材料科學(xué)基礎(chǔ)第一章

材料科學(xué)與工程基礎(chǔ)主講人：張紅鷹4.4材料的磁學(xué)性能（MagneticPropertiesofMaterials）4.4.1磁性的本質(zhì)4.4.2磁學(xué)基本量4.4.3磁性的分類4.4.1磁性的本質(zhì)電子磁矩（Magneticmoments）電子軌道磁矩——電子繞核運(yùn)動(dòng)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(wèn)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(fā)生的特殊相互作用——“公有化”，“交換”。鐵磁性物質(zhì)“交換”作用鐵磁性物質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)原子間距a/D＞3時(shí)，交換能為正值a/D＜3時(shí)，交換能為負(fù)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(xué)基本量（1）磁矩——表征磁性物體磁性大小的物理量。“磁”來(lái)源于“電”，任何一個(gè)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(guò)的電流。單位為A·m2。（2）磁化強(qiáng)度（Magnetization）A、磁化：外磁場(chǎng)，各磁矩規(guī)則取向，宏觀呈磁性B、磁化強(qiáng)度：外磁場(chǎng)，物質(zhì)被磁化的程度單位：A/m；方向：矢量和物理意義：?jiǎn)挝惑w積的磁矩。（3）磁感應(yīng)強(qiáng)度（Magneticfluxdensity

）表示材料在外磁場(chǎng)H的作用下在材料內(nèi)部的磁通量密度。磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁感應(yīng)強(qiáng)度均為表征磁場(chǎng)性質(zhì)（即磁場(chǎng)強(qiáng)弱和方向）的兩個(gè)物理量。磁場(chǎng)強(qiáng)度則完全只是反映磁場(chǎng)來(lái)源的屬性；磁感應(yīng)強(qiáng)度是完全只是考慮磁場(chǎng)對(duì)于帶電粒子的作用。在真空中，磁感應(yīng)強(qiáng)度為：0真空磁導(dǎo)率（Permeability）是一個(gè)常數(shù)：4π×10-7（H/m）（亨/米）B0

磁感應(yīng)強(qiáng)度（Magneticfluxdensity）（Wb·m2）H磁場(chǎng)強(qiáng)度（Magneticfieldstrength）（A·m-1）當(dāng)有介質(zhì)時(shí)，會(huì)發(fā)生什么現(xiàn)象？磁化——在外磁場(chǎng)H的作用下，介質(zhì)表現(xiàn)出一定的磁性，產(chǎn)生一定的磁場(chǎng)，這個(gè)過(guò)程叫磁化。磁化的程度用磁化強(qiáng)度M表示，其與磁場(chǎng)強(qiáng)度H的關(guān)系如下：x為介質(zhì)的磁化率，僅與磁介質(zhì)性質(zhì)有關(guān)。反映材料磁化的能力，沒(méi)有單位，為一純數(shù)。x可正、可負(fù)，決定于材料的不同磁性類別。對(duì)于一般磁介質(zhì),無(wú)外加磁場(chǎng)時(shí),其內(nèi)部各磁矩的取向不一,宏觀無(wú)磁性。但在外磁場(chǎng)作用下,各磁矩有規(guī)則地取向,使磁介質(zhì)宏觀顯示磁性,這就叫磁化。

常見材料在室溫時(shí)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(dāng)有介質(zhì)時(shí)，介質(zhì)被磁化后，其產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度M和源磁場(chǎng)強(qiáng)度H對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷共同產(chǎn)生作用，此時(shí)磁感應(yīng)強(qiáng)度Ｂ和磁場(chǎng)強(qiáng)度H有何關(guān)系？令則式中的μ為介質(zhì)的磁導(dǎo)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(zhì)磁化的能力。令μr為介質(zhì)的相對(duì)磁導(dǎo)率，單位為H/m，是材料的特性常數(shù)，其也反映了介質(zhì)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(guān)系式：是否外磁場(chǎng)（H）增大,磁化強(qiáng)度（M）就不斷增大？飽和磁化強(qiáng)度Ms：磁化強(qiáng)度的最大值。飽和磁化強(qiáng)度Ms,等于凈磁矩，和原子密度有關(guān)。對(duì)應(yīng)飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度。4.4.3磁性的分類磁性的分類——根據(jù)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(yīng)為0，即不存在永久磁矩。χ＜0，μr＜1外磁場(chǎng)中，感生一個(gè)磁矩，與外磁場(chǎng)方向相反。來(lái)源——原子軌道中電子軌道的變化。周期表中前18個(gè)元素構(gòu)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(zhì)都有抗磁性，但在許多情況下，物質(zhì)的逆磁性會(huì)被較強(qiáng)的其他類型的磁性所掩蓋。只有當(dāng)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(xiàn)出來(lái)。因此，抗磁性物質(zhì)只有受到磁場(chǎng)作用時(shí)，才能感應(yīng)出一個(gè)較弱的磁化強(qiáng)度，其方向與磁場(chǎng)方向相反。（2）順磁性（Paramagnetism）原子內(nèi)部存在永久磁矩?zé)o外磁場(chǎng)，宏觀無(wú)磁性；有外磁場(chǎng)，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(shù)。x＞0,μr

＞1過(guò)渡元素、稀土元素、鑭系元素M∝H奇數(shù)電子未填滿當(dāng)組成物質(zhì)的原子或離子的內(nèi)部殼層未被電子填滿的情況下，這些原子或離子具有穩(wěn)定的固有磁矩。如果這些磁性原子或離子在物質(zhì)中相距較遠(yuǎn)，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(yuǎn)小于無(wú)規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)，則原子或離子磁矩在空間中取向雜亂無(wú)章，因此物質(zhì)的總磁矩為零。在磁場(chǎng)作用下，由于磁場(chǎng)對(duì)磁矩的力矩作用，使每個(gè)原子磁矩程度不同地朝磁場(chǎng)方向偏轉(zhuǎn)從而沿磁場(chǎng)方向有一凈磁化強(qiáng)度產(chǎn)生。（3）鐵磁性（Ferromagnetism）強(qiáng)磁性物質(zhì)：Fe、Co、Ni室溫下磁化率可達(dá)103。較軟磁場(chǎng)、較高的磁化強(qiáng)度；外磁場(chǎng)移去保留較強(qiáng)磁性。x＞0,μr

＞1M＞＞H強(qiáng)磁性來(lái)源——很強(qiáng)的內(nèi)部交換場(chǎng)基本特征——自發(fā)磁化當(dāng)物質(zhì)內(nèi)部原子磁矩之間由于強(qiáng)烈的交換作用而平行排列。隨著溫度逐漸升高，無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)加劇，傾向于破壞磁矩間的平行排列。當(dāng)交換作用和熱運(yùn)動(dòng)兩種相反趨勢(shì)相等時(shí)，對(duì)應(yīng)的溫度稱為居里溫度Tc，這時(shí)原子磁矩之間又趨于混亂排列。居里點(diǎn)溫度（Curietemperature）Tc自發(fā)磁化強(qiáng)度為0，鐵磁性消失T＞Tc，材料表現(xiàn)為強(qiáng)順磁性。磁化率與溫度的關(guān)系符合居里—外斯定律（4）亞鐵磁性（Sub-Ferromagnetism）類似鐵磁體，x值沒(méi)有鐵磁體大。磁鐵礦（Fe3O4）晶體不同晶格內(nèi)磁矩的反平行取向而導(dǎo)致的抵消作用不一，保留了剩余磁矩，表現(xiàn)出一定的鐵磁性。（5