材料物理省公開課金獎(jiǎng)全國(guó)賽課一等獎(jiǎng)微課獲獎(jiǎng)?wù)n件

8磁性物理8.1概述（磁學(xué)基本量）磁性不只是一個(gè)宏觀物理量，而且與物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)親密相關(guān)。它不但取決于物質(zhì)原子結(jié)構(gòu)，還取決于原子間相互作用—鍵合情況、晶體結(jié)構(gòu)。所以，研究磁性是研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)主要方法之一。一個(gè)宏觀磁體由許多有固有原子磁矩μ原子組成。宏觀磁體單位體積內(nèi)原子磁矩矢量總和稱為

①磁化強(qiáng)度：（A/m）11/39當(dāng)原子磁矩同向平行排列時(shí)，宏觀磁體對(duì)外顯示磁性最強(qiáng)。當(dāng)原子磁矩紊亂排列時(shí)，宏觀磁體對(duì)外不顯示磁性。依據(jù)電磁理論，通有電流導(dǎo)體能夠產(chǎn)生磁場(chǎng)。比如，一個(gè)通有電流無限長(zhǎng)螺旋管線圈，在螺旋管中心處

②磁場(chǎng)強(qiáng)度為：（A/m）n是線圈匝數(shù)，L是線圈長(zhǎng)度（m），I是電流強(qiáng)度（A）。22/39在真空中產(chǎn)生磁場(chǎng)H時(shí)，在磁場(chǎng)空間就會(huì)有磁力線。單位面積上經(jīng)過磁力線被稱為

③磁感應(yīng)強(qiáng)度B，B和H關(guān)系為：是真空磁導(dǎo)率。將磁性材料放入磁場(chǎng)空間時(shí)，B大小取決于材料M和H相互作用：

④μ為磁導(dǎo)率，也能夠定義相對(duì)磁導(dǎo)率

33/39大表示材料有大磁場(chǎng)增強(qiáng)作用。是磁性材料一個(gè)主要參數(shù)。普通物質(zhì)磁性強(qiáng)弱可由

⑤磁化率來表示。

和都反應(yīng)了材料增強(qiáng)磁場(chǎng)程度，它們之間關(guān)系為：=+144/39從應(yīng)用角度考慮，我們對(duì)含有大磁感應(yīng)強(qiáng)度B、大磁化強(qiáng)度M材料感興趣，并追求大相對(duì)磁導(dǎo)率。

8.2原子和離子固有磁矩物質(zhì)磁性起源于原子磁矩。

材料宏觀磁性起源于原子磁矩，原子中每個(gè)電子都含有磁性。產(chǎn)生磁矩原因有兩個(gè)：

①電子圍繞原子核軌道運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生一個(gè)非常小磁場(chǎng)，形成一個(gè)沿旋轉(zhuǎn)軸方向軌道磁矩。

②每個(gè)電子本身作自旋運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生一個(gè)沿旋轉(zhuǎn)軸方向自旋磁矩。55/39在原子中，一些電子正確軌道磁矩相互抵消，自旋磁矩也可能相互對(duì)消。（比如，一個(gè)自旋向上磁矩能夠?qū)ο粋€(gè)自旋向下磁矩）。所以一個(gè)原子凈磁矩是全部電子磁矩相互作用矢量和。該磁矩稱為原子磁矩。

（1）自由原子磁矩：

原子磁矩起源于電子和原子核，因?yàn)樵雍舜啪貎H有電子磁矩1/1836.5，所以原子磁矩主要起源于電子磁矩。電子磁矩由電子軌道磁矩和電子自旋磁矩組成。66/39

（2）鐵氧體中原子磁矩認(rèn)為軌道完全凍結(jié)，所以只考慮自旋磁矩。

（3）金屬及合金中原子磁矩要從能帶理論角度解釋材料原子磁矩，能夠用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算原子磁矩。

8.3物質(zhì)抗磁性和順磁性依據(jù)磁化率大小，物質(zhì)大致可分為抗磁性、順磁性、反磁性、鐵磁性、亞鐵磁性五大類。在五種不一樣磁性物質(zhì)中，鐵磁性和亞鐵磁性物質(zhì)含有強(qiáng)磁性。77/39

抗磁性：一些物質(zhì)受到外磁場(chǎng)H作用后，感生出和H相反磁化強(qiáng)度，磁化率＜0，這種物質(zhì)稱為抗磁性物質(zhì)。普通抗磁性物質(zhì)磁化率絕對(duì)值很小，約10-4～10-6，而且和磁場(chǎng)、溫度無關(guān)?？勾判云鹪从趯⑽镔|(zhì)放入外磁場(chǎng)中時(shí)，穿過電子軌道運(yùn)動(dòng)回路磁通會(huì)發(fā)生改變，為了抵抗該改變，在電子軌道回路要產(chǎn)生一個(gè)附加感應(yīng)電流。這一附加感應(yīng)電流磁矩方向和外磁場(chǎng)方向相反，所以抗磁性磁化率是負(fù)。又因?yàn)榇呕式^對(duì)值非常小，所以抗磁性在物質(zhì)原子、離子或者分子固有磁矩為零時(shí)，才能觀察出來。88/39

Au、Ag、Cu以及大多數(shù)有機(jī)物質(zhì)在室溫下是抗磁性物質(zhì)，超導(dǎo)體一定是抗磁性物質(zhì)。

順磁性：一些物質(zhì)受到外磁場(chǎng)H作用后，感生出和H相同磁化強(qiáng)度，磁化率＞0，這種物質(zhì)稱為順磁性物質(zhì)。普通順磁性物質(zhì)磁化率絕對(duì)值也很小，約10-2～10-5，組成順磁性物質(zhì)原子有未滿殼層電子，所以有固有原子磁矩，不過原子受熱擾動(dòng)影響，原子磁矩方向混亂分布，在任何方向都沒有凈磁矩，對(duì)外不顯示磁性。而將材料放入99/39外磁場(chǎng)中時(shí)，原子磁矩都有沿外磁場(chǎng)方向排列趨勢(shì)，感生出和外磁場(chǎng)方向一致磁化強(qiáng)度M。所以磁化率＞0。普通順磁性物質(zhì)磁化強(qiáng)度隨磁場(chǎng)改變磁化曲線M～H是直線，磁化率和溫度關(guān)系恪守居里－外斯定律。

C－居里常數(shù)

－順磁居里溫度

1010/39

反磁性：在有些非鐵磁性材料中，相鄰原子或離子磁矩成反方向平行排列，結(jié)果總磁矩為零，這種性質(zhì)叫反鐵磁性。以上三種材料，對(duì)于磁性材料應(yīng)用來說都視為是無磁性，因?yàn)樗鼈冎挥性谕獯艌?chǎng)存在下才被磁化，且磁化率很小。

8.4鐵磁性和亞鐵磁性磁結(jié)構(gòu)有些物質(zhì)在放入外磁場(chǎng)中時(shí)，也感生出和H相同方向磁化強(qiáng)度，磁化強(qiáng)度＞0，但其數(shù)值很大，約10～106。試驗(yàn)發(fā)覺，這些物質(zhì)磁化曲線M～H是非線性復(fù)雜函數(shù)，重復(fù)磁化時(shí)出現(xiàn)磁滯現(xiàn)象，這種物質(zhì)稱鐵磁性物質(zhì)。1111/39

（有些金屬材料在外磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生很強(qiáng)磁化強(qiáng)度，外磁場(chǎng)除去后仍保持相當(dāng)大永久磁性，這種磁性稱為鐵磁性）。鐵磁性物質(zhì)原子不但有固有原子磁矩，而且原子磁矩分區(qū)間（磁疇）地自發(fā)平行取向。所以原子磁矩非常輕易朝外磁場(chǎng)方向排列，只要在很小磁場(chǎng)下就能夠感生出很大磁化強(qiáng)度M。不過當(dāng)溫度高于某個(gè)臨界值Tc（居里溫度）時(shí)，材料鐵磁性將轉(zhuǎn)變成順磁性，這時(shí)磁化率服從居里－外斯定律。當(dāng)前發(fā)覺Fe、Co、Ni、Gd（釓gá）等單質(zhì)元素在室溫下含有鐵磁性。1212/39

鐵磁性材料和亞鐵磁性材料都有磁有序相變點(diǎn)，稱為居里點(diǎn)Tc。當(dāng)溫度高于Tc時(shí)，呈順磁性，當(dāng)溫度低于Tc時(shí)呈鐵磁性或亞鐵磁性，均為強(qiáng)磁性。強(qiáng)磁性特點(diǎn)是其磁化率（=10～105）遠(yuǎn)高于弱磁性磁化率（=10-3～10-6）。其磁化曲線呈非線性，較易于到達(dá)磁飽和，磁化率隨磁場(chǎng)而變，含有磁滯現(xiàn)象，含有磁疇。1313/39

強(qiáng)磁性上述特征起源于其自發(fā)磁化。在溫度低于Tc時(shí)，鐵磁物質(zhì)中原子磁矩自發(fā)平行，或自發(fā)地使能帶中正負(fù)自旋電子數(shù)不相等，故不加磁場(chǎng)時(shí)出現(xiàn)了不等于零自發(fā)磁化強(qiáng)度Ms。亞磁鐵物質(zhì)常為化合物或合金，在Tc溫度以下時(shí)，原子磁矩呈反鐵磁性排列，即自發(fā)反平行排列或其它類型自旋排列，不過或因?yàn)樵哟啪卮笮〔坏?，或因?yàn)榕帕蟹绞教厥庑裕鼈兇啪貨]有抵消為零。其未抵消凈磁矩便導(dǎo)1414/39致了自發(fā)磁化強(qiáng)度。自發(fā)磁化常出現(xiàn)在大塊強(qiáng)磁體內(nèi)微小區(qū)域中，稱為磁疇。未加磁場(chǎng)而強(qiáng)磁體呈磁中性時(shí)，各磁疇中自發(fā)磁化矢量Ms分布使合成總磁化強(qiáng)度為零。加入磁場(chǎng)后，磁疇重新調(diào)整，造成了強(qiáng)磁物質(zhì)磁化及磁化曲線、磁滯回線等特征。類似于鐵磁體，亞鐵磁體在某一臨界溫度Tc以下含有自發(fā)磁化，也屬于強(qiáng)磁性物質(zhì)；易于到達(dá)磁飽和，含有磁滯現(xiàn)象；存在磁疇。在臨界溫度Tc以上，自發(fā)磁化消失。1515/39亞鐵磁性在宏觀性能上與鐵磁性類似，區(qū)分在于亞磁鐵性材料飽和磁化強(qiáng)度比鐵磁性低。能夠看作是未抵消反鐵磁體。

鐵磁體和亞鐵磁體磁結(jié)構(gòu)鐵磁體、亞鐵磁體和反鐵磁體原子磁矩在空間取向，都有長(zhǎng)程有序規(guī)律，通稱為磁有序，這種磁有序叫做磁結(jié)構(gòu)。從磁結(jié)構(gòu)角度考慮，把亞鐵磁體和反鐵磁體作比較，它們均屬磁有序物質(zhì)。它們磁有序轉(zhuǎn)變溫度分別稱為居里點(diǎn)TC和奈爾點(diǎn)TN。在TC和TN1616/39以上溫區(qū)呈順磁性，在TC和TN以下處于磁有序狀態(tài)。在反鐵磁狀態(tài)下，原子或電子磁矩空間有序分布使磁矩相互抵消，宏觀自發(fā)磁化強(qiáng)度為零，其磁化率仍保持很小數(shù)值。亞鐵磁體能夠看作是未抵消反鐵磁體。因?yàn)樵诖庞行蜣D(zhuǎn)變溫度TC以下溫區(qū)，磁結(jié)構(gòu)展現(xiàn)反鐵性排列，但磁矩只部分抵消，故含有不為零自發(fā)磁化強(qiáng)度MS。1717/39大多數(shù)主要亞鐵磁體是鐵和其它金屬一些復(fù)合（雙）氧化物，稱為鐵氧體。其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并含有各種元素。大量試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)，亞鐵磁體磁性不一樣于鐵磁體和反鐵磁體。亞鐵磁體雖屬于強(qiáng)磁性物質(zhì)，但其磁化率（或磁性）沒有鐵磁體那么大；而反鐵磁體磁化率是小正數(shù)，屬于弱磁性。磁性不一樣，反應(yīng)亞鐵磁體磁結(jié)構(gòu)顯著不一樣于鐵磁體和反鐵磁體磁結(jié)構(gòu)。1818/39

8.5鐵磁性和亞鐵磁性“分子場(chǎng)”理論8.5.1鐵磁性“分子場(chǎng)”理論

（1）鐵磁物質(zhì)內(nèi)部存在很強(qiáng)“分子場(chǎng)”，它使原子磁矩同向平行排列，即自發(fā)磁化到飽和；

（2）鐵磁體自發(fā)磁化分成若干磁疇（自發(fā)磁化到飽和區(qū)域稱為磁疇），因?yàn)榇朋w中各磁疇磁化方向不一致，所以大塊磁體對(duì)外不顯示磁性。

8.5.2亞鐵磁性“分子場(chǎng)”理論

（1）亞鐵性磁材料在Tc以上時(shí)，常出現(xiàn)順磁性；1919/39

（2）在Tc以下時(shí)，磁矩空間分布與反鐵磁類似，呈反平行或其它類型排列（如螺旋型），但相互未抵消，宏觀自發(fā)磁場(chǎng)強(qiáng)度不等于零。

8.6鐵磁體中磁晶各向異性、磁致伸縮8.6.1磁晶各向異性在單晶體不一樣晶體學(xué)方向上，其光學(xué)、電學(xué)、熱膨脹、力學(xué)和磁學(xué)性能都不一樣。這種特征稱為晶體各向異性。單晶體磁性各向異性稱為磁晶各向異性。2020/39比如，鐵單晶體[100]、[110]和[111]晶向磁化曲線是不一樣，如圖8.13所表示是Fe單晶在不一樣晶軸方向磁化曲線。鐵磁體在磁化時(shí)，外磁場(chǎng)對(duì)鐵磁體所做功為：2121/39

顯然，沿鐵單晶體[100]和[111]方向所消耗磁化功顯著不一樣。磁化功小方向方向稱為易磁化方向，磁化功大方向稱為難磁化方向。磁晶各向異性能EK定義為飽和磁化強(qiáng)度矢量在鐵磁體中取不一樣方向而改變能量。很顯著，磁晶各向異性能是磁化強(qiáng)度方向函數(shù)。從這個(gè)角度考慮，磁晶各向異性能EK=f（α1，α2，α3）是多元函數(shù)。對(duì)立方晶體，設(shè)α1，α2，α3分別是磁化強(qiáng)度與立方晶體三個(gè)晶軸方向余弦，將它按泰2222/39勒級(jí)數(shù)展開，并用晶體對(duì)稱性和三角函數(shù)關(guān)系式演算，可得磁晶各向異性能EK為：

式中K1，K2稱為磁晶各向異性常數(shù)。當(dāng)K2很小時(shí)，能夠只用K1來描述立方晶體磁晶各向異性能EK。對(duì)于鐵來說，K1是正，[100]是易磁化方向；對(duì)于鎳來說，K1是負(fù)，[111]是易磁化方向，[100]是難磁化方向。磁晶各向異性常數(shù)K1，K2是衡量材料磁各向異性大小主要常數(shù)，它大小與晶體對(duì)稱2323/39性相關(guān)。晶體對(duì)稱性越低，它K1+K2數(shù)值越大。K1和K2主要決定于材料成份。用自旋-軌道相互作用來解釋磁晶各向異性起源，其中心思想是，磁晶各向異性和晶體場(chǎng)與電子軌道運(yùn)動(dòng)影響相關(guān)。首先電子軌道磁矩產(chǎn)生磁場(chǎng)對(duì)電子自旋運(yùn)動(dòng)作用，使軌道和自旋間存在耦合作用；另首先電子軌道平面受晶體場(chǎng)作用能量合并被消除，這兩方面作用疊加在一起，就使得原子磁矩傾向于在晶體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?yàn)橐状呕较?，而能量高方向?yàn)殡y磁化方向。在無外磁場(chǎng)作用平衡狀態(tài)下，原子磁矩傾向于排列在易磁化方向上。普通因?yàn)橄⊥猎剀壍来啪貨]有淬滅，所以軌道和自旋間存在耦合作用很強(qiáng)，它磁晶各向異性要大于過渡族元素，利用它大磁晶各向異性，能夠制備永磁材料。

8.6.2退磁場(chǎng)能試驗(yàn)表明，磁性材料被磁化后，只要材料不是閉合形狀或者無限長(zhǎng)，材料內(nèi)部總磁場(chǎng)H將2525/39小于外磁場(chǎng)He。這是因?yàn)榉情]合磁性材料被磁化后在其端面將會(huì)有正負(fù)磁荷出現(xiàn)，如圖8.14所表示。2626/39這些磁荷將在材料內(nèi)外產(chǎn)生一個(gè)退磁場(chǎng)Hd，Hd方向在材料內(nèi)部與He和M方向相反，其作用是減弱外磁場(chǎng)。退磁場(chǎng)越大，材料越不輕易磁化。在磁路設(shè)計(jì)和磁性測(cè)量中，必須考慮退磁場(chǎng)影響，盡可能降低退磁場(chǎng)。

8.6.3磁致伸縮在磁場(chǎng)中磁化時(shí)，鐵磁體尺寸或體積發(fā)生改變現(xiàn)象稱為磁致伸縮。當(dāng)材料中存在內(nèi)應(yīng)力或外加應(yīng)力時(shí)，磁致伸縮和應(yīng)力相互作用，與此相關(guān)能量稱為磁彈性能。磁彈性能小應(yīng)力方向是易磁化方向。2727/39

8.7磁疇結(jié)構(gòu)磁疇形成根本原因是為了降低退磁能（將鐵磁體分成疇動(dòng)力）。

決定磁疇結(jié)構(gòu)原因有：退磁場(chǎng)能，磁晶各向異性能，磁彈性能以及磁體內(nèi)部結(jié)構(gòu)（尺寸、晶界、應(yīng)力、摻雜、缺點(diǎn)等）等。

作業(yè)題：1、解釋強(qiáng)磁性起源于其自發(fā)磁化？2、鐵磁性和亞鐵磁性分子場(chǎng)理論是什么？3、磁疇形成根本原因是什么？決定磁疇結(jié)構(gòu)原因是什么？2828/39

磁性材料1介紹磁學(xué)把物質(zhì)磁性分抗磁性、順磁性、鐵磁性、亞鐵磁性、反鐵磁性等不一樣磁性。而按原子磁矩排列分為有序排列和無序排列?？勾判院晚槾判晕镔|(zhì)為無序排列，其余為有序排列。如按外磁場(chǎng)作用下物質(zhì)磁行為表現(xiàn)則可分為抗磁、弱磁、和強(qiáng)磁?？勾判晕镔|(zhì)磁化率為-10-5～-10-8，順磁性、反鐵磁性、亞鐵磁性、和鐵磁性物質(zhì)磁化率分別為10-3～10-6，10-3～10-5，1～104，1～106，所以抗磁性物質(zhì)表現(xiàn)為抗磁，順磁性物質(zhì)表現(xiàn)為弱磁，亞鐵磁性和鐵磁性物質(zhì)表現(xiàn)為強(qiáng)磁。2929/39下面介紹磁性材料是指常溫下表現(xiàn)為強(qiáng)磁亞鐵磁性和鐵磁性材料。按不一樣特點(diǎn)又可分為軟磁，硬磁和鐵氧體材料。而代表磁性材料性質(zhì)基本參量是初始磁導(dǎo)率，最大磁導(dǎo)率，矯頑力，剩下磁感應(yīng)強(qiáng)度，最大磁能積等。

２軟磁材料所謂軟磁材料就是矯頑力很低（小于0.8kA/m）磁性材料。亦即當(dāng)材料在磁場(chǎng)中被磁化，取得磁性會(huì)很快全部或大部分喪失。3030/39

特點(diǎn)：矯頑力和磁滯損耗低；電阻率較高，磁通改變時(shí)產(chǎn)生渦流損耗小；高磁導(dǎo)率；高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度。

1）軟磁材料特征

磁導(dǎo)率：普通希望這個(gè)值越高越好

鐵損：是指鐵磁性材料在交變磁場(chǎng)中反覆磁化所消耗功率。鐵損普通由磁滯損耗、渦流損耗和剩下?lián)p耗所組成。鐵磁材料磁化時(shí)，出現(xiàn)磁滯現(xiàn)象，每磁化一周所消耗能量正比于磁滯回線面積，這種能量損失稱為磁滯損耗。3131/39按照電磁感應(yīng)定律，鐵磁體在交變磁場(chǎng)中磁化，材料內(nèi)磁通量發(fā)生改變時(shí)，在磁通周圍會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，因?yàn)殍F是導(dǎo)電物質(zhì)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)在垂直于磁通方向截面上感應(yīng)出閉合渦流電流。剩下磁耗包含馳豫損耗、疇壁共振損耗和自然共振損耗。

飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度：在磁化場(chǎng)足夠強(qiáng)情況下，軟磁材料可能到達(dá)最大磁感應(yīng)強(qiáng)度

剩下磁感應(yīng)強(qiáng)度：軟磁材料經(jīng)一定強(qiáng)度磁場(chǎng)磁化后，再將磁場(chǎng)強(qiáng)度減至零，此時(shí)材料內(nèi)所剩磁感應(yīng)強(qiáng)度。3232/39

2）軟磁材料種類和應(yīng)用

電工用純鐵：是一個(gè)含碳量很低，含鐵量99.95%以上軟鋼。它屬于高飽和材料，有較小矯頑力，主要用于制造電磁鐵鐵芯和磁極，繼電器磁路和各種零件，制造揚(yáng)聲器磁路，電話中振動(dòng)模等。Fe-Si，屬于高飽和材料，主要用各種形式發(fā)電機(jī)，電動(dòng)機(jī)中和變壓器等。45坡莫合金（45%Ni-55%Fe）：含鎳量在30％～90％鎳鐵合金，是由Fe，Ni，Mo，Cr，Cu等元素組成。主要應(yīng)用在電訊工業(yè)、儀表、電子計(jì)算機(jī)和控制系統(tǒng)等領(lǐng)域。3333/39

軟磁鐵氧體：軟磁鐵氧體是鐵氧體材料中一個(gè)，是一個(gè)輕易磁化和退磁鐵氧體，其特點(diǎn)是起始磁導(dǎo)率高，矯頑力小，損耗小，使用頻率可達(dá)高頻或超高頻范圍。軟磁鐵氧體是氧離子和金屬離子組成尖晶石結(jié)構(gòu)氧化物。慣用鎳鋅鐵氧體和錳鋅鐵氧體。主要應(yīng)用于錄音，統(tǒng)計(jì)儀統(tǒng)計(jì)磁頭，變壓器鐵芯等在通訊廣播電視和其它無線電技術(shù)中，比如收音機(jī)天線磁棒等。3434/393硬磁材料硬磁材料是含有強(qiáng)抗退磁能力和高剩下磁感應(yīng)強(qiáng)度強(qiáng)磁材料，又稱永磁材料。表征硬磁材料性能主要參數(shù)是剩下磁感應(yīng)強(qiáng)度、矯頑力和最大磁能積，三者越高，硬磁性材料越好。

硬磁材料種