《材料物理性能》课程教学课件（讲稿）第八章 无机材料的磁学性能

第八章无机材料的磁学性能 8.1物质的磁性 8.2磁畴与磁滞回线 8.3铁氧体的磁性与结构 8.4铁氧体磁性材料 2019/6/3 1

2019/6/3 1 8.1 物质的磁性 8.2 磁畴与磁滞回线 8.3 铁氧体的磁性与结构 8.4 铁氧体磁性材料 第八章 无机材料的磁学性能

§8.1物质的磁性 金属和合金 电阻率低，损耗大，不能满足应用之需要， 尤其在高频范围内。 性材料 磁性无机材料：含铁及其它元素的复合氧化物。 称为铁氧体(ferrite),电阻率 为10~102m,属于半导体范 畴。 高电阻、低损耗。 2019/6/3 2

2019/6/3 2 磁 性 材 料 金属和合金 电阻率低，损耗大，不能满足应用之需要， 尤其在高频范围内。 含铁及其它元素的复合氧化物。 称为铁氧体（ferrite），电阻率 为10～106Ω•m，属于半导体范 畴。 磁性无机材料： 高电阻、低损耗。 §8.1 物质的磁性

物理参数 1.磁矩 磁矩是表示磁体本质的一个物理量。表征磁性物体磁 性大小。 电偶极子 电矩u=gl 磁偶极子 小封闭环 磁矩 m=I△S 形电流 电流强度，△S为封闭环形的面积 m:单位Am2 磁矩的方向为它本身在圆心 所产生的磁场方向。 2019/6/3 图7.1磁矩

2019/6/3 3 1. 磁矩 磁矩是表示磁体本质的一个物理量。表征磁性物体磁 性大小。 磁偶极子 电偶极子 -q +q l E 电矩 µ = ql 小封闭环 磁矩 形电流 m = I∆S 磁矩的方向为它本身在圆心 所产生的磁场方向。 I电流强度，∆S为封闭环形的面积 m：单位A⋅m2 一、物理参数

磁矩愈大，磁性愈强，即物质在磁场中所受的力也大。 磁矩只与物体本身有关，与外磁场无关。 2.磁化强度与磁感应强度 磁化：在外磁场作用下，各磁矩有规则地取向，使磁介质 宏观显示磁性，这就叫磁化。能被磁场磁化的介质 称为磁介质。 磁化强度：磁化强度的物理意义是单位体积的磁矩。表征 磁介质被磁化的程度。 M= ∑m :外加磁场强度 △V 单位：A/m :介质的磁化率，仅与介质性质有关，反映材料磁化的能力。没 2019/63有单位，可正可负，取决于材料不同的磁型类别

2019/6/3 4 2. 磁化强度与磁感应强度 磁矩愈大，磁性愈强，即物质在磁场中所受的力也大。 磁矩只与物体本身有关，与外磁场无关。 磁化：在外磁场作用下，各磁矩有规则地取向，使磁介质 宏观显示磁性，这就叫磁化。能被磁场磁化的介质 称为磁介质。 磁化强度：磁化强度的物理意义是单位体积的磁矩。表征 磁介质被磁化的程度。 H V m M = χ ∆ = ∑ H：外加磁场强度 单位：A/m χ：介质的磁化率，仅与介质性质有关，反映材料磁化的能力。没 有单位，可正可负，取决于材料不同的磁型类别

外加磁场强度为H,磁介质的总磁场强度： 材料被磁化： H总=H十H,(矢量和) H =M=XH 磁感应强度B:通过磁场中某点，垂直于磁场方向单位面 积的磁力线数。单位：Wb·m2(T特斯拉) 外磁场H 真空：B。=4H 4=4π×10(H/m)真空磁导率 磁介质：B=H=4H总=4(I+X)H 2019/6/3 “介质的磁导率 5

2019/6/3 5 材料被磁化： H总＝ H＋H1 (矢量和) 外加磁场强度为H，磁介质的总磁场强度： H1 =M＝χH 磁感应强度B：通过磁场中某点，垂直于磁场方向单位面 积的磁力线数。单位：Wb · m-2（T特斯拉） 真空： 磁介质： B0 = µ0H 4 10 (H/m) -7 µ0 = π × 真空磁导率 外磁场H B = µH = µ0H总 = µ0 (1+ χ)H µ 介质的磁导率

介质的磁导率 4=(1+X)4 介质的相对磁导率4，=1+X=40 磁导率：表示磁性材料传导和通过磁力线的能力。是磁 性材料最重要的物理量之一。 2019/6/3 6

2019/6/3 6 0 µ = (1+ χ)µ 0 介质的相对磁导率 µr =1+ χ = µ / µ 介质的磁导率 磁导率µ：表示磁性材料传导和通过磁力线的能力。是磁 性材料最重要的物理量之一

电 场 磁 场 电场强度的定义 破感应强度的定义 电场力：下=q尼 安培力：d=IdL×B 电介质的极化强度：P= V 磁介质的磁化强度： M= 4V 即单位体积内电矩的夫量和 即单位体积内磁矩的夫量和) 电拉移：D=E+P 磁场强度i:B=,庄+儿，M 部斯定律：，bE·dS=q 安培环路定律：bBdi=儿，I 磁场和电场 武中q为闭合曲面内的全部电荷) 式中I为积分环路所孢括的的全部电流 重要物理量 或：bD.ds=q 或bidi=∑I 式中q为自由电荷，不包括电介质极化后的 式中I为导线内传导电流，不包括磁介质磁 束缚电荷) 化后的表面电流) 及公式对比 真空的介电系数： 真空的磁导率： e0= 4π×9×10 0=4π×10-7 ≈8.85×10-12c2/(Nm2) ≈126×10-6N/A2 ￡为相对介电系数8=￡，80称为介电系数L,为相对磁导率，儿=儿，儿，称为磁导率 X为电极化率(X及E,为纯数，无单位 X为磁化率（以及儿，为纯数，无单位） D=e,8E或D=E B=,H或B= P=8oXE M=XB 儿 e =e,=1+X或e=e0+e0X 2019/6/3 0 =儿，=1+X或L=0+gX

2019/6/3 7 磁场和电场 重要物理量 及公式对比

磁性的本质 1、电子磁矩 磁现象和电现象有着本质的联系。材料内部电子的循轨运 动和自旋运动都可以看作是一个闭合的环形电流，因而必 然会产生磁矩。 磁性的本源：电子的循轨运动和自旋运动。 电子磁矩=轨道磁矩十自旋磁矩 轨道磁矩<<自旋磁矩 原子核磁矩很小，约为电子磁矩的1/2000。忽略不计。 物质的磁性主要由电子的自旋磁矩引起。 2019/6/3

2019/6/3 8 二、磁性的本质 磁性的本源：电子的循轨运动和自旋运动。 磁现象和电现象有着本质的联系。材料内部电子的循轨运 动和自旋运动都可以看作是一个闭合的环形电流，因而必 然会产生磁矩。 电子磁矩 ＝轨道磁矩＋ 自旋磁矩 轨道磁矩<<自旋磁矩 原子核磁矩很小，约为电子磁矩的1／2000。忽略不计。 物质的磁性主要由电子的自旋磁矩引起。 1、电子磁矩

原子、分子是否具有磁矩，决定于原子、分子的结构。 原子中的电子层均被电子排满时，原子没有磁矩（方 向相反的电子自旋磁矩可以互相抵消)。 。只有原子中存在未被排满的电子层时，电子磁矩之和 不为零，原子才具有磁矩，称为原子的固有磁矩。 Fe原子： 3d6 4s2 Zn:不显示磁性 各层都充满电子的原子结构 原子结合成分子时，它们的外层电子磁矩要发生 变化，所以分子磁矩不是单个原子磁矩的总和。 2019/6/3

2019/6/3 9 原子、分子是否具有磁矩，决定于原子、分子的结构。  原子中的电子层均被电子排满时，原子没有磁矩（方 向相反的电子自旋磁矩可以互相抵消）。  只有原子中存在未被排满的电子层时，电子磁矩之和 不为零，原子才具有磁矩，称为原子的固有磁矩。 Fe原子： 3d6 4s2 Zn：不显示磁性 各层都充满电子的原子结构 原子结合成分子时，它们的外层电子磁矩要发生 变化，所以分子磁矩不是单个原子磁矩的总和

2、交换作用 (1)直接交换作用 处于不同原子间的未被满壳层上的电子所发生的特殊的相 互作用，是物质具有磁性的根本原因，这种相互作用称为 交换作用。 在晶体中相邻的离子未充满壳层的电子之间的这种交换作 用，会使相邻离子的磁矩趋向于平行或反平行排列。当温 度较低，热骚动不至于破坏磁矩的有序排列时，晶体内就 出现磁结构。 (2)超交换作用 由于氧化物中的键合主要是离子键，2壳层填满的氧离子 具有类似于惰性气体的电子组态，处于这种基态时它与金 属离子的相互作用不大，超交换作用是基态激发的机制。 2019/6/3 10

2019/6/3 10 （1）直接交换作用 处于不同原子间的未被满壳层上的电子所发生的特殊的相 互作用，是物质具有磁性的根本原因，这种相互作用称为 交换作用。 在晶体中相邻的离子未充满壳层的电子之间的这种交换作 用，会使相邻离子的磁矩趋向于平行或反平行排列。当温 度较低，热骚动不至于破坏磁矩的有序排列时，晶体内就 出现磁结构。 （2）超交换作用 由于氧化物中的键合主要是离子键，2p壳层填满的氧离子 具有类似于惰性气体的电子组态，处于这种基态时它与金 属离子的相互作用不大，超交换作用是基态激发的机制。 2、交换作用