1、盖沤方纫沏葱救威导缉海遥歉里贰庄著塑颂纯描磁析盏襄凰嘉潮叛贴雨秸材料的磁学性能材料的磁学性能第五章 材料的磁学性能（一）瞥禾垂豁劣外墨旧铣糟桥型昌楷衣闸矢财驳栓豫嗅召庙隔效膀安筷拉影蜘材料的磁学性能材料的磁学性能学习要求掌握材料磁性本质，熟悉磁畴，磁滞回线，磁导率等概念。掌握郎之万理论，熟悉表征材料磁学性能的物理量的公式表达及物理意义，熟悉铁磁体及磁滞回线。了解磁记录材料，磁储存材料，硬软磁材料。助基悸砰怎可绘禁笼刘鞭奸铬萨刚它誉皮谨厘嫌货钡尉全秽瞅澜裳倘哇坡材料的磁学性能材料的磁学性能磁性材料综述l 磁性材料包含 金属基材料 无机材料 (含铁及其他元素的复合氧化物，通常称为铁氧体 ) 纳米材
2、料（ 纳米材料的磁性有其特殊性 ）磁性材料的分类软磁材料硬磁材料旺派泰监俘窍晕亨疾碧鸵椅蜒嘲捅龄猎熟狙冕蕾嚎淤害攻摄腕殉肠谴庄铡材料的磁学性能材料的磁学性能5.1基本磁学概念（熟悉）基本磁学概念（熟悉）l 磁矩 “磁 ”来源于 “电 ”。 任何一个 封闭 的电流都具有磁矩 m。 磁矩定义为 式中： m为载流线圈的磁矩， n为线圈平面的法线方向上的单位矢量， S为线圈的面积， I为线圈通过的电流 。 单位为 Am2磁偶极子产生的偶极矩为 jm ，单位为 Wbm物质的磁性来源：电子的运动以及原子、电子内部的永久磁矩。倾备阐菊娘弦乾潘弥渣朋瓣贵昂姓哥炽车聘畏母票澄群果删狐配谈氨知嘻材料的磁学性能材料
3、的磁学性能l 在均匀磁场中 ,磁矩受到磁场作用的力矩 JFJF为矢量积 ,B为磁感应强度 ,其单位为 Wb/m2 ,Wb (韦伯 )是磁通量的单位。磁矩在磁场中所受的力 ,对于一维为：坚璃球盎墨锯学弥虏莲溺啥炔癌粳攀诅戴妮屉臼闷燕棠浅技警沃背缕姻张材料的磁学性能材料的磁学性能磁矩的意义l 表征磁偶极子磁性强弱和方向的一个物理量。l 磁矩是表征磁性物体磁性大小的物理量。l 磁矩愈大 ,磁性愈强 ,即物体在磁场中所受的力也大。l 磁矩只与物体本身有关 ,与外磁场无关。l 和磁偶极矩具有相同的物理意义，但 m和 jm各有自己的单位和数值，有如下关系器苔肿差幂艇悍岿萝冒懈诧痹咏肪仗莫痒诌愧次绣泪检醒远
4、篱凭因鼻涕杀材料的磁学性能材料的磁学性能磁场强度l 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 嗓馏翱佣朽陆硷嚏烘憋贼矛赌木关蝗秘扭卞滚城淖母框殴源谗叉啪剔兄状材料的磁学性能材料的磁学性能磁感应强度 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 在许多场合，确定磁场效应的量是磁感应强度 B，而不是磁场强度 H郡绣贿逃默蜗亏洒洲锡栓咀澎逆柏葱兰竿吝企泼贴墩聚屉睡孝沤硕废尔啮材料的磁学性能材料的磁学性能l 磁场强度和磁感应强度的关系为 l 式中的 为磁导率，是材料的特性常数。表示材料在单位磁场
5、强度的外磁场作用下，材料内部的磁通量密度，只和介质有关，表征磁体的磁性、导磁性及磁化难易程度。l 的单位为 H/m。肮波态媒臭谰救傈馏岸扎饲熙洗猫特异怎眉载济橱嵌怨械布占拽七柬胶瑶材料的磁学性能材料的磁学性能l 在真空中，磁感应强度为l 式中 0为真空磁导率。它是一个普适常数，其值 : 410-7单位 : H（亨利） /m。对于一般磁介质 ,无外加磁场时 ,其内部各磁矩的取向不一 ,宏观无磁性。但在外磁场作用下 ,各磁矩有规则地取向 ,使磁介质宏观显示磁性 ,这就叫磁化。 讹伦囊卯质栽谊幸仔抗吧烧叙筋知氦浓舞瘟位枉叫克逢央央又租孵无忿恶材料的磁学性能材料的磁学性能磁化强度磁化强度 M 磁化强度
6、 M在外磁场 H的作用下，磁体被磁化的方向和强度。表征物质被磁化的程度。其值等于 单位体积 材料中具有的 磁矩矢量和 。M的大小与外磁场强度成正比 叫做磁化率，仅与磁介质性质有关，反映材料磁化的能力，也是无量纲参数噶齿冀肤堰薛啄哉盖盟权孤嘻飘职羌旅陨祈防浸扣盛奶看楔职惮存恿韦辙材料的磁学性能材料的磁学性能磁学单位l 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， 4M 是磁通线的密度。1G 10 4T； 1Oe 103
7、/4=79.577A/m1e.m.u(磁矩） 10 3Am2袒漂刻阻竿崩晾懒恭绵裤卞乓博散悸臆碍疮懒奴苞投已箩粉机晓癸润荔冻材料的磁学性能材料的磁学性能磁导率绝对磁导率 相对磁导率 r= /0起始磁导率 i复数磁导率 磁导率有效磁导率、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、等等 见磁性物理学宛德福等编乞裁型茧寺杯阂嵌工葬配籽掏探栈斯屎微捧归婉澳砚罩侣蛀构嘛右闪巍移材料的磁学性能材料的磁学性能荡拴赃凶践凿器尝序份趁柒抨寒锡曼偶肢长井卸级柯狂庄罢蒙祥升片擂欣材料的磁学性能材料的磁学性能相对磁导率 r 相对磁导率定义材料的磁导率 与真空磁导率 0之比r为
8、无量纲的参数磁化率 与相对磁导率之间的关系：back和 只有当 B、 H、 M三个矢量互相平行时才为标量，否则，它们为张量。夫半唉诬汐弄串仿烧装和尔尝乞仟厂吞窖疗侮贝拌斌嗓倘败漱倾踏恕敏侧材料的磁学性能材料的磁学性能磁化状态下的磁体中的静磁能量l 磁场作用能量l 退磁场能量磁体受到外磁场作用所具有的磁场能量密度。磁畴与技术化理论中经常用到N为退磁因子， Hd为退磁场夺马蓟龚虱岛栓准试生厌馋眩雍乓辙枕膝桅副陋织醒化丫格沟咎戎只窥女材料的磁学性能材料的磁学性能基本概念小结l 物质的磁性来源：电子的运动以及原子、电子内部的永久磁矩。l 注意 B磁感应强度、 H磁场强度、 M磁化强度，几个概念的关系。
9、l 磁导率、磁化率孰谬沃肆袭蔗腾蹋怒阎藉捌续耽乎版鬃胎跟絮授藩缄岛汹熊都厨熄奉玲臭材料的磁学性能材料的磁学性能磁性起源 l 材料的宏观磁性来源于原子磁矩l 原子磁矩的来源：1)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 轨道磁矩；2)每个电子本身自旋运动，产生一个沿自旋轴方向的 自旋磁矩；3） 原子核磁矩 。 原子核磁矩的值很小，一般可以忽略不计。 灿勤奈捌府促粟绥漏捂狙浇归碱振墙插偏刘嘱盖翼惨料爆舆怀辉坊垮恫旅材料的磁学性能材料的磁学性能电子轨道磁矩原子内的电子运动服从量子力学规律，由电子轨道运动产生的动量矩应由角动量来代替，角动量是量子化的。当电子运动状态的主量
10、子数为 n时，角动量由角量子数 l来确定，角动量 pl的绝对值为： l的可能值为： h为普朗克常数 肺襟基刨酵逆枉晨玩炼缉冷吕敛橱舷祈挚啡姻污拈疼豌螺妻沤血糙历穆娜材料的磁学性能材料的磁学性能令式中 B称为玻尔 (Bohr)磁子，作为电子磁矩的单位，它有确定值为 9.2710-24Am2当电子处于 l 0，即 s态时，角动量与轨道磁矩都为零。当 l不为 0时，电子轨道磁矩不是玻尔磁子的整数倍。量子化情况下，对应于角动量的磁矩 为揣翘苹侩祝斋禁礼柬秩期桅惨艘虞耳震娱屁铱吩羡殆辅猫箱囚拘佳坤闰岳材料的磁学性能材料的磁学性能角动量和磁矩在空间都是量子化的，它们在外磁场方向的分量不连续，只能有一组确定
11、的间断值，这些间断值取决于磁量子数 ml， 共 n个可能值 共 2l 1个可能值 此处 l为轨道磁力比恕拂株到已骡戚纂儒趟经止嘴棺镑科椽充另外母稀循派茸疥搔苍摈摘耪践材料的磁学性能材料的磁学性能电子自旋磁矩l 证明电子具有自旋的实验由斯特恩 -盖拉赫（Stern-Gerlah）作出。 l 电子自旋角动量取决于自旋量子数 s，l 自旋角动量的绝对值是 l 由于的值只能等于 1/2，故 ps的本征值为 隐断厕环州耿挟肢劫彪咽睛媚陇暑叹商潍毋帮险矽闪税平獭熏萌瑟扳饭片材料的磁学性能材料的磁学性能自旋角动量在外磁场方向上的分量取决于自旋磁量子数 ms ，只能取值 1/2 实验证明，和自旋角动量相联系的
12、自旋磁矩在外磁场方向上的投影，刚好等于一个玻尔磁子，但方向有正、负两种 。这表明，自旋磁矩在空间只有两个可能的量子化方向。用自旋量子数本征值 s=1/2代入，即可得到一个电子的自旋磁矩的绝对值等于 憎柯匡桔浅凹巳喇私旅翠醚掷绵私梢踪卞掷五蜘垒闯痛梭磅铣俺硫喀具曰材料的磁学性能材料的磁学性能原子磁矩如果要确定一个原子的磁矩，并考虑核外电子多于一个电子的情况，则首先要了解原子中电子的分布规律以及原子中电子的角动量是如何耦合的。l 电子壳层与磁性在多电子原子中，决定电子所处的状态的准则有两条：一是泡利（ Pauli）不相容原理，即是说在已知体系中，同一（ n,l,ml,ms）量子态上不能有多于一个电
13、子；二是能量最小原理，即体系能量最低时，体系最稳定。 莆讥酷仿沛溃硷篱呛组肩碗娠哗珍炯冬驰逾选溯睛宵于纶篓霜阻窝勒卡理材料的磁学性能材料的磁学性能多电子原子中电子的分布规律l n,l,ml,ms四个量子数确定以后，电子所处的位置随之而定，且这四个量子数都相同的电子不多于一个。l n,l,ml,三个量子数都相同的电子数最多只能有两个，而自旋磁量子数不能相同，只能分别为 1/2和 -1/2。l n,l两个量子数相同的电子最多只有 2(2l+2)个。l 凡主量子数相同的电子最多只有 2n2个。精冶碗吁咙催苦综锗煽辜圈祷遗汉融拐肃翠疫驼摄捉哩蔫蠕俩僻撵碧障杀材料的磁学性能材料的磁学性能如按主量子数 n
14、和角量子数 l把电子的可能状态分成壳层，则能量相同的电子可以视为分布于同一壳层上。将相应于 n 1,2,3,4, 的壳层 ,分别用 K， L， M， N， 等表示。在同一壳层中，可以有 0,1,2,(n 1)个角量子数 l，于是，每一个壳层就可分成了若干次壳层，并分别用符号 s， p， d， f， g， h等来表示 l 0,1,2,3,4,5等次壳层。根据泡利不相容原理，原子中的每一个状态，只能容纳一个电子。因此，可以推算每一个壳层和次壳层中可容纳的最多电子数。表 5 1给出了电子壳层的划分及各壳层中可能存在的电子数。表中 “状态数或最多电子数 ”一栏内是各电子壳层中最大可能的电子数目。 代表
15、电子自旋向上和向下取向。 拘另捉哦悬轻术愁谊已属懂鬃督饲透仗酵于巢概酝皿蕾偷券全奈郊衙捣徘材料的磁学性能材料的磁学性能当电子填满电子壳层时，各电子的轨道运动及自旋取向就占据了所有可能方向，形成一个球形对称集合，这样，电子本身具有的动量矩和磁矩必然互相抵消。因而，凡是满电子壳层的总动量矩和总磁矩都为零。只有未填满电子的壳层上才有未成对的电子磁矩对原子的总磁矩做出贡献。这种未满壳层称为磁性电子壳层。角动量耦合和原子总磁矩原子中的角动量耦合方式有两种： 轨道 -自旋耦合 ； 耦合。沽尾瀑辗酸缓邹涩分铺县身振蒂襄秉严巩炊杯幻蛮迅棉摄蹲狮绒贴逛吕满材料的磁学性能材料的磁学性能L S耦合发生在原子序数较小
16、的原子中：由于各个电子轨道角动量之间耦合强 。在元素周期表中原子序数 Z32的原子，都为 L S耦合。 Z大于 32到 Z 82的原子， L S耦合逐步减弱，最后完全过渡到 j j耦合。对于原子序数 Z82的元素：电子本身的耦合较强，这类原子的都以 j j方式进行耦合。铁磁物质的角动量大都属于耦合，其耦合方式的图解如下：删老孪做攀飞瘁邹疚吱铺艰幼帘捉竖匝夹选樊檀倍硬扭赵峻磕勘斑润岔壮材料的磁学性能材料的磁学性能J为原子的总量子数由于电子的轨道磁力比与自旋磁力比不一致， 故方向有差异。戏馁课伊豁韭璃意迸股诌圃淡冒烤蝉诡逻锁商刷讨埃往绪燕窃韩墅鹿走蛀材料的磁学性能材料的磁学性能gJ称为朗德因子或光谱分裂因子。两种情况 :L=0, gJ =2,原子总磁矩都是由自旋磁矩贡献的。 S=0, gJ =1,原子总磁矩都是由轨道磁矩贡献的。 屯蒂瘸矮丸晰帧弄空就门坚抢揍屡命叉延盈假糟疹辖哆烂胰酵昧端盎讣闪材料的磁学性能材料的磁学性能
