材料科學與工程基礎主講人：張紅鷹4.4材料的磁學性能（MagneticPropertiesofMaterials）4.4.1磁性的本質4.4.2磁學基本量4.4.3磁性的分類4.4.1磁性的本質電子磁矩（Magneticmoments）電子軌道磁矩——電子繞核運動電子自旋磁矩——電子本身自旋電子自旋磁矩（spin）＞＞電子軌道磁矩（orbital）孤立原子原子各層都充滿電子——不具磁性有未被填滿的電子殼層——具有“永久磁矩”問題：所有的電子都具有磁矩，那所有的原子也都具有磁矩嗎？“交換”作用不同原子間的、未被填滿殼層上的電子發生的特殊相互作用——“公有化”，“交換”。鐵磁性物質“交換”作用鐵磁性物質晶體結構原子間距a/D＞3時，交換能為正值a/D＜3時，交換能為負值，為反鐵磁性。a原子間距；D未被填滿電子殼層直徑4.4.2磁學基本量（1）磁矩——表征磁性物體磁性大小的物理量。“磁”來源于“電”，任何一個封閉的電流都具有磁矩m。物體本身特性方向：右手法則式中：m為載流線圈的磁矩，S為線圈的面積，I為線圈通過的電流。單位為A·m2。（2）磁化強度（Magnetization）A、磁化：外磁場，各磁矩規則取向，宏觀呈磁性B、磁化強度：外磁場，物質被磁化的程度單位：A/m；方向：矢量和物理意義：單位體積的磁矩。（3）磁感應強度（Magneticfluxdensity

）表示材料在外磁場H的作用下在材料內部的磁通量密度。磁場強度和磁感應強度均為表征磁場性質（即磁場強弱和方向）的兩個物理量。磁場強度則完全只是反映磁場來源的屬性；磁感應強度是完全只是考慮磁場對于帶電粒子的作用。在真空中，磁感應強度為：0真空磁導率（Permeability）是一個常數：4π×10-7（H/m）（亨/米）B0

磁感應強度（Magneticfluxdensity）（Wb·m2）H磁場強度（Magneticfieldstrength）（A·m-1）當有介質時，會發生什么現象？磁化——在外磁場H的作用下，介質表現出一定的磁性，產生一定的磁場，這個過程叫磁化。磁化的程度用磁化強度M表示，其與磁場強度H的關系如下：x為介質的磁化率，僅與磁介質性質有關。反映材料磁化的能力，沒有單位，為一純數。x可正、可負，決定于材料的不同磁性類別。對于一般磁介質,無外加磁場時,其內部各磁矩的取向不一,宏觀無磁性。但在外磁場作用下,各磁矩有規則地取向,使磁介質宏觀顯示磁性,這就叫磁化。

常見材料在室溫時的磁化率材料名稱磁化率材料名稱磁化率氧化鋁-1.81×10－5鋅-1.56×10－5銅-0.96×10－5鋁2.07×10－5金-3.44×10－5鉻3.13×10－4水銀-2.85×10－5鈉8.48×10－6硅-0.41×10－5鈦1.81×10－4銀-2.38×10－5鋯1.09×10－4當有介質時，介質被磁化后，其產生的磁場強度M和源磁場強度H對運動電荷共同產生作用，此時磁感應強度Ｂ和磁場強度H有何關系？令則式中的μ為介質的磁導率，單位為H/m，是磁性材料最重要的物理量之一，其也反映了介質磁化的能力。令μr為介質的相對磁導率，單位為H/m，是材料的特性常數，其也反映了介質磁化的能力μr=μ/μ0μr

＞

1、μr

＜1分別代表什么意思？（4）磁化率χ（Magneticsusceptibility）有關系式：是否外磁場（H）增大,磁化強度（M）就不斷增大？飽和磁化強度Ms：磁化強度的最大值。飽和磁化強度Ms,等于凈磁矩，和原子密度有關。對應飽和磁感應強度。4.4.3磁性的分類磁性的分類——根據材料磁化率的分類——5大類（1）抗磁性（Diamagnetism，或反磁性）M＜0Bi,Cu,Ag,Au磁矩應為0，即不存在永久磁矩。χ＜0，μr＜1外磁場中，感生一個磁矩，與外磁場方向相反。來源——原子軌道中電子軌道的變化。周期表中前18個元素構成了陶瓷中的陰離子（O2-、F-、Cl-等）抗磁性又稱逆磁性，所有物質都有抗磁性，但在許多情況下，物質的逆磁性會被較強的其他類型的磁性所掩蓋。只有當原子或離子的子殼層全部被電子填充，原子或離子不再具有本征磁矩，其他種類的磁性也就不存在了，抗磁性才能有效地顯現出來。因此，抗磁性物質只有受到磁場作用時，才能感應出一個較弱的磁化強度，其方向與磁場方向相反。（2）順磁性（Paramagnetism）原子內部存在永久磁矩無外磁場，宏觀無磁性；有外磁場，顯示極弱磁性。磁化率很小室溫下約為10-5。X=C/T。C：居里常數。x＞0,μr

＞1過渡元素、稀土元素、鑭系元素M∝H奇數電子未填滿當組成物質的原子或離子的內部殼層未被電子填滿的情況下，這些原子或離子具有穩定的固有磁矩。如果這些磁性原子或離子在物質中相距較遠，它們之間的相互作用可以忽略，或者相互之間的交換作用遠小于無規則的熱運動，則原子或離子磁矩在空間中取向雜亂無章，因此物質的總磁矩為零。在磁場作用下，由于磁場對磁矩的力矩作用，使每個原子磁矩程度不同地朝磁場方向偏轉從而沿磁場方向有一凈磁化強度產生。（3）鐵磁性（Ferromagnetism）強磁性物質：Fe、Co、Ni室溫下磁化率可達103。較軟磁場、較高的磁化強度；外磁場移去保留較強磁性。x＞0,μr

＞1M＞＞H強磁性來源——很強的內部交換場基本特征——自發磁化當物質內部原子磁矩之間由于強烈的交換作用而平行排列。隨著溫度逐漸升高，無規則熱運動加劇，傾向于破壞磁矩間的平行排列。當交換作用和熱運動兩種相反趨勢相等時，對應的溫度稱為居里溫度Tc，這時原子磁矩之間又趨于混亂排列。居里點溫度（Curietemperature）Tc自發磁化強度為0，鐵磁性消失T＞Tc，材料表現為強順磁性。磁化率與溫度的關系符合居里—外斯定律（4）亞鐵磁性（Sub-Ferromagnetism）類似鐵磁體，x值沒有鐵磁體大。磁鐵礦（Fe3O4）晶體不同晶格內磁矩的反平行取向而導致的抵消作用不一，保留了剩余磁矩，表現出一定的鐵磁性。（5