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
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,材料的磁性概述
1.1 磁性材料发展简历
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。
?公元前 4世纪,中国发明了司南。后来，出现了指南车。
?公元前 3世纪, 战国时期,<<韩非子 >>中这样记载：“先王立司
南以端朝夕”。 <<鬼谷子 >>中记载：“郑人取玉，必载司南，
为其不惑也”。
?公元 1世纪,东汉，王充在 <<论衡 >>中写道：“司南之杓，投之
于地，其柢指南”。
?公元 11世纪,北宋，沈括在 <<梦溪笔谈 >>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,材料的磁性概述
1.1 磁性材料发展简历
?公元 17世纪,英国的吉尔伯特发表了世界上第一部磁学专著 <<
论磁石 >>。
?公元 18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。
?公元 19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。
?20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,材料的磁性概述
1.1 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：,
'BBB p ??? ?? 0
0??? 0B,'B ?? 0BB ?
0??? 0B,'B ?? 0BB ?
0?? ?? 0BB ??
§ 1,材料的磁性概述
1.2 磁性的基本概念
一、磁性的分类
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/m
l
NIH ?
§ 1,材料的磁性概述
1.2 磁性的基本概念
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 μ0为真空磁导率，它是一个普适常数
?? 其值, 4π× 10-7
?? 单位, H（亨利） /m。
HB 00 ??
§ 1,材料的磁性概述
1.2 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 μ为介质的磁导率，是材料的特性常数。
? μ的单位为 H/m。
HB ??
§ 1,材料的磁性概述
1.2 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/Oe
M是磁极密度,4πM 是磁通线的密度。
§ 1,材料的磁性概述
1.2 磁性的基本概念
四、磁导率
2,有四种表示方法：
① 绝对磁导率 μ
② 相对磁导率 μr= μ /μ0
③ 起始磁导率 μi
④ 复数磁导率 μ ??? ?????? j
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,材料的磁性概述
1.2 磁性的基本概念
3,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：
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.相对磁导率 μ r
? 定义：
材料的磁导率 μ与真空磁导率 μ0之比。
? μr为无量纲的参数
? 磁化率 χ与相对磁导率之间的关系
1?? r??
0?
?? ?
r
§ 1,材料的磁性概述
1.2 磁性的基本概念
五、磁化强度 M
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,材料的磁性概述
1.2 磁性的基本概念
§ 1,材料的磁性概述
1.3 磁性的起源
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
IS nm ?
§ 1,材料的磁性概述
1.3 磁性的起源
? Orbital ? Spin
轨道磁矩 自旋磁矩
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,材料的磁性概述
1.3 磁性的起源
最基本磁矩,Bohr磁子（ magneton） μ B
原子中每个电子的自旋 磁矩 为,
± μ B（ +为自旋向上,-为自旋向下）
軌道磁矩 大小则为, miμ B（ mi为磁量子数）
224-
B mA 10 x 9, 2 74 ??? m
eh
??
三,最基本磁矩 - 玻尔磁子
§ 1,材料的磁性概述
1.3 磁性的起源
四,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：
? 磁感应强度 B,磁场强度 H,磁化强度 M 等几个概念
的关系
? 磁导率的概念
? 磁性的来源：轨道磁矩与自旋磁矩
? 玻尔磁子、净磁矩
§ 1,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,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,物质的各类磁性
2.1 抗磁性
一、定义：
§ 2,物质的各类磁性
2.1 抗磁性
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 μr ＜ 1，磁化率 χ ＜ 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 χ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,物质的各类磁性
2.2 顺磁性
一、定义：
§ 2,物质的各类磁性
2.2 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 μr ＞ 1，磁化率为正值。
磁化率 χ＞ 0，也很小，只有 10-5～ 10-2。
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：
? 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 103,M>>H
材料是否具有铁磁性
取决于两个因素：
(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
§ 2,物质的各类磁性
2.3 铁磁性
铁、钴、镍等过渡元素都具有未成对的 3d电子。
分别具有 4,3和 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 - Unfilled d-,f- Orbitals Lead to Large Magnetic Moments!
§ 2,物质的各类磁性
2.3 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,物质的各类磁性
2.4 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,物质的各类磁性
2.5 亚铁磁性
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 5
? O2-是无磁矩的
§ 2,物质的各类磁性
2.5 亚铁磁性
§ 3.抗磁性与顺磁性理论
3.1 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.抗磁性与顺磁性理论
3.2 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 。
§ 3.抗磁性与顺磁性理论
3.2 顺 磁性理论
? ?
? ?
??
??
?
?
?
?
??
??
?
?
?
?
??
??
??
ee
ee
c th
Tk
H
c thL
LNM
B
J
J
,
1
式中，
（ 1）高温情况：
在高温下,kBT ? μJ·H,所以 α ? 1
式中 C为居里常数，
顺磁材料的居里定律：
H
T
CH
Tk
NM
B
J ???
3
2?
B
J
k
NC
3
2??
?
T
C
Tk
N
B
J ???
3
2?
?
§ 3.抗磁性与顺磁性理论
3.2 顺 磁性理论
? 根据 χ-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.抗磁性与顺磁性理论
3.2 顺磁性理论
（ 2） 低温情况下或在磁场非常强的条件下
这时,μH ?kT，即 α ? 1 L （ α） =0
因而得到,M=N· μJ=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.抗磁性与顺磁性理论
3.2 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
100 ?????? r,B'B,BB ?
mr,?? B
?
CT
CTT ?
Fe KT C 1 0 4 0?
Ni KT
C 6 3 1?
:
，
:
材料是否具有铁磁性
取决于 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.铁磁性理论
4.1 铁 磁性
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 3d轨道直径之比有关。
比值在 1.4～ 2.7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 1.4～ 2.7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.铁磁性理论
4.1 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 Tc,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
§ 4.铁磁性理论
4.1 铁 磁性
铁磁体的居里温度 - 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.铁磁性理论
4.1 铁 磁性
§ 4.铁磁性理论
4.1 铁 磁性
所谓 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
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 组成的。
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 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.铁磁性理论
4.1 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.铁磁性理论
4.1 铁 磁性
磁畴的线尺寸, 通常约为 0.1～
0.01cm
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.铁磁性理论
4.1 铁 磁性
1.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。
R
NIH
?2?
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；
Hr ~?
H
B
r o?? ?
由 得出 曲线。
2.原理,励磁电流 I; 用安培定理得 H。 R
I
I
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；
H
B
cH
cH?
rB SB
§ 4.铁磁性理论
4.1 铁 磁体的磁化曲线
一、磁化曲线的实验测定
O H
?
O H
B
O H
M
曲线HM ? 曲线HB ? 曲线H??
§ 4.铁磁性理论
4.1 铁 磁体的磁化曲线
3,磁化曲线的三种形式
铁磁与亚铁磁 B-H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.铁磁性理论
4.1 铁 磁体的磁化曲线
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 μ随 H的变化
磁导率 μ是 B-H曲线上的斜率
在 B-H曲线上，当 H→0 时的斜率称为初（起）始磁导率 μi
初（起）始磁导率是磁性材料的重要性能指标之一
§ 4.铁磁性理论
4.1 铁 磁体的磁化曲线
磁化状态下的磁体中的静磁能量
§ 4.铁磁性理论
4.1 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.铁磁性理论
4.1 铁 磁体的磁化曲线
三、磁滞回线
§ 4.铁磁性理论
4.1 铁 磁体的磁化曲线
B
Ho
c
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。
Hc
Br
Hc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
条磁滞回线。
结论
铁磁质的 不是一个常数，
它是 的函数。H? r
?
B的变化落后于 H，从而具
有剩磁，即磁滞效应。
§ 4.铁磁性理论
4.1 铁 磁体的磁化曲线
§ 4.铁磁性理论
4.1 铁 磁体的磁化曲线
四、磁滞回线与
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。
Bo
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 10-12 m3 。
§ 4.铁磁性理论
4.2 铁 磁体的磁化机制
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。
H
B
o
a
b c d
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.铁磁性理论
4.2 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.铁磁性理论
4.2 铁 磁体的磁化机制
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
§ 4.铁磁性理论
4.2 铁 磁体的磁化机制
(1)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 Tc = 770° C
30%的坡莫合金居里温度 Tc = 70oC
原因,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
的能量，使铁磁质失去磁性。
四、退磁方法
(2)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)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)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.铁磁性理论
4.2 铁 磁体的磁化机制
§ 4.铁磁性理论
4.2 铁磁性的物理本质
(1) 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
B
Ho
象软铁、坡莫合金、硒钢片、
铁铝合金、铁镍合金等。
由于软磁材料磁滞损耗小，
适合用在交变磁场中，如变压
器铁芯、继电器、电动机转子、
定子都是用软件磁性材料制成。
§ 4.铁磁性理论
4.4 铁 磁材料分类
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
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.铁磁性理论
4.4 铁 磁材料分类
§ 4.铁磁性理论
4.4 铁 磁材料分类
(2) 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
具有较大的矫顽力，典型值 Hc
＝ 104～ 106A/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。
B
Ho
§ 4.铁磁性理论
4.4 铁 磁材料分类
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.铁磁性理论
4.4 铁 磁材料分类
§ 4.铁磁性理论
4.4 铁 磁材料分类
B
Ho
(3) 非金属氧化物 ----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，
剩磁接近于磁饱合磁感应强度
具有高磁导率、高电阻率
由 Fe2O3和其他二价的金属氧化物
（如 NiO,ZnO等粉末混合烧结而成 。
可作磁性记忆元件
§ 4.铁磁性理论
4.4 铁 磁材料分类
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：
?? 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
?? 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.铁磁性理论
4.4 铁 磁材料分类
§ 4.铁磁性理论
4.4 铁 磁材料分类
§ 4.铁磁性理论
4.4 铁 磁材料分类
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
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,材料的磁性概述
1.1 磁性材料发展简历
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。
?公元前 4世纪,中国发明了司南。后来，出现了指南车。
?公元前 3世纪, 战国时期,<<韩非子 >>中这样记载：“先王立司
南以端朝夕”。 <<鬼谷子 >>中记载：“郑人取玉，必载司南，
为其不惑也”。
?公元 1世纪,东汉，王充在 <<论衡 >>中写道：“司南之杓，投之
于地，其柢指南”。
?公元 11世纪,北宋，沈括在 <<梦溪笔谈 >>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,材料的磁性概述
1.1 磁性材料发展简历
?公元 17世纪,英国的吉尔伯特发表了世界上第一部磁学专著 <<
论磁石 >>。
?公元 18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。
?公元 19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。
?20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,材料的磁性概述
1.1 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：,
'BBB p ??? ?? 0
0??? 0B,'B ?? 0BB ?
0??? 0B,'B ?? 0BB ?
0?? ?? 0BB ??
§ 1,材料的磁性概述
1.2 磁性的基本概念
一、磁性的分类
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/m
l
NIH ?
§ 1,材料的磁性概述
1.2 磁性的基本概念
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 μ0为真空磁导率，它是一个普适常数
?? 其值, 4π× 10-7
?? 单位, H（亨利） /m。
HB 00 ??
§ 1,材料的磁性概述
1.2 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 μ为介质的磁导率，是材料的特性常数。
? μ的单位为 H/m。
HB ??
§ 1,材料的磁性概述
1.2 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/Oe
M是磁极密度,4πM 是磁通线的密度。
§ 1,材料的磁性概述
1.2 磁性的基本概念
四、磁导率
2,有四种表示方法：
① 绝对磁导率 μ
② 相对磁导率 μr= μ /μ0
③ 起始磁导率 μi
④ 复数磁导率 μ ??? ?????? j
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,材料的磁性概述
1.2 磁性的基本概念
3,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：
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.相对磁导率 μ r
? 定义：
材料的磁导率 μ与真空磁导率 μ0之比。
? μr为无量纲的参数
? 磁化率 χ与相对磁导率之间的关系
1?? r??
0?
?? ?
r
§ 1,材料的磁性概述
1.2 磁性的基本概念
五、磁化强度 M
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,材料的磁性概述
1.2 磁性的基本概念
§ 1,材料的磁性概述
1.3 磁性的起源
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
IS nm ?
§ 1,材料的磁性概述
1.3 磁性的起源
? Orbital ? Spin
轨道磁矩 自旋磁矩
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,材料的磁性概述
1.3 磁性的起源
最基本磁矩,Bohr磁子（ magneton） μ B
原子中每个电子的自旋 磁矩 为,
± μ B（ +为自旋向上,-为自旋向下）
軌道磁矩 大小则为, miμ B（ mi为磁量子数）
224-
B mA 10 x 9, 2 74 ??? m
eh
??
三,最基本磁矩 - 玻尔磁子
§ 1,材料的磁性概述
1.3 磁性的起源
四,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：
? 磁感应强度 B,磁场强度 H,磁化强度 M 等几个概念
的关系
? 磁导率的概念
? 磁性的来源：轨道磁矩与自旋磁矩
? 玻尔磁子、净磁矩
§ 1,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,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,物质的各类磁性
2.1 抗磁性
一、定义：
§ 2,物质的各类磁性
2.1 抗磁性
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 μr ＜ 1，磁化率 χ ＜ 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 χ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,物质的各类磁性
2.2 顺磁性
一、定义：
§ 2,物质的各类磁性
2.2 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 μr ＞ 1，磁化率为正值。
磁化率 χ＞ 0，也很小，只有 10-5～ 10-2。
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：
? 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 103,M>>H
材料是否具有铁磁性
取决于两个因素：
(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
§ 2,物质的各类磁性
2.3 铁磁性
铁、钴、镍等过渡元素都具有未成对的 3d电子。
分别具有 4,3和 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 - Unfilled d-,f- Orbitals Lead to Large Magnetic Moments!
§ 2,物质的各类磁性
2.3 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,物质的各类磁性
2.4 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,物质的各类磁性
2.5 亚铁磁性
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 5
? O2-是无磁矩的
§ 2,物质的各类磁性
2.5 亚铁磁性
§ 3.抗磁性与顺磁性理论
3.1 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.抗磁性与顺磁性理论
3.2 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 。
§ 3.抗磁性与顺磁性理论
3.2 顺 磁性理论
? ?
? ?
??
??
?
?
?
?
??
??
?
?
?
?
??
??
??
ee
ee
c th
Tk
H
c thL
LNM
B
J
J
,
1
式中，
（ 1）高温情况：
在高温下,kBT ? μJ·H,所以 α ? 1
式中 C为居里常数，
顺磁材料的居里定律：
H
T
CH
Tk
NM
B
J ???
3
2?
B
J
k
NC
3
2??
?
T
C
Tk
N
B
J ???
3
2?
?
§ 3.抗磁性与顺磁性理论
3.2 顺 磁性理论
? 根据 χ-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.抗磁性与顺磁性理论
3.2 顺磁性理论
（ 2） 低温情况下或在磁场非常强的条件下
这时,μH ?kT，即 α ? 1 L （ α） =0
因而得到,M=N· μJ=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.抗磁性与顺磁性理论
3.2 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
100 ?????? r,B'B,BB ?
mr,?? B
?
CT
CTT ?
Fe KT C 1 0 4 0?
Ni KT
C 6 3 1?
:
，
:
材料是否具有铁磁性
取决于 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.铁磁性理论
4.1 铁 磁性
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 3d轨道直径之比有关。
比值在 1.4～ 2.7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 1.4～ 2.7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.铁磁性理论
4.1 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 Tc,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
§ 4.铁磁性理论
4.1 铁 磁性
铁磁体的居里温度 - 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.铁磁性理论
4.1 铁 磁性
§ 4.铁磁性理论
4.1 铁 磁性
所谓 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
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 组成的。
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 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.铁磁性理论
4.1 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.铁磁性理论
4.1 铁 磁性
磁畴的线尺寸, 通常约为 0.1～
0.01cm
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.铁磁性理论
4.1 铁 磁性
1.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。
R
NIH
?2?
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；
Hr ~?
H
B
r o?? ?
由 得出 曲线。
2.原理,励磁电流 I; 用安培定理得 H。 R
I
I
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；
H
B
cH
cH?
rB SB
§ 4.铁磁性理论
4.1 铁 磁体的磁化曲线
一、磁化曲线的实验测定
O H
?
O H
B
O H
M
曲线HM ? 曲线HB ? 曲线H??
§ 4.铁磁性理论
4.1 铁 磁体的磁化曲线
3,磁化曲线的三种形式
铁磁与亚铁磁 B-H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.铁磁性理论
4.1 铁 磁体的磁化曲线
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 μ随 H的变化
磁导率 μ是 B-H曲线上的斜率
在 B-H曲线上，当 H→0 时的斜率称为初（起）始磁导率 μi
初（起）始磁导率是磁性材料的重要性能指标之一
§ 4.铁磁性理论
4.1 铁 磁体的磁化曲线
磁化状态下的磁体中的静磁能量
§ 4.铁磁性理论
4.1 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.铁磁性理论
4.1 铁 磁体的磁化曲线
三、磁滞回线
§ 4.铁磁性理论
4.1 铁 磁体的磁化曲线
B
Ho
c
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。
Hc
Br
Hc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
条磁滞回线。
结论
铁磁质的 不是一个常数，
它是 的函数。H? r
?
B的变化落后于 H，从而具
有剩磁，即磁滞效应。
§ 4.铁磁性理论
4.1 铁 磁体的磁化曲线
§ 4.铁磁性理论
4.1 铁 磁体的磁化曲线
四、磁滞回线与
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。
Bo
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 10-12 m3 。
§ 4.铁磁性理论
4.2 铁 磁体的磁化机制
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。
H
B
o
a
b c d
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.铁磁性理论
4.2 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.铁磁性理论
4.2 铁 磁体的磁化机制
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
§ 4.铁磁性理论
4.2 铁 磁体的磁化机制
(1)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 Tc = 770° C
30%的坡莫合金居里温度 Tc = 70oC
原因,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
的能量，使铁磁质失去磁性。
四、退磁方法
(2)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)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)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.铁磁性理论
4.2 铁 磁体的磁化机制
§ 4.铁磁性理论
4.2 铁磁性的物理本质
(1) 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
B
Ho
象软铁、坡莫合金、硒钢片、
铁铝合金、铁镍合金等。
由于软磁材料磁滞损耗小，
适合用在交变磁场中，如变压
器铁芯、继电器、电动机转子、
定子都是用软件磁性材料制成。
§ 4.铁磁性理论
4.4 铁 磁材料分类
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
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.铁磁性理论
4.4 铁 磁材料分类
§ 4.铁磁性理论
4.4 铁 磁材料分类
(2) 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
具有较大的矫顽力，典型值 Hc
＝ 104～ 106A/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。
B
Ho
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4.4 铁 磁材料分类
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.铁磁性理论
4.4 铁 磁材料分类
§ 4.铁磁性理论
4.4 铁 磁材料分类
B
Ho
(3) 非金属氧化物 ----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，
剩磁接近于磁饱合磁感应强度
具有高磁导率、高电阻率
由 Fe2O3和其他二价的金属氧化物
（如 NiO,ZnO等粉末混合烧结而成 。
可作磁性记忆元件
§ 4.铁磁性理论
4.4 铁 磁材料分类
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：
?? 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
?? 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。
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4.4 铁 磁材料分类
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4.4 铁 磁材料分类
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4.4 铁 磁材料分类
