1、鐵磁質的特性及其應用摘要：鐵磁質材料被普遍的應用于人們的社會生活和生產中。鐵磁質是一種性能特異、用途廣泛的磁介質，其主要有三個特點：高導磁率、非線性和磁滯。工程技術中儀器設備，大的如發電機和變壓器，小的如電表鐵心和錄音機磁頭等。 都要用到鐵磁材料。對鐵磁質特性研究，能夠指導它的應用，為現代技術的發展 提供借鑒。一般磁介質可以分類三類，分別為鐵磁質、順磁質以及抗磁質，而鐵 磁質乂因為矯頑力的大小不同，將鐵磁材料分成軟磁材料、硬磁材料和矩磁材料。關鍵詞：鐵磁質；磁介質；特性；應用摘要. 1 1關鍵詞. 1 1目錄. 2 21.1.緒論. 3 31.11.1 研究背景. 3 31.21.2 磁性材料

2、的特性及分類. 5 51.2.11.2.1 磁性材料的概述. 5 51.2.21.2.2 鐵磁質的特性. 6 62.2. 鐵磁質的應用. 9 93.3. 結論與啟示. 1212參考文獻. 13131.緒論1.1研究背景生命科學、信息科學和材料科學已成為 2121 世紀新技術革命的三大支柱學科。 國民經濟的各部門和高技術領域的發展都一定會受到材料發展的制約或推動.材料科學技術為建設現代工業和農業提供基礎物質保障，為傳統產業的轉型和高技 術產業的崛起提供關鍵技術，也為國防建設提供重要的基礎物資保證.其實，新材料的發展水平已經成為度量一個國家高技術水平高低和綜合國力強弱的重要 標志，新型材料的出現和

3、發展往往會給科學技術的進步，乃至整個社會的發展和經濟的提升產生重大的影響，使人類的主觀能動性跟高，把人類支配自然的能力 提高到一個更高的水平。材料一般可以粗略的劃分為功能材料和結構材料。 功能材料涉及的范圍非常 廣泛，一般指那些具有特定物理、化學或生物學性質的材料。根據能量的轉換， 它可以作為一種把輸入能量傳涕或轉換成其他形式能量的功能元件.一般說來，材料的結構性以原子尺度內部不發生變化為特征，以力學性能為主要要求，用以制造各種機器零件和工程結構的一類材料。，而材料的功能性通常為原子內部的 電子以至原子核問的交互作用而表現出來的特性 .例如，材料的磁性決定丁原子 中次殼層電子是否被填滿以及它們

4、之間因“交換作用”產生不同原子取向的結果. 因而有抗磁體、順磁體和鐵磁體之別。由丁微觀結構的差異 .材料的鐵磁性中乂 可區分為永磁、軟磁、矩磁和旋磁等。功能材料按材料的主要使用性能大致可分為 9 9 種類型：電學功能材料、磁學 功能材料、光學功能材料、聲學功能材料、力學功能材料、熱學功能材料、化學 功能材料、生物醫學功能材料、核功能材料。這些功能材料還可按在具體應用中 所發揮的效能和作用進一步分類在這些功能材料中磁性材料的應用非常廣泛，己經從傳統的技術領域發展到高新技術領城；從社會生產擴大到白姓家庭：從單純 破學范圍.拓展到與磁學相關的交義學科領域，其廣度和深度比其他功能材料都 要大得多。就進

5、性材料直接應用的領域看，可以概括為家用電器、自動控制、僅 器儀表、通訊、電力、信息、能源、生物工程、空間研究、海洋研究、軍事以及 科學研究等方面.就與磁性材料相關的學科來看.如生物磁學、地磁學、天休磁學、原子核磁學、基本拉子磁學乃至丁徽波磁學、磁流體學、磁勘探、磁化學等。從 以上的討論可以看到，磁性材料在工農業生產、日常生活和現代科學技術各個領 域都有著重要的應用，進性材料已經成為功能材料的一個重要分支。因此，從研 究物質破性及其形成原理出發，探討提高磁性材料性能的途徑、開拓磁性材料新 的應用領城已經成為當代磁學的主要研究方法和內容 .對磁性現象的認識可以追溯到遙遠的古代 131131 我國是

6、最早發現和應用這一 現象的國家。早在春秋時代的管子、戰國時代的呂氏春秋中就有關于“慈 石”和“慈石召鐵”的記載，在大約公元前 4 4 世紀乂有關于天然磁鐵礦（即 Fe304Fe304） 的記載，在公元前 3 3 世紀，我國發明了指南器（司南）。國外關于磁性的記載，始 見于公元前 6 6世紀希臘人泰利斯的著作。對磁性現象的深入理解是從丹麥物理學家奧斯特發現電流的磁效應開始的。 法國物理學家安培在對電流之間的相互作用進行大盤研究的基礎上提出了“分子電流”是物質磁性起源的假說， 這一假說對于后來理解原了的磁性有互要的愈義。1831831 1年，英國物理學家法拉第發現了電磁感應定律，使人們對進與電的內

7、在聯 系有了更深入的認識。對磁性體本身內在規律的研究始于 1919 世紀末. .法國物理學家居里在這方面 做了開創性的工作。他不但發現了鐵磁性存在的臨界沮度（后來稱為居里溫度）， 確立了在臨界溫度以上順磁進化率與溫度的關系，還在總結大最實驗結果的基礎 上指出了抗磁性和順磁性的存在并提出居里抗磁性定律和居里順破性定律。爾 后，朗之萬將經典統計理論應用于具有固定原子磁矩的系統，導出了居里定律。 對順磁性做了唯象解釋.不久，外斯乂在朗之萬理論的墓礎上提出了兩個假說 ：分子場假說和磁疇假說。后來，這兩個假說被發展成為研究物質鐵磁性的兩大分 支。然而，關于原子具有一定大小磁矩的假說在經典物理學的范圍內是

8、無法接受 的.因為范列沮己經證明了 ：從經典力學出發的統計物理學不可能得出存在著平 均磁矩的結論。因為在任何磁場中，材料的磁矩恒等于零，而與電子在材料中具 體的運動形式無關。換句話說，如果材料中的電子遵循經典物理學定律， 則外加 磁場與任何材料中的電子之間無相互作用。這就是說經典物理學既不能闡明抗磁 性， 也不能閘明順磁性，更不能闡明鐵磁性。1.2磁性材料的特性及分類1.2.11.2.1 磁性材料的概述磁性材料是應用物質的磁性和各種磁效應，以滿足電工設備、磁電式儀表、 電子汁算機、徽波器件等各方面技術要求的金屆、合金以及鐵氧體化合物材料。 進性材料和磁學不但在現在有多方面的發展和重要應用，而且

9、也有悠久的歷史和 廣泛的應用領域。磁現象廣泛存在與自然界之中，從微小的基本粒子到宏觀的宇宙天體， 無不 具有磁性.嚴格地說，一切物質都有磁性，只是強弱程度不同而已.從微觀本質上 說，物質的磁性都來源于原子中的電子自旋磁矩 .大盆的科學研究表明，任何物 質都具有磁性，只是有的磁性強，有的磁性弱；任何空間都存在磁場，只是有的 磁場高，有的磁場低！1919 世紀以前，只認為極少數物質有磁性，其他絕大多數物質都無磁性. .到 1919 世紀中葉，在自然科學特別是電學和進學發展的基礎上， 從科學實驗中觀側到所 研究的物質在磁場中都會受到磁力的作用， 一些物質受到的磁力很弱，而且受力 方向是在磁場強度減弱

10、的方向，好像是對抗磁場的作用，因此把這種磁性稱為抗 磁性：另一些物質受到的磁力雖也很弱，但受力的方向卻是在磁場強度增強的方 向，好像是順著磁場的作用，因此把這種磁性稱為順磁性：只有少數物質，如鐵、 鉆、銳和它們的一些合金才在磁場中受到很強的磁力吸引作用.由于這些物質的強進性首先是在鐵和含鐵合金中觀側到的，因此稱這種磁性為鐵磁性.目前大量應用的是強磁性物質。簡稱進性材料.磁性材料包括鐵磁性材料、業鐵磁性材料 和旋磁性材料，例如各種金屆磁性材料是鐵磁性材料， 多種氧化物磁性材料是業 鐵磁性材料.19.19 世紀末到 2020 世紀初，一些物理學家總結了大最的物質磁性試驗 結果，提出了若十物質磁性的

11、規律和理論.例如，居里抗磁性定律，居里順磁性 定律，朗之萬順磁性理論，外斯鐵磁學學說等.正是這些物質磁性的規律和理論，大大促進了磁性材料在實際中的應用和進一步的發展。目前磁性材料幾乎已進入到人類活動的各個領域， 并已成為現代化電力和電 子工業的重要基礎。磁性理論及其應用，也在自然科學領域中成為重要的分支。 特別是對磁有序與非磁因素棍合的研究，如磁電效應、磁熱效應及磁彈效應等等。 乂將磁性理論及應用推向了新深度和廣度， 使其成為探索物質結構有關信息的重 要手段.并與信息的獲得、傳愉和存儲提供新的更加有效的途徑.磁性材料是功能 材料的重要分支.利用磁性材料$1.,$1.,成的磁性之器件其有轉換、傳

12、遞、處理信息、 存儲能最節約能源等功能。廣泛地應用于能源電信、自動控制、通訊、家用電器、 生物、醫療衛生、輕工、選礦等領域，尤其在信息技術領域已成為不可缺少的組 成部分，信息化發展的總趨勢是向小、輕、薄以及多功能、數字化、智能化方向 發展，從而對磁性材料提出了更高的標準.要求磁性材料制造的元器件不僅大容 量、小型化、高速度，而且具有可靠性、耐久性、抗震動和低成本的特點，特別 是納米材料在信息技術領域日益顯示出具有的重要性。鐵氧體磁性材料在國防及其他領域中的應用日益廣泛。徽波信息對人類的 生活優化具有重要的作用。但是，徽波輻射對人類的身心健康存在著不可忽視的 危害.近年來，鐵氧體磁性材料在微波吸

13、收及磁記錄方面發揮了重要作用，顯示 了巨大優勢.鐵氧體徽波吸收劑在吸收雷達波、減少電磁波對側試信號的十擾和 保護人體免受徽波輻射的侵害方面得到了廣泛應用；鐵氧體磁性材料以其離頻損 耗小、密度高、耐磨及壽命長等優點而倍受宵睞。1.2.21.2.2 鐵磁質的特性在磁場作用下能發生變化并能反過來影響磁場的媒質叫做磁介質。磁介質在磁場作用下的變化叫做磁化。鐵磁質是一種性能特異、用途廣泛的磁介質，鐵、 鉆、銳及其許多合金以及含鐵的氧化物（鐵氧體）都屆于鐵磁質。鐵磁質的主要特 點有三個方面：高導磁率；非線性；磁滯。高磁導率是鐵磁質應用特別廣泛的主要 原因。從鐵磁質的性能和使用方面來說，它主要按矯頑力的大小

14、分為軟磁材料 和硬磁材料兩大類：矯頑力很小的叫做軟磁材料，矯頑力很大的叫做硬磁材料， 矯頑力小就意味著磁滯回線狹長，它所包圍的“面積”小，從而在交變磁場中的 磁滯損耗小；矯頑力大說明磁質回線接近矩形，它所包圍的“面積”大，從而在 交變磁場中的磁滯損耗大。對于鐵磁材料的磁滯損耗可以計算出來，當磁場強度 變化完整的一周期時，每立方米的總能量損失是由磁滯回線的面積來代表的，每個周期的這種能量損失可更具體地用數學表示為：隹賴二（磁滯回線而積）：二I術X同從上式可看出，磁滯回線的面積越大，磁滯損耗越大。鐵磁性，是指一種材料的磁性狀態，具有自發性的磁化現象的性質。 什么 是自發性的磁化現象？簡單的說，對丁

15、某種材料而言，他們受到外界磁場的影響 而被磁化，然而當外部磁場取消之后卻依然能夠保持這種磁性，那么我們就說， 這種材料具有自發性的產化現象， 也就是具有鐵磁性了這樣說來，就可以很容 易地把永久磁鐵和這種性質相聯系吧？是的，永久磁鐵都具有鐵磁性或業鐵磁性。 在磁場的作用下能發生變化并能反過來影響磁場的媒介叫做磁介質。磁介質在磁場作用下的變化叫做磁化。鐵磁質是一種性能特異、用途廣泛的磁介質，鐵、 鉆、銳及其許多合金、稀上族金屆（在低溫下）以及含鐵的氧化物（如 Cr0Cr0 2 2）等鐵 介質都屆丁鐵磁質.磁場對磁場中的物質的作用稱為磁化， 在磁場中影響原磁場的物質稱為磁介 質。磁化后介質內部的磁場

16、與附加磁場和外磁場的關系為 （B B 是總磁感強度，BoBo 是外加磁感強度，BB是附加磁感強度）: :B=玖 +8B 外0順磁質（鎰、豁、鈕、氧，氮等）B 5（匕0抗磁質（銅、鉉、硫、氫、銀等）B-。I鐵磁質（鐵、鉆.鐐等）（1 1）順磁質的磁化順磁體的特征是組成這些物質的原子具有包定的與外磁場無關的磁矩，在無 外加磁場（H H =0=0）時，由丁熱運動的擾亂作用，這些包定的原子磁矩沒有特定的取 向，只有引入和加大磁場時，磁化強度才開始產生并逐漸增長。如果磁場不很強，（ x fiH ）以致分供休的磁拒 u u 在磁場中的能最與它們的平均熱能 kTkT 相比鮑1時小，即燈順磁體的磁化強度隨外磁

17、場的值成比例的增長順磁磁化率X.按照居里定律隨著沮度而變化其中，上式中 C C 是居里常數。這個規律最早是由朗之萬用經典的熱力學方法導出，他沒有考慮原子之間的相互作用， 只認為每個分子具有固有磁矩聲， 類似 丁理想的由磁針組成的經典氣體，他推出的順磁磁化率X Xm為3kT T但只有少數幾種順磁體( (如 0202 , , NO)NO)準確符合這個定律，大多數順磁體服從 丁更為復雜的居里一外斯定律；Cr + A常數可以大丁零，也可以小丁零。某些鐵族金屆( (如 Sc,Ti,Ba,Cr)Sc,Ti,Ba,Cr)，某些稀土金屆( (如 La,Ce,Pr,Nd,SmLa,Ce,Pr,Nd,Sm ) )

18、,某 些過渡族元素的化合物 (如 MnSO4.MnSO4. 4H20),4H20),金城 Pa,PtPa,Pt 以及某些氣體(如 02,NO,NO202,NO,NO2 ) )都屆丁順磁性物質。(2)(2)抗磁質的磁化抗磁體和順磁體統稱為弱磁性物體，弱磁性僅在具有外磁場的情況下才能 表現出來.并隨磁場增大而增強。抗磁性物質的主要特點是 X Xm 0,0,即它在外磁場中產生的磁化強度與磁場反 向.如果進場不均勻，這類物質的受力方向指向磁場減弱方向.抗磁物質的磁化率 不隨著溫度的變化而變化.抗磁物質的起因是電磁感應，即原子的電子軌道運動 在磁場 N N 中產生電磁感應效應，同時電子殼層就得到拉莫爾旋

19、進附加角速度由丁這個附加角速度產生的附加磁矩4m可得：上式中,e e 是電子電荷,m m 是電子的靜止質盆：A A 是電子軌道面在垂直丁磁場平面 上的投影面積：NONO 是真空磁導申.AM.AM 的方向與磁場方向相反，所以是抗磁性，式中的抗磁磁化率。(3)(3)鐵磁質的居里點所有鐵磁性物質都存在著鐵磁性消失的沮度. .稱為居里溫度.以 T T c c 表示.當 沮度低丁 T T c c 時，它呈現鐵磁性：當溫度高丁 T T c c 時呈現順磁性.當溫度高丁 T T c c 時，自發磁化被破壞，鐵磁性消失。進一步研究表明，當溫度通過居里點時，某 些物理量表現出反常行為，如比熱突變、熱膨脹系數突變

20、、電陽的溫度系數突變2.鐵磁質的應用(1)(1)硬磁材料在正弦交流電路中，產生隨時間而周期性變化的磁場，由丁硬磁材料所包圍 的磁滯回線的“面積”大，使磁疇來回翻轉產生大量的磁滯損耗，而使散熱問題 難以解決。硬磁材料(永磁體)也是在外磁化場去掉后仍保留一定的剩余磁感應強 度 B B 的材料，各種電表、揚聲器、電話機、計算機等都需要這種特性的永磁體。 永磁體的另一作用是在它的鐵心中產生一個穩定的磁場。可以證明，當氣隙中的磁場強度和氣隙的體積給定之后，所需磁鐵的體積與磁能積(BH)(BH)成反比。所以BHBH 大，就可以使磁鐵本身的體積縮小，這不僅可以節省磁性材料，還對器件的 小型化有著特殊的意義。

21、(2)(2)軟磁材料；是磁滯回線包圍“而積”小的鐵磁材料，在正弦交流電路中，變化的電流產 生變化的磁場，由丁軟磁材料的磁疇在來回翻轉過程中，磁滯損耗小，熱損小， 散熱問題容易解決，常用它做電機、變壓器、鎮流器的鐵芯。而在制造電磁繼電 器時，也利用了軟磁材料這一特性，電磁式繼電器依靠電磁吸力使本銜鐵動作， 稀放時則要靠與吸力方向相反的反力作用。 反力部位由反作用彈簧、觸頭、鐵自 重等構成。電磁式繼電器正常工作時，銜鐵吸合，吸力作用大丁反力作用，但是 我們發現電磁式繼電器在正常工作時，會產生振動和噪音，這是什么原因呢？當交流電接入交流電磁繼電器吸引線圈時， B=BassinetB=Bassinet

22、 產生，根據電工基礎知識 有F吸二4 x 10一迎SF吸二4SX icrx- tfraSmM1-點叫=4Sx 1O-20忒I )從上式可以看出，當時,F,F 吸=0,=0,此時 F F 吸F F 反,銜鐵開始釋放， 當 F F 吸F F 反,銜鐵乂被吸合， 從而使銜鐵產生振動， 發生噪音, ,為此, , 必須采取有效措施消除振動與噪音。常用方法是在鐵芯端部開一個槽，槽內嵌入短路銅環，當吸引線圈通入交流電后，根據愣次定律，在短路環中產生感應電流，CDCD而該感應電流會產生一個新的磁通阻礙原磁通的變化，而使被短路環CjiCji匕二中+0- 變成 -,未由短路環包圍的那部分包圍的磁通由e 、_cti

23、k=+(-中)磁通由變成原來鐵芯中的 4 4 和014SME 一斗十上，、十 L-在短路環的作用變成和一.其大小不等，相位不同，此時的 F F 吸也由原 F F 吸 1 1 和 F F 吸 2 2 合成為 F F 吸，由丁 F F 吸 1 1 和 F F 吸 2 2 不同時為零, , 使得 F F 吸始終大丁零。如果 F F 吸F&F&那么銜鐵會被鐵軸牢牢吸住，不會產生振動 和噪音, ,但實際上很難做到 F F 吸F F 反始終成立,因而這種方法只讓電磁式繼電器 的噪音大為減小。還可以選用另一種方法，消除電磁繼電器的振動和噪音，可以利 用橋式整流電路獲得直流電，經過整流后的電流

24、是非正弦周期函數，滿足狄里赫 時條件，可以展開為傅立葉級數，但這時交流成分還較大，再進行濾波，濾波后電 流的脈動性很小，其交流成分小丁直流量的 5%5%整流濾波電路如圖 1 1。然后將獲得的直流電通入電磁繼電器的鐵芯，應付支產生一個脈動性很小的 B B，從而很容易滿足 F F 吸F F 反，利用這種方法就可以完全消除振動與噪音，使電磁 繼電器在正常工作過程中成為無聲繼電器。如圖 1 1(3)(3)距磁材料；鋌鎂鐵氧體，鏗鋌鐵氧體等。磁滯回線呈矩形，在兩個方向上的剩磁可用丁 表示計算機二進制的“。和“1,1,可適合丁制成“記憶”元件。另外，利用鐵磁質的磁致伸縮效應，可用來做換能器，在超聲及檢測技術中 大有作為。3.結論與啟示地磁場是地球的固有資源，它的測量不受位置和環