1、1.1.磁化现象与磁化强度磁化现象与磁化强度 磁化磁化：物质在磁场中受磁场的作用呈现一定磁性的现象。：物质在磁场中受磁场的作用呈现一定磁性的现象。物质在磁场中被磁化，它所占据的空间磁场强度是否变化（为什么？）物质在磁场中被磁化，它所占据的空间磁场强度是否变化（为什么？）第三章第三章 材料的磁学性能材料的磁学性能 不同的物质所引起的磁场变化不同不同的物质所引起的磁场变化不同，如空气会使磁场略有增强，而铁会，如空气会使磁场略有增强，而铁会使磁场强烈增强（磁铁吸引铁块），铜则会使磁场减弱（微弱排斥）。使磁场强烈增强（磁铁吸引铁块），铜则会使磁场减弱（微弱排斥）。第第1 1节节 材料的磁化及有关参数材
2、料的磁化及有关参数 磁介质（或磁质）磁介质（或磁质）：能被磁场磁化的物质。：能被磁场磁化的物质。实际上，所有的物质都是磁介质。实际上，所有的物质都是磁介质。磁化强度磁化强度：磁介质内磁矩矢量和与磁介质内磁矩矢量和与V 之比。之比。物质磁化理论有物质磁化理论有两种观点：分子电流观点两种观点：分子电流观点和和等效磁荷观点等效磁荷观点。分子电流观点：分子电流观点：物质中的每个分子中都存在环形电流（分子中原子、离子核外电子循物质中的每个分子中都存在环形电流（分子中原子、离子核外电子循规、自旋运动，核子自旋运动规、自旋运动，核子自旋运动)，每个环形电流都将产生磁场。，每个环形电流都将产生磁场。无外磁场时
3、，各分子环流取向杂乱无章，作用抵消，不显磁性；无外磁场时，各分子环流取向杂乱无章，作用抵消，不显磁性；施加外磁场后，分子电流的磁矩在磁场场作用下趋于定向排列，而呈施加外磁场后，分子电流的磁矩在磁场场作用下趋于定向排列，而呈现出宏观磁性。现出宏观磁性。磁化强度磁化强度(M)：磁介质磁化单位体积产生的磁介质磁化单位体积产生的总磁矩总磁矩（单位体积内环电（单位体积内环电流磁矩流磁矩矢量和矢量和Pm/VPm/V）。衡量物质的磁化强弱和状态（强度和方向）。）。衡量物质的磁化强弱和状态（强度和方向）。等效磁荷观点：等效磁荷观点：把材料的磁分子看成磁偶极子，末磁化时各磁偶极子取向呈无序状态，把材料的磁分子看
4、成磁偶极子，末磁化时各磁偶极子取向呈无序状态，其偶极矩的矢量和为其偶极矩的矢量和为0，不显磁性；当施加外磁场后，偶极子受外磁场作，不显磁性；当施加外磁场后，偶极子受外磁场作用而转向外场方向，使材料呈现宏观磁性。用而转向外场方向，使材料呈现宏观磁性。磁极化强度（磁极化强度（J）：单位体积的：单位体积的磁偶极矩磁偶极矩的矢量和（的矢量和（jm/V）。）。材料内一个磁矩为材料内一个磁矩为PmPm的电流环可看成是一个偶极矩为的电流环可看成是一个偶极矩为j jm m0 0PmPm的磁偶的磁偶极子，故有：极子，故有：J0M 0真空磁导率真空磁导率（）。）。研究材料磁性的最基本的任务是确定材料的研究材料磁性
5、的最基本的任务是确定材料的磁化强度磁化强度M与外磁场强度与外磁场强度H和温度和温度T的关系，在一定温度下，定义：的关系，在一定温度下，定义：MH 称为物质的称为物质的磁化率磁化率，即单位外磁场强度下材料的磁化强度。它的大小，即单位外磁场强度下材料的磁化强度。它的大小反映了物质磁化的难易程度，是材料的一个重要的磁参数。同时，它也是反映了物质磁化的难易程度，是材料的一个重要的磁参数。同时，它也是物质磁性分类的主要依据。物质磁性分类的主要依据。基本磁化曲线：基本磁化曲线：不同磁介质其磁化曲线不同，曲线上任意一点都对应不同磁介质其磁化曲线不同，曲线上任意一点都对应着材料的某种磁化状态，着材料的某种磁化
6、状态，它与坐标原点连线的斜率即表示材料在该磁场下它与坐标原点连线的斜率即表示材料在该磁场下的磁化率。的磁化率。磁化率三种表示形式：磁化率三种表示形式：V表示单位体积的磁化率，表示单位体积的磁化率，A表示每摩尔的磁表示每摩尔的磁化率，化率，g表示单位质量（每克）的磁化率。表示单位质量（每克）的磁化率。根据磁化率符号和大小，可把磁介质分为五类。根据磁化率符号和大小，可把磁介质分为五类。2.磁化率与物质磁性的分类磁化率与物质磁性的分类M铁磁性材料亚铁磁性材料顺磁性材料反铁磁性材料抗磁性材料H02.磁化率与物质磁性的分类磁化率与物质磁性的分类1 1）抗磁体）抗磁体 为甚小负常数，约在为甚小负常数，约在
7、10-6数量级，即数量级，即M与与H方向相反，在磁场中使磁场稍减弱，方向相反，在磁场中使磁场稍减弱，受微弱斥力，约有一半的简单金属是抗磁体。分为：受微弱斥力，约有一半的简单金属是抗磁体。分为：(1)(1)“经典经典”抗磁体，抗磁体，不随不随T T变化，如铜、银、金、汞、锌等。变化，如铜、银、金、汞、锌等。(2)(2)反常反常抗磁体，抗磁体，随随T T变化，为前者变化，为前者1010100100倍，如铋、镓、锑、锡等。倍，如铋、镓、锑、锡等。2 2）顺磁体）顺磁体 为正常数，约为为正常数，约为103106数量级，即数量级，即M与与H方向相同，在磁场中使磁场稍增方向相同，在磁场中使磁场稍增强，受微
8、弱引力，分为：强，受微弱引力，分为：（l）正常正常顺磁体，顺磁体，随随T变化，且符合与变化，且符合与T反比关系，如铂、钯、奥氏体不锈钢、反比关系，如铂、钯、奥氏体不锈钢、稀土金属等。稀土金属等。（2）与与T无关的顺磁体，如锂、钠、钾、铷等。无关的顺磁体，如锂、钠、钾、铷等。3）反铁磁体）反铁磁体 是甚小的正常数，当是甚小的正常数，当T高于某个温度时（尼尔温度高于某个温度时（尼尔温度TN），转换为顺磁体，），转换为顺磁体，T 曲线？如曲线？如Mn、铬、氧化镍、氧化锰等。、铬、氧化镍、氧化锰等。4）铁磁体）铁磁体 为很大的正变数，约在为很大的正变数，约在10106数量级，且不大的数量级，且不大的H
9、就能产生很大的就能产生很大的M，在磁场，在磁场中被强烈磁化，受强大的吸力，如铁、钴、镍等。其中被强烈磁化，受强大的吸力，如铁、钴、镍等。其MH、H曲线？曲线？5）亚铁磁体）亚铁磁体 类似铁磁体，但类似铁磁体，但值没有铁磁体大，如磁铁矿（值没有铁磁体大，如磁铁矿（Fe3O4）等。）等。3.磁导率磁导率 磁感应强度磁感应强度（B）：通过磁场中某点，垂直于磁场方向单位面积的磁）：通过磁场中某点，垂直于磁场方向单位面积的磁力线数。单位：特斯拉。力线数。单位：特斯拉。在真空中：在真空中：真空磁导率真空磁导率。磁场中有磁介质时（非真空）：磁介质被磁化，使该处的磁场发生变磁场中有磁介质时（非真空）：磁介质被
10、磁化，使该处的磁场发生变化，则，总磁感应强度：化，则，总磁感应强度：称为附加磁场强度，其值等于磁化强度称为附加磁场强度，其值等于磁化强度M。令令 称为称为相对磁导率相对磁导率，无纲量。，无纲量。称为介质的称为介质的磁导率磁导率（绝对磁导率绝对磁导率），反应磁感应强度随），反应磁感应强度随外磁场的变化速率，单位与外磁场的变化速率，单位与 相同，为亨相同，为亨/米米。其大小与磁介质和外加。其大小与磁介质和外加磁场强度有关。磁场强度有关。1）磁化曲线）磁化曲线 对原先不存在宏观磁性的材料，施加一由对原先不存在宏观磁性的材料，施加一由0逐渐增大的磁场，所得到的逐渐增大的磁场，所得到的M-H曲线，即材料
11、磁化强度随外磁场变化的曲线。曲线，即材料磁化强度随外磁场变化的曲线。铁磁性材料铁磁性材料的磁化曲线的磁化曲线：M、B、随随 H变化曲线。变化曲线。微弱微弱H阶段阶段：B、M随随H的增大缓慢增加，的增大缓慢增加，M与与H近似呈直线关系，磁化近似呈直线关系，磁化可逆。可逆。H继续增大继续增大：B、M随随H急剧增加，急剧增加，增加很快并出现极大值，即达到增加很快并出现极大值，即达到最最大磁导率大磁导率max，过程不可逆（去掉，过程不可逆（去掉H后，仍保持部分磁化）。后，仍保持部分磁化）。H再进一步增大再进一步增大：B、M随随H增加变缓，磁化进行越来越困难，增加变缓，磁化进行越来越困难，当当H达达到到
12、Hs时，时，逐渐趋近于逐渐趋近于0，M达到饱和值达到饱和值Ms。Ms称为称为饱和磁化强度饱和磁化强度，对对应的磁感应强度称为应的磁感应强度称为饱和磁感应强度饱和磁感应强度Bs。H Hs时，时，M不变，不变，B继续缓慢继续缓慢增大。增大。所有铁磁性材料的磁化曲线都有以上规律，只是各阶段区间、所有铁磁性材料的磁化曲线都有以上规律，只是各阶段区间、Ms大小大小及上升的陡度不同。及上升的陡度不同。铁磁性材料从完全退磁状态到饱和之前的磁化过程称为铁磁性材料从完全退磁状态到饱和之前的磁化过程称为技术磁化技术磁化。起始磁导率起始磁导率i：H=0时的磁导率。时的磁导率。4.4.铁磁性材料的磁化曲线和磁滞回线铁
13、磁性材料的磁化曲线和磁滞回线4.4.铁磁性材料的磁化曲线和磁滞回线铁磁性材料的磁化曲线和磁滞回线 2）铁磁性材料的磁滞回线：）铁磁性材料的磁滞回线：铁磁性材料从饱和磁化状态逐渐降低铁磁性材料从饱和磁化状态逐渐降低H时，时，M不再沿原来的基本磁化不再沿原来的基本磁化曲线降低，而是降低的慢得多，当曲线降低，而是降低的慢得多，当H降至降至0时，时，M0，而保留一定的值，而保留一定的值Mr，Mr称为称为剩余磁化强度剩余磁化强度，这种现象称为，这种现象称为剩磁现象剩磁现象。要使。要使M降至降至0，必须施加，必须施加一反向磁场一反向磁场Hc，Hc称为称为磁矫顽力磁矫顽力。继续增加反向磁场至。继续增加反向磁
14、场至Hs，磁化强，磁化强度达到度达到Ms。从。从 Ms改为正向磁场，随改为正向磁场，随H的增加，的增加，M沿另一曲线逐渐增沿另一曲线逐渐增大至大至Ms。可见，整个过程中可见，整个过程中M的变化总是落后于的变化总是落后于H的变化，这种现象称为的变化，这种现象称为磁滞效磁滞效应应。由于磁滞效应的存在，磁化一周，得到一关于原点对称的闭合曲线，由于磁滞效应的存在，磁化一周，得到一关于原点对称的闭合曲线，称为称为磁滞回线磁滞回线。是铁磁性材料的重要特征之一。是铁磁性材料的重要特征之一。磁滞现象表明，铁磁性材料的磁化过程存在着不可逆过程，磁化过程磁滞现象表明，铁磁性材料的磁化过程存在着不可逆过程，磁化过程
15、要消耗能量。磁滞回线包围的面积相当于磁化一周所产生的损耗，称为要消耗能量。磁滞回线包围的面积相当于磁化一周所产生的损耗，称为磁磁滞损耗滞损耗。3）铁磁性材料的退磁：）铁磁性材料的退磁：磁滞回线的起点不是饱和点，而在饱和点以下时，磁滞回线的起点不是饱和点，而在饱和点以下时，H减小时，减小时，Mr和和Hc减小，即磁滞回线变得短而窄，若施加的交变磁场幅值减小，即磁滞回线变得短而窄，若施加的交变磁场幅值H趋于趋于0时，则回时，则回线将成为趋于坐标原点的螺线，直至交变磁场的线将成为趋于坐标原点的螺线，直至交变磁场的H 0，铁磁体将完全退，铁磁体将完全退磁。磁。4）铁磁性参数、软磁材料与硬磁材料）铁磁性参
16、数、软磁材料与硬磁材料 铁磁性参数主要包括铁磁性参数主要包括、Mr、Hc、Ms，它们的大小决定了其磁滞回线它们的大小决定了其磁滞回线的形状，主要取决于材料的化学组成与相组成，同时与材料的组织结构有的形状，主要取决于材料的化学组成与相组成，同时与材料的组织结构有关，即与制备工艺有关。不同铁磁性材料，磁滞回线的形状不同，据此将关，即与制备工艺有关。不同铁磁性材料，磁滞回线的形状不同，据此将铁磁性材料分为软磁材料和硬磁（永磁）材料。铁磁性材料分为软磁材料和硬磁（永磁）材料。软磁材料软磁材料：磁滞回线瘦长，：磁滞回线瘦长，高、高、Ms高、高、Hc小、小、Mr低，如变压器铁低，如变压器铁芯，芯，常用材料
17、如工业纯铁、硅铁、铁镍合金、铁钴合金等。常用材料如工业纯铁、硅铁、铁镍合金、铁钴合金等。硬磁（永磁）材料硬磁（永磁）材料：磁滞回线短粗，：磁滞回线短粗，低、低、Hc与与 Mr高，常用材料如铁高，常用材料如铁氧体、铝镍、稀土钴、稀土镍合金等，氧体、铝镍、稀土钴、稀土镍合金等，80年代发展的年代发展的Nd-Fe-B系合金。系合金。Mr/Ms接近于接近于1的矩形回线材料即矩磁材料是理想的磁记录材料。的矩形回线材料即矩磁材料是理想的磁记录材料。4.4.铁磁性材料的磁化曲线和磁滞回线铁磁性材料的磁化曲线和磁滞回线1.1.原子的磁性原子的磁性1 1）材料磁性产生的本源）材料磁性产生的本源 任何物质由原子组
18、成，原子又有带正电的原子核（核子）和带负电的电任何物质由原子组成，原子又有带正电的原子核（核子）和带负电的电子构成。核子和电子本身都在做自旋运动，电子又沿一定轨道绕核子做循子构成。核子和电子本身都在做自旋运动，电子又沿一定轨道绕核子做循规运动。它们的这些运动形成闭合电流，从而产生磁矩。规运动。它们的这些运动形成闭合电流，从而产生磁矩。材料磁性的本源材料磁性的本源是：材料内部电子的循轨运动和自旋运动。是：材料内部电子的循轨运动和自旋运动。核子自旋运动哪？（约为电子磁矩的核子自旋运动哪？（约为电子磁矩的1/20001/2000）2 2）电子磁矩）电子磁矩 轨道磁矩轨道磁矩：电子循规运动（绕核子在：
19、电子循规运动（绕核子在s s、p p、d d、f f等轨道运动）产生的磁等轨道运动）产生的磁矩。矩。大小：大小：I I与闭合环面积与闭合环面积S S的乘积。的乘积。方向方向:垂直于电子运动的轨迹平面，符合右手定则。垂直于电子运动的轨迹平面，符合右手定则。自旋磁矩自旋磁矩：电子自旋运动产生的磁矩，方向平行于自旋轴。：电子自旋运动产生的磁矩，方向平行于自旋轴。电子磁矩电子磁矩：轨道磁矩和自旋磁矩的矢量和。：轨道磁矩和自旋磁矩的矢量和。原子核自旋产生的磁矩很小原子核自旋产生的磁矩很小（重，速度很低）（重，速度很低），约为电子磁矩的，约为电子磁矩的1/20001/2000，一般可忽略。一般可忽略。第第
20、2 2节节 物质的磁性及其物理本质物质的磁性及其物理本质1.1.原子的磁性原子的磁性3）原子、分子磁矩）原子、分子磁矩 理论证明，原子中电子层被排满的壳层中总磁矩为理论证明，原子中电子层被排满的壳层中总磁矩为0，只有原子中存在只有原子中存在未被排满的电子层时未被排满的电子层时，未排满的电子层中总磁矩不为，未排满的电子层中总磁矩不为0，原子才有磁矩原子才有磁矩，叫叫固有磁矩固有磁矩。原因原因：因：因排满时排满时，在每一亚轨道上都有一对电子，它们自旋和循规运动的，在每一亚轨道上都有一对电子，它们自旋和循规运动的方向相反，成对电子的磁矩抵消；电子层方向相反，成对电子的磁矩抵消；电子层未被填满时未被填
21、满时，根据洪特法则，电，根据洪特法则，电子尽量占据不同的亚轨道，且单电子间自旋、循规方向相同，电子磁矩不子尽量占据不同的亚轨道，且单电子间自旋、循规方向相同，电子磁矩不被抵消。被抵消。如如Fe：在：在3d轨道上未排满，只有轨道上未排满，只有6个电子（个电子（），），3d的的5个亚轨道上，有个亚轨道上，有4个只有一个电子，故个只有一个电子，故Fe原子的固有磁矩是这原子的固有磁矩是这4个电子个电子磁矩的总和。磁矩的总和。原子结合成分子时，外层电子磁矩发生变化，故原子结合成分子时，外层电子磁矩发生变化，故分子磁矩不等于单个分子磁矩不等于单个原子磁矩之和原子磁矩之和。2.物质的抗磁性物质的抗磁性 如前
22、所述，电子壳层已填满的原子总磁矩为如前所述，电子壳层已填满的原子总磁矩为0，但这只是在无外，但这只是在无外H的情的情况下，在外况下，在外H作用下，即使对于总磁矩为作用下，即使对于总磁矩为0的原子，也会产生磁矩。这是的原子，也会产生磁矩。这是由于由于电子的循规运动在外电子的循规运动在外H作用下都会产生抗磁矩作用下都会产生抗磁矩(不管循规运动的方向是不管循规运动的方向是绕绕H轴向顺时针还是逆时针轴向顺时针还是逆时针),即产生的附加磁矩总是与外即产生的附加磁矩总是与外H方向相反。方向相反。为为什么？什么？取两个轨道平面与取两个轨道平面与H方向垂直而循规方向相反的电子为例：方向垂直而循规方向相反的电子
23、为例：电子循规运动所产生的电子循规运动所产生的轨道磁矩轨道磁矩：，同时必然受一同时必然受一向心力向心力 ，在磁场中运动，磁场还要对其产生一，在磁场中运动，磁场还要对其产生一附加力附加力K（方向符（方向符合左手定则）。设合左手定则）。设H方向由下向上：方向由下向上：电流方向顺时针（电子逆时针）时电流方向顺时针（电子逆时针）时：K与与K方向相同，等于向心力增方向相同，等于向心力增加，根据加，根据 ，m和和r不变，故不变，故增大，使增大，使Pl增大，即产生的附加磁矩增大，即产生的附加磁矩P的方向与外的方向与外H方向相反。方向相反。电流方向顺时针（电子逆时针）时电流方向顺时针（电子逆时针）时：K与与K
24、方向相反，等于向心力减方向相反，等于向心力减小，根据小，根据 ，m和和r不变，故不变，故减小，使减小，使Pl减小，也等于产生的附加减小，也等于产生的附加磁矩磁矩P的方向与外的方向与外H方向相反。方向相反。即不管电子循轨运动方向是顺时针还是逆时针，在外即不管电子循轨运动方向是顺时针还是逆时针，在外H中产生的附加中产生的附加磁矩方向总是与磁矩方向总是与H方向相反，这就是物质产生抗磁性的原因方向相反，这就是物质产生抗磁性的原因。显然，物质的抗磁性不是电子循轨、自旋本身产生的，而是在外显然，物质的抗磁性不是电子循轨、自旋本身产生的，而是在外H中中电子循规运动产生的附加磁矩产生的，所以电子循规运动产生的
25、附加磁矩产生的，所以抗磁磁化是可逆的抗磁磁化是可逆的，且，且P与与H成正比成正比。但抗磁体的磁化率很小。但抗磁体的磁化率很小。对于一个原子，有多个电子，具有不同的轨道半径，且轨道平面不一对于一个原子，有多个电子，具有不同的轨道半径，且轨道平面不一定与定与H方向垂直。产生的抗磁磁矩：方向垂直。产生的抗磁磁矩：思考思考：为什么说所有的物质都是磁介质？为什么说所有的物质都是磁介质？物质中为什么会产生抗磁性？物质中为什么会产生抗磁性？为什么说任何物质在磁场中都要产生抗磁性？（不是说任何物质为什么说任何物质在磁场中都要产生抗磁性？（不是说任何物质 都是抗磁体，电子壳层未被填满的物质不是抗磁体）。都是抗磁
26、体，电子壳层未被填满的物质不是抗磁体）。2.物质的抗磁性物质的抗磁性3.物质的顺磁性物质的顺磁性 来源来源：原子（离子）的固有磁矩。：原子（离子）的固有磁矩。无外无外H时时：由于热运动的影响，固有磁矩取向无序，宏观上无磁性。由于热运动的影响，固有磁矩取向无序，宏观上无磁性。外外H作用下作用下：固有磁矩与：固有磁矩与H作用，有较高的静磁能，为降低静磁能，固作用，有较高的静磁能，为降低静磁能，固有磁矩改变与有磁矩改变与H的夹角，趋于排向外的夹角，趋于排向外H方向，表现为正向磁化。在常温和方向，表现为正向磁化。在常温和H不是很高的情况下，不是很高的情况下，M与与H成正比，磁化要克服热运动的干扰，磁矩
27、难成正比，磁化要克服热运动的干扰，磁矩难以有序排列，故顺磁化进行十分困难，磁化率较小。以有序排列，故顺磁化进行十分困难，磁化率较小。常温下顺磁体达到饱和磁化所需的常温下顺磁体达到饱和磁化所需的H非常大，技术上难以达到，但温度非常大，技术上难以达到，但温度降至接近降至接近0K时，就容易了。时，就容易了。根据顺磁磁化率与温度的关系，可把顺磁体分为三类根据顺磁磁化率与温度的关系，可把顺磁体分为三类：正常顺磁体正常顺磁体：磁化率随温度升高而降低的顺磁体。：磁化率随温度升高而降低的顺磁体。符合符合居里定律居里定律：或或居里外斯定律居里外斯定律：磁化率与温度无关的顺磁体磁化率与温度无关的顺磁体：如碱金属，
28、其顺磁性是由价电子产生的。：如碱金属，其顺磁性是由价电子产生的。存在反铁磁体转变的顺磁体存在反铁磁体转变的顺磁体：在居里点或称尼尔点：在居里点或称尼尔点TN以上，与正常顺磁以上，与正常顺磁体一样符合居里外斯定律；在体一样符合居里外斯定律；在TN以下呈反铁磁性，随温度降低，磁化以下呈反铁磁性，随温度降低，磁化率降低，率降低，T0时，磁化率趋近于一常数，在时，磁化率趋近于一常数，在TN 温度磁化率最大。温度磁化率最大。4.金属的抗磁性与顺磁性金属的抗磁性与顺磁性 金属由点阵离子和自由电子构成，其磁性取决于：金属由点阵离子和自由电子构成，其磁性取决于：正离子的抗磁性：正离子的抗磁性：源于其电子的循规
29、运动源于其电子的循规运动 正离子的顺磁性：正离子的顺磁性：源于原子的固有磁矩源于原子的固有磁矩 自由电子的抗磁性：源于自由电子的运动自由电子的抗磁性：源于自由电子的运动 自由电子的顺磁性：源于电子的自旋磁矩自由电子的顺磁性：源于电子的自旋磁矩 自由电子自由电子的顺磁性大于其抗磁性，所以表现为顺磁性。的顺磁性大于其抗磁性，所以表现为顺磁性。金属的磁性是离子磁性和自由电子磁性的综合结果。金属的磁性是离子磁性和自由电子磁性的综合结果。5.抗磁性、顺磁性的影响因素抗磁性、顺磁性的影响因素 1 1）原子结构）原子结构 （会解释不同物质具有不同磁性的原因。）会解释不同物质具有不同磁性的原因。）材料内部既存
30、在产生抗磁性的因素，也存在产生顺磁性的因素，属哪种磁性的材料内部既存在产生抗磁性的因素，也存在产生顺磁性的因素，属哪种磁性的材料取决于哪种因素占主导地位材料取决于哪种因素占主导地位。惰性气体：固有磁矩为惰性气体：固有磁矩为0 0，只有电子循规运动产生抗磁性的本源，所以是典型的，只有电子循规运动产生抗磁性的本源，所以是典型的抗磁性物质。抗磁性物质。非金属：虽有固有磁矩，但由于它们形成分子时，基本上以共价键结合，共价电非金属：虽有固有磁矩，但由于它们形成分子时，基本上以共价键结合，共价电子对的磁矩相互抵消，所以它们是抗磁性物质；只有氧和石墨是顺磁性物质。子对的磁矩相互抵消，所以它们是抗磁性物质；只
31、有氧和石墨是顺磁性物质。金属：只有内层电子未被填满时，才产生较强的顺磁性（自由电子对顺磁性的贡金属：只有内层电子未被填满时，才产生较强的顺磁性（自由电子对顺磁性的贡献较小献较小)。a.a.Cu、Ag、Au、Zn、Cd、Hg等，离子产生的抗磁性大于自由电子产生等，离子产生的抗磁性大于自由电子产生的顺磁性，属抗磁体。的顺磁性，属抗磁体。b.碱金属、碱土金属（除碱金属、碱土金属（除Be外）：自由电子产生的顺磁性强，占主导地位，外）：自由电子产生的顺磁性强，占主导地位，表现为顺磁性。表现为顺磁性。c.稀土金属：表现为较强的顺磁性（磁化率较大稀土金属：表现为较强的顺磁性（磁化率较大)，且遵从居里外斯定律
32、。，且遵从居里外斯定律。因它们因它们4f、5d电子壳层未被填满，存在固有磁矩。电子壳层未被填满，存在固有磁矩。d.d.过渡族元素：具有强烈的顺磁性，因它们存在未填满电子的过渡族元素：具有强烈的顺磁性，因它们存在未填满电子的d、f层，形层，形成了晶体离子的固有磁矩。且其中有些存在成了晶体离子的固有磁矩。且其中有些存在铁磁转变铁磁转变（如（如Fe、Co、Ni），），有些存在有些存在反铁磁转变反铁磁转变（如（如Cr）。）。2）温度）温度 对抗磁性基本无影响，对顺磁性影响很大。对抗磁性基本无影响，对顺磁性影响很大。因为：因为：温度升高，质点热振温度升高，质点热振动加剧，对磁矩排向的干扰增大，使磁矩的定
33、向排向动加剧，对磁矩排向的干扰增大，使磁矩的定向排向H方向困难，使磁化方向困难，使磁化率降低。率降低。3）相变及组织转变）相变及组织转变 熔化凝固、塑性变形、晶粒细化和同素异构转变熔化凝固、塑性变形、晶粒细化和同素异构转变：电子轨道和原子密度电子轨道和原子密度变化，将变化，将使抗磁磁化率变化使抗磁磁化率变化。熔化：熔化：一般使抗磁磁化率减小，但一般使抗磁磁化率减小，但Ge、Au、Ag相反。相反。金属加工硬化：金属加工硬化：使抗磁性减弱，如使抗磁性减弱，如Cu高度加工硬化可使其由抗磁性转化高度加工硬化可使其由抗磁性转化为顺磁性，退火后又恢复至抗磁性。为顺磁性，退火后又恢复至抗磁性。晶粒细化：晶粒
34、细化：一般使抗磁性减弱，如一般使抗磁性减弱，如Bi、Sb、Se、Te在晶粒高度细化时可在晶粒高度细化时可由抗磁性转化为顺磁性。由抗磁性转化为顺磁性。熔化、加工硬化、晶粒细化都使晶体趋于非晶化，且都使原子间距趋于熔化、加工硬化、晶粒细化都使晶体趋于非晶化，且都使原子间距趋于增大，密度减小，故影响效果类似。增大，密度减小，故影响效果类似。同素异构转变同素异构转变：使磁化率突变。因：往往引起原子间距和自由电子数的使磁化率突变。因：往往引起原子间距和自由电子数的变化。变化。5.抗磁性、顺磁性的影响因素抗磁性、顺磁性的影响因素 4）合金成分与组织的影响）合金成分与组织的影响 形成固溶体形成固溶体 低磁化
35、率金属间：低磁化率金属间：磁化率与成分间呈平滑曲线关系。磁化率与成分间呈平滑曲线关系。抗磁性金属中溶入过渡族的强顺磁性金属：抗磁性金属中溶入过渡族的强顺磁性金属：情况复杂，视具体体系而情况复杂，视具体体系而定，不一定朝顺磁性转化。定，不一定朝顺磁性转化。抗磁性金属中溶入铁磁性金属（抗磁性金属中溶入铁磁性金属（Fe、Co、Ni）：）：磁化率剧增，甚至在磁化率剧增，甚至在低浓度时，就可转变为顺磁体。低浓度时，就可转变为顺磁体。固溶体有序化：固溶体有序化：磁化率明显变化，有的抗磁性减弱，有的增强。磁化率明显变化，有的抗磁性减弱，有的增强。合金形成中间相合金形成中间相 磁化率突变，磁化率与成分关系曲线
36、出现极大或极小值。磁化率突变，磁化率与成分关系曲线出现极大或极小值。两相合金两相合金 磁化率随成分呈直线变化。磁化率随成分呈直线变化。5.抗磁性、顺磁性的影响因素抗磁性、顺磁性的影响因素 磁化特点与抗、顺磁质不同，其磁化特点与抗、顺磁质不同，其M与与H呈呈复杂曲线关系，存在磁饱和与复杂曲线关系，存在磁饱和与磁滞；磁化不可逆，交变磁场中形成磁滞回线；磁化率大，磁化容易。磁滞；磁化不可逆，交变磁场中形成磁滞回线；磁化率大，磁化容易。为什么有这些特点，其磁化本质如何？怎么解释其在外为什么有这些特点，其磁化本质如何？怎么解释其在外H H中的特殊行为？中的特殊行为？第第3 3节节 物质的铁磁性及其物理本
37、质物质的铁磁性及其物理本质一、铁磁质的自发磁化一、铁磁质的自发磁化1.1.自发磁化自发磁化与与磁畴磁畴：自发磁化：自发磁化：铁磁性材料铁磁性材料在没有外加在没有外加H H时，原子磁矩趋于同向排列，而发生时，原子磁矩趋于同向排列，而发生的磁化。铁磁质的磁性是自发产生的，磁化过程只不过是把铁磁质本身的的磁化。铁磁质的磁性是自发产生的，磁化过程只不过是把铁磁质本身的磁性显示了出来，而不是由外界向铁磁质提供磁性。磁性显示了出来，而不是由外界向铁磁质提供磁性。磁畴磁畴：铁磁质自发磁化成的若干个小区域。由于各个区域的磁化方向各：铁磁质自发磁化成的若干个小区域。由于各个区域的磁化方向各不相同，故其磁性彼此相
38、消，所以大块铁磁体对外并不显示磁性。不相同，故其磁性彼此相消，所以大块铁磁体对外并不显示磁性。2.2.铁磁性铁磁性产生产生的两个的两个条件条件：原子有未被抵消的自旋磁矩、可发生自发磁化原子有未被抵消的自旋磁矩、可发生自发磁化。铁磁质自发磁化的铁磁质自发磁化的起因是源于起因是源于原子未披抵消的自旋磁矩，而轨道磁矩对原子未披抵消的自旋磁矩，而轨道磁矩对铁磁性几乎无贡献。过渡族铁磁性几乎无贡献。过渡族金属的金属的3d壳层都未填满，都有未被抵消的自旋壳层都未填满，都有未被抵消的自旋磁矩（磁矩（固有磁矩固有磁矩），如），如Fe、Co、Ni是铁磁性的；但是铁磁性的；但Mn虽有剩余自旋磁矩，虽有剩余自旋磁矩
39、，却不是铁磁质，说明原子具有未抵消的自旋磁矩仅是产生铁磁性的必要条却不是铁磁质，说明原子具有未抵消的自旋磁矩仅是产生铁磁性的必要条件，不是充分条件。金属要具有铁磁性，关键还件，不是充分条件。金属要具有铁磁性，关键还在于它的自旋磁矩能自发在于它的自旋磁矩能自发同向排列，亦即能产生同向排列，亦即能产生自发磁化自发磁化。一、铁磁质的自发磁化一、铁磁质的自发磁化3.3.自发磁化的产生机理与条件自发磁化的产生机理与条件 铁磁质的铁磁质的自发磁化自发磁化，是由于，是由于电子间的静电相互作用电子间的静电相互作用而产生的。而产生的。据键合理论，原子相互接近形成分子时，电子云要相互重叠，电子要相据键合理论，原子
40、相互接近形成分子时，电子云要相互重叠，电子要相互交换位置。对过渡族金属，原子的互交换位置。对过渡族金属，原子的3d3d与与4S4S态能量接近，它们电子云重叠态能量接近，它们电子云重叠时引起了时引起了3d3d、4S4S态电子的交换。交换所产生的静电作用力称为态电子的交换。交换所产生的静电作用力称为交换力交换力，交交换力的作用迫使相邻原子的自旋磁矩产生有序的排列。换力的作用迫使相邻原子的自旋磁矩产生有序的排列。因交换作用而产生因交换作用而产生的附加能量称为的附加能量称为交换能：交换能：A A为为交换能积分常数交换能积分常数，为两相邻原子的两个电子自旋磁矩间夹角。可为两相邻原子的两个电子自旋磁矩间夹
41、角。可见，交换能的正负取决于见，交换能的正负取决于A A和和 。A A0 0，0 0时时，具有最大负值，即自旋磁矩同向排列时才具备能量具有最大负值，即自旋磁矩同向排列时才具备能量最低条件，就是说最低条件，就是说A A0 0时可产生时可产生自发磁化，自发磁化，产生产生铁磁性铁磁性。A A0 0，180180时，时，具有最大负值，即自旋磁矩反向排列时才具备能具有最大负值，即自旋磁矩反向排列时才具备能量最低条件，就是说量最低条件，就是说A A 0 0时时不能产生自发磁化不能产生自发磁化，这种排列产生，这种排列产生反铁磁性反铁磁性。理论表明，理论表明，A不仅与电子运动状态的波函数有关，且强烈依赖于原子
42、间不仅与电子运动状态的波函数有关，且强烈依赖于原子间距和未填满壳层半径。即距和未填满壳层半径。即A A与原子电子结构和晶体的点阵结构有关与原子电子结构和晶体的点阵结构有关。3.3.自发磁化的产生机理与条件自发磁化的产生机理与条件 实际上，实际上，FeFe、CoCo、NiNi及及某些某些稀土元素稀土元素A A为为较大正值，满足自发磁化的条件，为较大正值，满足自发磁化的条件，为铁磁性铁磁性金属金属。大部分大部分稀土元素稀土元素虽虽A A0 0，但因，但因原子间原子间距距/未填满壳层半径未填满壳层半径太大，电子云重叠很少或太大，电子云重叠很少或不重叠，电子间的静电交换作用很弱（不重叠，电子间的静电交
43、换作用很弱（A A较较小），对电子自旋磁矩的取向影响甚小，故小），对电子自旋磁矩的取向影响甚小，故在常温下为在常温下为顺磁性顺磁性；过渡族过渡族CrCr、MnMn，A A 0 0，原子磁矩反平行排列，为原子磁矩反平行排列，为反铁磁性反铁磁性金属。金属。可见，可见，铁磁性产生的充分条件铁磁性产生的充分条件：原子内部要有未填满的电子壳层（或说存在固有原子内部要有未填满的电子壳层（或说存在固有磁矩）磁矩），且且A具有具有较大较大的正值（或说可发生自发磁化）的正值（或说可发生自发磁化）。前者是指原子的本征磁。前者是指原子的本征磁矩，后者指的是要有一定的晶体点阵结构。矩，后者指的是要有一定的晶体点阵结构
44、。根据自发磁化的过程和理论，可解释许多铁磁特性。如根据自发磁化的过程和理论，可解释许多铁磁特性。如温度对铁磁性的影响温度对铁磁性的影响，每一铁磁体都有一完全确定的温度（称磁性转变点或每一铁磁体都有一完全确定的温度（称磁性转变点或居里点居里点），在此），在此温度以上铁温度以上铁磁性转变为顺磁性磁性转变为顺磁性。这是由于这是由于温度升高，原子间距加大，交换作用降低，同时热温度升高，原子间距加大，交换作用降低，同时热运动也破坏了原子磁矩的规则取向，故自发磁化强度降低，直至居里点，已完全运动也破坏了原子磁矩的规则取向，故自发磁化强度降低，直至居里点，已完全破坏了原子磁矩的规则取向，自发磁化不能发生，材
45、料即由铁磁性变为顺磁性。破坏了原子磁矩的规则取向，自发磁化不能发生，材料即由铁磁性变为顺磁性。1.反铁磁性反铁磁性 如前所述，当交换能积分常数如前所述，当交换能积分常数A为负值时，原子磁矩反向平行排列；为负值时，原子磁矩反向平行排列；若相邻原子的磁矩相等，则相互抵消，使自发磁化强度趋于零。这种若相邻原子的磁矩相等，则相互抵消，使自发磁化强度趋于零。这种特性称为特性称为反铁磁性反铁磁性。除。除Mn、Cr外，某些金属氧化物如外，某些金属氧化物如MnO、Cr2O3、CuO、NiO等也属反铁磁体，目前发现有等也属反铁磁体，目前发现有40余种反铁磁性物质。余种反铁磁性物质。其磁化率其磁化率在在尼尔点（尼
46、尔点（TN）出现极大值，出现极大值，T TN 时呈反铁磁性，时呈反铁磁性，随随温度的升高而增大；温度的升高而增大；T TN 时呈强顺磁性磁性，时呈强顺磁性磁性，随温度的升高而降随温度的升高而降低，符合居里外斯定律。尼尔点附近存在电阻、热膨胀、比热、弹低，符合居里外斯定律。尼尔点附近存在电阻、热膨胀、比热、弹性等反常现象，据此，反铁磁物质可能成为有实用意义的材料。如近性等反常现象，据此，反铁磁物质可能成为有实用意义的材料。如近几年正在研究具有反铁磁性的几年正在研究具有反铁磁性的FeMn合金作为恒弹性材料。合金作为恒弹性材料。二、反铁磁性和亚铁磁性二、反铁磁性和亚铁磁性TnT 由两种离子组成，两亚
47、点阵磁矩的方向相反，但大小不等，自发磁矩由两种离子组成，两亚点阵磁矩的方向相反，但大小不等，自发磁矩部分抵消，自发磁化强度不为部分抵消，自发磁化强度不为0，称，称亚铁磁性亚铁磁性。具有亚铁磁性的物质大部分是金属氧化物。目前发现的一般是具有亚铁磁性的物质大部分是金属氧化物。目前发现的一般是Fe2O3与二价金属氧化物组成的复合氧化物，称与二价金属氧化物组成的复合氧化物，称“铁氧体铁氧体”，即，即以氧化铁为主以氧化铁为主要成分的磁性氧化物要成分的磁性氧化物。铁氧体中磁性离子都被较大的氧离子所隔离，故磁性离子间不存在直铁氧体中磁性离子都被较大的氧离子所隔离，故磁性离子间不存在直接交换作用。事实上铁氧体
48、内部存在着很强的自发磁化，是通过夹在磁接交换作用。事实上铁氧体内部存在着很强的自发磁化，是通过夹在磁性离子间的氧离子而形成的间接交换，称性离子间的氧离子而形成的间接交换，称超交换作用超交换作用，使每个亚点阵内，使每个亚点阵内离子磁矩反向平行排列，大小不等，剩余部分即表现为自发磁化。离子磁矩反向平行排列，大小不等，剩余部分即表现为自发磁化。从已知的反铁磁结构出发，利用元素代换可能制成一种保持原来磁结从已知的反铁磁结构出发，利用元素代换可能制成一种保持原来磁结构的反平行排列但磁矩不等的亚铁磁晶体。利用这一原理，已创造出一构的反平行排列但磁矩不等的亚铁磁晶体。利用这一原理，已创造出一些新的亚铁磁体。
49、些新的亚铁磁体。同铁磁体一样，在铁氧体内也存在交换作用与热运动的矛盾，随温度同铁磁体一样，在铁氧体内也存在交换作用与热运动的矛盾，随温度升高铁氧体的饱和磁化强度降低，达某一足够温度时自发磁化消失，变升高铁氧体的饱和磁化强度降低，达某一足够温度时自发磁化消失，变为顺磁体，这一温度即为为顺磁体，这一温度即为铁氧体的居里温度铁氧体的居里温度。亚铁磁体属半导体，其高亚铁磁体属半导体，其高电阻率的特点使它可以应用于电阻率的特点使它可以应用于高频磁化高频磁化。2.2.亚铁磁性亚铁磁性三种磁性质的三种磁性质的T关系图和原子（离子）磁矩排列示意图关系图和原子（离子）磁矩排列示意图。1.磁晶各向异性磁晶各向异性
50、 铁磁单晶体铁磁单晶体磁化时沿不同晶向的磁化曲线不同，如沿铁的磁化时沿不同晶向的磁化曲线不同，如沿铁的100、镍的、镍的111和钴的和钴的0001方向极易磁化，在很小的方向极易磁化，在很小的H下即可达到磁饱和，故它们下即可达到磁饱和，故它们是是易磁化方向易磁化方向。而沿铁的。而沿铁的111、镍的、镍的100和钴的和钴的1010方向磁化时，则方向磁化时，则需非常强的需非常强的H才能达磁饱和，它们是才能达磁饱和，它们是难磁化方向难磁化方向。像这种。像这种在在铁磁单晶体铁磁单晶体的的不同晶向上磁性能不同的性质不同晶向上磁性能不同的性质称为称为磁性的各向异性磁性的各向异性。2.磁各向异性的机理磁各向异
