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1、无机材料的磁学性能无机材料的磁学性能v物质的磁性物质的磁性 v磁畴与磁滞回线磁畴与磁滞回线 v铁氧体的磁性与结构铁氧体的磁性与结构 v磁性材料磁性材料n磁性磁性n磁矩磁矩磁矩是表示磁体本质的一个物理量。磁矩是表示磁体本质的一个物理量。任何一个封闭的电流都具有磁矩任何一个封闭的电流都具有磁矩。其方向与环形电流法线的方向一致，其方向与环形电流法线的方向一致，其大小为电流与封闭环形的面积的乘其大小为电流与封闭环形的面积的乘积积I IS S。物质的磁性物质的磁性物质的磁性物质的磁性物质的磁性物质的磁性n磁矩在磁场中所受到的作用力在均匀磁场中，磁矩在磁场中所受到的作用力在均匀磁场中，磁矩受到磁场作用的力
2、矩磁矩受到磁场作用的力矩n为了求得磁矩在磁场中所受的力，对一维情为了求得磁矩在磁场中所受的力，对一维情况可以写出况可以写出:n磁矩是表征磁性体磁性大小的物理量。磁矩是表征磁性体磁性大小的物理量。n磁感应强度磁感应强度B B：外磁场作用下，材料内部的磁通：外磁场作用下，材料内部的磁通量密度量密度 T T或或Wb/mWb/m2 2 物质的磁性物质的磁性n磁化强度磁化强度M M:外磁场外磁场H H作用下，材料内部磁矩延作用下，材料内部磁矩延外磁场方向排列而使磁场强化的量外磁场方向排列而使磁场强化的量（A/mA/m）。）。其数值为：其数值为：“单位体积内感生磁矩的大小单位体积内感生磁矩的大小”称为磁化
3、率或磁化系数称为磁化率或磁化系数 n磁导率磁导率材料特性常数，单位外磁场强度下，材料材料特性常数，单位外磁场强度下，材料内部的磁通量密度内部的磁通量密度（H/mH/m）。）。n相对磁导率相对磁导率x x：x=/oV为样品的体积为样品的体积,若外磁场已知，若外磁场已知，则则M可由力的侧定计算出。可由力的侧定计算出。n磁化强度的测定磁化强度的测定可由实验测定。一小块磁体在外磁场中受力可由实验测定。一小块磁体在外磁场中受力物质的磁性物质的磁性n电子的磁矩电子的磁矩电子磁矩由电子的轨道磁矩和自旋磁矩组成电子磁矩由电子的轨道磁矩和自旋磁矩组成 物质的磁性不是由电子的轨道磁矩引起，而物质的磁性不是由电子的
4、轨道磁矩引起，而是主要由自旋磁矩引起是主要由自旋磁矩引起 孤立原子的磁矩决定于原子的结构孤立原子的磁矩决定于原子的结构 某些元素具有各层都充满电子的原子结构，某些元素具有各层都充满电子的原子结构，其电子磁矩相互抵消，因而不显磁性其电子磁矩相互抵消，因而不显磁性物质磁性的本质物质磁性的本质 磁介质的磁导率磁介质的磁导率顺磁性顺磁性抗磁性抗磁性物质物质（x1）/106物质物质（1-x）/106氧（氧（1大气大气压）压）1.9氢氢0.063铝铝23铜铜8.8铂铂360岩盐岩盐12.6铋铋176常用铁磁性物质、铁氧体的磁性能常用铁磁性物质、铁氧体的磁性能物质物质0（起始）起始）居里温度居里温度Fe15
5、01043Ni110627Fe3O470858NiFe2O410858Mn0.65Zn0.35Fe2O41500400v抗磁性抗磁性当磁化强度为负时，固体表现为抗磁性当磁化强度为负时，固体表现为抗磁性 Bi,Cu,Ag,AuBi,Cu,Ag,Au 等金属具有这种性质等金属具有这种性质抗磁性物质的抗磁性一般很微弱，磁化抗磁性物质的抗磁性一般很微弱，磁化率一般约为率一般约为-10-5，为负值，为负值外磁场使电子轨道改变，感生出一个与外磁场使电子轨道改变，感生出一个与外磁场方向相反的磁矩外磁场方向相反的磁矩陶瓷材料多数原子是抗磁性的陶瓷材料多数原子是抗磁性的 磁性的分类磁性的分类磁性的分类磁性的分类
6、v顺磁性顺磁性无外加磁场时，原子无规则热振动，无宏观磁性；有外加无外加磁场时，原子无规则热振动，无宏观磁性；有外加磁场时，原子磁矩旋转，延外磁场择优取向，显示出极弱磁场时，原子磁矩旋转，延外磁场择优取向，显示出极弱的磁性。的磁性。顺磁性物质的磁性除了与顺磁性物质的磁性除了与H有关外，还依赖于温度，其磁有关外，还依赖于温度，其磁化率与绝对温度成反比化率与绝对温度成反比顺磁性物质的磁化率一般也很小，室温下约为顺磁性物质的磁化率一般也很小，室温下约为10-5过渡元素、稀土元素、钢系元素，还有铝铂等金属，都属过渡元素、稀土元素、钢系元素，还有铝铂等金属，都属于顺磁物质于顺磁物质一般：抗磁性与顺磁性被认
7、为没有磁性，原因：依赖外磁一般：抗磁性与顺磁性被认为没有磁性，原因：依赖外磁场且磁化率极小场且磁化率极小磁性的分类磁性的分类v铁磁性铁磁性有一类物质如有一类物质如Fe,Co,Ni，室温下磁化率可达室温下磁化率可达10-3数量级，这类物质的磁性称为铁磁性数量级，这类物质的磁性称为铁磁性铁磁性物质即使在较弱的磁场内，也可得到极铁磁性物质即使在较弱的磁场内，也可得到极高的磁化强度，而且当外磁场移去后，仍可保高的磁化强度，而且当外磁场移去后，仍可保留极强的磁性。留极强的磁性。无外磁场时，磁畴无序取向，无外磁场时，磁畴无序取向，M总总=0外磁场作用下，磁畴沿外磁场取向，外磁场作用下，磁畴沿外磁场取向，M
8、总总很大很大与顺磁性的最大区别：后者不会自发磁化形成与顺磁性的最大区别：后者不会自发磁化形成磁畴磁畴饱和磁化强度：铁磁材料能达到的最大磁化强饱和磁化强度：铁磁材料能达到的最大磁化强度度Ms磁性的分类磁性的分类v铁磁性铁磁性铁磁体的铁磁性只在某一温度以下才表现出铁磁体的铁磁性只在某一温度以下才表现出来，超过这一温度，铁磁性消失。这一温度来，超过这一温度，铁磁性消失。这一温度称为称为居里点居里点其磁化率与温度的关系服从居里其磁化率与温度的关系服从居里外斯定律外斯定律 磁性的分类磁性的分类v反铁磁性反铁磁性反铁磁性物质大反铁磁性物质大都是非金属化合物，都是非金属化合物，如如MnO。不论在什么温度不论
9、在什么温度下，都不能观察到下，都不能观察到反铁磁性物质的任反铁磁性物质的任何自发磁化现象，何自发磁化现象，因此其宏观特性是因此其宏观特性是顺磁性的顺磁性的HMFe,Co,Ni,Gd,Tb,Dy,等元素及等元素及其合金、金属间化合物。其合金、金属间化合物。FeSi,NiFe,CoFe,SmCo,NdFeB,CoCr等等各种铁氧体系材料（各种铁氧体系材料（Te,Go,Ni氧化物）氧化物）Fe,Co等与重稀土类等与重稀土类金属形成金属间化合物金属形成金属间化合物（TbFe等等)O2,Pt,Rh,Pd等，第一主族等，第一主族（Li,Na,K等），第二主族等），第二主族(Be,Mg,Ca),NaCl,K
10、Cl的的F中中心心Cr,Mn,Nd,Sm,Eu等等3d过渡元过渡元素或稀土元素，还有素或稀土元素，还有MnO、MnF2等合金、化合物等。等合金、化合物等。MMMHHH铁氧体的磁性与结构铁氧体的磁性与结构n铁氧体是含铁酸盐的陶瓷磁性材料铁氧体是含铁酸盐的陶瓷磁性材料n铁氧体与铁磁性物质的异同铁氧体与铁磁性物质的异同n铁氧体的分类，有尖晶石型、石榴石铁氧体的分类，有尖晶石型、石榴石型、磁铅石型、钙钛矿型、钛铁矿型型、磁铅石型、钙钛矿型、钛铁矿型和钨青铜型等和钨青铜型等6 6种种铁氧体的磁性与结构铁氧体的磁性与结构v尖晶石型铁氧体尖晶石型铁氧体n所有的亚铁磁性尖晶石几乎都是反型的所有的亚铁磁性尖晶石
11、几乎都是反型的n阳离子出现于反型的程度，取决于热处理条件阳离子出现于反型的程度，取决于热处理条件n锰铁氧体约为锰铁氧体约为8080正型尖晶石，这种离子分布随热正型尖晶石，这种离子分布随热处理变化不大处理变化不大n铁氧体磁性材料：反尖晶石结构铁氧体磁性材料：反尖晶石结构nM M2+2+-Ni-Ni2+2+、CoCo2+2+、CuCu2+2+,亦可是亦可是MnMn、MgMg混合混合铁氧体的磁性与结构铁氧体的磁性与结构亚铁磁性亚铁磁性v由于铁氧体内总是含有两种或两种以上由于铁氧体内总是含有两种或两种以上的阳离子，这些离子各具有大小不等的的阳离子，这些离子各具有大小不等的磁矩，反向占位的离子数目也不相
12、同，磁矩，反向占位的离子数目也不相同，因此晶体内由于磁矩的反平行取向而导因此晶体内由于磁矩的反平行取向而导致的抵消作用通常并不一定会使磁性完致的抵消作用通常并不一定会使磁性完全消失而变成反铁磁体，往往保留了剩全消失而变成反铁磁体，往往保留了剩余磁矩，表现出一定的铁磁性，这称为余磁矩，表现出一定的铁磁性，这称为亚铁磁性或铁氧体磁性亚铁磁性或铁氧体磁性 。石榴石型铁氧体石榴石型铁氧体v稀土石榴石也具有重要的磁性能，稀土石榴石也具有重要的磁性能，其通式为：其通式为：v式中式中M M为稀土离子或钇离子，都是三价。为稀土离子或钇离子，都是三价。磁铅石型铁氧体磁铅石型铁氧体q磁铅石型铁氧体的结构与天然磁铅
13、石型铁氧体的结构与天然的磁铅石相同，属六方晶系，的磁铅石相同，属六方晶系，结构比较复杂。结构比较复杂。磁畴与磁滞回线磁畴与磁滞回线n磁畴磁畴n铁磁性材料所以能使磁化强度显著增大，铁磁性材料所以能使磁化强度显著增大，在于其中存在着磁畴（在于其中存在着磁畴（DomainDomain）结构结构 n在未受到磁场作用时，磁畴方向是无规的，在未受到磁场作用时，磁畴方向是无规的，因而在整体上净磁化强度为零因而在整体上净磁化强度为零n每个磁矩方向一致的区域就称为一个磁畴每个磁矩方向一致的区域就称为一个磁畴(能够自发磁化达到饱和的小区域能够自发磁化达到饱和的小区域)。n不同的磁畴方向不同，两磁畴间的区域就不同的
14、磁畴方向不同，两磁畴间的区域就称为磁畴壁（厚度：称为磁畴壁（厚度：）。磁畴磁畴右图表示右图表示磁畴壁的磁畴壁的移动和磁移动和磁畴的磁化畴的磁化矢量的转矢量的转向及其在向及其在磁化曲线磁化曲线上起作用上起作用的范围的范围磁畴磁畴磁滞回线磁滞回线v图中图中Br称为剩余磁感应强度（剩磁）。为了消称为剩余磁感应强度（剩磁）。为了消除剩磁，需加反向磁场除剩磁，需加反向磁场Hc。Hc称为矫顽磁场称为矫顽磁场强度，亦称强度，亦称“矫顽力矫顽力”。加。加Hc后，磁体内后，磁体内B=0。n磁导率是磁性材料最重要的物理量之一，磁导率是磁性材料最重要的物理量之一，表示磁性材料传导和通过磁力线的能力表示磁性材料传导和
15、通过磁力线的能力用用表示；表示；n生产上为了获得高磁导率的磁性材料，生产上为了获得高磁导率的磁性材料，一方面要提高材料的一方面要提高材料的MsMs值，这由材料的值，这由材料的成分和原子结构决定；成分和原子结构决定；n另一方面要减小磁化过程中的阻力，这另一方面要减小磁化过程中的阻力，这主要取决于磁畴结构和材料的晶体结构。主要取决于磁畴结构和材料的晶体结构。磁导率磁导率铁氧体磁性材料铁氧体磁性材料软磁材料软磁材料(Soft Magnetic Materials)磁材料适合于交变磁磁材料适合于交变磁场的器件，如变压器场的器件，如变压器的铁芯，这时，铁芯的铁芯，这时，铁芯的发热量少。此外，的发热量少。此外，还可用于电机和开关还可用于电机和开关器件（磁导体）器件（磁导体）铁氧体磁性材料铁氧体磁性材料硬磁材料的磁滞回线硬磁材料的磁滞回线宽肥，它具有高的剩宽肥，它具有高的剩磁，高矫顽力和高饱磁，高矫顽力和高饱和磁感应强度。磁化和磁感应强度。磁化后可长久保持很强磁后可长久保持很强磁性，难退磁，适于制性，难退磁，适于制成永久磁铁。成永久磁铁。硬磁材料硬磁材料(Hard magnetic materials)铁氧体磁性材料铁氧体磁性材料矩磁材料矩磁材料矩磁性材矩磁性材料在信息料在信息存储领域存储领域内的作用内的作用越来越重越来越重要要 磁头的工作原理磁头的工作原理