個電子跑到Mn2+離子3d軌道成為d‘電子，考慮向左邊遷移。成為d’電子，如dl與d‘1平行時，能量用表示，反平行時，能量用表示。對于Mn2+，

＜，故d1與d’1就取反平行排列。考慮激發(fā)的哈密頓量無自旋相互作用，2P電子激發(fā)到3d軌道的那個電子，只改變位置不改變自旋方向。雖然兩個P電子有同等被激發(fā)的幾率，根據(jù)＜的要求．應該是自旋朝下的P電子跑到3d電子軌道變成d’1電子。此時，O—離子就將和右邊的Mn2+離子產(chǎn)生直接交換作用了。一般認為O-和右邊Mn2+的直接交換積分是負值，所以P和d的電子自旋取向必然為反平行排列。結(jié)果，導致O2-兩側(cè)成180o鍵角耦合的兩個Mn2+的自旋必定為反平行排列．這就是超交換作用原理。

超交換作用的一般規(guī)律(1)3d電子數(shù)n5，根據(jù)洪德規(guī)則由2P激發(fā)到3d去的電子自旋與3d層原有自旋取方向相反。若O—與另一金屬磁性離子間的交換積分為負，導致反鐵磁性；若交換積分為正，導致鐵磁性。

(2)3d電子數(shù)n＜5，由2p激發(fā)到3d去的電子自旋與3d原有電子自旋同方向．若O—與另一金屬磁性離子間的交換作用為負，導致鐵磁性；若O—與另一金屬磁性離子的交換作用為正，導致反鐵磁性。

上節(jié)課小結(jié)1、磁性的分類2、鐵磁性的微觀本質(zhì)自發(fā)磁化、磁疇、物質(zhì)磁性的起源鐵磁性產(chǎn)生的充要條件3、鐵磁性材料的特性自發(fā)磁化、磁疇磁化曲線磁滯回線5.4鐵磁性物質(zhì)的磁化曲線和磁滯回線

圖5-6鐵磁體的磁化曲線和磁滯回線AR12K接磁通計把未磁化的均勻鐵磁質(zhì)充滿一螺繞環(huán)，如圖線圈中通入電流(勵磁電流)后，鐵磁質(zhì)就被磁化。根據(jù)有介質(zhì)時的安培環(huán)路定理，當勵磁電流為I時，環(huán)內(nèi)的磁場強度：1.磁化曲線鐵磁Fe,Co,Ni及稀釷族元素的化合物OHACBS使勵磁電流從零開始，此時B=H=0，然后逐漸增大電流，以增大H

。測得B與H的對應關系如圖所示：隨H的增大，B先緩慢增大(OA段)，然后迅速增大(AB段)，過B點過后，B又緩慢增大(BC段)。從S開始，B幾乎不隨H的增大而增大，介質(zhì)的磁化達到飽和。與S對應的HS稱飽和磁場強度，相應的BS稱飽和磁感應強度。根據(jù)，可以求出不同H值對應的r值，由此可見鐵磁質(zhì)B~H顯著的非線性特點。

鐵磁體的磁化曲線

磁化曲線的三種形式開始M的增加比較緩慢后來增加較快最后達到Ms(飽和磁化強度)縱坐標改為磁感應強度B，對應于平衡值Ms的磁感應強度值稱為飽和磁感應強度(Bs）磁導率μ隨H的變化磁導率μ是B-H曲線上的斜率在B-H曲線上，當H→0時的斜率稱為初（起）始磁導率μi初（起）始磁導率是磁性材料的重要性能指標之一M(B)與H的變化關系磁導率μ隨H的變化H增加，磁疇界移動，磁疇逐漸改變，磁矩方向轉(zhuǎn)向，漸與磁場平行，單一磁域（飽和磁化）

一、鐵磁體的磁化曲線磁化曲線與磁疇的關系鐵磁與亞鐵磁B-H曲線（亞）鐵磁體磁化時，磁化強度M(B)與磁場強度H間不是簡單的線性比例關系；磁化強度M(B)隨H的變化如圖所示(假設樣品在一開始已經(jīng)退磁化)1.裝置：環(huán)形螺繞環(huán);鐵磁Fe,Co,Ni及稀釷族元素的化合物，能被強烈地磁化。實驗測量B,如用感應電動勢測量或用小線圈在縫口處測量得出H-B曲線2.原理：勵磁電流I;

用安培定理得H。當外磁場變化一個周期時，鐵磁質(zhì)內(nèi)部的磁場變化曲線如圖所示；

鐵磁體的磁化曲線二、磁滯回線的實驗測定BHoc起始磁化曲線為oc,當外磁場減小時，介質(zhì)中的磁場并不沿起始磁化曲線返回，而是滯后于外磁場變化，

——磁滯現(xiàn)象。HcBrHc當外磁場為0時，介質(zhì)中的磁場并不為0，有一剩磁Br;矯頑力——加反向磁場Hc，使介質(zhì)內(nèi)部的磁場為0，繼續(xù)增加反向磁場，介質(zhì)達到反向磁飽和狀態(tài)；改變外磁場為正向磁場，不斷增加外場，介質(zhì)又達到正向磁飽和狀態(tài)。磁化曲線形成一條磁滯回線。結(jié)論鐵磁質(zhì)的不是一個常數(shù)，它是的函數(shù)。B的變化落后于H，從而具有剩磁，即磁滯效應。鐵磁體的磁化曲線鐵磁體的磁化曲線磁滯回線與磁疇的關系磁滯現(xiàn)象的本質(zhì)磁疇的遷移運動受到阻力常用技術磁化量B=0(H十M)

=(1+x)

=B/0H起始磁導率最大磁導率拐點K處的斜率剩磁——剩余磁化強度Mr（磁感應強度Br）矯頑力Hc磁滯現(xiàn)象：在退磁過程中，磁化強度落后于磁場強度的現(xiàn)象。磁滯損耗：磁滯回線所包圍的面積（磁化一周所消耗的功）

三、

磁各向異性與磁致伸縮

同一鐵磁物質(zhì)的單晶體，其磁化曲線隨晶軸方向不同而有所差別，即磁性隨晶軸方向而異。這種現(xiàn)象稱為磁晶各向異性。

沿鐵磁體不同晶軸方向磁化的難易程度不同，磁化曲線也不相同。

鐵磁單晶體在磁性上是各向異性的1、磁各向異性鐵(a)、鎳(b)、鈷(c)單晶體的磁化曲線FebccFe[100]---易磁化方向，M最高[111]——難磁化方向，M最低[110]----居中Ni正好相反；Co[0001]易磁化方向,[1010]難磁化方向。磁各向異性能

從能量角度，鐵磁體從退磁狀態(tài)磁化到飽和狀態(tài)，M-H曲線與M軸之間所包圍的面積等于磁化過程做的功

（5－37）

磁各向異性能：飽和磁化強度矢量在鐵磁體中取不同方向而改變的能量。磁晶各向異性能與磁化強度矢量在晶體中相對晶軸的取向有關。

在易磁化軸方向上，磁晶各向異性能最小，而在難磁化軸方向上，磁晶各向異性能最大。磁晶各向異性常數(shù)K

鐵磁體中的自發(fā)磁化矢量和磁疇的分布取向，不是任意的，而是取向于在磁晶各向異性能最小的各個易磁化軸的方向上，因為這樣取向才能處于最穩(wěn)定的狀態(tài)。

磁晶各向異性的大小，我們用稱之為磁晶各向異性常數(shù)K來衡量。對于立方晶體．磁晶各向異性常數(shù)可以這樣來定義；單位體積的鐵磁單晶體沿[111]軸與沿[100]軸飽和磁化所需要的能量差。

磁晶各向異性常數(shù)K是表示磁性單晶體各向異性強弱的一個量。部分鐵磁體的室溫磁各向異性常數(shù)

2、磁致伸縮

鐵磁性物質(zhì)在磁場中磁化，伴隨著磁化，它的長度和體積同時發(fā)生變化。這種現(xiàn)象稱為磁致伸縮。磁致伸縮現(xiàn)象有三種：1）沿著外磁場方向尺寸大小的相對變化稱為縱向磁致伸縮；2）垂直于外磁場方向尺寸大小的相對變化稱為橫向磁致伸縮。3）鐵磁體被磁化時其體積大小的相對變化稱為體積磁致伸縮。

由磁致伸縮導致的形變一般比較小，其范圍在10-5—10-6之間，雖然磁致伸縮引起的形變比較小，但它在控制疇結(jié)構(gòu)和技術磁化過程中是一個很重要的因素。TbFe2——

機器人、傳感器、驅(qū)動器（10-3）

磁致伸縮伴隨著磁場的磁化過程變化圖5－8鐵的磁致伸縮線磁致伸縮系數(shù)線磁致伸縮的數(shù)量級一般是10-6。TbFe2

（10-3）體積磁致伸縮更小。隨磁化強度M增大，磁致伸縮系數(shù)增大。當磁化強度M達到飽和時飽和磁致伸縮系數(shù)磁致伸縮效應與磁化過程的關系體積磁致伸縮只有在鐵磁體技術磁化到飽和以后的順磁過程中才能明顯地表現(xiàn)出來。磁致伸縮主要針對線磁致伸縮。除特別指明外，線磁致伸縮也簡稱為磁致伸縮=l/l。磁致伸縮的逆效應是應變影響磁化，稱為鐵磁體的壓磁性現(xiàn)象，它們表明鐵磁體的形變與磁化有密切的關系。磁致伸縮與外磁場的關系

鐵磁體的磁致伸縮——隨外磁場的增加而變化，最終達到到飽和值s——磁性材料的飽和磁致伸縮系數(shù)。磁致伸縮產(chǎn)生的原因：由于每個疇內(nèi)的晶格沿磁疇的磁化強度方向自發(fā)地形變，且應變軸隨著磁疇磁化強度的轉(zhuǎn)動而轉(zhuǎn)動，從而導致磁體整體有一形變。

磁致伸縮的大小與外磁場的大小有關飽和磁化狀態(tài)下的磁致伸縮系數(shù)s作為磁性材料的一個磁性參數(shù)。不同的材料的磁致伸縮系數(shù)s也是不同的：

s＞0的稱為正磁致伸縮——正磁致伸縮是指沿磁場方向伸長，而垂直于磁場方向縮短，例如鐵就是屬于這一類。s＜0的則稱為負磁致伸縮。負磁致伸縮則是沿場磁化方向縮短，在垂直于磁化方向伸長，鎳屬于這一類。

Fe隨磁場強度的增大而伸長Ni隨磁場強度的增大而縮短鐵鎳常用磁致伸縮材料鎳鐵鋁鐵鈷釩鐵氧體磁致伸縮材料的應用在磁（電）-聲換能器中的應用聲納、超聲換能器、揚聲器等。在磁(電)-機械致動器中的應用精密流體控制、超精密加工、超精密定位、機器人、精密閥門、微馬達以及振動控制等工程領域。傳感器敏感元件超磁致伸縮材料除用于驅(qū)動之外，利用其磁致伸縮效應或逆效應還可以制作檢測磁場、電流、應變、位移、扭矩、壓力和加速度等的傳感器敏感元件。磁致伸縮液位傳感器，可實現(xiàn)對液位的高精度計量,其測量分辨率高于0.11mm。磁致伸縮壓磁效應:

某些鐵磁物質(zhì)在外界機械力的作用下，其內(nèi)部產(chǎn)生機械應力，從而引起磁導率的改變。磁致伸縮:

某些鐵磁物質(zhì)在外界磁場的作用下會產(chǎn)生變形，有些伸長，有些則壓縮。壓磁應用壓磁式傳感器具有輸出功率大、抗干擾能力強、過載性能好、結(jié)構(gòu)和電路簡單、能在惡劣環(huán)境下工作、壽命長等一系列優(yōu)點。目前，這種傳感器已成功地用在冶金、礦山、造紙、印刷、運輸?shù)雀鱾€工業(yè)部門。例如用來測量軋鋼的軋制力、鋼帶的張力、紙張的張力，吊車提物的自動測量、配料的稱量、金屬切削過程的切削力以及電梯安全保護等。

常用壓磁材料1）鐵氧體壓磁材料——(Ni,M)Fe2O4,(Co,M)Fe2O42）金屬壓磁材料——Fe-Co-V,Fe-Al,Ni-Co3）非晶態(tài)合金壓磁材料——Er–Fe-B亞鐵磁性在宏觀性能上與鐵磁性類似，區(qū)別在于亞鐵磁性材料的飽和磁化強度比鐵磁性的低。成因是由于材料結(jié)構(gòu)中原子磁矩不象鐵磁體中那樣向一個方向排列，而是呈反方向排列，相互抵消了一部分。亞鐵磁性實際上是未抵消的反鐵磁性.5.5鐵氧體(亞鐵磁性)亞鐵磁性

亞鐵磁性物質(zhì)中，金屬原子所占據(jù)的點陣格點可分為兩種或兩種以上的亞點陣。同一種亞點陣上的原子磁矩皆互相平行排列，但不同亞點陣間存在著原子磁矩的反平行排列。由于磁矩反平行排列的亞點陣上原子磁矩的數(shù)量和（或）大小各不相同，因而相加的結(jié)果仍表現(xiàn)為不等于零的自發(fā)磁化強度MS。

Fe3O4的自旋排列是亞鐵磁性的磁結(jié)構(gòu)．

一、亞鐵磁性物質(zhì)具有獨待性能

(1)當溫度低于鐵磁居里溫度時，亞鐵磁性物質(zhì)呈現(xiàn)出與鐵磁性相似的宏觀磁性，自發(fā)磁化強度較低。(2)亞鐵磁性物質(zhì)的自發(fā)磁化強度Ms對溫度T的關系曲線與鐵磁性物質(zhì)的不同。(3)當溫度高于鐵磁居里溫度時，同樣呈現(xiàn)順磁性，但其xfer—T曲線在不太高的溫度下不服從居里—外斯定律。(3)亞鐵磁性物質(zhì)中的典型材料鐵氧體的電阻率ρ很高，可達1010[Ωm]。鐵氧體是高頻電訊工程技術中的優(yōu)良鐵磁材料。鐵磁型（ferromagnetism）鐵磁性物質(zhì)的原子磁矩的排列為方向一致的整齊排列，隨著溫度的升高，這種排列受熱擾動的影響而愈加紊亂，同時物質(zhì)的自發(fā)磁化強度也愈來愈小。當溫度上升到某一定值TC(居里溫度)時，自發(fā)磁化消失，物質(zhì)由鐵磁型轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾判?。大部分強磁性金屬和合金屬于這種磁性。亞鐵磁性（Ferrimagnetism）每種亞點陣的自發(fā)磁化強度隨溫度變化的規(guī)律彼此不同，因而相加后的磁化強度隨溫度的變化曲線可以具有不同于鐵磁性的各種特殊形狀，可以分為P型、R型和N型，也有與鐵磁性相同的Q型。其中N型在T=TCOM時，MS=0，表示反平行排列的亞點陣的磁矩在此溫度下互相抵消，TCOM叫抵消點。TTcR型P型N型TCOM二、磁化率與溫度關系

對所有材料來說，升高溫度都會影響到離子和電子熱能的增加，所以升高溫度自然會增加結(jié)構(gòu)無序的趨勢。順磁物質(zhì)——離子和電子的熱能增加可以部分抵消所加磁場的有序化影響。只要磁場一撤開，電子自旋的方向就變?yōu)闊o序。因此，順磁物質(zhì)的磁化率χ值隨溫度升高遵從居里或居里-外斯定律，呈減小趨勢。

鐵磁材料——溫度的影響是在原本完善的有序地或者反平行的自旋排列中引入了無序化。造成χ隨溫度升高而迅速減小。反鐵磁材料——導致反平行有序化的減弱，即增加了“無序”電子自旋的數(shù)目，因而增加了χ值。三、磁性材料

1、金屬磁性材料在不很強的磁場作用下，就可得到很大的磁化強度

鐵、鈷、鎳及其合金，以及稀土族元素釓純鐵B0=10-6T（0.01Oe）時，磁化強度M=104A/m居里溫度飽和磁化強度Ms降低到零，鐵磁性消失，材料變成順磁性材料。

2、合金磁性材料鐵、鈷、鎳合金是一類重要的合金磁性材料。

鐵鎳合金具有高導磁率和低矯頑力，具有一定強度且不易氧化，亦易于加工，被廣泛用于制作磁性元件。低鎳合金和α-Fe一樣是體心立方結(jié)構(gòu)。含30~100%鎳的合金是工業(yè)上比較重要的合金，它們與鎳一樣是面心立方結(jié)構(gòu)。

鐵鉻合金一種高強度的抗蝕材料，可用作永磁體。合金的磁化強度幾乎與鉻含量成反比，當鉻含量超過80%時，合金則呈無磁狀態(tài)。

鐵鈷合金鐵和鈷兩元素直到含鈷75%為止，可以形成連續(xù)體心立方固溶體。它們主要應用于生產(chǎn)高磁能積永磁體。2、無機非金屬磁性材料1）尖晶石型鐵氧體P126（MgAl2（Fe3+）204

通式：M2+

Fe3+04

磁性無機非金屬材料一般是含鐵及其它元素的復合氧化物，通常稱為鐵氧體（亞鐵磁性）亞鐵磁性來自兩種不同磁矩：一種磁矩在一個方向排列整齊，另一種磁矩在相反的方向排列。方向相反，大小不等——磁矩之差形成自發(fā)磁化現(xiàn)象。尖晶石鐵氧體的分子磁矩亞鐵磁性是未被抵消的反鐵磁性，尖晶石鐵氧體的分子磁矩，為A、B兩次晶格中離子的自旋反平行耦合的凈磁矩。由于B次晶格的離子數(shù)目兩倍于A次晶格的數(shù)目，則凈磁矩M有M=MB+MA=MB－MA

(5－40)MB為B次晶格磁性離子具有的磁矩，MA為A次晶格磁性離子具有的磁矩。對于只有兩個次晶格的簡單情況，

M的方向為MB的方向。表5－3尖晶石單一鐵氧體鐵氧體離子分布磁矩(μB)飽和磁化強度MS×105[Am-1]TmoCA位B位理論實驗-273oC20oCMnFe2O454.6~55.604.00300Fe3O4Fe3+Fe2++Fe3+44.15.104.80590CoFe2O4Fe3+Co2++Fe3+33.74.754.25520NiFe2O4Fe3+Ni2++Fe3+22.33.002.7590CuFe2O4Fe3+Cu2++Fe3+11.31.601.35455MgFe2O411.11.401.20440Li0.6Fe2.5O4Fe3+2.52.5~2.63.303.106702）石榴石鐵氧體石榴石鐵氧體的通式：R代表稀土或釔離子常見的有Y、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb或Lu等。分子式類似于天然石榴石(FeMn)3Al2(SiO4)3，晶體結(jié)構(gòu)屬于立方晶系空間群為研究得最多的石榴石鐵氧體有Y3Fe5O12(縮寫YIG)以及其它元素置換的石榴石鐵氧體.單一石榴石鐵氧體的參數(shù)3)磁鉛石鐵氧體磁鉛石鐵氧體的晶體結(jié)構(gòu)和天然礦物磁鉛石結(jié)構(gòu)相似Pb((Fe7.5Mn2.5Al0.5Ti0.5)O19屬于六角晶系空問群為(C6／mmm)化學式是：或式中，M2＋是二價陽離子。常見的有Ba、Sr或Pb；B3+是三價陽離子常見的有Fe及其取代元素A1、Ga和Cr。

鐵氧體性能

尖晶石鐵氧體：屬立方晶系，化學式為Fe3+(Fe2+M2+)O4磁鉛石鐵氧體：屬六方晶系，與反尖晶石類似，AB12O19表示。最普通的六方鐵氧體：PbFe12O19和BaFe12O19石榴石型鐵氧體的結(jié)構(gòu)屬立方晶系化學一般式可寫為M3Fe5O12，其中M代表稀土離子，如：衫、銪、釓或釔等。

鐵氧體

3、高分子材料的磁學性能1、大多數(shù)體系為抗磁性材料2、順磁性僅存在于兩類有機物含有過渡金屬含有屬于定域態(tài)或較少離域的未成對電子（不飽和鍵、自由基等）

5.6磁性材料的動態(tài)特性磁性材料在交流磁場作用下的性能——動態(tài)特性1、交流磁化過程與交流回線

靜態(tài)：BM,H關系；動態(tài)：BM,H關系；時間交流磁化過程中，磁場強度周期變化，BM周期變化動態(tài)磁化曲線的特點：1）交流回線與磁場強度、頻率、波形有關；2）一定頻率下，交流磁場強度幅值不斷減小，交流回線呈橢圓。2、交變磁場作用下的能量損耗材料在弱的交變磁場中磁化，B與H具有正旋波形，位相差為

令復數(shù)磁導率總磁導率損耗角正切軟磁材料的品質(zhì)因數(shù)磁滯損耗磁滯回線所包圍的面積表征一個磁化周期內(nèi)，以熱的形式所消耗的功(J/m3)。最大的磁能積(BH)max它是磁滯回線在第二象限內(nèi)磁感應強度和磁場強度乘積的最大值。

3、磁滯損耗與最大磁能積4、鐵芯損耗磁芯在不可逆交流磁化過程中消耗的能量，稱為鐵芯損耗。鐵芯損耗分為三部分:渦流損耗We,剩余損耗Wc,

磁滯損耗Wn1）渦流損耗We：鐵磁體在交變磁場中，磁通量隨時間產(chǎn)生感生電動勢，從而產(chǎn)生渦流。渦流損耗與材料電阻率、頻率、磁感應強度有關。金屬電阻率低，渦流損耗很大，限制了高頻使用?！∑?、薄帶2）剩余損耗Wc：由各種馳豫過程引起（合金雜質(zhì)、彈性、范性變形等）3）磁滯損耗Wn：來源于不可逆壁移（——波形失真）HC很低的材料稱作軟磁材料HC高的材料稱作硬磁材料磁性材料的分類10-11101102103104105106HC(A/m)軟磁材料磁記錄介質(zhì)磁記憶材料半硬磁材料永磁材料半硬磁材料半硬磁材料5.7磁性材料的應用按矯頑力的大小鐵磁材料磁性材料廣泛地應用于電子工業(yè)、電氣工業(yè)以及通訊、測量、印刷、計算機等方面。近年來深入研究磁光、磁電、壓磁和磁致伸縮、燈光功能轉(zhuǎn)換材料，不斷開發(fā)出各種磁轉(zhuǎn)換器件。一、軟磁材料

特點：高的磁導率、低的矯頑力（Hc<100A/m)和低的鐵芯損耗。

要求：降低材料的不均勻性——高純原料，熔煉鑄造工藝降低磁各相異性——改善初始磁導率Ni-Fe-Mo

非晶態(tài)合金種類：純鐵、低碳鋼Fe-Si,Fe-Al-Si,Ni-Fe,Fe-Co合金，非晶態(tài)合金、磁性陶瓷材料（鐵氧體MFe2O4）應用：電磁鐵磁頭、電力變壓器、發(fā)動機、電動機通訊變壓器、微波器件、磁記錄材料變壓器變壓器的鐵芯處于不斷變化的電磁場中，鐵芯材料的磁化強度和磁感應強度也是不斷改變的。這就自然要求鐵芯材料對這種變化的阻力小，變化足夠靈敏。所以，幾乎對所有的變壓器鐵芯，都要求導磁率高。

軟磁材料的應用

軟磁材料的特征具有較高的磁導率和較高的飽和磁感應強度；較小的矯頑力（矯頑力很小，即磁場的方向和大小發(fā)生變化時磁疇壁很容易運動）和較低磁滯損耗，磁滯回線很窄；在磁場作用下非常容易磁化；取消磁場后很容易退磁化

軟鐵、坡莫合金、硒鋼片、鐵鋁合金、鐵鎳合金等。由于軟磁材料磁滯損耗小，適合用在交變磁場中，如變壓器鐵芯、繼電器、電動機轉(zhuǎn)子、定子都是用軟件磁性材料制成。磁性材料

非金屬氧化物----鐵氧體鐵氧體是含鐵酸鹽的陶瓷氧化物磁性材料，一般呈現(xiàn)出亞鐵磁性。磁滯回線呈矩形，又稱矩磁材料，剩磁接近于磁飽合磁感應強度具有高磁導率、高電阻率由Fe2O3和其他二價的金屬氧化物（如NiO，ZnO等粉末混合燒結(jié)而成?？勺鞔判杂洃浽洿挪牧闲畔a(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展日益需要提供高性能的信息存儲磁性材料——屬于軟磁材料。磁滯曲線，在給樣品加上反向磁場后，樣品不發(fā)生變化，直到磁場達到HC時，磁化突然發(fā)生。

信息存儲材料的正交磁滯曲線BHHC

軟磁材料性能(二)硬磁材料

硬磁材料又稱永磁材料，難于磁化又難于退磁。主要特點具有較大的矯頑力，典型值Hc＝104～106A/m；磁滯回線較粗，具有較高的最大磁能積(BH)max；剩磁很大；這種材料充磁后不易退磁，適合做永久磁鐵。硬磁性材料如碳鋼、鋁鎳鈷合金和鋁鋼等。磁性材料1、硬磁材料的特點

永磁材料是最早發(fā)現(xiàn)和使用的磁性材料。

將永磁材料在磁場中充磁后，去掉外磁場，仍能保留很強的磁性，而且不易被退磁，從而可在一定的空間提供一個恒定的工作磁場。利用永磁體的磁場，或通過磁場和載流導體、帶電粒子、渦流等的相互作用，可以使一種能量轉(zhuǎn)換成另—種能量，如磁與電、磁與機械等的能量轉(zhuǎn)換，而得到廣泛的應用。特點：高的剩余磁化強度、高的矯頑力、低的鐵芯損耗。2、衡量永磁材料的指標作為磁場應用的永磁體——

1）剩余磁感應強度Br大2）矯頑力Hc大

永磁材料是處在退磁狀態(tài)下工作，內(nèi)部存貯的能量[磁能積(BH)max]來衡量性能。

3）材料的(BH)max越大，用磁體性能越好。

理想的M-H退磁曲線為矩形，B-H退磁曲線為直線。3、磁能體積（BH)m硬磁材料----磁場源或磁力圓，提供磁空間閉合——不能提供磁空間空氣隙----磁極（提供磁空間）

最大磁能體積越大，空氣隙產(chǎn)生的磁場越大。硬磁材料：鐵氧體、Al-Ni-Co，稀土-鐵合金應用：揚聲器、繼電器、磁電機、電話、耳機、冰箱門封條、無線話筒、玩具硬磁材料的應用揚聲器硬（永）磁直流步進電機

用于變速控制系統(tǒng)4、影響永磁體的因素影響穩(wěn)定性的因素包括內(nèi)部因素和外部因素。1）內(nèi)部因素——組織變化和磁后效。

磁性材料的組織結(jié)構(gòu)隨時間的變化會引起磁性能變化，但對組織結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的材料來說該變化很小。

磁后效是由于磁體內(nèi)部磁化狀態(tài)的不穩(wěn)定部分向穩(wěn)定狀態(tài)的變化而產(chǎn)生的。為穩(wěn)定磁后效引起的變化，可在充磁后預先強制部分退磁。2）外部因素有溫度、外磁場、機械應力等。

一般隨溫度上升，永磁體的磁化強度降低，超過居里點時為0，這是可逆的變化，并且在末靠近居里點的溫度區(qū)域剩余磁通密度大體呈直線變化。硬磁材料主要應用用于制造各種永磁體，以便提供磁場空間；可用于各類電表和電話、錄音機、電視機中以及利用磁性牽引力的舉重器、分料器和選礦器中。釹鐵硼(Nd-Fe-B)系合金，是目前工業(yè)用硬磁材料最大磁能積最高者。其主要缺點是溫度穩(wěn)定性和抗腐蝕性稍差。鈷基稀土永磁材料，主要代表是SmCo5燒結(jié)永磁體和Sm2Co17多相沉淀硬化永磁材料。它們的缺點是脆，加工性稍差。磁性材料硬磁材料性能三、信息存儲功能磁性材料

信息時代——光、電、化學、機械等，均可作為存貯方式進行，而磁記錄、磁存貯發(fā)展特別快。已廣泛地運用于各個科學技術領域中。

磁記錄用磁性材料是世界上產(chǎn)量大、產(chǎn)值高、使用面廣的材料之一，是人們十分重視和研究的對象，因此，新技術，新品種不斷出現(xiàn)。?磁存儲

所謂磁存儲就是以記錄磁場方向的方式或磁場的有無來儲存資料。數(shù)據(jù)在磁片上以磁化的點來表示，被磁化的點代表1，沒有被磁化的點代表0

1、磁信息記錄材料

磁記錄材料是以磁記錄介質(zhì)受到外磁場磁化，去掉外磁場后仍能長期保持其剩余磁化狀態(tài)的基本性質(zhì)。利用磁學原理存儲和記錄信息的磁載體材料。1）磁記錄技術已在聲音、圖象、數(shù)據(jù)記錄中得到廣泛應用。磁帶或磁盤記錄信號是永久性的，同時也是可以改變的。錄音磁帶——數(shù)字化、高信噪比計算機——軟、硬盤；錄像技術、科學研究、日常生活（磁卡、IC）存儲密度、高保真、高可靠——磁記錄技術的追求。

磁記錄過程

在磁記錄過程中，來自麥克風、攝錄像機的電信號，或計算機的數(shù)據(jù)，通過電子線路調(diào)制整理后，在經(jīng)過記錄磁頭的繞組時，在磁頭的鐵芯里產(chǎn)生磁通，和磁頭縫隙磁場通過鐵芯附近的空氣而閉合，當磁記錄介質(zhì)緊貼磁頭的表面勻速通過時，就會被磁頭縫隙處的磁場所磁化；當它離開磁頭的磁場以后．仍保留有剩余磁化強度。

磁頭縫隙處的磁場是隨記錄電流的方向和振幅的大小變化的．所以磁記錄介質(zhì)剩余磁化強度的變化記錄了信號隨時間的變化。圖5－210磁記錄方式和磁跡分布a)磁記錄方式b)磁跡分布

1磁通2磁層3帶基磁記錄系統(tǒng)四個基本單元

1）存儲介質(zhì)（永磁薄膜）磁記錄介質(zhì)的技術指標：高矯頑力——磁粉的疇結(jié)構(gòu)，磁滯回線矩形比高Hc/Br高；高剩余磁感應強度——讀出的信號大；磁層厚度、磁層表面光潔度和均勻性

,Co-Fe2O,Cr2O3,BaO(Fe2O3)62)換能器——磁頭，電信號轉(zhuǎn)換成磁信號，并記錄在磁介質(zhì)上；磁信號變成電信號讀出。磁頭材料的要求：最大的磁導率、飽和磁化強度高，μi、ρ高矯頑力、剩磁低；耐磨損、抗剝落、機加工性好3）驅(qū)動系統(tǒng)4）相匹配的電子線路系統(tǒng)0磁記錄的材料用于磁記錄的材料為軟磁性的金屬及鐵氧體高性能的磁記錄介質(zhì)材料的特點

(1)大的剩余磁感應強度Br；(2)磁微粒尺寸小且均勻，要小于1(3)各微粒間Hc值分布要窄；(4)矯頑力Hc的位要適當；(5)對于受熱、加壓，磁化強度應該穩(wěn)定；(6)剩磁比Br/Bm要大，取向度要高；(7)對磁頭的磨損要小，對基板(帶)的附著力要大；(8)磁粉材料在介質(zhì)中分散性好。2.磁光存儲

磁光記錄是利用熱磁效應來實現(xiàn)在磁性材料上進行信息的存入和擦洗，借助于法拉第