功能材料合成与制备第二章磁性材料
2.1磁性材料概述2.2磁致伸缩材料2.3磁记录材料2.4磁制冷材料
2.1磁性材料概述
磁性材料磁性材料是功能材料中重要的一个分支，涵盖了金属、合金以及铁氧体化合物等材料，在电子和通讯、信息、能源、生物、空间新技术等许多领域都有着广泛的用途，是社会发展和技术进步的基础材料。磁性材料的历史悠久，我国早在战国时期就有关于磁性材料的记载，经过不断的发展和研究，磁性材料的种类越来越丰富。目前，我国磁性材料产量位居世界第一，市场规模已达到3000多亿元，逐渐成为国民经济发展的重要支柱之一。
01原子的磁矩原子是由原子核和核外电子组成的，因此原子的磁矩包括电子磁矩和原子核磁矩两部分。其中，原子核的运动会产生磁矩，但是该磁矩很小(例如，氢核质子产生的磁矩仅为电子产生的最小磁矩的1/658)，通常可以忽略。在讨论原子磁矩时，主要考虑电子磁矩。电子磁矩来源于电子在在原子核周围做轨道运动和自旋运动，即电子轨道磁矩和电子自旋磁矩。材料磁性的主要根源在于电子的运动材料的磁性来自于内部原子的磁矩
01原子的磁矩电子轨道磁矩原子中的电子不停的绕原子核运动，会形成一个环形电流。早在1820年，丹麦物理学家奥斯特就通过实验总结出了电流的磁效应，即电流周围存在磁场。如果电子绕原子核的做轨道运动的周期为T，则产生的电流为i=-e/T，所形成的磁矩为iS(S为环形电流所包围的面积)。原子中每个电子的轨道磁矩方向是空间量子化的，磁矩的最小单位为μB。μB是一个常数，大小为9.27×10-24A?m2，又称为波尔磁子。?电子轨道磁矩
01原子的磁矩自旋是电子的一种内禀属性，电子的自旋运动会产生自旋磁矩。一个电子的自旋磁矩在外磁场方向的大小是一个波尔磁子，其方向可能跟外磁场的方向平行或者相反，即±μB。同电子轨道磁矩一样，原子中电子的总自旋磁矩等于各个电子自旋磁矩的向量和。对于充满电子的壳层，其总的自旋磁矩为零。由此可见，原子的壳层中完全充满电子时，由于轨道空间分布的对称性，原子的电子轨道总磁矩和自旋总磁矩都为零。过渡金属的原子中具有未充满的3d电子层，可以产生电子自旋磁矩。稀土金属的原子中具有未充满的4f电子层，可以产生电子轨道磁矩和自旋磁矩。电子自旋磁矩
02磁场和磁学参量运动的电荷可以产生磁场，随时间变化的磁场也会产生电场。磁极：一个磁体中存在磁性最强的部分。图2-1条形磁体的磁极及磁力线分布磁化强度（M）：单位体积磁体中原子磁矩的矢量和称为，单位是A/m。①M的大小说明了物体的磁性强弱。②磁化强度M和磁场强度H有一定的比例关系，即M=χH。其中，χ为物质的磁化率(高斯/奥斯特)。磁力线——磁场强度的大小和方向，磁力线上某点的切线方向——该点磁场强度的方向磁力线的疏密——磁场强度的相对大小。当所有原子的磁矩均按照一个方向取向时的磁化强度称为饱和磁化强度，用Ms表示。磁体的磁感应强度(B)：是磁体内单位面积中通过的磁力线数。B的大小等于μ0H+μ0M。μ0为真空磁导率。
03材料磁性的分类抗磁性材料原子的电子壳层全部排满，总原子磁矩为零，但是当施加外加磁场时，这种总磁矩为零的原子也会显示出微弱的磁矩。其磁性特征是磁化率χ小于零，大小在10-5数量级，磁化强度M和磁场方向H相反。抗磁性包含铁磁性材料和亚铁磁性材料。铁磁性材料的特征是在较小的外磁场作用下就会表现出很强的磁化作用，这类材料具有较高的磁化χ，在10~106数量级。在没有外磁场的作用下，这类材料由于固有的原子磁矩也会产生定向平行排列，即自发磁化。这种自发磁化达到饱和的区域，称为磁畴，磁畴间的过渡层称为畴壁或畴界。强磁性（铁磁性）
03材料磁性的分类铁磁性材料和亚铁磁性材料的区别在于原子磁矩结构的不同。原子磁矩的方向在某一宏观尺寸大小的范围内趋于一致的属于铁磁性材料，也称为完全铁磁性。亚铁磁性材料宏观磁性上与铁磁性相同，大小不同的原子磁矩呈反平行排列，两者矢量和不为零，形成原子磁矩之差，从而相对于外磁场显示出一定程度的磁化作用。其磁化率χ较高，但明显小于铁磁性材料，数量级在10~103左右。强磁性（铁磁性）
03材料磁性的分类顺磁性和反铁磁性。顺磁性材料和反铁磁性材料的磁化强度随外加磁场呈直线变化，当外部磁场取消时，原子磁矩的矢量和为零。①顺磁性材料的特征是在外磁场作用下，能够感生出与磁场方向相同的磁化强度。其原子磁矩因为晶格的热振动等因素而呈随机取向，在没有外加磁场作用下，原子磁矩矢量和为零，施加外磁场以后，虽然原子磁矩发生一定的取向排列，但是由于晶格振动的强烈干扰，取向排列的程度很低，所以磁化率很低，在10-6~10-3数量级。②反铁磁性材料的其相邻原子磁矩呈反向平行排列，因此磁矩总和为零。其显著特性是其磁化率χ在临界温度(奈尔温