磁性和磁性材料課件

磁性和磁性材料磁性和磁性材料1主要參考書：(1)嚴(yán)密彭曉領(lǐng)編著，磁性基礎(chǔ)與磁性材料，浙江大學(xué)出版社，2006年出版.(2)姜壽亭李衛(wèi)編著，凝聚態(tài)磁性物理，科學(xué)出版社，2003年出版.(3)(美)R.C.奧漢德利著,現(xiàn)代磁性材料原理和應(yīng)用,化學(xué)工業(yè)出版社,2002年出版.主要參考書：2一磁學(xué)基礎(chǔ)知識－描述物質(zhì)磁性的一些主要物理量、材料的磁化過程、物質(zhì)磁性和磁性材料的分類.1.1靜磁現(xiàn)象

(1)磁矩磁鐵可以吸引鐵屑－周圍空間存在磁場－磁場可用磁力線來形象地描述－磁力線從N極到S極形成閉合曲線,且永不相交.通電導(dǎo)線也產(chǎn)生磁場－小磁體的磁場相當(dāng)于小的平面電流回路產(chǎn)生的磁場－平面電流回路的電流和回路面積的乘積稱為磁矩:－適用于原子中電子軌道運動

是矢量－右手螺旋一磁學(xué)基礎(chǔ)知識－描述物質(zhì)磁性的一些主要物理量、材料的磁化過3(2)磁化強度

(3)磁場強度

和磁感應(yīng)強度

I－描寫物質(zhì)磁化狀態(tài)－按安培分子環(huán)流假設(shè)，設(shè)分子磁矩為,磁化強度

定義為－描述磁場的兩個參量是磁場強度

和磁感應(yīng)強度

，的單位．常見的電流磁場有:無限長載流導(dǎo)線的磁場：方向－右手螺旋(2)磁化強度(3)磁場強度和磁感應(yīng)強度4載流環(huán)形線圈圓心處的磁場：無限長螺線管的磁場I在某些情況下,確定磁場效應(yīng)的是磁感應(yīng)強度B,定義為在真空中,

,

與

平行,在磁體不是.上述量均為國際單位制(SI),文獻(xiàn)中常采用高斯單位制(CGS).在CGS制中,

的單位是奧斯特(Oe)，

的單位是高斯(Gs),表為載流環(huán)形線圈圓心處的磁場：無限長螺線管的磁場I在某些情況下,5（4）磁化率和磁導(dǎo)率定義磁導(dǎo)率μ為(2)最大磁導(dǎo)率H→0時磁導(dǎo)率的極限值,弱磁場下重要參數(shù).(1)起始磁導(dǎo)率－磁導(dǎo)率是表征磁性材料的磁性、導(dǎo)磁性及磁化難易程度的物理量,是磁場的函數(shù)．根據(jù)磁化條件不同，材料的磁導(dǎo)率有：由此可將磁感應(yīng)強度

寫作磁場中的磁體的磁化強度

與磁場強度

的關(guān)系為稱為磁體的磁化率．(3)復(fù)磁導(dǎo)率在交變磁場中磁化時B與H間存在位相差，磁導(dǎo)率只能用復(fù)數(shù)表示.（4）磁化率和磁導(dǎo)率定義磁導(dǎo)率μ為(2)最大磁導(dǎo)率H→0時6(6)微分磁導(dǎo)率起始磁化曲線上任一點的斜率.(7)不可逆磁導(dǎo)率描述不可逆磁化性質(zhì)．連接原點O與起始磁化曲線上任一點的直線的斜率稱為總磁導(dǎo)率μtot

.ΔHHΔBμiμmaxBOHμμtotμrevμmaxμdiffO(4)增量磁導(dǎo)率在恒定磁場上疊加一個小交變磁場所表現(xiàn)出來的磁導(dǎo)率，ΔB和ΔH為交變磁感應(yīng)強度和磁場強度的峰值。(5)可逆磁導(dǎo)率增量磁導(dǎo)率在ΔH→0時的極限值.(6)微分磁導(dǎo)率起始磁化曲線上任一點的斜率.(7)不可逆磁導(dǎo)7（5）退磁場N稱為退磁因子,取決于材料的形狀.－如沿長軸磁化樣品，細(xì)長的N≈0,短粗的N很大.一般樣品在0－1之間.zxy可以證明,橢球體的三個主軸方向退磁因子間存在如下簡單關(guān)系:對球體，對沿垂直于表面磁化的無限大平板，Nx=Ny=0,Nz=1對退磁因子大的樣品，磁化需要很高的外加磁場：例如磁化一個Hc=2A·m-1的坡莫合金球，使其Ms=9×105A·m-1,退磁場將達(dá)Hd=(1/3)×9×105=3×105A·m-1即外磁場是矯頑力的105倍。材料在外磁場中磁化時，在內(nèi)部將產(chǎn)生一個與其磁化強度

反向的磁場

,稱為退磁場:對沿長軸方向磁化的細(xì)長圓柱體,Nz=0,（5）退磁場N稱為退磁因子,取決于材料的形狀.zxy可以8（6）

靜磁能在外磁場中處于磁化狀態(tài)的磁體具有的能量－靜磁能．－當(dāng)θ=0時能量最低值-μ0MH,是穩(wěn)定狀態(tài)；隨著θ的增大,外力克服磁場作功,能量增大,θ=1800時,能量達(dá)到最大值+μ0MH．磁體中的單個分子環(huán)流在磁場中受到的安培力矩為,磁體單位體積受到的總力矩θ為磁化強度M與磁場H的夾角.M是磁化強度．總力矩大小為當(dāng)磁體轉(zhuǎn)過θ角，外力克服磁場作功此功轉(zhuǎn)化為磁體在磁場中的位能.適當(dāng)選取能量零點,磁體在外場中的能量密度可表為:θ磁體在自身的退磁場中也有位能－退磁場能．用上式計算時須考慮到退磁場強度是M的函數(shù),應(yīng)由積分算得其幅值:－退磁場能與退磁因子Ｎ有關(guān)，即與材料的形狀以及磁化方向有關(guān)－各向異性能．（6）靜磁能在外磁場中處于磁化狀態(tài)的磁體具有的能量－靜磁能91.2材料的磁化（1）磁化曲線－材料對外磁場的響應(yīng)特性由磁化曲線和磁滯回線表征。磁通計N2N1I0磁化曲線的測量實驗測定：環(huán)形樣品，初級線圈N1通電產(chǎn)生磁場樣品磁化，次級線圈N2接磁通計測量磁通，可得B~H曲線；根據(jù)可畫出M～H曲線。例，鋁鎳鈷的起始磁化曲線：M～H曲線飽和（飽和磁化強度Ms），B~H曲線不飽和。BM鋁鎳鈷的磁化曲線1.2材料的磁化（1）磁化曲線－材料對外磁場的響應(yīng)特性由10（2）磁滯回線BHMBr,Mr-MHc-BHcO材料的磁滯回線-HsBHHsHcOBsBr-Br-Bs-Hc材料的磁化曲線和磁滯回線飽和后減小外磁場H，B和M的值減小但不沿初始磁化曲線返回－當(dāng)H＝0時仍保留一定的B和M值，稱為剩磁Br或Mr．增加反向外磁場，B和M的值繼續(xù)減小以致可使B和M為零，此時的外磁場的大小稱矯頑力BHc(磁場矯頑力）或MHc示（內(nèi)稟矯頑力），表征材料磁化后保持磁化狀態(tài)的能力．繼續(xù)增加反向外磁場，B和M將反轉(zhuǎn)，直到反向飽和－重復(fù)上述步驟，B和M的變化與上述過程相對稱－形成閉合曲線，稱為磁滯回線．（2）磁滯回線BHMBr,Mr-MHc-BHcO材料的磁11在無外磁場的情況下，退磁作用使永磁材料工作在第二象限，這部分曲線成為退磁曲線．退磁曲線上一點B和H的乘積(BH)稱為磁能積，磁能積的最大值(BH)max稱為最大磁能積.Br(Mr)、Hc和(BH)max是表征永磁材料的重要特性參數(shù)．磁化曲線和磁滯回線的校正：由于退磁場的影響，樣品中的有效磁場Heff要小于外磁場Hex：Heff

=Hex-NM．按右圖將實驗測得到表觀磁化曲線（虛線）校正為真實的磁化曲線（實線）在無外磁場的情況下，退磁作用使永磁材料工作在第二象限，這部分12

（1）物質(zhì)的磁性分類1.3磁性和磁性材料的分類抗磁性：一些物質(zhì)在外磁場中獲得反向磁矩，其磁化率是與溫度無關(guān)的小數(shù)(典型數(shù)量級10-5)且為負(fù)值，這種磁性稱為抗磁性?？勾判晕镔|(zhì)有惰性氣體、部分有機化合物、部分金屬和非金屬等。順磁性：一些物質(zhì)在外磁場中獲得同向磁矩，其磁化率，僅為10-6～10-3數(shù)量級，與溫度的關(guān)系服從居里－外斯定律，C稱為居里常數(shù),Tp為順磁居里溫度．這種磁性稱為順磁性．順磁性物質(zhì)有稀土金屬和鐵族元素的鹽類．反鐵磁性：一些物質(zhì)的磁化率在某一溫度存在極大值，稱為奈爾溫度ＴN．當(dāng)T＞TN時其磁化率與溫度的關(guān)系與順磁物質(zhì)相似；當(dāng)T＜TN時磁化率降低到一個穩(wěn)定值．這種磁性稱為反鐵磁性．反鐵磁物質(zhì)有過渡族元素鹽類及化合物等．

（1）物質(zhì)的磁性分類1.3磁性和磁性材料的分類抗磁性13鐵磁性：一些物質(zhì)只要在很小的磁場中就會磁化，磁化率在101~106數(shù)量級．當(dāng)溫度高于臨界溫度TC(居里溫度)，磁化率服從居里－外斯定律，Tp稱為順磁居里溫度．這種磁性稱為鐵磁性．具有鐵磁性的元素不多，但合金和化合物卻有各種各樣．有11種元素晶體具有鐵磁性,它們是3d金屬鐵、鈷、鎳，和4f金屬軋、鋱、鏑、鈥、鉺、銩和面心立方的鐠、釹．亞鐵磁性：一些物質(zhì)的磁性與鐵磁性相似，但磁化率要低，約100~103數(shù)量級，稱其具有亞鐵磁性．典型的亞鐵磁物質(zhì)是鐵氧體．亞鐵磁物質(zhì)與鐵磁物質(zhì)的最顯著區(qū)別在于內(nèi)部磁結(jié)構(gòu)不同．鐵磁性：一些物質(zhì)只要在很小的磁場中就會磁化，磁化率在101~14磁性類型元素或化合物磁化率χ抗磁性Cu-1.0×10-5Zn-1.4×10-5Hg-0.9×10-5H2O-0.2×10-5順磁性Li4.4×10-5Al2.2×10-5V38×10-5Nd34×10-5空氣36×10-8反鐵磁性FeO0.78CoONiO0.67CrOCr2O30.76鐵磁性鐵晶體~1.4×106(相對磁導(dǎo)率)鈷晶體～103鎳晶體～1063.5%Si-Fe～7×104AlNiCo≈10亞鐵磁性Fe3O4～102（相對磁導(dǎo)率）各種鐵氧體～103五種磁性及相應(yīng)的物質(zhì)的磁化率磁性類型元素或化合物磁化率χ抗Cu-1.0×10-5Zn-115T抗磁性物質(zhì)0T順磁性物質(zhì)0T鐵磁性物質(zhì)0TpT反鐵磁性物質(zhì)0TN五種磁性物質(zhì)的關(guān)系注意，同一物質(zhì)在不同條件下可以具有不同磁性．例如鐵磁性物質(zhì)在居里溫度以下是鐵磁性的，在居里溫度之上變成順磁性的．TpT抗磁性物質(zhì)0T順磁性物質(zhì)0T鐵磁性物質(zhì)0TpT反鐵磁性物質(zhì)16Hex抗磁性物質(zhì)e順磁性物質(zhì)鐵磁性物質(zhì)反鐵磁性物質(zhì)亞鐵磁性物質(zhì)五種磁性物質(zhì)的磁結(jié)構(gòu)兩種磁矩反平行反平行磁矩不相等電子軌道磁矩Hex抗磁性物質(zhì)e順磁性物質(zhì)鐵磁性物質(zhì)反鐵磁性物質(zhì)亞鐵磁性物17（2）磁性材料分類軟磁材料：要求容有低的矯頑力－降低磁化功率和磁滯損耗；高的初始磁導(dǎo)率和最大磁導(dǎo)率－提高效率；高的飽和磁化強度和低的剩磁－迅速響應(yīng)外場的極性反轉(zhuǎn)；為節(jié)約能源降低噪聲要求低的鐵損、高的電阻率和低的磁致伸縮系數(shù)等．用于發(fā)動機、電動機和各種電器的鐵芯、磁記錄的磁頭、磁屏蔽、電磁鐵和導(dǎo)磁體等．常見的軟磁材料有鐵和鐵系合金、坡莫合金、鐵氧體化合物等永磁材料：又稱硬磁材料，要求容有高的矯頑力－保持用此特性；高的最大磁能積－存儲和利用最大磁場能量密度；高的剩磁－開磁路的氣隙中得到高的磁感應(yīng)強度；以及具有對外加干擾磁場、溫度和震動等環(huán)境因素變化的高穩(wěn)定性等．主要用作永磁體在氣隙中產(chǎn)生強磁場，利用磁極對磁極的相互作用或磁場對帶電體、離子、載流導(dǎo)體的作用來作功，以實現(xiàn)能量信息的轉(zhuǎn)換，用于通訊、自動化、計算機、電機、儀器儀表以磁醫(yī)療等．常見的永磁材料有馬氏體鋼、鐵鉻鎳系、鋁鎳鈷系、鐵氧體系和稀土系等。信磁材料：信息技術(shù)中使用的材料，包括磁記錄材料、磁存儲材料、磁微波材料和磁光材料等．特磁材料：特殊磁性功能材料，如磁致伸縮材料、磁電阻材料和磁制冷材料等．（2）磁性材料分類軟磁材料：要求容有低的矯頑力－降低磁化功18磁性和磁性材料磁性和磁性材料19主要參考書：(1)嚴(yán)密彭曉領(lǐng)編著，磁性基礎(chǔ)與磁性材料，浙江大學(xué)出版社，2006年出版.(2)姜壽亭李衛(wèi)編著，凝聚態(tài)磁性物理，科學(xué)出版社，2003年出版.(3)(美)R.C.奧漢德利著,現(xiàn)代磁性材料原理和應(yīng)用,化學(xué)工業(yè)出版社,2002年出版.主要參考書：20一磁學(xué)基礎(chǔ)知識－描述物質(zhì)磁性的一些主要物理量、材料的磁化過程、物質(zhì)磁性和磁性材料的分類.1.1靜磁現(xiàn)象

(1)磁矩磁鐵可以吸引鐵屑－周圍空間存在磁場－磁場可用磁力線來形象地描述－磁力線從N極到S極形成閉合曲線,且永不相交.通電導(dǎo)線也產(chǎn)生磁場－小磁體的磁場相當(dāng)于小的平面電流回路產(chǎn)生的磁場－平面電流回路的電流和回路面積的乘積稱為磁矩:－適用于原子中電子軌道運動

是矢量－右手螺旋一磁學(xué)基礎(chǔ)知識－描述物質(zhì)磁性的一些主要物理量、材料的磁化過21(2)磁化強度

(3)磁場強度

和磁感應(yīng)強度

I－描寫物質(zhì)磁化狀態(tài)－按安培分子環(huán)流假設(shè)，設(shè)分子磁矩為,磁化強度

定義為－描述磁場的兩個參量是磁場強度

和磁感應(yīng)強度

，的單位．常見的電流磁場有:無限長載流導(dǎo)線的磁場：方向－右手螺旋(2)磁化強度(3)磁場強度和磁感應(yīng)強度22載流環(huán)形線圈圓心處的磁場：無限長螺線管的磁場I在某些情況下,確定磁場效應(yīng)的是磁感應(yīng)強度B,定義為在真空中,

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與

平行,在磁體不是.上述量均為國際單位制(SI),文獻(xiàn)中常采用高斯單位制(CGS).在CGS制中,

的單位是奧斯特(Oe)，

的單位是高斯(Gs),表為載流環(huán)形線圈圓心處的磁場：無限長螺線管的磁場I在某些情況下,23（4）磁化率和磁導(dǎo)率定義磁導(dǎo)率μ為(2)最大磁導(dǎo)率H→0時磁導(dǎo)率的極限值,弱磁場下重要參數(shù).(1)起始磁導(dǎo)率－磁導(dǎo)率是表征磁性材料的磁性、導(dǎo)磁性及磁化難易程度的物理量,是磁場的函數(shù)．根據(jù)磁化條件不同，材料的磁導(dǎo)率有：由此可將磁感應(yīng)強度

寫作磁場中的磁體的磁化強度

與磁場強度

的關(guān)系為稱為磁體的磁化率．(3)復(fù)磁導(dǎo)率在交變磁場中磁化時B與H間存在位相差，磁導(dǎo)率只能用復(fù)數(shù)表示.（4）磁化率和磁導(dǎo)率定義磁導(dǎo)率μ為(2)最大磁導(dǎo)率H→0時24(6)微分磁導(dǎo)率起始磁化曲線上任一點的斜率.(7)不可逆磁導(dǎo)率描述不可逆磁化性質(zhì)．連接原點O與起始磁化曲線上任一點的直線的斜率稱為總磁導(dǎo)率μtot

.ΔHHΔBμiμmaxBOHμμtotμrevμmaxμdiffO(4)增量磁導(dǎo)率在恒定磁場上疊加一個小交變磁場所表現(xiàn)出來的磁導(dǎo)率，ΔB和ΔH為交變磁感應(yīng)強度和磁場強度的峰值。(5)可逆磁導(dǎo)率增量磁導(dǎo)率在ΔH→0時的極限值.(6)微分磁導(dǎo)率起始磁化曲線上任一點的斜率.(7)不可逆磁導(dǎo)25（5）退磁場N稱為退磁因子,取決于材料的形狀.－如沿長軸磁化樣品，細(xì)長的N≈0,短粗的N很大.一般樣品在0－1之間.zxy可以證明,橢球體的三個主軸方向退磁因子間存在如下簡單關(guān)系:對球體，對沿垂直于表面磁化的無限大平板，Nx=Ny=0,Nz=1對退磁因子大的樣品，磁化需要很高的外加磁場：例如磁化一個Hc=2A·m-1的坡莫合金球，使其Ms=9×105A·m-1,退磁場將達(dá)Hd=(1/3)×9×105=3×105A·m-1即外磁場是矯頑力的105倍。材料在外磁場中磁化時，在內(nèi)部將產(chǎn)生一個與其磁化強度

反向的磁場

,稱為退磁場:對沿長軸方向磁化的細(xì)長圓柱體,Nz=0,（5）退磁場N稱為退磁因子,取決于材料的形狀.zxy可以26（6）

靜磁能在外磁場中處于磁化狀態(tài)的磁體具有的能量－靜磁能．－當(dāng)θ=0時能量最低值-μ0MH,是穩(wěn)定狀態(tài)；隨著θ的增大,外力克服磁場作功,能量增大,θ=1800時,能量達(dá)到最大值+μ0MH．磁體中的單個分子環(huán)流在磁場中受到的安培力矩為,磁體單位體積受到的總力矩θ為磁化強度M與磁場H的夾角.M是磁化強度．總力矩大小為當(dāng)磁體轉(zhuǎn)過θ角，外力克服磁場作功此功轉(zhuǎn)化為磁體在磁場中的位能.適當(dāng)選取能量零點,磁體在外場中的能量密度可表為:θ磁體在自身的退磁場中也有位能－退磁場能．用上式計算時須考慮到退磁場強度是M的函數(shù),應(yīng)由積分算得其幅值:－退磁場能與退磁因子Ｎ有關(guān)，即與材料的形狀以及磁化方向有關(guān)－各向異性能．（6）靜磁能在外磁場中處于磁化狀態(tài)的磁體具有的能量－靜磁能271.2材料的磁化（1）磁化曲線－材料對外磁場的響應(yīng)特性由磁化曲線和磁滯回線表征。磁通計N2N1I0磁化曲線的測量實驗測定：環(huán)形樣品，初級線圈N1通電產(chǎn)生磁場樣品磁化，次級線圈N2接磁通計測量磁通，可得B~H曲線；根據(jù)可畫出M～H曲線。例，鋁鎳鈷的起始磁化曲線：M～H曲線飽和（飽和磁化強度Ms），B~H曲線不飽和。BM鋁鎳鈷的磁化曲線1.2材料的磁化（1）磁化曲線－材料對外磁場的響應(yīng)特性由28（2）磁滯回線BHMBr,Mr-MHc-BHcO材料的磁滯回線-HsBHHsHcOBsBr-Br-Bs-Hc材料的磁化曲線和磁滯回線飽和后減小外磁場H，B和M的值減小但不沿初始磁化曲線返回－當(dāng)H＝0時仍保留一定的B和M值，稱為剩磁Br或Mr．增加反向外磁場，B和M的值繼續(xù)減小以致可使B和M為零，此時的外磁場的大小稱矯頑力BHc(磁場矯頑力）或MHc示（內(nèi)稟矯頑力），表征材料磁化后保持磁化狀態(tài)的能力．繼續(xù)增加反向外磁場，B和M將反轉(zhuǎn)，直到反向飽和－重復(fù)上述步驟，B和M的變化與上述過程相對稱－形成閉合曲線，稱為磁滯回線．（2）磁滯回線BHMBr,Mr-MHc-BHcO材料的磁29在無外磁場的情況下，退磁作用使永磁材料工作在第二象限，這部分曲線成為退磁曲線．退磁曲線上一點B和H的乘積(BH)稱為磁能積，磁能積的最大值(BH)max稱為最大磁能積.Br(Mr)、Hc和(BH)max是表征永磁材料的重要特性參數(shù)．磁化曲線和磁滯回線的校正：由于退磁場的影響，樣品中的有效磁場Heff要小于外磁場Hex：Heff

=Hex-NM．按右圖將實驗測得到表觀磁化曲線（虛線）校正為真實的磁化曲線（實線）在無外磁場的情況下，退磁作用使永磁材料工作在第二象限，這部分30

（1）物質(zhì)的磁性分類1.3磁性和磁性材料的分類抗磁性：一些物質(zhì)在外磁場中獲得反向磁矩，其磁化率是與溫度無關(guān)的小數(shù)(典型數(shù)量級10-5)且為負(fù)值，這種磁性稱為抗磁性。抗磁性物質(zhì)有惰性氣體、部分有機化合物、部分金屬和非金屬等。順磁性：一些物質(zhì)在外磁場中獲得同向磁矩，其磁化率，僅為10-6～10-3數(shù)量級，與溫度的關(guān)系服從居里－外斯定律，C稱為居里常數(shù),Tp為順磁居里溫度．這種磁性稱為順磁性．順磁性物質(zhì)有稀土金屬和鐵族元素的鹽類．反鐵磁性：一些物質(zhì)的磁化率在某一溫度存在極大值，稱為奈爾溫度ＴN．當(dāng)T＞TN時其磁化率與溫度的關(guān)系與順磁物質(zhì)相似；當(dāng)T＜TN時磁化率降低到一個穩(wěn)定值．這種磁性稱為反鐵磁性．反鐵磁物質(zhì)有過渡族元素鹽類及化合物等．

（1）物質(zhì)的磁性分類1.3磁性和磁性材料的分類抗磁性31鐵磁性：一些物質(zhì)只要在很小的磁場中就會磁化，磁化率在101~106數(shù)量級．當(dāng)溫度高于臨界溫度TC(居里溫度)，磁化率服從居里－外斯定律，Tp稱為順磁居里溫度．這種磁性稱為鐵磁性．具有鐵磁性的元素不多，但合金和化合物卻有各種各樣．有11種元素晶體具有鐵磁性,它們是3d金屬鐵、鈷、鎳，和4f金屬軋、鋱、鏑、鈥、鉺、銩和面心立方的鐠、釹．亞鐵磁性：一些物質(zhì)的磁性與鐵磁性相似，但磁化率要低，約100~103數(shù)量級，稱其具有亞鐵磁性．典型的亞鐵磁物質(zhì)是鐵氧體．亞鐵磁物質(zhì)與鐵磁物質(zhì)的最顯著區(qū)別在于內(nèi)部磁結(jié)構(gòu)不同．鐵磁性：一些物質(zhì)只要在很小的磁場中就會磁化，磁化率在101~32磁性類型元素或化合物磁化率χ抗磁性Cu-1.0×10-5Zn-1.4×10-5Hg-0.9×10-5H2O-0.2×10-5順磁性Li4.4×10-5Al2.2×10-5V38×10-5Nd34×10-5