【正文】 第五章 材料的磁學(xué)性能 本章內(nèi)容提要： 磁性不只是一個宏觀的物理量，而且與物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。它不僅取決于物質(zhì)的原子結(jié)構(gòu)，還取決于原子間的相互作用 —— 鍵合情況、晶體結(jié)構(gòu)。因此，研究磁性是研究物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的重要方法之一。同時隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和工業(yè)的發(fā)展，磁性材料的應(yīng)用也越來越廣泛。 本章介紹固體物質(zhì)的各種磁性 (抗磁性、順磁性、鐵磁性、反鐵磁性、亞鐵磁性 )的形成機(jī)理及宏觀表現(xiàn)；重點介紹磁性表征參量、各類磁性物質(zhì)的內(nèi)部相互作用；磁性材料在交變磁場中的磁化過程及宏觀磁性；磁性材料及其應(yīng)用。 第一節(jié) 基本磁學(xué)性能 自然界中有一類物質(zhì)，如鐵、鎳和鈷，在一定的情況下能相互吸引，這種性質(zhì)稱它們具有 磁性 。 使之具有磁性的過程稱為磁化 。能夠被磁化的或能被磁性物質(zhì)吸引的物質(zhì)叫做 磁性物質(zhì)或磁介質(zhì) 。 如果將兩個磁極靠近，在兩個磁極之間產(chǎn)生作用力 —— 同性相斥和異性相吸。磁極之間的作用力是在磁極周圍空間傳遞的，這里存在著磁力作用的特殊物質(zhì)，稱之為 磁場 。 磁場 和物體的萬有引力場，電荷的電場一樣，都 具有一定的能量 ， 磁場 還具有本身的特性 ： a) 磁場對載流導(dǎo)體或運動電荷表現(xiàn)作用力 ； b） 載流導(dǎo)體在磁場中運動要做功 ?，F(xiàn)在物理研究表明， 物質(zhì)的磁性也是電流產(chǎn)生的 。 磁學(xué)基本量 （ 1）磁感應(yīng)強度和磁導(dǎo)率 1820年，奧斯特發(fā)現(xiàn)電流能在周圍空間產(chǎn)生磁場，一根通有 I安培 (A)直流電的無限長直導(dǎo)線，在距導(dǎo)線軸線 r米 (m)處產(chǎn)生的磁場強度 H（ magic field strength）為： (51) 在國際單位制中，的單位為安培 /米 (A/m)。 rIH?2? 材料在磁場強度為 H的外加磁場 (直流、交變或脈沖磁場 )作用下，會在 材料內(nèi)部產(chǎn)生一定磁通量密度，稱其為磁感應(yīng)強度 B（ magic flux density），即在強度為 H的磁場被磁化后，物質(zhì)內(nèi)磁場強度的大小。單位為特斯拉 (T)或韋伯 /米 2(Wb/m2)。 B和 H是既有大小、又有方向的向量 ，兩者關(guān)系為： 52 式中， 為 磁導(dǎo)率 (magic permeability)，是磁性材料最重要的物理量之一， 反映了介質(zhì)的特性，表示材料在單位磁場強度的外加磁場作用下，材料內(nèi)部的磁通量密度。 HB ??? 在真空中 (53) 式中， 為真空磁導(dǎo)率， ＝ 4 107享利 /米 (H／ m)。 （ 2）磁矩 磁矩 （ magic moment）是表示磁體本質(zhì)的一個物理量。任何一個封閉的電流都具有磁矩 m。其方向與環(huán)形電流法線的方向一致，其大小為電流與封閉環(huán)形的面積的乘積 IΔS(圖 51)。在 均勻磁場中，磁矩受到磁場作用的力矩 J J＝ m B (54) 式中， J為矢量積， B為磁感應(yīng)強度，其單位為： HB 00 ??0? 0?? ? 222 mWbm sVmA mNmJB ?????????????其中 Wb(韋伯 )是磁通量的單位。 圖 51 磁矩 為了求得 磁矩在磁場中所受的力 ，對一維情況可以寫出： (56) 所以， 磁矩是表征磁性物體磁性大小的物理量 。 磁矩愈大，磁性愈強，即物體在磁場中所受的力也大。磁矩只與物體本身有關(guān)，與外磁場無關(guān) 。磁矩的概念可用于說明原子、分子等微觀世界產(chǎn)生磁性的原因。電子繞原子核運動，產(chǎn)生 電子軌道磁矩 ；電子本身自旋，產(chǎn)生 電子自旋磁矩 。以上 兩種微觀磁矩是物質(zhì)具有磁性的根源 。 dxdBmF x /??（ 3） 磁化強度 電場中的電介質(zhì)由于電極化而影響電場，同樣， 磁場中的磁介質(zhì)由于磁化也能影響磁場 。設(shè)真空中 (57) 式中 B0和 H分別為磁感應(yīng)強度 (Wbm2)和磁場強度(Am1)， μ0為真空磁導(dǎo)率， H/m 。 在一外磁場 H中放入一磁介質(zhì)，磁介質(zhì)受外磁場作用，處于磁化狀態(tài)，則磁介質(zhì)內(nèi)部的磁感強度 B將發(fā)生變化 (58) 式中 μ為介質(zhì)的絕對磁導(dǎo)率， μ只與介質(zhì)有關(guān) 。 HB 00 ??HB ??(58)式還可以寫成如下形式 (59) 式中 M稱為磁化強度 （ intensity of magization）， 它表征物質(zhì)被磁化的程度 。對于一般磁介質(zhì)，無外加磁場時，其內(nèi)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(guī)則地取向，使磁介質(zhì)宏觀顯示磁性，這就叫 磁化 。磁化強度的 物理意義是單位體積的磁矩 。設(shè)體積元△ V內(nèi)磁矩的矢量和為 ，則磁化強度 M為： (510) 式中 m的單位為 Am2， V的單位為 m3，因而磁化強度M的單位為 Am1，即與 H的單位一致 。 ? ? )(00 MHMHB ???? ???mVmM?? ? 磁介質(zhì)在外磁場中的磁化狀態(tài)，主要由磁化強度 M決定 。 M可正、可負(fù)，由磁體內(nèi)磁矩矢量和的方向決定，因而磁化了的磁介質(zhì)內(nèi)部的磁感強度 B可能大于，也可能小于磁介質(zhì)不存在真空中的磁感應(yīng)強度 B0。 現(xiàn)在討論 H與 M的關(guān)系。由 可得： (511) 定義 為介質(zhì)的相對磁導(dǎo)率 ,則 (512) ? ? MHMHB ??? 0?MH ?????????? 10??0??? ?r? ?HM r 1?? ?如果定義 為介質(zhì)的磁化率（ magic susceptibility），則可得磁化強度與磁場強度的關(guān)系： (513) 式中比例系數(shù) 僅與磁介質(zhì)性質(zhì)有關(guān)。它反映材料磁化的能力 ，沒有單位，為一純數(shù)。 可正、可負(fù)，決定于材料的不同磁性類別 ，表 51 為一些常見材料在室溫時的磁化率 表 51 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 105鋅 105銅 105鋁 105金 105鉻 104水銀 105鈉 106硅 105鈦 104銀 105鋯 104 1?? r??HM ???? 物質(zhì)的磁性分類 根據(jù)物質(zhì)的磁化率，可以把 物質(zhì)的磁性大致分為五類 。按各類磁體磁化強度 M與磁場強度 H的關(guān)系，可做出其磁化曲線。圖 52為它們的磁化曲線示意圖。 (1) 抗磁體 磁化率為甚小的負(fù)數(shù)，大約在 106數(shù)量級。它們在磁場中受微弱斥力。 金屬中約有一半簡單金屬是抗磁體 。根據(jù) 與溫度的關(guān)系， 抗磁體又可分為 ： eq \o\ac(○ ,1)1“經(jīng)典”抗磁體 ，它的 不隨溫度變化 ，如銅、銀、金、汞、鋅等。 eq \o\ac(○ ,2)2反常抗磁體 ，它的 隨溫度變化，且其大小是前者的 10～100倍 ，如鉍、鎵、銻、錫、銦、銅 鋯合金中的相等。 ??? （ 2）順磁體 磁化率為正值 ，約為 l03106。它在磁場中受微弱吸力。又根據(jù) 與溫度的關(guān)系可分為： eq \o\ac(○ ,1)1正常順磁體 ，其 隨溫度變化符合 ∝ 1/T關(guān)系 (T為溫度 )。 金屬鉑、鈀、奧氏體不銹鋼、稀土金屬等屬于此類 。 eq \o\ac(○ ,2)2 與溫度無關(guān)的順磁體 ，例如鋰、鈉、鉀、銣等金屬。 （ 3）鐵磁體 在較弱的磁場作用下，就能產(chǎn)生很大的磁化強度。 是很大的正數(shù) ，且與外磁場呈非線性關(guān)系變化。具體金屬有 鐵、鈷、鎳 等。 鐵磁體在溫度高于某臨界溫度后變成順磁體 。此臨界溫度稱為 居里溫度或居里點，常用 Tc表示 。 ????? （ 4）亞鐵磁體 這類磁體有些像鐵磁體，但 值沒有鐵磁體那樣大。通常所說的 磁鐵礦 (Fe3O4)、鐵氧體等屬于亞鐵磁體。 （ 5）反鐵磁體 這類磁體的 是小的正數(shù) ，在溫度低于某溫度時，它的磁化率同磁場的取向有關(guān)；高于這