材料磁学性能(材料科学基础)

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1、4-4材料的磁学性能(magneticproperties)4-4-1物质的磁性物质的磁性来源于电子的运动以及原子、电子内部的永久磁矩。1、磁学基本量（1）磁矩m——表征磁性物体磁性大小的物理量。电子轨道磁矩（电子绕原子核运动）电子自旋磁矩（电子本身自旋）磁矩只与物体本身有关，与外磁场无关。任何一个封闭的电流都具有磁矩方向：右手法则大小：I△S(即电流与封闭环形的面积乘积)单位:A·m2（2）磁化强度A、磁化: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；在外磁场作用下,各磁矩规则取向，使磁介质宏观呈磁性－－－这就叫磁化B、磁化强度:外磁场中物质被磁化的程

2、度.M＝Σm／ΔV,物理意义：单位体积的磁矩单位：A·m-1（即与磁场强度H的单位一致）方向：由磁体内磁矩矢量和的方向决定磁介质在外磁场中的磁化状态，主要由磁化强度M决定。磁化强度M可正、可负，由磁体内磁矩矢量和的方向决定，因而磁化了的磁介质内部的磁感应强度B可能大于，也可能小于磁介质不存在时真空中的磁感应强度B。介质（3）磁感应强度真空B。＝。H。B磁感强度（Wb·m-2）(magneticfluxdensity)H磁场强度（A·m-1）(magneticfieldstrength)0真空磁导率，4×l0-7（H／m）(亨/米）M:磁化强度（4）磁化率χ(magnet

3、icsusceptibility)M=（μr-1）H＝χHμr=μ/μ0为介质的相对磁导率χ=μr–1为介质的磁化率χ仅与磁介质性质有关，它反映材料磁化的能力。χ没有单位，为一纯数。χ可正、可负，决定于材料的不同磁性类别。2、磁性的本质（1）电子的磁矩(Magneticmoments)电子磁矩由电子的轨道磁矩和自旋磁矩组成。因为：电子的自旋磁矩＞＞轨道磁矩所以：物质的磁性主要是由自旋磁矩引起的，每个电子自旋磁矩的近似值等于一个波尔磁子μB，μB是原子磁矩的单位（μB＝9.27×10－24A.m2）孤立原子可以具有磁矩，也可以没有，这决定于原子的结构。具有“永久磁矩”：原子中有

4、未被填满的电子壳层（自旋磁矩未抵消）如铁原子（1s22s22p63s23p63d64s2）,其总的电子自旋磁矩为4μB。不具“永久磁矩”：原子各层都充满电子（电子自旋磁矩相互抵消）如锌(3d104s2)，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。a/D＞3时交换能为正值，为铁磁性a/D＜3时交换能为负值，为反铁磁性a/D＞5时交换能趋向零（2）“交换”作用铁具有很强的磁性，这种磁性称为铁磁性。铁磁性除与电子结构有关外，还决定于晶体结构。处于不同原子间的、未被填满壳层上的电子发生特殊的相互作用，这种相互作用称为“交换”作用。这是因为在晶体内，参与这种相互作

5、用的电子已不再局限于原来的原子，而是“公有化”了，原子间好象在交换电子，故称为“交换”作用。由这种“交换”作用所产生的“交换能”J与晶格的原子间距有密切关系。当距离很大时，J接近于零，随着距离的减小，相互作用有所增加。J为正值，就呈现出铁磁性，J为负值，就呈现出反铁磁性。a：原子间距D：未被填满的电子壳层直径3、磁性的分类——根据材料磁化率χ的分类（1）抗磁性(Ferrimagnetism)如：Cu，Ag，Au等当磁化强度M为负时，固体就表现为抗磁性。抗磁性物质的孤立原子（离子）的磁矩应为0，即不存在永久磁矩。当抗磁性物质放入外磁场中，外磁场使电子轨道改变，感生出一个磁矩，其

6、方向与外磁场方向相反，表现为抗磁性。在外磁场中，这类磁化了的介质内部，B小于真空中的B0抗磁性物质的抗磁性一般很微弱，磁化率一般为-10-5磁化率χ＜0，相对磁导率μr＜1，磁感应强度B

7、很小，室温下约为10-5顺磁性物质的磁性除了与磁场强度H有关外，还依赖于温度，其磁化率与绝对温度成反比：x＝C/T，C：居里常数。磁化率x＞0，相对磁导率μr＞1一般含有奇数个电子的原子或分子，电子未填满壳层的原子或离子，如过渡元素、稀土元素、锕系元素等都属于顺磁物质。（3）铁磁性(Ferromagnetism)抗磁和顺磁两种磁性物质，其磁化率绝对值都很小，因而属于弱磁性物质。强磁性物质，如Fe，Co，Ni室温下磁化率可达103数量级。在较弱磁场内，铁磁性物质也可得到较高的磁化强度；而且当外磁场移去后，