第二章第二章杜慧玲 博士 主讲西安科技大学材料科学与工程系主要内容主要内容材料的磁性概述材料的抗磁性与顺磁性理论材料的铁磁性理论材料的磁弹性能动态磁化特征 1. 1. 材料的磁性概述材料的磁性概述1.1 1.1 磁性材料发展简历磁性材料发展简历磁性材料磁性材料磁性材料磁性材料是一簇新兴的基础功能材料。虽然早在3000多年前我国就已发现磁石相互吸引和磁石吸铁的现象, 并在世界上最先发明用磁石作为指示方向和校正时间的应用, 在韩非子和东汉王充著的论衡两书中所提到的“司南”就是指此, 但毕竟只是单一地应用了天然的磁性材料。人类注意于磁性材料的性能特点、制造、应用等的研究、开发的发展历史尚不到100年时间。经过近百年的发展, 磁性材料已经形成了一个庞大的家族,按材料的磁特性来划分, 有软磁、永磁、旋磁、记忆磁、压磁等; 按材料构成来划分, 有合金磁性材料, 铁氧体磁性材料。v公元前公元前4世纪世纪，中国发明了司南。后来，出现了指南车。v公元前公元前3世纪世纪，战国时期，中这样记载：“先王立司南以端朝夕”。中记载：“郑人取玉，必载司南，为其不惑也”。v公元公元1世纪世纪，东汉，王充在中写道：“司南之杓，投之于地，其柢指南”。v公元公元11世纪世纪，北宋，沈括在中提到了指南针的制造方法：“方家以磁石磨针锋，则能指南.水浮多荡摇，指抓及碗唇上皆可为之，运转尤速，但坚滑易坠，不若缕悬之最善。”同时，他还发现了磁偏角，即：地球的磁极和地理的南北极不完全重合。1. 1. 材料的磁性概述材料的磁性概述1.1 1.1 磁性材料发展简历磁性材料发展简历v公元公元17世纪世纪，英国的吉尔伯特发表了世界上第一部磁学专著。v公元公元18世纪世纪，瑞典科学家在磁学著作中对磁性材料的磁化作了大胆的描绘。v公元公元19世纪世纪，近代物理学大发展，电流的磁效应、电磁感应等相继被发现和研究，同时磁性材料的理论出现，涌现出了象法拉第、安培、韦伯、高斯、奥斯特、麦克丝韦、赫兹等大批现代电磁学大师。v20世纪初世纪初，法国的外斯提出了著名的磁性物质的分子场假说，奠定了现代磁学的基础。1. 1. 材料的磁性概述材料的磁性概述1.1 1.1 磁性材料发展简历磁性材料发展简历磁介质的磁化磁介质的分类顺磁质,同向，抗磁质,反向，铁磁质：，1. 1. 材料的磁性概述材料的磁性概述1.2 1.2 磁性的基本概念磁性的基本概念一、磁性的分类二、磁场强度二、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/m1. 1. 材料的磁性概述材料的磁性概述1.2 1.2 磁性的基本概念磁性的基本概念三、磁感应强度三、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在真空中，磁感应强度为式中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。1. 1. 材料的磁性概述材料的磁性概述1.2 1.2 磁性的基本概念磁性的基本概念在磁介质中，磁场强度和磁感应强度的关系为式中的为介质的磁导率，是材料的特性常数。的单位为H/m。1. 1. 材料的磁性概述材料的磁性概述1.2 1.2 磁性的基本概念磁性的基本概念除了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/OeM是磁极密度，4M是磁通线的密度。1. 1. 材料的磁性概述材料的磁性概述1.2 1.2 磁性的基本概念磁性的基本概念四、磁导率四、磁导率四、磁导率四、磁导率2. 有四种表示方法：有四种表示方法：绝对磁导率相对磁导率r= /0起始磁导率i复数磁导率在给定激磁条件下的磁导率复数磁导率的表示方法（串联等效电路）1. 1. 材料的磁性概述材料的磁性概述1.2 1.2 磁性的基本概念磁性的基本概念3. 在工程中磁导率分为：在工程中磁导率分为：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1.磁导率的物理意义：磁导率的物理意义：表示材料在单位磁场强度的外磁场作用下，材料内部的磁通量密度。是材料的特征常数。4.4.4.4.相对磁导率相对磁导率相对磁导率相对磁导率r r r r定义：材料的磁导率与真空磁导率0之比。r为无量纲的参数磁化率与相对磁导率之间的关系1. 1. 材料的磁性概述材料的磁性概述1.2 1.2 磁性的基本概念磁性的基本概念五、磁化强度五、磁化强度M定义：定义：在外磁场H的作用下，材料中因磁矩沿外场方向排列而使磁场强化的量度，其值等于单位体积材料中感应的磁矩大小。单位为A/m，与磁场强度H单位一致。1. 1. 材料的磁性概述材料的磁性概述1.2 1.2 磁性的基本概念磁性的基本概念1. 1. 材料的磁性概述材料的磁性概述1.3 1.3 磁性的起源磁性的起源一、磁矩一、磁矩磁源于电：环形电流周围的磁场，符合右螺旋法则，其磁矩定义为：m 载流线圈的磁矩I - 载流线圈通过的电流S - 载流线圈的面积n - 载流线圈平面的法线方向上的单位矢量1. 1. 材料的磁性概述材料的磁性概述1.3 1.3 磁性的起源磁性的起源OrbitalSpin轨道磁矩自旋磁矩二、产生磁矩的原因二、产生磁矩的原因 轨道磁矩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磁矩，即轨道磁矩。自旋磁矩每个电子本身有自旋运动产生一个沿自旋轴方向的磁矩，即自旋磁矩。1. 1. 材料的磁性概述材料的磁性概述1.3 1.3 磁性的起源磁性的起源最基本磁矩：Bohr磁子（magneton）B原子中每个电子的自旋磁矩为： B（+为自旋向上，-为自旋向下）軌道磁矩大小则为：miB（mi为磁量子数）三、三、最基本磁矩最基本磁矩 - 玻尔磁子玻尔磁子1. 1. 材料的磁性概述材料的磁性概述1.3 1.3 磁性的起源磁性的起源四、四、四、四、原子磁矩原子磁矩原子磁矩原子磁矩：为原子中各电子磁矩总和 原子中每个电子都可以看作是一个小磁体，具有永久的轨道磁矩和自旋磁矩。 一个原子的净磁矩是所有电子磁矩的相互作用的矢量和，又称为本征磁矩或固有磁矩。 电子对的轨道磁矩相互对消，自旋磁矩也可能相互对消，所以当原子电子层或次层完全填滿：磁矩为零如He, Ne, Ar以及某些离子材料。本节小结：本节小结：磁感应强度磁感应强度B 、磁场强度、磁场强度H 、磁化强度、磁化强度M 等几个概念等几个概念的关系的关系磁导率的概念磁导率的概念磁性的来源：轨道磁矩与自旋磁矩磁性的来源：轨道磁矩与自旋磁矩玻尔磁子、净磁矩玻尔磁子、净磁矩1. 1. 材料的磁性概述材料的磁性概述1.抗磁性：没有固有原子磁矩2.顺磁性：有固有磁矩，没有相互作用3.铁磁性：有固有磁矩，直接交换相互作用4.反铁磁性：有磁矩，直接交换相互作用5.亚铁磁性：有磁矩，间接交换相互作用6.自旋玻璃和混磁性：有磁矩，RKKY相互作用7.超顺磁性：磁性颗粒的磁晶各向异性与热激发的竞争每一种材料至少表现出其中一种磁性，这取决于材料的成分和结构。2. 2. 物质的各类磁性物质的各类磁性由于外磁场使电子的轨道运动发生变化而引起的，方向与外磁场相反的一种磁性。它是一种很弱的、非永久性的磁性，只有在外磁场存在时才能维持。原子的本征磁矩为零，外磁场作用使电子的轨道运动发生变化而引起的。2. 2. 物质的各类磁性物质的各类磁性2.1 2.1 抗磁性抗磁性一、定义：一、定义：2. 2. 物质的各类磁性物质的各类磁性2.1 2.1 抗磁性抗磁性二、特征：二、特征：所感应的磁矩很小，方向与外磁场相反，即磁化强度M为很小的负值。相对磁导率r 1，磁化率 0（为负值）。在抗磁体内部的磁感应强度B比真空中的小。抗磁体的磁化率约为-10-5数量级。所有材料都有抗磁性。因为它很弱，只有当其它类型的磁性完全消失时才能被观察。如Bi,Cu,Ag,Au有些固体的原子具有本征磁矩；无外磁场作用时，材料中的原子磁矩无序排列，材料表现不出宏观磁性；受外磁场作用时，原子磁矩能通过旋转而沿外场方向择优取向，表现出宏观磁性，这种磁性称为顺磁性。2. 2. 物质的各类磁性物质的各类磁性2.2 2.2 顺磁性顺磁性一、定义：一、定义：2. 2. 物质的各类磁性物质的各类磁性2.2 2.2 顺磁性顺磁性在此材料中，原子磁矩沿外磁场方向排列，磁场强度获得增强，磁化强度为正值，相对磁导率r 1 1，磁化率为正值。磁化率0，也很小，只有1010-5-51010-2-2。抗磁体和顺磁体对于磁性材料应用来说都视为无磁性。它们只有在外磁场存在下才被磁化，且磁化率极小。二、特征：二、特征：有些磁性材料在外磁场作用下产生很强的磁化强度。外磁场除去后仍保持相当大的永久磁性，这种磁性称为铁磁性。过渡金属铁、钴、镍和某些稀土金属如钆、钇、钐、铕等都具有铁磁性。此材料的磁化率可高达10103 3，MHMH材料是否具有铁磁性取决于两个因素：(1)(1)原子是否具有由未成对电子，即自旋磁矩贡献的净磁矩( (本征磁矩) )(2)(2)原子在晶格中的排列方式2. 2. 物质的各类磁性物质的各类磁性2.3 2.3 铁磁性铁磁性 铁、钴、镍等过渡元素都具有未成对的3d3d电子。 分别具有4 4、3 3和2 2的净磁矩。 铁、钴、镍金属在室温下具有自发磁化的倾向（交换作用）。 形成相邻原子的磁矩都向一个方向排列的小区域，称为磁畴。Transitional metal - Unfilledd-,f-OrbitalsLeadtoLargeMagneticMoments!2. 2. 物质的各类磁性物质的各类磁性2.3 2.3 铁磁性铁磁性在有些材料中，相邻原子或离子的磁矩呈反方向平行排列，结果总磁矩为零，叫反铁磁性。反铁磁性物质有某些金属如Mn，Cr等，某些陶瓷如MnO，NiO等以及某些铁氧体如ZnFe2O4等。 以氧化锰(MnO)为例，它是离子型陶瓷材料，由Mn2+和O2-离子组成 O2-离子没有净磁矩，因为其电子的自旋磁矩和轨道磁矩全都对消了； Mn2+离子有未成对3d 电子贡献的净磁矩 在MnO晶体结构中，相邻Mn2+离子的磁矩都成反向平行排列，结果磁矩相互对消，整个固体材料的总磁矩为零2. 2. 物质的各类磁性物质的各类磁性2.4 2.4 反铁磁性反铁磁性亚铁磁性在宏观性能上与铁磁性类似，区别在于亚铁磁性材料的饱和磁化强度比铁磁性的低。成因是由于材料结构中原子磁矩不象铁磁体中那样向一个方向排列，而是呈反方向排列，相互抵消了一部分。2. 2. 物质的各类磁性物质的各类磁性2.5 2.5 亚铁磁性亚铁磁性以立方铁氧体为例说明亚铁磁性的本质以立方铁氧体为例说明亚铁磁性的本质以立方铁氧体为例说明亚铁磁性的本质以立方铁氧体为例说明亚铁磁性的本质立方铁氧体的用化学式MFe2O4，其中的M为某种金属元素磁铁矿Fe3O4就是一种亚铁磁体Fe3O4可以写成Fe2+O2-(Fe3+)2(O2-)3其中二价铁离子和三价铁离子的比例为1:2每个Fe2+和Fe3+都具有净自旋磁矩，分别为4和5O2-是无磁矩的2. 2. 物质的各类磁性物质的各类磁性2.5 2.5 亚铁磁性亚铁磁性3.3.抗磁性与顺磁性理论抗磁性与顺磁性理论3.1 3.1 抗磁性理论抗磁性理论 1905年郎之万在经典统计理论基础上,首先给出了第一个顺磁性理论,其理论要点如下:设顺磁物质中每个原子(或磁离子)的固有磁矩为，而且原子之间没有相互作用；当外磁场H=0,各原子磁矩受热扰动的影响,在平衡态时，其方向是无规分布的，所以体系的总磁矩M=0；外加磁场H时，原子磁矩趋近于磁场H方向，磁化强度正比与外磁场。3.3.抗磁性与顺磁性理论抗磁性与顺磁性理论3.2 3.2 顺磁性理论顺磁性理论设第i个原子的磁矩为，单位体积内个N原子，外加磁场为H，则根据经典统计理论可推导出磁化强度与磁场强度、温度的关系式为上式即为顺磁性朗之万方程顺磁性朗之万方程顺磁性朗之万方程顺磁性朗之万方程。3.3.抗磁性与顺磁性理论抗磁性与顺磁性理论3.2 3.2 顺磁性理论顺磁性理论（1）高温情况：）高温情况：在高温下，kBT JH，所以 1式中C为居里常数，顺磁材料的居里定律：3.3.抗磁性与顺磁性理论抗磁性与顺磁性理论3.2 3.2 顺磁性理论顺磁性理论根据-T实验曲线斜率的倒数，便可从实验上测出居里常数,再代入居里常数的定义式，就得到每个原子磁矩的大小。3.3.抗磁性与顺磁性理论抗磁性与顺磁性理论3.2 3.2 顺磁性理论顺磁性理论（2） 低温情况下或在磁场非常强的条件下低温情况下或在磁场非常强的条件下这时，H kT，即 1 L （）=0 因而得到：M=N J=Ms （饱和磁化强度）郎之万最早从理论上推导出居里定律，他开创了从微观出发，用统计方法研究物质磁性的道路。然而，他的理论没有考虑到磁矩在空间的量子化，因而与实验结果相比，在定量上有较大的差别。3.3.抗磁性与顺磁性理论抗磁性与顺磁性理论3.2 3.2 顺磁性理论顺磁性理论不是常数，随而变有剩磁现象有居里温度（），铁磁质顺磁质:，:材料是否具有铁磁性取决于两个因素：两个因素：(1) 原子是否具有由未成对电子，即自旋磁矩贡献的净磁矩(本征磁矩)(2) 原子在晶格中的排列方式4.4. 铁磁性理论铁磁性理论4.1 4.1 铁磁性铁磁性一、铁磁性材料的决定因素一、铁磁性材料的决定因素材料是否具有自发磁化形成磁畴的倾向与晶格中原子间距与它的3d3d轨道直径之比有关。比值在1.42.7之间的材料，如铁、钴、镍等有形成磁畴的倾向，是铁磁性材料。比值在1.42.7之外的材料，如锰、铬等虽然也有未成对的3d电子贡献的净磁矩，但由于没有自发磁化形成磁畴的倾向，故成为非铁磁性材料。铁磁性材所能达到的最大磁化强度叫做饱和磁化强度，用Ms表示。4.4. 铁磁性理论铁磁性理论4.1 4.1 铁磁性铁磁性对于所有的磁性材料来说，并不是在任何温度下都具有磁性。一般地，磁性材料具有一个临界温度临界温度TcTc，在这个温度以上，由于高温下原子的剧烈热运动，原子磁矩的排列是混乱无序的。在此温度以下，原子磁矩排列整齐，产生自发磁化，物体变成铁磁性或亚铁磁性。所以，居里温度是铁磁体或亚铁磁体的相变转变点，铁磁态或亚铁磁态顺磁态Tc二、铁磁性材料的居里温度二、铁磁性材料的居里温度4.4. 铁磁性理论铁磁性理论4.1 4.1 铁磁性铁磁性铁磁体的居里温度铁磁体的居里温度铁磁体的居里温度铁磁体的居里温度 - - 应用实例应用实例应用实例应用实例利用这个特点，人们开发出了很多控制元件。例如，我们使用的电饭锅就利用了磁性材料的居里点的特性。在电饭锅的底部中央装了一块磁铁和一块居里点为105度的磁性材料。当锅里的水分干了以后，食品的温度将从100度上升。当温度到达大约105度时，由于被磁铁吸住的磁性材料的磁性消失，磁铁就对它失去了吸力，这时磁铁和磁性材料之间的弹簧就会把它们分开，同时带动电源开关被断开，停止加热。4.4. 铁磁性理论铁磁性理论4.1 4.1 铁磁性铁磁性4.4. 铁磁性理论铁磁性理论4.1 4.1 铁磁性铁磁性所谓磁畴磁畴磁畴磁畴，是指磁性材料内部的一个个小区域，每个区域内包含大量原子，这些原子的磁矩都象一个个小磁铁那样整齐排列，但相邻的不同区域之间原子磁矩排列的方向不同。各个磁畴之间的交界面称为磁畴壁。宏观物体一般总是具有很多磁畴，这样，磁畴的磁矩方向各不相同，结果相互抵消，矢量和为零，整个物体的磁矩为零，它也就不能吸引其它磁性材料。也就是说磁性材料在正常情况下并不对外显示磁性。只有当磁性材料被磁化以后，它才能对外显示出磁性。三、磁畴三、磁畴任何铁磁体和亚铁磁体，在温度低于居里温度Tc时，都是由磁畴磁畴组成的。磁畴磁畴是自发磁化到饱和（即其中的磁矩均朝一个方向排列）的小区域。相邻磁畴之间的界线叫磁畴壁磁畴壁磁畴壁磁畴壁是一个有一定厚度的过渡层，在过渡层中磁矩方向逐渐改变。4.4. 铁磁性理论铁磁性理论4.1 4.1 铁磁性铁磁性既然磁畴内部的磁矩排列是整齐的，那么在磁畴壁处原子磁矩又是怎样排列的呢？在畴壁的一侧，原子磁矩指向某个方向，假设在畴壁的另一侧原子磁矩方向相反。那么，在畴壁内部，原子磁矩必须成某种形式的过渡状态。实际上，畴壁由很多层原子组成。为了实现磁矩的转向，从一侧开始，每一层原子的磁矩都相对于磁畴中的磁矩方向偏转了一个角度，并且每一层的原子磁矩偏转角度逐渐增大，到另一侧时，磁矩已经完全转到和这一侧磁畴的磁矩相同的方向。4.4. 铁磁性理论铁磁性理论4.1 4.1 铁磁性铁磁性磁畴的线尺寸磁畴的线尺寸：通常约为0.10.01cm对于多晶体对于多晶体可能其中的每一个晶粒都是由一个以上的磁畴组成的；因此一块宏观的样品包含许许多多个磁畴；每一个磁畴都有特定的磁化方向；整块样品的磁化强度则是所有磁畴磁化强度的向量和。在一块不经外磁场磁化的样品中、磁畴的取向是无序的，故磁畴的向量之和为零，因此，整块磁体对外不显示磁性。4.4. 铁磁性理论铁磁性理论4.1 4.1 铁磁性铁磁性1.1.装置：装置：环形螺绕环; 铁磁Fe,Co,Ni及稀钍族元素的化合物，能被强烈地磁化。实验测量B,如用感应电动势测量或用小线圈在缝口处测量；由 得出 曲线。2.2.原理：原理：励磁电流 I; 用安培定理得H。当外磁场变化一个周期时，铁磁质内部的磁场变化曲线如图所示；4.4. 铁磁性理论铁磁性理论4.1 4.1 铁磁体的磁化曲线铁磁体的磁化曲线一、磁化曲线的实验测定一、磁化曲线的实验测定4.4. 铁磁性理论铁磁性理论4.1 4.1 铁磁体的磁化曲线铁磁体的磁化曲线3. 磁化曲线的三种形式磁化曲线的三种形式铁磁与亚铁磁铁磁与亚铁磁B-HB-H曲线曲线（亚）铁磁体磁化时，磁化强度M(B)与磁场强度H间不是简单的线性比例关系；磁化强度M(B)随H的变化如右图所示(假设样品在一开始已经退磁化)。H增加，磁域界移动，磁域逐渐改变，磁矩方向转向，渐与磁场平行，单一磁域（饱和磁化） 4.4. 铁磁性理论铁磁性理论4.1 4.1 铁磁体的磁化曲线铁磁体的磁化曲线二、磁化曲线与磁畴的关系二、磁化曲线与磁畴的关系M(B)与H的变化关系开始M的增加比较缓慢后来增加较快最后达到Ms(饱和磁化强度)纵坐标改为磁感应强度B，则对应于平衡值Ms的磁感应强度值称为饱和磁感应强度(Bs ）磁导率随H的变化磁导率是B-H曲线上的斜率在B-H曲线上，当H0时的斜率称为初（起）始磁导率i初（起）始磁导率是磁性材料的重要性能指标之一4.4. 铁磁性理论铁磁性理论4.1 4.1 铁磁体的磁化曲线铁磁体的磁化曲线磁化状态下的磁体中的静磁能量磁化状态下的磁体中的静磁能量4.4. 铁磁性理论铁磁性理论4.1 4.1 铁磁体的磁化曲线铁磁体的磁化曲线样品磁化到饱和点之后，慢慢地减小H，则M也减小。这个过程叫退磁化过程。M(B)的变化并不是按磁化曲线的原路程退回，而是按另一条曲线变化。4.4. 铁磁性理论铁磁性理论4.1 4.1 铁磁体的磁化曲线铁磁体的磁化曲线三、磁滞回线三、磁滞回线4.4. 铁磁性理论铁磁性理论4.1 4.1 铁磁体的磁化曲线铁磁体的磁化曲线BHoc起始磁化曲线为 oc ,当外磁场减小时，介质中的磁场并不沿起始磁化曲线返回，而是滞后于外磁场变化， 磁滞现象。磁滞现象。HcBrHc当外磁场为 0 时，介质中的磁场并不为 0，有一剩磁 Br;矫顽力加反向磁场Hc，使介质内部的磁场为 0，继续增加反向磁场，介质达到反向磁饱和状态；改变外磁场为正向磁场，不断增加外场，介质又达到正向磁饱和状态。磁化曲线形成一磁化曲线形成一条磁滞回线。条磁滞回线。结论结论 铁磁质的 不是一个常数， 它是 的函数。 B的变化落后于H，从而具有剩磁，即磁滞效应。4.4. 铁磁性理论铁磁性理论4.1 4.1 铁磁体的磁化曲线铁磁体的磁化曲线4.4. 铁磁性理论铁磁性理论4.1 4.1 铁磁体的磁化曲线铁磁体的磁化曲线四、磁滞回线与四、磁滞回线与 磁畴的关系磁畴的关系 在无外磁场时，各磁畴排列杂乱无章，铁磁质不显磁性；在无外磁场时，各磁畴排列杂乱无章，铁磁质不显磁性； 在外磁场中，各磁畴沿外场转向，介质内部的磁场迅速增在外磁场中，各磁畴沿外场转向，介质内部的磁场迅速增加，在铁磁质充磁过程中伴随着发声、发热。加，在铁磁质充磁过程中伴随着发声、发热。Bo磁畴：磁畴：磁畴：磁畴：铁磁质中由于原子的强烈作用，在铁磁质中形成磁场很强的小区域 磁畴。磁畴的体积约为 10-12m3 。4.4. 铁磁性理论铁磁性理论4.2 4.2 铁磁体的磁化机制铁磁体的磁化机制一、磁畴的转向一、磁畴的转向随着外磁场增加，能够提供转向的磁畴越来越少，铁磁质中的磁场增加的速度变慢，最后外磁场再增加，介质内的磁场也不会增加，铁磁质达到磁饱和状态。HBoabcd起始磁化曲线起始磁化曲线 饱和磁化强度MS等于每个磁畴中原来的磁化强度，该值很大，这就是铁磁质磁性r大的原因。 磁滞现象是由于掺杂和内应力等的作用，当撤掉外磁场时磁畴的畴壁很难恢复到原来的形状，而表现出来。4.4. 铁磁性理论铁磁性理论4.2 4.2 铁磁体的磁化机制铁磁体的磁化机制磁饱和状态磁滞损耗磁滞回线所包围的面积表征一个磁化周期内，以热的形式所消耗的功(J/m3)。最大的磁能积(BH)max它是磁滞回线在第二象限内磁感应强度和磁场强度乘积的最大值。4.4. 铁磁性理论铁磁性理论4.2 4.2 铁磁体的磁化机制铁磁体的磁化机制二、磁滞损耗与最大磁能积二、磁滞损耗与最大磁能积 磁化，未必一定要磁化到饱和后才改变外磁场方向。 在右图中，封闭曲线即是未达到饱和时的磁滞回线。也可以在将材料磁化到任何一点时开始改变外磁场的方向，产生其它形式的滋滞回线，如右图中的封闭曲线LM。 如果要将已磁化的铁磁体或亚铁磁体去磁，有效方法之一是使之经受一个振幅逐渐减小的交变磁场的作用。三、磁化程度三、磁化程度4.4. 铁磁性理论铁磁性理论4.2 4.2 铁磁体的磁化机制铁磁体的磁化机制(1)加热法加热法 当铁磁质的温度升高到某一温度时，磁性消失，由铁磁质变为顺磁质，该温度为居里温度 tc 。当温度低于 tc 时，又由顺磁质转变为铁磁质。铁的居里温度铁的居里温度 Tc = 770C 30%的坡莫合金居里温度的坡莫合金居里温度 Tc = 70oC原因：原因：由于加热使磁介质中的分子、由于加热使磁介质中的分子、原子的振动加剧，提供了磁畴转向原子的振动加剧，提供了磁畴转向的能量，使铁磁质失去磁性。的能量，使铁磁质失去磁性。四、退磁方法四、退磁方法(2)(2)敲击法敲击法：通过振动可提供磁畴转向的能量，使介质失去磁性。如敲击永久磁铁会使磁铁磁性减小。(3)3)加反向磁场法：加反向磁场法：加反向磁场，提供一个矫顽力Hc ,使铁磁质退磁。(4)(4)加交变衰减的磁场加交变衰减的磁场：使介质中的磁场逐渐衰减为0 ，应用在录音机中的交流抹音磁头中。4.4. 铁磁性理论铁磁性理论4.2 4.2 铁磁体的磁化机制铁磁体的磁化机制4.4. 铁磁性理论铁磁性理论4.2 4.2 铁磁性的物理本质铁磁性的物理本质(1) 软磁材料软磁材料 具有较高的磁导率和较高的饱和磁感应强度； 较小的矫顽力（矫顽力很小，即磁场的方向和大小发生变化时磁畴壁很容易运动）和较低磁滞损耗，磁滞回线很窄； 在磁场作用下非常容易磁化； 取消磁场后很容易退磁化 象软铁、坡莫合金、硒钢片、象软铁、坡莫合金、硒钢片、铁铝合金、铁镍合金等。铁铝合金、铁镍合金等。 由于软磁材料磁滞损耗小，由于软磁材料磁滞损耗小，适合用在交变磁场中，如变压适合用在交变磁场中，如变压器铁芯、继电器、电动机转子、器铁芯、继电器、电动机转子、定子都是用软件磁性材料制成。定子都是用软件磁性材料制成。4.4. 铁磁性理论铁磁性理论4.4 4.4 铁磁材料分类铁磁材料分类软磁材料主要应用软磁材料主要应用制造磁导体，变压器、继电器的磁芯(铁芯)、电动机转子和定子、磁路中的连接元件、磁极头、磁屏蔽材料、感应圈铁芯、电子计算机开关元件和存储元件等。软磁材料的应用要求软磁材料的应用要求要求软磁材料的电阻率比较高因为使用中除上述磁滞能量损失之外，还可能因磁场变化在磁性材料中产生电流（涡流）而造成能量损失。为了尽量减少后一种能量损失，要求磁性材料的电阻率较高，因此常用固溶体合金（如铁-硅、铁-镍合金）和陶瓷铁氧体作软磁材料。4.4. 铁磁性理论铁磁性理论4.4 4.4 铁磁材料分类铁磁材料分类4.4. 铁磁性理论铁磁性理论4.4 4.4 铁磁材料分类铁磁材料分类(2) 硬磁材料硬磁材料硬磁材料又称永磁材料，难于磁化又难于退磁。主要特点主要特点 具有较大的矫顽力，典型值Hc104106A/m； 磁滞回线较粗，具有较高的最大磁能积(BH)max； 剩磁很大； 这种材料充磁后不易退磁，适合做永久磁铁。 硬磁性材料如碳钢、铝镍钴合金和铝钢等。4.4. 铁磁性理论铁磁性理论4.4 4.4 铁磁材料分类铁磁材料分类硬磁材料主要应用硬磁材料主要应用用于制造各种永磁体，以便提供磁场空间；可用于各类电表和电话、录音机、电视机中以及利用磁性牵引力的举重器、分料器和选矿器中。铝镍钴合金硬磁材料六方铁氧体硬磁材料稀土永磁材料一类是钕铁硼(Nd-Fe-B)系合金，是目前工业用硬磁材料最大磁能积最高者。其主要缺点是温度稳定性和抗腐蚀性稍差。一类是钴基稀土永磁材料，主要代表是SmCo5烧结永磁体和Sm2Co17多相沉淀硬化永磁材料。它们的缺点是脆，加工性稍差。4.4. 铁磁性理论铁磁性理论4.4 4.4 铁磁材料分类铁磁材料分类4.4. 铁磁性理论铁磁性理论4.4 4.4 铁磁材料分类铁磁材料分类(3) 非金属氧化物非金属氧化物-铁氧体铁氧体铁氧体是含铁酸盐的陶瓷氧化物磁性材料，一般呈现出亚铁磁性。 磁滞回线呈矩形，又称矩磁材料，磁滞回线呈矩形，又称矩磁材料， 剩磁接近于磁饱合磁感应强度剩磁接近于磁饱合磁感应强度 具有高磁导率、高电阻率具有高磁导率、高电阻率 由由Fe2O3和其他二价的金属氧化物和其他二价的金属氧化物（如（如NiO，ZnO等粉末混合烧结而成等粉末混合烧结而成。 可作磁性记忆元件可作磁性记忆元件4.4. 铁磁性理论铁磁性理论4.4 4.4 铁磁材料分类铁磁材料分类 尖晶石铁氧体：尖晶石铁氧体： 属立方晶系，化学式为Fe3+(Fe2+M2+)O4 磁铅石铁氧体：磁铅石铁氧体： 属六方晶系，与反尖晶石类似，AB12O19表示。 最普通的六方铁氧体：PbFe12O19和BaFe12O19 石榴石型铁氧体的结构石榴石型铁氧体的结构 属立方晶系 化学一般式可写为M3Fe5O12，其中M代表稀土离子，如：衫、铕、钆或钇等。4.4. 铁磁性理论铁磁性理论4.4 4.4 铁磁材料分类铁磁材料分类4.4. 铁磁性理论铁磁性理论4.4 4.4 铁磁材料分类铁磁材料分类4.4. 铁磁性理论铁磁性理论4.4 4.4 铁磁材料分类铁磁材料分类