第八章材料的磁学性能 主要内容 1材料的磁性概述 2材料的抗磁性与顺磁性理论 材料的铁磁性理论 4材料的磁弹性能 5动态磁化特征 材料的磁性概述 1.1磁性材料发展简历 磁性材料是一簇新兴的基础功能材料。虽然早在3000多年前我国就已发现磁石相互吸引和磁石吸铁的现象,并在 世界上最先发明用磁石作为指示方向和校正时间的应用,在《韩非子》和东汉王充著的《论衡》两书中所提到的“司 南”就是指此,但毕竟只是单一地应用了天然的磁性材料 人类注意于磁性材料的性能特点、制造、应用等的研究、开发的发展历史尚不到100年时间。经过近百年的发 展,磁性材料已经形成了一个庞大的家族,按材料的磁特性来划分,有软磁、永磁、旋磁、记忆磁、压磁等;按材料构 成来划分,有合金磁性材料,铁氧体磁性材料 ◆公元前4世纪,中国发明了司南。后来,出现了指南车。 ◆公元前3世纪,战国时期,>中这样记载:“先王立司南以端朝夕”。中记载:“郑人 取玉,必载司南,为其不惑也”。 ◆公元1世纪,东汉,王充在中写道:“司南之杓,投之于地,其柢指南” ◆公元11世纪,北宋,沈括在> ◆公元18世纪,瑞典科学家在磁学著作中对磁性材料的磁化作了大胆的描绘 ◆公元19世纪,近代物理学大发展,电流的磁效应、电磁感应等相继被发现和研究,同时磁性材料的理论出 现,涌现出了象法拉第、安培、韦伯、高斯、奥斯特、麦克丝韦、赫兹等大批现代电磁学大师 ◆20世纪初,法国的外斯提出了著名的磁性物质的分子场假说,奠定了现代磁学的基础 12磁性的基本概念 、磁性的分类 磁介质的磁化 磁介质的分类 顺磁质一, 同向, B>Bo >B0 磁场强度H 如果磁场是由长度为,电流为的圆柱状线圈(N匝)产生的,则 H的单位为A/m
第八章 材料的磁学性能 主要内容 1材料的磁性概述 2材料的抗磁性与顺磁性理论 3材料的铁磁性理论 4材料的磁弹性能 5动态磁化特征 §1. 材料的磁性概述 1.1 磁性材料发展简历 磁性材料是一簇新兴的基础功能材料。虽然早在3000多年前我国就已发现磁石相互吸引和磁石吸铁的现象, 并在 世界上最先发明用磁石作为指示方向和校正时间的应用, 在《韩非子》和东汉王充著的《论衡》两书中所提到的“司 南”就是指此, 但毕竟只是单一地应用了天然的磁性材料。 人类注意于磁性材料的性能特点、制造、应用等的研究、开发的发展历史尚不到100年时间。经过近百年的发 展, 磁性材料已经形成了一个庞大的家族,按材料的磁特性来划分, 有软磁、永磁、旋磁、记忆磁、压磁等; 按材料构 成来划分, 有合金磁性材料, 铁氧体磁性材料。 v 公元前4世纪，中国发明了司南。后来，出现了指南车。 v 公元前3世纪，战国时期，>中这样记载：“先王立司南以端朝夕”。>中记载：“郑人 取玉，必载司南，为其不惑也”。 v 公元1世纪，东汉，王充在>中写道：“司南之杓，投之于地，其柢指南”。 v 公元11世纪，北宋，沈括在>中提到了指南针的制造方法：“方家以磁石磨针锋，则能指南...... 水浮多荡摇，指抓及碗唇上皆可为之，运转尤速，但坚滑易坠，不若缕悬之最善。”同时，他还发现了磁偏 角，即：地球的磁极和地理的南北极不完全重合。 v 公元17世纪，英国的吉尔伯特发表了世界上第一部磁学专著>。 v 公元18世纪，瑞典科学家在磁学著作中对磁性材料的磁化作了大胆的描绘。 v 公元19世纪，近代物理学大发展，电流的磁效应、电磁感应等相继被发现和研究，同时磁性材料的理论出 现，涌现出了象法拉第、安培、韦伯、高斯、奥斯特、麦克丝韦、赫兹等大批现代电磁学大师。 v 20世纪初，法国的外斯提出了著名的磁性物质的分子场假说，奠定了现代磁学的基础。 1.2 磁性的基本概念 一、磁性的分类 磁介质的磁化 磁介质的分类 顺磁质—， 同向， 抗磁质 —， 反向， 铁磁质： 二、磁场强度H 如果磁场是由长度为l，电流为I的圆柱状线圈（N匝）产生的，则 H的单位为A/m
摄电线圆产的划强震通电线圆产生的邮强晨 花真空中产生肉应强度在国体食度中产生的酸应度 三、磁感应强度B ■表示材料在外磁场H的作用下在材料内部的磁通量密度。 B的单位:T或Wb/m2 在真空中,磁感应强度为 n式中μ0为真空磁导率,它是一个普适常数 其值:4π×10-7 单位:H(亨利) 在磁介质中,磁场强度和磁感应强度的关系为口 B=AH n式中的μ为介质的磁导率,是材料的特性常数 u的单位为H/m 除了SI单位制以外,还有一种高斯( Gauss)单位制,当使用高斯单位制时,磁感应强度的表达式为 B=H+4πM 这里,B的单位为高斯G,磁场强度H的单位为奥斯特Oe。磁性常数(真空磁导率)为1,单位是G/OeM是磁极密 度,4πM是磁通线的密度。 1G=10-4T:10.=103/4=79577Am lemu(磁矩)=10-3Am2 1.磁导率的物理意义 表示材料在单位磁场强度的外磁场作用下,材料内部的磁通量密度。是材料的特征常数。 在给定激磁条件下的磁导率复数磁导率的表示方法(串联等效电路) 2有四种表示方法 ①绝对磁导率μ ②相对磁导率r=p0 ③起始磁导率i ④复数磁导 3.在工程中磁导率分为 有效磁导率、永久磁导率、表观磁导率、振幅磁导率、可逆磁导率、切变磁导率、脉冲磁导率、最大磁导率等 4相对磁导率μr 定义:材料的磁导率μ与真空磁导率μQ之比 ur为无量纲的参数
三、磁感应强度B 表示材料在外磁场H的作用下在材料内部的磁通量密度。 B的单位: T 或Wb/m2 在真空中，磁感应强度为 式中μ0为真空磁导率，它是一个普适常数 其值: 4π×10-7 单位: H（亨利）/m。 在磁介质中，磁场强度和磁感应强度的关系为 式中的μ为介质的磁导率，是材料的特性常数。 μ的单位为H/m。 除了SI单位制以外，还有一种高斯（Gauss）单位制，当使用高斯单位制时，磁感应强度的表达式为 这里，B的单位为高斯G，磁场强度H的单位为奥斯特Oe。磁性常数（真空磁导率）为1，单位是G/Oe M是磁极密 度，4πM 是磁通线的密度。 四、磁导率 1.磁导率的物理意义： 表示材料在单位磁场强度的外磁场作用下，材料内部的磁通量密度。是材料的特征常数。 在给定激磁条件下的磁导率 复数磁导率的表示方法（串联等效电路） 2.有四种表示方法： ① 绝对磁导率µ ② 相对磁导率µr= µ /µ0 ③ 起始磁导率µi ④ 复数磁导率µ 3. 在工程中磁导率分为： 有效磁导率、永久磁导率、表观磁导率、振幅磁导率、可逆磁导率、切变磁导率、脉冲磁导率、最大磁导率等 4.相对磁导率μr 定义：材料的磁导率μ与真空磁导率μ0之比。 μr为无量纲的参数
磁化率x与相对磁导率之间的关系 Z=江 五、磁化强度」 定义:在外磁场H的作用下,材料中因磁矩沿外场方向排列而使磁场强化的量度,其值等于单位体积材料中感应的 磁矩大小。单位为A/m,与磁场强度H单位一致 一M的大小与外磁场强度成正比 B=μo(M+H)=uouH M=H=(μr-1)HX:磁化率 13磁性的起源 磁源于电:环形电流周围的磁场,符合右螺旋法则,其磁矩定义为 m=n m-载流线圈的磁 I-载流线圈通过的电流 S载流线圈的面积 n-载流线圈平面的法线方向上的单位矢量 产生磁矩的原因 轨道磁矩 电子围绕原子核的轨道运动,产生一个非常小的磁场,形成一个沿旋转轴方向的磁矩,即轨道磁矩 旋磁矩 每个电子本身有自旋运动产生一个沿自旋轴方向的磁矩,即自旋磁矩 Magnetic Magnet moment moment Electron Electron Atomic Direction Orbital 轨道磁矩 自旋磁矩 三、最基本磁矩-玻尔磁子 最基本磁矩:Bohr磁子( magneton)μB 4==927x104Am2 原子中每个电子的自旋磁矩为 士μB(+为自旋向上,为自旋向下) 軌道磁矩大小则为:miμB(mi为磁量子数) 四原子中每个电子都可以看作是一个小磁体,具有永久的轨道磁矩和自旋磁矩。 一个原子的净磁矩是所有电子磁矩的相互作用的矢量和,又称为本征磁矩或固有磁矩 电子对的轨道磁矩相互对消,自旋磁矩也可能相互对消,所以当原子电子层或次层完全填滿:磁矩为零如 He,Ne,Ar以及某些离子材料 本节小结: ■磁感应强度B、磁场强度H、磁化强度M等几个概念的关系 磁导率的概念 磁性的来源:轨道磁矩与自旋磁矩 玻尔磁子、净磁矩 §2.物质的各类磁性 抗磁性:没有固有原子磁矩 2.顺磁性:有固有磁矩,没有相互作用 3.铁磁性:有固有磁矩,直接交换相互作用 4.反铁磁性:有磁矩,直接交换相互作用 5.亚铁磁性:有磁矩,间接交换相互作用 6.自旋玻璃和混磁性:有磁矩,RKKY相互作用 7.超顺磁性:磁性颗粒的磁晶各向异性与热激发的竞争 每一种材料至少表现出其中一种磁性,这取决于材料的成分和结构
磁化率χ与相对磁导率之间的关系 五、磁化强度M 定义：在外磁场H的作用下，材料中因磁矩沿外场方向排列而使磁场强化的量度，其值等于单位体积材料中感应的 磁矩大小。单位为A/m，与磁场强度H单位一致。 1.3 磁性的起源 一、磁矩 磁源于电：环形电流周围的磁场，符合右螺旋法则，其磁矩定义为 m – 载流线圈的磁矩 I - 载流线圈通过的电流 S - 载流线圈的面积 n - 载流线圈平面的法线方向上的单位矢量 二、产生磁矩的原因 轨道磁矩 电子围绕原子核的轨道运动，产生一个非常小的磁场，形成一个沿旋转轴方向的磁矩，即轨道磁矩。 自旋磁矩 每个电子本身有自旋运动产生一个沿自旋轴方向的磁矩，即自旋磁矩 Orbital Spin 轨道磁矩 自旋磁矩 三、最基本磁矩 - 玻尔磁子 最基本磁矩：Bohr磁子（magneton）μB 原子中每个电子的自旋磁矩为： ±μB（+为自旋向上，-为自旋向下） 軌道磁矩大小则为：miμB（mi为磁量子数） 四、原子磁矩：为原子中各电子磁矩总和 原子中每个电子都可以看作是一个小磁体，具有永久的轨道磁矩和自旋磁矩。 一个原子的净磁矩是所有电子磁矩的相互作用的矢量和，又称为本征磁矩或固有磁矩。 电子对的轨道磁矩相互对消，自旋磁矩也可能相互对消，所以当原子电子层或次层完全填滿：磁矩为零如 He, Ne, Ar以及某些离子材料。 本节小结： 磁感应强度B 、磁场强度H 、磁化强度M 等几个概念的关系 磁导率的概念 磁性的来源：轨道磁矩与自旋磁矩 玻尔磁子、净磁矩 §2. 物质的各类磁性 1. 抗磁性：没有固有原子磁矩 2. 顺磁性：有固有磁矩，没有相互作用 3. 铁磁性：有固有磁矩，直接交换相互作用 4. 反铁磁性：有磁矩，直接交换相互作用 5. 亚铁磁性：有磁矩，间接交换相互作用 6. 自旋玻璃和混磁性：有磁矩，RKKY相互作用 7. 超顺磁性：磁性颗粒的磁晶各向异性与热激发的竞争 每一种材料至少表现出其中一种磁性，这取决于材料的成分和结构
2.1抗磁性 、定义 皮任的磁场使子纳越 道运动发生变化而引起的,方向与外磁场相反的一种磁性。它是一种很弱的、非永 原子的本征磁矩为零,外磁场作用使电子的轨道运动发生变化而引起的 ■所感应的磁矩很小,方向与外磁场相反,即磁化强度M为很小的负值。 ■相对磁导率μr1,磁 化率为正值。 磁化率x>0,也很小,只有10-5~10-2。 抗磁体和顺磁体对于磁性材料应用来说都视为无磁性 它们只有在外磁场存在下才被磁化,且磁化率极小。 23铁磁性 有些磁性材料在外磁场作用下产生很强的磁化强度 外磁场除去后仍保持相当大的永久磁性,这种磁性称为 铁磁性。 过渡金属铁、钴、镍和某些稀土金属如钆、钇、钐、铕 等都具有铁磁性。 ■此材料的磁化率可高达103,M>H B≈μoM 取决于两 (1)原子是否具有由未成对电子,即自旋磁矩贡献的净磁矩(本征磁矩) (2)原子在晶格中的排列方式 24反铁磁性 在有些材料中,相邻原子或离子的磁矩呈反方向平行排列,结果总磁矩为零,叫反铁磁性。反铁磁性物质有某些 申以氧化锰(MnO)为例,它是离子型陶瓷材料,由Mn2+和O2-离子组成 O2-离子没有净磁矩,因为其电子的自旋磁矩和轨道磁矩全都对消了 Mn2+离子有未成对3d电子贡献的净磁矩 申在MnO晶体结构中,相邻Mn2+离子的磁矩都成反向平行排列,结果磁矩相互对消,整个固体材料的总磁 矩为零 2.5亚铁磁性 以立方铁氧体为例说明亚铁磁性的本质 铁氧体的用化学式MFe204,其中的M为某种金属元素 磁铁矿Fe3O4就是一种亚铁磁体 Fe3O4可以写成Fe2+O2-(Fe3+)2(O2-)3 其中二价铁离子和三价铁离子的比例为12 每个Fe2+和Fe3+都具有净自旋磁矩,分别为4和5 ■O2-是无磁矩的 §3抗磁性与顺磁性理论 3.1抗磁性理论 3.2顺磁性理论 1905年郎之万在经典统计理论基础上首先给出了第一个顺磁性理论,其理论要点如下 ■设顺磁物质中每个原子(或磁离子)的固有磁矩为,而且原子之间没有相 互作用 场H=0,各原子磁矩受热扰动的影响,在平衡态时,其方向是无规分 布的,所以体系的总磁矩M=0 ■外加磁场H时,原子磁矩趋近于磁场H方向,磁化强度正比与外磁场。 3.2顺磁性理论 设第i个原子的磁矩为,单位体积内个N原子,外加磁场为H,则根据经
2.1 抗磁性 一、定义 由于外磁场使电子的轨道运动发生变化而引起的，方向与外磁场相反的一种磁性。它是一种很弱的、非永 久性的磁性，只有在外磁场存在时才能维持。 原子的本征磁矩为零，外磁场作用使电子的轨道运动发生变化而引起的。 二、特征： 所感应的磁矩很小，方向与外磁场相反，即磁化强度M为很小的负值。 相对磁导率μr ＜1，磁化率χ ＜0（为负值）。 在抗磁体内部的磁感应强度B比真空中的小。抗磁体的磁化率χ约为-10-5数量级。 所有材料都有抗磁性。因为它很弱，只有当其它类型的磁性完全消失时才能被观察。 如Bi,Cu,Ag,Au 2.2 顺磁性 一、定义： 有些固体的原子具有本征磁矩； 无外磁场作用时，材料中的原子磁矩无序排列，材料表现不出宏观磁性； 受外磁场作用时，原子磁矩能通过旋转而沿外场方向择优取向，表现出宏观磁性，这种磁性称为顺磁性。 二、特征： 在此材料中，原子磁矩沿外磁场方向排列，磁场强度获得增强，磁化强度为正值，相对磁导率μr ＞1，磁 化率为正值。 磁化率χ＞0，也很小，只有10-5～10-2。 抗磁体和顺磁体对于磁性材料应用来说都视为无磁性。 它们只有在外磁场存在下才被磁化，且磁化率极小。 2.3 铁磁性 有些磁性材料在外磁场作用下产生很强的磁化强度。 外磁场除去后仍保持相当大的永久磁性，这种磁性称为 铁磁性。 过渡金属铁、钴、镍和某些稀土金属如钆、钇、钐、铕 等都具有铁磁性。 此材料的磁化率可高达103，M>>H 材料是否具有铁磁性取决于两个因素： (1)原子是否具有由未成对电子，即自旋磁矩贡献的净磁矩(本征磁矩) (2)原子在晶格中的排列方式 2.4 反铁磁性 在有些材料中，相邻原子或离子的磁矩呈反方向平行排列，结果总磁矩为零，叫反铁磁性。反铁磁性物质有某些 金属如Mn，Cr等，某些陶瓷如MnO，NiO等以及某些铁氧体如ZnFe2O4等。 以氧化锰(MnO)为例，它是离子型陶瓷材料，由Mn2+和O2-离子组成 O2-离子没有净磁矩，因为其电子的自旋磁矩和轨道磁矩全都对消了； Mn2+离子有未成对3d 电子贡献的净磁矩 在MnO晶体结构中，相邻Mn2+离子的磁矩都成反向平行排列，结果磁矩相互对消，整个固体材料的总磁 矩为零 2.5 亚铁磁性 以立方铁氧体为例说明亚铁磁性的本质 立方铁氧体的用化学式MFe2O4，其中的M为某种金属元素 磁铁矿Fe3O4就是一种亚铁磁体 Fe3O4可以写成Fe2+O2--(Fe3+)2(O2-)3 其中二价铁离子和三价铁离子的比例为1:2 每个Fe2+和Fe3+都具有净自旋磁矩，分别为4和5 O2-是无磁矩的 §3.抗磁性与顺磁性理论 3.1 抗磁性理论 3.2 顺磁性理论 1905年郎之万在经典统计理论基础上,首先给出了第一个顺磁性理论,其理论要点如下: 设顺磁物质中每个原子(或磁离子)的固有磁矩为，而且原子之间没有相 互作用； 当外磁场H=0,各原子磁矩受热扰动的影响,在平衡态时，其方向是无规分 布的，所以体系的总磁矩M=0； 外加磁场H时，原子磁矩趋近于磁场H方向，磁化强度正比与外磁场。 3.2 顺磁性理论 设第i个原子的磁矩为，单位体积内个N原子，外加磁场为H，则根据经
典统计理论可推导出磁化强度与磁场强度、温度的关系式为 NA, L(a 中 L(a H k,T 上式即为顺磁性朗之万方程 (1)高温情况: 在高温下,kBT》山H,所以a“1 M H=-H 式中C为居里常数, 顺磁材料的居里定律 N 根据ⅹ-T实验曲线斜率的倒数,便可从实验上测出居里常数,再代入居里常 数的定义式,就得到每个原子磁矩的大小 (2)低温情况下或在磁场非常强的条件下 这时,μH》kT,即a 因而得到:M=NuJ=Ms(饱和磁化强度) 郎之万最早从理论上推导出居里定律,他开创了从微观出发,用统计方法研究物质磁性的道路。 口然而,他的理论没有考虑到磁矩在空间的量子化,因而与实验结果相比,在定量上有较大的差别 §4.铁磁性理论 4.1铁磁性 铁磁性材料的决定因素 B>B0,B>>B0,H1>>1 B A, 是常教,随而变 有剩磁现象 有居里温度() 7学质顺磁质 F T=1040K r=631K 材料是否具有自发磁化形成磁畴的倾向与晶格中原子间距与它的3d轨道直径之比有关。 ■比值在14~27之间的材料,如铁、钴、镍等有形成磁畴的倾向,是铁 磁性材料。 ■比值在14~27之外的材料,如锰、铬等虽然也有未成对的3d电子贡献 的净磁矩,但由于没有自发磁化形成磁畴的倾向,故成为非铁磁性材料 铁磁性材所能达到的最大磁化强度叫做饱和磁化强度,用Ms表示。 、铁磁性材料的居里温度 付于所有的磁性材料来说,并不是在任何温度下都具有磁性
典统计理论可推导出磁化强度与磁场强度、温度的关系式为 上式即为顺磁性朗之万方程。 （1）高温情况： 在高温下，kBT » μJ·H，所以α « 1 式中C为居里常数， 顺磁材料的居里定律： 根据χ-T实验曲线斜率的倒数，便可从实验上测出居里常数,再代入居里常 数的定义式，就得到每个原子磁矩的大小。 （2） 低温情况下或在磁场非常强的条件下 这时，μH » kT，即α » 1 L （α）=0 因而得到：M=N· μJ=Ms （饱和磁化强度） 郎之万最早从理论上推导出居里定律，他开创了从微观出发，用统计方法研究物质磁性的道路。 然而，他的理论没有考虑到磁矩在空间的量子化，因而与实验结果相比，在定量上有较大的差别。 §4. 铁磁性理论 4.1 铁磁性 一、铁磁性材料的决定因素 不是常数， 随 而变 有剩磁现象 有居里温度（ ） ，铁磁质顺磁质 材料是否具有自发磁化形成磁畴的倾向与晶格中原子间距与它的3d轨道直径之比有关。 比值在1.4～2.7之间的材料，如铁、钴、镍等有形成磁畴的倾向，是铁 磁性材料。 比值在1.4～2.7之外的材料，如锰、铬等虽然也有未成对的3d电子贡献 的净磁矩，但由于没有自发磁化形成磁畴的倾向，故成为非铁磁性材料。 铁磁性材所能达到的最大磁化强度叫做饱和磁化强度，用Ms表示。 二、铁磁性材料的居里温度 对于所有的磁性材料来说，并不是在任何温度下都具有磁性
一般地,磁性材料具有一个临界温度Tc,在这个温度以上,由于高温下原子的剧烈热运动,原子磁矩的排 列是混乱无序的。在此温度以下,原子磁矩排列整齐,产生自发磁化,物体变成铁磁性或亚铁磁性 所以,居里温度是铁磁体或亚铁磁体的相变转变点 铁磁体的居里温度应用实例 利用这个特点,人们开发出了很多控制元件 例如 使用的电饭锅就利用了磁性材料的居里点的特性。在电饭锅的底部中央装了一块磁铁和一块居 里点为105度的磁性材料。当锅里的水分干了以后,食品的温度将从100度上升。当温度到达大约105度时, 由于被磁铁吸住的磁性材料的磁性消失,磁铁就对它失去了吸力,这时磁铁和磁性材料之间的弹簧就会把 它们分开,同时带动电源开关被断开,停止加热 三、磁畴 日题铁那释整是排院相的同区域 个小区域,每个区域内包含大量原子,这些原子的磁矩都象一个个小 之间原子磁矩排列的方向不同 各个磁畴之间的交界面称为磁畴壁 誾宏观物体一般总是具有很多磁畴,这样,磁畴的磁矩方向各不相同,结果相互抵消,矢量和为零,整个物 体的磁矩为零,它也就不能吸引其它磁性材料。 誾也就是说磁性材料在正常情况下并不对外显示磁性。只有当磁性材料被磁化以后,它才能对外显示出磁 任何铁磁体和亚铁磁体,在温度低于居里温度Tc时,都是由磁畴组成的。 誾磁畴是自发磁化到饱和(即其中的磁矩均朝一个方向排列)的小区域ε 相邻磁畴之间的界线叫磁畴壁 有一定厚度的过渡层,在过渡层中磁矩方向逐渐改变。 个 里 铁碳体工豆饭磁体中的磁示定图 既然磁畴内部的磁矩排列是整齐的,那么在磁畴壁处原子磁矩又是怎样排列的呢? 在畴壁的一侧,原子磁矩指向某个方向,假设在畤壁的另一侧原子磁矩方向相反。那么,在畴壁内部,原 子磁矩必须成某种形式的过渡状态。 实际上,畴壁由很多层原子组成。为了实现磁矩的转向, 侧开始,每一层原子的磁矩都相对于磁 的磁矩方向偏转 度,并且每一层的原子磁矩偏转角度逐渐增大,到另一侧时,磁矩已经完全转到 和这一侧磁畴的磁矩相同的方向 磁畴的线尺寸:通常约为01~001cm 对于多晶体 @可能其中的每一个晶粒都是由一个以上的磁畴组成的 ⑨因此一块宏观的样品包含许许多多个磁畴 @每一个磁畴都有特定的磁化方向 ⑨整块样品的磁化强度则是所有磁畴磁化强度的向量和 驶中方距康皇化的示图 在一块不经外磁场磁化的样品中、磁畴的取向是无序的,故磁畴的向量之和为零,因此,整块磁体对外不显示磁 42铁磁体的磁化曲线 、磁化曲线的实验测定 1.装置:环形螺绕环;铁磁 Fe Con及稀钍族元素的化合物,能被强烈地磁化。 2原理:励磁电流l;用安培定理得H
一般地，磁性材料具有一个临界温度Tc，在这个温度以上，由于高温下原子的剧烈热运动，原子磁矩的排 列是混乱无序的。在此温度以下，原子磁矩排列整齐，产生自发磁化，物体变成铁磁性或亚铁磁性。 所以，居里温度 是铁磁体或亚铁磁体的相变转变点， 铁磁体的居里温度 - 应用实例 利用这个特点，人们开发出了很多控制元件。 例如，我们使用的电饭锅就利用了磁性材料的居里点的特性。在电饭锅的底部中央装了一块磁铁和一块居 里点为105度的磁性材料。当锅里的水分干了以后，食品的温度将从100度上升。当温度到达大约105度时， 由于被磁铁吸住的磁性材料的磁性消失，磁铁就对它失去了吸力，这时磁铁和磁性材料之间的弹簧就会把 它们分开，同时带动电源开关被断开，停止加热。 三、磁畴 所谓磁畴，是指磁性材料内部的一个个小区域，每个区域内包含大量原子，这些原子的磁矩都象一个个小 磁铁那样整齐排列，但相邻的不同区域之间原子磁矩排列的方向不同。 各个磁畴之间的交界面称为磁畴壁。 宏观物体一般总是具有很多磁畴，这样，磁畴的磁矩方向各不相同，结果相互抵消，矢量和为零，整个物 体的磁矩为零，它也就不能吸引其它磁性材料。 也就是说磁性材料在正常情况下并不对外显示磁性。只有当磁性材料被磁化以后，它才能对外显示出磁 性。 任何铁磁体和亚铁磁体，在温度低于居里温度Tc时，都是由磁畴组成的。 磁畴是自发磁化到饱和（即其中的磁矩均朝一个方向排列）的小区域。 相邻磁畴之间的界线叫磁畴壁 磁畴壁是一个有一定厚度的过渡层，在过渡层中磁矩方向逐渐改变。 既然磁畴内部的磁矩排列是整齐的，那么在磁畴壁处原子磁矩又是怎样排列的呢？ 在畴壁的一侧，原子磁矩指向某个方向，假设在畴壁的另一侧原子磁矩方向相反。那么，在畴壁内部，原 子磁矩必须成某种形式的过渡状态。 实际上，畴壁由很多层原子组成。为了实现磁矩的转向，从一侧开始，每一层原子的磁矩都相对于磁畴中 的磁矩方向偏转了一个角度，并且每一层的原子磁矩偏转角度逐渐增大，到另一侧时，磁矩已经完全转到 和这一侧磁畴的磁矩相同的方向。 磁畴的线尺寸：通常约为0.1～0.01cm 对于多晶体 可能其中的每一个晶粒都是由一个以上的磁畴组成的； 因此一块宏观的样品包含许许多多个磁畴； 每一个磁畴都有特定的磁化方向； 整块样品的磁化强度则是所有磁畴磁化强度的向量和 在一块不经外磁场磁化的样品中、磁畴的取向是无序的，故磁畴的向量之和为零，因此，整块磁体对外不显示磁 性。 4.2 铁磁体的磁化曲线 一、磁化曲线的实验测定 1.装置：环形螺绕环; 铁磁Fe,Co,Ni及稀钍族元素的化合物，能被强烈地磁化。 2.原理：励磁电流 I; 用安培定理得H
实验测量B,如用感应电动势测量或用小线圈在缝口处测量 出曲线 当数场变一个周期时,铁融构部的磁场变化曲线如图所示 B 3.磁化曲线的三种 M=B曲线B-B曲线”-曲线 磁化曲线与磁畴的关系 铁磁与亚铁磁B-H曲线 (亚)铁磁体磁化时,磁化强度M(B)与磁场强度H间不是简单的线性比例关系;磁化强度M(B)随H的变化如右图 所示(假设样品在一开始已经退磁化 H増加,磁域界移动,磁域逐渐改变,磁矩方向转向,渐与磁场平行,单一磁域(饱和磁化) Fteaur 21.1: The H-versus-H behavior ⊙9 saturatio du indicated (Adapted from O H wyatt an D Dew.Hughes. Melal, Ceramics end Polymers, Cambridge Universty Press. 1974) MB)与H的变化关系 开始M的增加比较缓慢 后来增加较快 最后达到Ms(饱和磁化强度) 纵坐标改为磁感应强度B,则对应于平衡值Ms的磁感应强度值称为饱和磁感应强度(Bs) 磁导率μ随H的变化 ↓磁导率μ是B-H曲线上的斜率 起麴导率是性构斜相能指之磁导率 磁化状态下的磁体中的静磁能量
实验测量B,如用感应电动势测量或用小线圈在缝口处测量； 由 得出 曲线。 当外磁场变化一个周期时，铁磁质内部的磁场变化曲线如图所示 3. 磁化曲线的三种形式 二、磁化曲线与磁畴的关系 铁磁与亚铁磁B-H曲线 （亚）铁磁体磁化时，磁化强度M(B)与磁场强度H间不是简单的线性比例关系；磁化强度M(B)随H的变化如右图 所示(假设样品在一开始已经退磁化)。 H增加，磁域界移动，磁域逐渐改变，磁矩方向转向，渐与磁场平行，单一磁域（饱和磁化） M(B)与H的变化关系 开始M的增加比较缓慢 后来增加较快 最后达到Ms(饱和磁化强度) 纵坐标改为磁感应强度B，则对应于平衡值Ms的磁感应强度值称为饱和磁感应强度(Bs ） 磁导率μ随H的变化 磁导率μ是B-H曲线上的斜率 在B-H曲线上，当H→0时的斜率称为初（起）始磁导率µi 初（起）始磁导率是磁性材料的重要性能指标之一 磁化状态下的磁体中的静磁能量
磁场作用能量 FH=-μoM·H 磁体受到外磁场作用所具有的磁场能量密度。 磁畴与技术磁化理论中经常用到。 退磁场能量 F,--5,dM=HoNM2 N为退磁因子,H为退磁场 三、磁滞回线 样品磁化到饱和点之后,慢慢地减小H,则M也减小。这个过程叫退磁化过程。M(B)的变化并不是按磁化曲线 的原路程退回,而是按另一条曲线变化 退磁过程中B H减小到零时, 的变化落后 磁磁化区域 =B2称为剩 于H的变化 感应强度 ,M.这种现象称 称剩磁) 为磁污现象 转动磁化为主的趋近饱和磁化区域 材料在无 其本质是磁 磁场时仍保 畴壁在运动 了一定程度 中受到阻力 不可逆磁化区域 果要使B=0, 当反向H继续增加时,最后又 可以达到反向饱和点 向磁场民 再沿正方向增加H,则又通过 称为轿顽力 另一条途径达到正向饱和点 在交变磁场的每一周内,BH 起始磁化区城 曲线构成一个封闭回路,这个 磁性材料的磁滞回线回路曲线称为磁污回线 磁性材料的磁化曲线 少,铁磁质中的磁场增加的速度变慢,最后外磁场再增加,介质内 的磁切也个云增加,燃赝达吧 ■饱和磁化强度MS等于每个磁畴中原来的磁化强度,该值很大,这就是铁磁质磁性μ大的原因 磁滞现象是由于掺杂和内应力等的作用,当撤掉外磁场时磁畴的畴壁很难恢复到原来的形状,而表现出 磁滞损耗与最大磁能积 磁滞回线所包围的面积表征一个磁化周期内,以热的形式所消耗的功 (J/m3)。最大的磁能积 BH)max 它是磁滞回线在第二象限内磁感应强度和磁场强度乘积的最大值。 三、磁化程度 ■磁化,未必一定要磁化到饱和后才改变外磁场方向 在右图中,封闭曲线即是未达到饱和时的磁滞回线。也可以在将材料磁化到任何一点时开始改变外磁场的 方向,产生其它形式的滋滞回线,如右图中的封闭曲线LM。 誾如果要将已磁化的铁磁体或亚铁磁体去磁,有效方法之一是使之经受一个振幅逐渐减小的交变磁场的作 用 不同形式的磁浦回线 四、退磁方法 (1)加热法 铁磁质的温度升高到某一温度时,磁性消失,由铁磁质变为顺磁质,该温度为居里温度tc。当温度低 于tc时,又由顺磁质转变为铁磁质 铁的居里温度T=770°C 30%的坡莫合金居里温度Tc=70oC
三、磁滞回线 样品磁化到饱和点之后，慢慢地减小H，则M也减小。这个过程叫退磁化过程。M(B)的变化并不是按磁化曲线 的原路程退回，而是按另一条曲线变化。 4.3 铁磁体的磁化机制 随着外磁场增加，能够提供转向的磁畴越来越少，铁磁质中的磁场增加的速度变慢，最后外磁场再增加，介质内 的磁场也不会增加，铁磁质达到磁饱和状态 饱和磁化强度MS等于每个磁畴中原来的磁化强度，该值很大，这就是铁磁质磁性mr大的原因。 磁滞现象是由于掺杂和内应力等的作用，当撤掉外磁场时磁畴的畴壁很难恢复到原来的形状，而表现出 来。 二、磁滞损耗与最大磁能积 磁滞损耗 § 磁滞回线所包围的面积表征一个磁化周期内，以热的形式所消耗的功 (J/m3)。最大的磁能积 § (BH)max § 它是磁滞回线在第二象限内磁感应强度和磁场强度乘积的最大值。 三、磁化程度 磁化，未必一定要磁化到饱和后才改变外磁场方向。 在右图中，封闭曲线即是未达到饱和时的磁滞回线。也可以在将材料磁化到任何一点时开始改变外磁场的 方向，产生其它形式的滋滞回线，如右图中的封闭曲线LM。 如果要将已磁化的铁磁体或亚铁磁体去磁，有效方法之一是使之经受一个振幅逐渐减小的交变磁场的作 用。 四、退磁方法 (1)加热法 当铁磁质的温度升高到某一温度时，磁性消失，由铁磁质变为顺磁质，该温度为居里温度 tc 。当温度低 于 tc 时，又由顺磁质转变为铁磁质。 铁的居里温度 Tc = 770°C 30%的坡莫合金居里温度 Tc = 70oC
原因:由于加热使磁介质中的分子、原子的振动加剧,提供了磁畴转向的能量,使铁磁质失去磁性 (2)敲击法:通过振动可提供磁畴转向的能量,使介质失去磁性。如敲击永久磁铁会使磁铁磁性减小、 (3)加反向磁场法:加反向磁场,提供一个矫顽力He,使铁磁质退磁。 (4)加交变衰减的磁场:使介质中的磁场逐渐衰减为0,应用在录音机中的交流抹音磁头中 44铁磁材料分类 软磁材料主要应用 制造磁导体,变压器、继电器的磁芯(铁芯)、电动机转子和定子、磁路中的连接元件、磁极头、磁屏蔽材料、感 应圈铁芯、电子计算机开关元件和存储元件等 软磁材料的应用要求 要求软磁材料的电阻率比较高因为使用中除上述磁滞能量损失之外,还可能因磁场变化在磁性材料中产生电流 涡流)而造成能量损失 尽量减少后一种能量损失,要求磁性材料的电阻率较高,因此常用固溶体合金(如 铁-硅、铁-镍合金)和陶瓷铁氧体作软磁材料 几稈常用软矿料的性能 初相对 材料 组成/《%》 每的送滑 磁导率 耗/(n3(am) 工业纯佚 99.95Fe 2.14 270 t.0×10-7 铁碰合金《定向 97Fe. 3s 140 2.01 4.7×10·7 45拟其合金 55Fe 45N 250 1.6 4.5×10 超耐热不愣|75 Nt ISFe,5MQ.sMn500 98 6.0×10- 立方铁氧体(A4MFc2O,2ae4 9.33 立太钦氧体(B)3NFeO6 anFo 铁基非是迹白业 Fes CoDuS 1310 初始礼对 材料 以双/(% 磁导率 BVT 耗ma(m) 铁镍拿品态合金 200,0,2T FeaNi:o Mo, Be 160x103 c非晶添合金 ConNlhFeMD B2s 20kFr 0.27 0.72 135x10 43mw/cr 尖晶石型 石榴石型 按材料结构〈磁铅石型 钙钛矿型 钛铁矿型 钨青铜型 尖晶石铁氧体 属立方晶系,化学式为Fe3+(Fe2+M2+)O4 ●磁铅石铁氧体: 属六方晶系,与反尖晶石类似,AB12O19表示。 最普通的六方铁氧体: PbFel2O19和BaFe2O19 ●石榴石型铁氧体的结构 属立方晶系 化学一般式可写为M3Fe5O12,其中M代表稀土离子,如:衫、铕、钆或钇等
原因：由于加热使磁介质中的分子、原子的振动加剧，提供了磁畴转向的能量，使铁磁质失去磁性。 (2)敲击法：通过振动可提供磁畴转向的能量，使介质失去磁性。如敲击永久磁铁会使磁铁磁性减小。 (3)加反向磁场法：加反向磁场，提供一个矫顽力Hc ,使铁磁质退磁。 (4)加交变衰减的磁场：使介质中的磁场逐渐衰减为0 ，应用在录音机中的交流抹音磁头中。 4.4 铁磁材料分类 软磁材料主要应用 制造磁导体，变压器、继电器的磁芯(铁芯)、电动机转子和定子、磁路中的连接元件、磁极头、磁屏蔽材料、感 应圈铁芯、电子计算机开关元件和存储元件等。 软磁材料的应用要求 要求软磁材料的电阻率比较高因为使用中除上述磁滞能量损失之外，还可能因磁场变化在磁性材料中产生电流 （涡流）而造成能量损失。为了尽量减少后一种能量损失，要求磁性材料的电阻率较高，因此常用固溶体合金（如 铁-硅、铁-镍合金）和陶瓷铁氧体作软磁材料。 尖晶石铁氧体： 属立方晶系，化学式为Fe3+(Fe2+M2+)O4 磁铅石铁氧体： 属六方晶系，与反尖晶石类似，AB12O19表示。 最普通的六方铁氧体：PbFe12O19和BaFe12O19 石榴石型铁氧体的结构 属立方晶系 化学一般式可写为M3Fe5O12，其中M代表稀土离子，如：衫、铕、钆或钇等
三种品型敏体综合比较 类别 尖石型 密石 拓榴石型 总系 立方吕系 六方鼎系 立方品系 型分子式 Me MeF Me,,FesCue InFO gn, s FeO. 8a(四面体) 4a(国面体) 24a(四闻体 离子分布 16d八商体 18d(八面体 16d(八面体) 72个缺位 2c(六面体) 24c(12面体 有缺位 没有缺惶 h格常数 0.82-0.87 0.58-0 0.227-1.288 0.82-0.87 2.308.41 1.227-1.288 相对分子盾量 200-298 1112~3622 密度(g/cm3) 4.5-5.8 5.28-5.39 5.169~7.148 主要用逸 软磁 硬磁及甚频软磁 做器件