材料的磁學(xué)性能

1、第7章 材料的磁學(xué)性能(Magnetic properties of materials),1,物質(zhì)磁性或磁學(xué)是一門古老(現(xiàn)象與應(yīng)用的歷史悠久)又年輕 (應(yīng)用愈加廣泛，形成了與磁學(xué)有關(guān)的邊緣學(xué)科)的學(xué)科。,磁性是物質(zhì)的基本屬性，一切物質(zhì)都具有磁性；磁性不只是一個(gè)宏觀的物理量，而且與物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。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。,,Magnetism,2,2,物質(zhì)磁性的普遍性,3,磁性是物質(zhì)的基本屬性，應(yīng)用

2、領(lǐng)域很廣,1）電氣化：發(fā)電用的發(fā)電機(jī)和動(dòng)力用的電動(dòng)機(jī)內(nèi)磁鋼 2）信息化：磁記錄器和磁存儲(chǔ)器 3）高能加速器和粒子檢測器：需要使用強(qiáng)磁場 4）原子核和基本粒子的微觀物理學(xué)研究：產(chǎn)生磁場的裝置5）生物學(xué)和醫(yī)學(xué)：生物體為弱磁體，各組織和器官的弱磁性有所不同，疾病診斷 6）地球科學(xué)研究和應(yīng)用：研究地磁場的起源和演化。 7）天文學(xué)的研究和航天新技術(shù)：目前已知的最強(qiáng)磁場（脈沖星即中子星的磁場高達(dá)108-109 T）和最低磁場（星系際磁場

3、低到10-13 T）均存在于天文學(xué)的研究中。,4,4,,,,5,,,6,電磁學(xué)是一門實(shí)驗(yàn)學(xué)科，誕生與發(fā)展依賴于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與分析。,,7,1,磁學(xué)和電學(xué)基本物理量的比較,8,8,磁性科學(xué)早期發(fā)展,古代春秋戰(zhàn)國時(shí)期看到的磁石吸鐵。(公元前770年~公元前221年) 《管子?地?cái)?shù)》載：“山上有慈石(即磁石)者，其下有銅金?！彼就侥希簴|漢時(shí)期思想家王充寫的《論衡》書中“司南之杓，投之于地，其柢指南”的記載。不要太相信古代中國人對電和磁有多少科學(xué)

4、的理解。公元前600年，希臘的Thales也有琥珀摩擦吸引草屑的記載。電磁學(xué)真正的科學(xué)研究來自于英國William Gilbert(電磁學(xué)之父)對電和磁的實(shí)驗(yàn)。吉伯為磁通勢單位，用以紀(jì)念這位磁學(xué)的先驅(qū)者。 《論磁》 記錄基本磁現(xiàn)象：吸引與排斥、極性、地磁、退磁等,9,9,庫倫定律,庫倫，法國物理學(xué)家,1736——1806,庫倫扭秤,同種磁極相互排斥，異種磁極相互吸引。磁極之間的相互作用力與距離的平方成反比。,庫倫定律使電磁學(xué)研究由定

5、性進(jìn)入定量階段，是電磁學(xué)史上一塊重要的里程碑。,兩個(gè)距離為r，磁極強(qiáng)度(簡稱極強(qiáng))分別為qml和qm2(單位:韋伯Wb或A.m)的磁極間相互作用力在二者連線上，大小為:其中，k=6.35 * l04N,兩磁鐵的同極性相斥，異極性相引。,11,無限長載流直導(dǎo)線：,方向是切于與導(dǎo)線垂直的且以導(dǎo)線為軸的圓周,,電流的磁效應(yīng),磁場強(qiáng)度,,,,H,r,奧斯特，丹麥科學(xué)家,1820年，由奧斯特等人發(fā)現(xiàn)。證明電流可以產(chǎn)生磁場。 第一

6、個(gè)非天然的磁場,12,電和磁的關(guān)系,13,13,,安培，法國科學(xué)家（1775-1836）,電磁相互作用,發(fā)現(xiàn)時(shí)間：1820 -1827,發(fā)現(xiàn)一 通電的線圈和磁鐵相似。,發(fā)現(xiàn)二 相同方向的平行電流相互吸引， 相反方向的平行電流相互排斥。,發(fā)現(xiàn)三 磁是由運(yùn)動(dòng)的電荷產(chǎn)生的。,由此說明了地磁的成因和物質(zhì)的磁性。,發(fā)現(xiàn)四 提出了分子電流假說。,揭示了物質(zhì)磁性的本質(zhì)。,推導(dǎo)出兩個(gè)電流元之間的作用力公式。,電和磁本質(zhì)上

7、是統(tǒng)一的。,14,電磁感應(yīng)現(xiàn)象,自學(xué)成才,1831年，由法拉第發(fā)現(xiàn)。,俗稱磁生電，直接導(dǎo)致了發(fā)電機(jī)的發(fā)明，影響非常深遠(yuǎn)。,1834年，發(fā)現(xiàn)了電解定律，開創(chuàng)了電化學(xué)學(xué)科。,發(fā)現(xiàn)了物質(zhì)的抗磁性。,其它成果：,提出了電磁場這一概念。,15,經(jīng)典電動(dòng)力學(xué),麥克斯韋，英國物理學(xué)家,1831—1879,推導(dǎo)出著名的麥克斯韋方程組，首次將電和磁在理論上統(tǒng)一起來，在此基礎(chǔ)上創(chuàng)立了經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)。,提出了電磁波這一概念，并確認(rèn)光也是一種電磁波，對后世影

8、響深遠(yuǎn)。,是繼法拉第之后集電磁學(xué)大成的偉大科學(xué)家，揭示了光、電、磁現(xiàn)象在本質(zhì)的統(tǒng)一性，完成了物理學(xué)的又一次大綜合。,16,居里定律,皮埃爾·居里法國物理學(xué)家,1859-1906,發(fā)明了磁秤（磁天平），實(shí)現(xiàn)了對弱磁性的測量。,根據(jù)大量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，總結(jié)出著名的居里定律。,壓電效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)；放射性物質(zhì)研究，發(fā)現(xiàn)了鐳。,抗磁體的磁化率不依賴磁場強(qiáng)度且一般不依賴于溫度； 順磁體的磁化率不依賴磁場強(qiáng)度且與溫度成反比； 鐵在某一溫度（

9、居里溫度）以上失去磁性。,17,郎之萬和外斯,郎之萬提出了抗磁性和順磁性的經(jīng)典理論。,外斯提出了分子場理論，闡明了鐵磁性的起源，擴(kuò)展了郎之萬的理論。,用基元磁體的概念對物質(zhì)的順磁性及抗磁性作了經(jīng)典的說明。,Paul Langevin1872年-1946年,Weiss Pierre 1865年-1940年,18,材料的磁學(xué)——材料磁學(xué)性質(zhì)、來源？材料對外磁場的反應(yīng)？本質(zhì)原因？不同磁性材料的性能及其應(yīng)用。磁性與材料的微觀結(jié)構(gòu)的聯(lián)

10、系——通過磁性研究材料的結(jié)構(gòu)：鍵合情況、晶體結(jié)構(gòu)。,本章提要,19,19,7.1 材料磁性能的表征參量和材料磁化的分類(Character parameters of magnetic properties of materials and classification of material magnetization),20,7.1.1 材料磁性能的表征參量 (Character parameters of magne

11、tic properties of materials),21,一、磁極、磁場和磁力線,溫故,磁極判斷Single,22,22,Single,1928年相對論形式的薛定諤方程，也就是著名的狄拉克方程(√) ；預(yù)言了正電子的存在(√)；預(yù)言了反粒子的存在，電子－正電子對的產(chǎn)生和湮沒(√) ；提出反物質(zhì)存在的假設(shè)；1931年預(yù)言可能存在磁單極；,23,23,古老的地球的鐵礦石和來自地球之外的鐵隕石。高能加速器加速質(zhì)子沖擊原子核。

12、宇宙射線(本身和碰撞)。1973年“阿波羅”飛船帶回的月巖。宇宙射線照射高空的感光底板產(chǎn)生又粗又黑的痕跡(強(qiáng)的吸引作用)151天的超導(dǎo)量子干涉式磁強(qiáng)計(jì)的觀察(未能重復(fù))。海洋、深海沉積物。中國、瑞士、日本等國的研究小組在鐵磁晶體的物質(zhì)中觀察反?；魻栃?yīng)，提供假設(shè)的間接證據(jù)。,如何尋找磁單極子?,上窮碧落下黃泉，兩處茫茫皆不見!,24,24,磁場,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

13、。磁場是對磁極產(chǎn)生作用力的空間，采用磁場強(qiáng)度H和磁通密度B來表示。磁場是電磁場的組成部分，其特征可用場內(nèi)運(yùn)動(dòng)著的帶電粒子所受的力來確定，這種力源于粒子的運(yùn)動(dòng)及其所帶電荷。,25,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，磁場還有本身的特性：a) 磁場對載流導(dǎo)體或運(yùn)動(dòng)電荷表現(xiàn)作用力；b）載流導(dǎo)體在磁場中運(yùn)動(dòng)要做功現(xiàn)在物理研究表明，物質(zhì)的磁性也是電流產(chǎn)生的。,25,地球是個(gè)大磁場。地球的磁極卻非亙古不變。自地球誕生以

14、來，其南北磁極曾經(jīng)發(fā)生過幾次轉(zhuǎn)變，即“磁極倒轉(zhuǎn)”。,在近450萬年里兩次“正向期”，兩次“反向期”。且在每一個(gè)磁性時(shí)期里，有時(shí)發(fā)生短暫的磁極倒轉(zhuǎn)現(xiàn)象。從大約6億年前的前寒武紀(jì)末期到約5.4億年前的中寒武世，反向磁性為主;從中寒武世到約3.8億年前的中泥盆世，正向磁性為主;中泥盆世到約0.7億年前的白璽紀(jì)末，正向極性為主;白璽紀(jì)末至今，則是以反向極性為主。,26,26,27,27,磁極倒轉(zhuǎn)：1967年，斯蒂納提出：與地球追隨太陽作環(huán)繞銀

15、河系中心的運(yùn)動(dòng)有關(guān)。1979年，與恐龍滅絕同步的地磁倒轉(zhuǎn)可能與巨大隕石的墜落有關(guān)；1989年，美國繆拉發(fā)表氣候變化導(dǎo)致地磁極倒轉(zhuǎn)。磁極倒轉(zhuǎn)危害：1)兩極倒轉(zhuǎn)過程中一旦地球磁場消失太陽強(qiáng)烈輻射的宇宙射線猛擊地球大氣層，對地球氣候和人類產(chǎn)生致命的影響。一些低軌道人造衛(wèi)星也將完全暴露在太陽電磁風(fēng)暴的吹打中，不久將被完全摧毀。2)許多靠地球磁場導(dǎo)航的生物，諸如燕子、羚羊、鯨魚、鴿子和趨磁性細(xì)菌等，將迷失方向。3）甚至懷疑：地球磁極倒轉(zhuǎn)曾是古人

16、類文明覆滅的原因地磁場強(qiáng)度在急劇減弱，這是地球南北兩極不久將要出現(xiàn)磁極大倒轉(zhuǎn)的危險(xiǎn)信號(hào)!,28,28,澳大利亞南部的亞塔斯馬尼亞島總要發(fā)生鯨魚擱淺事件！,29,29,圖示電磁場的工具，用以表征H的方其上某點(diǎn)的切線方向表示該點(diǎn)H的方磁力線的疏密表示H的相對大小。,磁力線,在有限空間里，磁力線總是閉合的，不能夠看到起點(diǎn)和終點(diǎn)！,30,30,二、磁通量、磁感應(yīng)強(qiáng)度（magnetic induction ）,磁通量Φ :垂直于某一面積所通過的

17、磁力線的多少。 單位韋伯，Wb。 Φ=B*S,磁通密度B： B = Φ /S，等于穿過單位面積的磁通量。 單位特斯拉T，Wb.m-2 。 B=F/IL，,磁介質(zhì)（除超導(dǎo)體以外不存在磁絕緣的概念，故一切物質(zhì)均為磁介質(zhì)）在磁場中發(fā)生的磁化對源磁場也有影響（場的迭加原理）。,31,31

18、,磁感應(yīng)強(qiáng)度（magnetic induction ）與磁場強(qiáng)度（magnetic intensity）,1、磁場強(qiáng)度（H）和磁感應(yīng)強(qiáng)度（B）均為表征磁場性質(zhì)（即磁場強(qiáng)弱和方向）的兩個(gè)物理量，兩種表示方法。,2、若包括介質(zhì)因磁化而產(chǎn)生的磁場在內(nèi)時(shí)，用磁感應(yīng)強(qiáng)度B表示，其單位為特斯拉T，是一個(gè)基本物理量；單獨(dú)由電流或者運(yùn)動(dòng)電荷所引起的磁場（不包括介質(zhì)磁化而產(chǎn)生的磁場時(shí)）則用磁場強(qiáng)度H表示，其單位為A.m-1，是一個(gè)輔助物理量。,32,

19、32,——磁感應(yīng)強(qiáng)度B描述的是傳導(dǎo)電流的磁場和磁介質(zhì)中磁化電流的磁場的綜合場的特性。,如果磁場在真空中形成的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B0，則磁場的強(qiáng)度H可由下式確定： B0=?0H?0：真空磁導(dǎo)率（真空透磁率）?0=4??10-7亨利／米(H/m) H——描述磁場的一個(gè)重要的物理量，無論在真空或在磁介質(zhì)中，H只表征傳導(dǎo)電流的磁場特征，與磁介質(zhì)無關(guān)。,,33,33,將材料放入磁場強(qiáng)度為H的自由空間，則材料中的磁感應(yīng)強(qiáng)度B=?H

20、,其中?稱為材料的磁導(dǎo)率或絕對磁導(dǎo)率。,所以 B=B0+B?=?0H+?0M=?0(H+M) 其中M稱為材料的磁化強(qiáng)度，其物理意義為材料在外磁場中被磁化的程度。,——材料內(nèi)部的磁感應(yīng)強(qiáng)度可看成材料對自由空間的反應(yīng)?0H和磁化引起的附加磁場?0M兩部分場疊加而成。,34,電介質(zhì)中的電場強(qiáng)度E為真空中的電場強(qiáng)度E0和由于電極化而產(chǎn)生的附加電場強(qiáng)度E?之和,,磁場強(qiáng)度H (magnetic intensity)：(靜磁學(xué)定義) 為

21、單位點(diǎn)磁荷在該處所受的磁場力的大小，方向與正磁荷在該處所受磁場力方向一致。,35,實(shí)際應(yīng)用中，往往用電流產(chǎn)生磁場，并規(guī)定H的單位在SI制中：用1A的電流通過直導(dǎo)線，在距離導(dǎo)線r=1/2π米處，磁場強(qiáng)度即為1A /m。,35,預(yù)備知識(shí)：SI (MKSA) 單位制和Gauss (CGS) 單位制,SI單位制：主要磁學(xué)量都用電流的磁效應(yīng)來定義，其中磁感應(yīng)強(qiáng)度B為主導(dǎo)量（凡涉及到與其他物理量的相互作用，都必須使用B）,磁感應(yīng)強(qiáng)度B的定義可由安培

22、公式得出：,根據(jù)安培環(huán)路定理可定義磁場強(qiáng)度H：,H為導(dǎo)出量，僅用于計(jì)算傳導(dǎo)電流所產(chǎn)生的磁場，不能代表磁場強(qiáng)度與外界發(fā)生作用,36,Guass單位制（絕對電磁單位制）：早年使用的單位制，所有的磁學(xué)量都是通過磁偶極子的概念建立起來的,其中磁化強(qiáng)度M被定義為：,單位：Guass,磁場強(qiáng)度H被定義為：,單位：Oe,引入磁感應(yīng)強(qiáng)度B，使之滿足如下關(guān)系：,在Guass單位制中，M 和H 都有明確的物理意義，是基本物理量，而B只是一個(gè)導(dǎo)出量,37,兩

23、種單位制的比較,1、兩種單位制對磁學(xué)量的定義來源于兩種不同的觀點(diǎn)；2、在SI單位制中（依據(jù)于分子電流觀點(diǎn)），磁場用磁感應(yīng)強(qiáng)度B來描述，而磁場強(qiáng)度H只是一個(gè)導(dǎo)出量，它存在的惟一含義就是滿足3、在Guass單位制中（依據(jù)于磁偶極子觀點(diǎn)），磁場用磁場強(qiáng)度H描述，它是電流和磁性體所產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度的矢量和，而磁感應(yīng)強(qiáng)度B只是一個(gè)引入的輔助量，僅在于滿足方程divB = 0。,38,從物理的角度來看到底哪一種觀點(diǎn)更加合理、更加接近于物質(zhì)磁性起源

24、的真實(shí)情況呢？,從目前來看，視乎分子電流的觀點(diǎn)更接近于真實(shí)情況,a、電子的軌道磁矩來自電子的軌道電流，支持分子電流的觀點(diǎn)；b、狄拉克(Dirac)雖然從理論上預(yù)言了“磁單極”的存在，但至今沒有發(fā)現(xiàn)“磁單極”，使磁偶極子的概念失去了存在的基礎(chǔ)。,39,SI單位制和Gauss單位制的轉(zhuǎn)換,（1）、B：1 G = 10-4 T H：103A/m的H有4π Oe的值， 103/4π A/m

25、=79.577A/m=1 Oe （2）、磁矩： 在Gauss單位制中?0=1G / Oe ，則磁偶極矩與磁矩?zé)o差別，通稱為磁矩，單位為電磁單位（e.m.u） 1e.m.u (磁偶極矩)＝ 4π ×10-10 Wb?m 1e.m.u (磁矩)＝ 10-3 A?m2,40,（3）、磁化強(qiáng)度：Gauss單位制中，磁極化強(qiáng)度（J）與磁化強(qiáng)度（M）相同，單位：G,4

26、1,,,42,42,物質(zhì)在磁場中由于受到磁場的作用而表現(xiàn)出一定的磁性，該過程稱為磁化。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),三 磁化、磁化強(qiáng)度與磁矩,43,43,安培的分子電子說,將磁性歸為分子電流產(chǎn)生安培分子電流的假說，揭示了磁鐵磁性的起源，它使我們認(rèn)識(shí)到：磁鐵的磁場和電流的磁場一樣，都是由電荷的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的．,,44,磁矩,分子電流觀點(diǎn)可用環(huán)形電流描述磁矩P的定義 ：P=IS（ I：為環(huán)形電流， S：

27、封閉環(huán)形的面積）磁化強(qiáng)度M:單位體積中的偶極矩或磁偶矩，表征材料被極化或磁化的能力。M= ? Pm/V,45,45,偶極子：構(gòu)成質(zhì)點(diǎn)的正負(fù)電荷沿電場方向在有限范圍內(nèi)短程移動(dòng)，形成一個(gè)偶極子電偶極矩? ：?=ql,,,,-q,+q,,,l,,E,偶極子,46,磁荷觀點(diǎn),46,與電荷類似，將磁荷定義成磁的基本單位。兩磁極若分別有q1和q2磁荷的磁極強(qiáng)度，則其作用力,其中r為磁極間距，k為比例常數(shù)。磁極q在外磁場中要受到力的作用，且

28、有該力 F=qH其中H為外磁場的強(qiáng)度。,,47,將相互接近的一對磁極＋q和－q稱為磁偶極子真空中，單位外磁場作用在相距d的磁偶極子上的最大的力矩 Pm＝qd 稱為該磁偶極子的磁偶極矩（磁動(dòng)量）。磁偶極矩與真空磁導(dǎo)率?0的比值稱為磁矩，用m表示，即 m=Pm/?0,48,當(dāng)磁偶極子與外磁場方向成一定角度時(shí)它將受到磁場力的作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩力圖使磁偶極矩Pm處于能量最低方向。,磁偶

29、極矩與外磁場的作用的勢能稱為靜磁能U＝－Pm·H＝－PmHcos? 其中?是Pm與H的夾角。,,外磁場作用下磁場力的作用轉(zhuǎn)矩有使磁偶極矩處于能量最低狀態(tài)的趨勢。,49,,磁極化強(qiáng)度：單位體積內(nèi)的磁偶極矩矢量和環(huán)電流和磁偶極子等效，一個(gè)磁矩為Pm的電流環(huán)可以看成一個(gè)磁偶極矩為 的磁偶極子,50,,51,磁極化強(qiáng)度：,磁 化 強(qiáng) 度：,,51,磁矩的意義,表征磁偶極子磁性強(qiáng)弱和方向的一個(gè)物理量。磁

30、矩是表征磁性物體磁性大小的物理量。磁矩愈大,磁性愈強(qiáng),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)。和磁極化強(qiáng)度具有相同的物理意義，但J和M各有自己的單位和數(shù)值，有如下關(guān)系,52,52,分子環(huán)流和等效磁荷學(xué)說！,53,53,磁化率?,磁體置于外磁場中磁化強(qiáng)度M將發(fā)生變化（磁化）,54,其中?稱為磁體的磁化率(susceptibility)，是單位磁場強(qiáng)度H在磁體內(nèi)感生的M，表征磁體磁化難易程度的物理量,所有物質(zhì)，

31、相對于磁場都會(huì)產(chǎn)生磁化現(xiàn)象，只是其磁化強(qiáng)度M的大小不同而己。,54,當(dāng)一個(gè)物體在外加磁場中H被磁化時(shí)，物體所在空間的總磁感應(yīng)強(qiáng)度B（真空中B0）是外加磁場強(qiáng)度H和材料磁化強(qiáng)度M之和，即 B=B0+B’=u0H+ u0H’=u0H+ u0M= u0(H+ M) = u0(H+ xH)= u0(1+ x)H= u0urH =uH,55,令：磁導(dǎo)率(permeab

32、ility) ?r =1＋ ?（相對磁導(dǎo)率，表征磁體磁性、導(dǎo)磁性及磁化難易程度）,55,絕對磁導(dǎo)率?、相對磁導(dǎo)率?r、和磁化率?都是描述材料在外磁場下磁化能力的物理量，他們之間有固定的關(guān)系，知道其中的一個(gè)即可求出另外的兩個(gè)。,56,,磁化率χ：表征物質(zhì)本身的磁化特性，量綱為1，其值可正、可負(fù)。,磁導(dǎo)率μ：反映了磁感應(yīng)強(qiáng)度與外磁場強(qiáng)度的關(guān)系，即當(dāng)外磁場增加時(shí)磁感應(yīng)強(qiáng)度增加的速率。,磁化率：理論研究中常用的參數(shù)。磁導(dǎo)率：工程技術(shù)上喜歡采

33、用的參數(shù)。,7.1.2 材料磁化的分類 (classification of material magnetization),58,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(qiáng)度M與磁場強(qiáng)度H的關(guān)系，可做出其磁化曲線。,59,分類依據(jù)：磁化率? 的大小和符號(hào),59,一、抗磁體（1）當(dāng)受到外磁場H作用后，感生出與H方向相反的磁化強(qiáng)度，故其?d <0（2）絕對數(shù)值很小，一般為10-6（3）與磁場、溫度均

34、無關(guān)代表性物質(zhì)：惰性氣體，許多有機(jī)化合物，Bi、Zn、Ag和Mg、Si、P、S等）,H,根據(jù) χ 與溫度的關(guān)系，抗磁體又可分為： 1“經(jīng)典”抗磁體，它的 χ不隨溫度變化，如銅、銀、金、汞、鋅等。 2反?？勾朋w，它的 χ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。,61,61,二、順磁體（1）當(dāng)受到外磁場H作用后，感生出與H方向相同的磁化強(qiáng)度，其? p>0（2）數(shù)值很小，

35、一般為10-6～10-3（3）磁化率與溫度的關(guān)系遵從居里-外斯定律代表性物質(zhì)：稀土金屬，第一、二主族的金屬以及O2等,,,T,,Tp,? p＝10-6～10-3,H,順磁性郎之萬理論,62,三、反鐵磁體 ? N在某一溫度TN處存在最大值， 當(dāng)溫度T>TN時(shí)，磁化率與普通的順磁性物質(zhì)相似，服從居里－外斯定律，但通常居里溫度都是小于零的； 當(dāng)溫度T<TN時(shí)，磁化率不是繼續(xù)增加，而是降低并趨

36、于一定值代表性物質(zhì)：過渡族金屬的氧化物、鹵化物等,O,63,四、鐵磁體 （1）很容易被磁化到飽和（只需要很小的磁場）（2）? > 0，且為101～106 （3）也存在一個(gè)臨界溫度TC （4）M－H呈非線性關(guān)系 代表性物質(zhì)：11種金屬元素和眾多的化合物和合金,64,五、亞鐵磁體 內(nèi)部磁結(jié)構(gòu)卻與反鐵磁性相同，但相反排列的磁矩大小不等量。故亞鐵磁性具有宏觀磁性（未抵消的反鐵磁性結(jié)構(gòu)的鐵磁性

37、）。 ? > 0 ，大小為1 ～103代表性物質(zhì)：各種鐵氧體,65,1.抗磁體,2.順磁體,66,66,磁介質(zhì)的磁導(dǎo)率,,67,67,課堂練習(xí),,68,68,7.2 孤立原子的磁矩(Magnetic moment of isolated atoms),69,磁性起源的現(xiàn)代觀點(diǎn)(實(shí)驗(yàn)論證),物質(zhì)的磁性來源于組成物質(zhì)中原子的磁性。 所有物質(zhì)都是由原子構(gòu)成的，而原子由原子核及核外電子構(gòu)成。帶有負(fù)電荷的電子在原子核周圍作軌道運(yùn)動(dòng)

38、和自旋運(yùn)動(dòng)。無論軌道運(yùn)動(dòng)還是自旋運(yùn)動(dòng)都會(huì)產(chǎn)生磁矩。 原子核，由于帶電，其運(yùn)動(dòng)也會(huì)產(chǎn)生磁矩，只是其磁矩很小，例如，氫核質(zhì)子產(chǎn)生的磁矩僅為電子產(chǎn)生最小磁矩的1／658左右。,磁及磁現(xiàn)象的根源是電荷的運(yùn)動(dòng)。電子運(yùn)動(dòng)不能完全抵消的原子的原子具有磁矩。原子磁矩包括電子軌道磁矩、電子自旋磁矩和原子核磁矩。電子軌道磁矩和電子自旋磁矩構(gòu)成了原子的固有磁矩，也稱本征磁矩。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,磁性起

39、源,71,7.2.1 電子和原子核的磁矩(magnetic moments of electrons and atomic nucleus),72,核外電子結(jié)構(gòu)用哪幾個(gè)量子數(shù)表征？,,73,原子內(nèi)的電子運(yùn)動(dòng)服從量子力學(xué)規(guī)律，由電子軌道運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)量矩應(yīng)由角動(dòng)量來代替，角動(dòng)量是量子化的。當(dāng)電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的主量子數(shù)為n時(shí)，角動(dòng)量由角量子數(shù)l來確定，角動(dòng)量Pl的絕對值為：,,,,,74,1. 電子軌道磁矩,74,將電子繞核的運(yùn)動(dòng)考慮成

40、環(huán)形電流，設(shè)軌道半徑為r，電子電量為e，質(zhì)量為m，運(yùn)動(dòng)角速度為?，軌道角動(dòng)量為Pl，則軌道電流強(qiáng)度,電子軌道磁矩,其中S為環(huán)形電流的面積。,75,電子的軌道角動(dòng)量,所以電子軌道磁矩,,,是量子化的。 其中,,為一常數(shù)，是電子磁矩的最小單位，稱為玻爾磁子,76,電子軌道磁矩的方向垂直于電子運(yùn)動(dòng)環(huán)形軌跡的平面，并符合右手螺旋定則，它在外磁場方向的投影，即電子軌道磁矩在外磁場z方向的分量,也是量子化的，其中ml=0, ±1,

41、77;2, ……, ±l，為電子軌道運(yùn)動(dòng)的磁量子數(shù)。,,由于電子的軌道磁矩受不斷變化方向的晶格場的作用，不能形成聯(lián)合磁矩。,77,電子自旋角動(dòng)量Ls和自旋磁矩ms取決于自旋量子數(shù)s，s=1/2，,在外磁場z方向的分量取決于自旋磁量子數(shù)mss=?1/2，即,其符號(hào)取決于電子自旋方向，一般取與外磁場方向z一致的方向?yàn)檎?shí)驗(yàn)上也測定出電子自旋磁矩在外磁場方向的分量恰為一個(gè)玻爾磁子,,,,78,2. 電子自旋磁矩（spin magn

42、etic moment）,,,79,1、在填滿電子的電子殼層中，合成的總軌道角動(dòng)量等于 零。電子自旋角動(dòng)量也互相抵消。 2、對殼層皆填滿的原子，其電子的本征磁矩為0。Why? 3、在計(jì)算原子總的磁矩時(shí)，只需考慮未填滿的次殼層。 4、一般不考慮原子核磁矩。,小結(jié)：,80,80,以上關(guān)于物質(zhì)磁性惟一來源于磁矩的觀點(diǎn)，統(tǒng)稱為《磁矩學(xué)說》，或稱為《磁偶極矩學(xué)說》。他的一

43、個(gè)很明確的結(jié)論是不存在磁單極。1931年狄拉克從理論上論證了磁單極子存在的可能性。但至今還未曾從實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)磁單極子。,3. 原子核磁矩,原子核中的質(zhì)子也帶電，其自旋也會(huì)產(chǎn)生磁矩。,質(zhì)子質(zhì)量是電子質(zhì)量的103倍以上，運(yùn)動(dòng)速度比電子小三個(gè)數(shù)量級(jí)，其磁矩?N一般比玻爾磁子?B三個(gè)數(shù)量級(jí)?？紤]原子磁矩時(shí)可將其忽略。,但利用核能級(jí)（磁矩）的量子化可以分析材料的結(jié)構(gòu)（鍵結(jié)構(gòu)、磁矩結(jié)構(gòu)等）。,物理基礎(chǔ)——原子核與周圍電子云的超微細(xì)相互作用。,82

44、,,穆斯堡爾效應(yīng)（Mossbauer effect, 原子核對?射線的共振吸收）：處于不同環(huán)境的原子吸收的?射線光子數(shù)目不同。核磁共振(Nuclear magnetic resonance, NMR)：處于不同環(huán)境的原子與外界交變磁場產(chǎn)生共振的頻率不同。,分析穆斯堡爾譜或核磁共振譜可了解磁體中順磁相、鐵磁相的量及各類原子周圍的化學(xué)環(huán)境（鍵結(jié)構(gòu)）。,超微細(xì)相互作用：原子核與其周圍的電子云相互作用，使原子核的能級(jí)發(fā)生極其微小的移動(dòng)或分裂的

45、現(xiàn)象。,83,7.2.2 原子的磁矩(Magnetic moment of atoms),84,如果要確定一個(gè)原子的磁矩，并考慮核外電子多于一個(gè)電子的情況，則首先要了解原子中電子的分布規(guī)律以及原子中電子的角動(dòng)量是如何耦合的。在多電子原子中，決定電子所處的狀態(tài)的準(zhǔn)則有兩條：一是泡利不相容原理，即是說在已知體系中，同一量子態(tài)上不能有多于一個(gè)電子；二是能量最小原理，即體系能量最低時(shí)，體系最穩(wěn)定。,85,85,總的來說，組成宏觀物質(zhì)的原

46、子有兩類： 一類原子中的電子數(shù)為偶數(shù)，即電子成對地存在于原子中。這些成對電子的自旋磁矩和軌道磁矩方向相反而互相抵消，使原子中的電子總磁矩為零，整個(gè)原子就好像沒有磁矩一樣，習(xí)慣上稱他們?yōu)榉谴旁印?偶數(shù)電子的原子并不都是非磁性原子，例如： 1）堿土金屬 2）一些過渡元素,86,磁性原子,另一類原子中的電子數(shù)為奇數(shù)，或者雖為偶數(shù)但其磁矩由于一些特殊原因而沒有完全抵消使原子中電子的總磁矩（有時(shí)叫凈磁矩，剩余磁矩）不

47、為零，帶有電子剩余磁矩的原子稱作磁性原子但原子本身的磁性無法完全決定凝聚態(tài)物質(zhì)的磁性，原子間相互作用,87,不考慮原子核的貢獻(xiàn)，原子的總角動(dòng)量和總磁矩由其中電子的軌道與自旋角動(dòng)量耦合而成。,總軌道角動(dòng)量由總軌道量子數(shù)L決定：,其中L=?mli是各電子的軌道磁量子數(shù)的總和?？傑壍来啪?Russell-Saunders耦合，各電子的軌道角動(dòng)量與自旋角動(dòng)量先分別合成總軌道角動(dòng)量PL和總自旋角動(dòng)量PS，然后二者再合成出總角動(dòng)量PJ。,88

48、,總自旋角動(dòng)量由自旋量子數(shù)S決定：,其中S=?msi是各電子的自旋磁量子數(shù)的總和?？傋孕啪?總軌道磁矩在外磁場z方向的分量為 ?Lz=mL?B,其中mL=?L, ?(L-1), ?(L-2), ……, 0，對應(yīng)于2L+1個(gè)取向。,89,總自旋磁矩在外磁場z方向的分量為 ?Sz=2mS?B,其中mS=?S, ?(S-1), ?(S-2), ……, 0，對應(yīng)于2S+1個(gè)取向。,原子總角動(dòng)量由總角量子數(shù)J決

49、定：,,其中J由L和S合成，依賴于PL和PS的相對取向,原子的總磁矩,90,其中,稱為朗德劈裂因子，其數(shù)值反映出電子軌道運(yùn)動(dòng)和自旋運(yùn)動(dòng)對原子總磁矩的貢獻(xiàn)。當(dāng)S=0而L?0時(shí)，gJ=1；當(dāng)S?0而L=0時(shí)，gJ=2；當(dāng)S?0且L?0時(shí)，孤立原子或離子的gJ可大于或小于2。,原子總自旋磁矩在外磁場z方向的分量為 ?Jz=gJmJ?B,其中mJ=?J, ?(J-1), ?(J-2), ……, 0，共2J+1個(gè)可能值。,9

50、1,小結(jié),以上孤立原子磁矩的表達(dá)式都適用于孤立離子。,當(dāng)原子的J=0時(shí)，原子的總磁矩?J=0——當(dāng)原子中的電子殼層均被填滿時(shí)即屬此情況。當(dāng)原子的電子殼層未被填滿時(shí)，其J?0，原子的總磁矩?J?0，其原子總磁矩稱為原子的固有磁矩或本征磁矩。,原子的固有磁矩與其中的電子排布有關(guān)。,占據(jù)同一軌道的兩電子的自旋磁矩方向相反，互相抵消,92,——原子的電子殼層是滿填的，自旋磁矩完全相互抵消，原子磁矩由軌道磁矩決定?！拥碾娮託游礉M填——

51、洪特規(guī)則——自旋磁矩未完全抵消，磁矩主要由自旋磁矩決定。,洪特(Hund)規(guī)則——描述含有未滿殼層的原子或離子基態(tài)的電子組態(tài)及其總角動(dòng)量。第一，未滿殼層中各電子的自旋取向(mS)使總自旋量子數(shù)S最大時(shí)能量最低；第二，在滿足第一規(guī)則的條件下，以總軌道角量子數(shù)L最大的電子組態(tài)能量最低；第三，當(dāng)未滿殼層中的電子數(shù)少于狀態(tài)數(shù)的一半時(shí)，J= 的能量最低。,93,例：孤立鐵原子的電子層分布為1s22s22p63s23p63d6

52、4s2其d電子的軌道占據(jù)情況為：,使總電子自旋磁矩為4?B 。,未滿殼層中的電子數(shù)少于狀態(tài)數(shù)的一半時(shí)占據(jù)盡可能多的軌道，且其中電子自旋方向平行 。,94,7. 3 抗磁性和順磁性(Diamagnetism and paramagnetism),95,材料中原子的電子態(tài)與孤立原子不同，使其磁性與孤立原子不同——鍵合使外層電子排布發(fā)生了變化。,共價(jià)結(jié)合常使價(jià)電子配對甚至雜化成總磁矩為零的電子結(jié)構(gòu)——?dú)浞肿印Ｔ陔x子化合物中——可使有磁

53、矩的原子變成無磁矩的離子。金屬中——磁性取決于正離子實(shí)和自由電子的磁性。例：過渡金屬中，d軌道展寬成能帶，與s能帶交疊，使s帶和d帶中的電子數(shù)與孤立原子不同?！铝⑩Z原子的外層電子組態(tài)為3d104s0，沒有磁矩，但在金屬鈀中外層電子組態(tài)則變成3d9.44s0.6，出現(xiàn)磁矩。,96,7. 3.1 抗磁性(Diamagnetism),97,理論研究表明，抗磁性來源于電子軌道運(yùn)動(dòng)在外磁場作用下的改變。,外磁場使材料中電子軌道運(yùn)動(dòng)發(fā)

54、生變化，感應(yīng)出很小的磁矩，其方向與外磁場方向相反。,所有物質(zhì)均有抗磁性磁化率，但其磁化率很小，在材料具有原子、離子或分子磁矩時(shí)，其他磁化率掩蓋了抗磁化率——只有材料中沒有固有磁矩或固有磁矩很小時(shí)抗磁性才能表現(xiàn)出來——電子殼層滿填的物質(zhì)才能成為抗磁體。,98,沒有外磁場時(shí)，分子或原子中各個(gè)電子的軌道磁矩和自旋磁矩完全抵消，其矢量和為0，即每個(gè)分子或原子的固有磁矩均為零。故整塊抗磁質(zhì)不顯現(xiàn)磁性。,,在外磁場下當(dāng)電子順時(shí)針作軌道運(yùn)動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生的

55、洛侖茲力（左手定則）向外而削弱向心力，使原逆時(shí)針方向的電流減弱。相當(dāng)于施加了反方向的電流，根據(jù)右手定則產(chǎn)生的附加磁矩Δm與外加磁場H方向相反。,99,99,每個(gè)原子內(nèi)有 z 個(gè)電子，每個(gè)電子有自己的運(yùn)動(dòng)軌道，在外磁場作用下，電子軌道繞 H 進(jìn)動(dòng)，進(jìn)動(dòng)頻率為ω，稱為Lamor進(jìn)動(dòng)頻率。由于軌道面繞磁場進(jìn)動(dòng)，使電子運(yùn)動(dòng)速度有一個(gè)變化⊿v，電子軌道磁矩增加⊿μ，但方向與磁場相反，使總的電子軌道磁矩減小。總之，由于磁場作用引起電子軌道磁矩減小，

56、表現(xiàn)出抗磁性。,100,,,101,101,無論電子順時(shí)針運(yùn)動(dòng)還是逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)，所產(chǎn)生的附加磁矩△m都與外加磁場的方向相反，故稱為抗磁矩。,一個(gè)電子在外加磁場H 的作用下，產(chǎn)生的的抗磁矩為,式中，負(fù)號(hào)表示△ml與H 的方向相反;分母me為電子質(zhì)量,一個(gè)原子常有z 個(gè)電子，每個(gè)電子都要產(chǎn)生抗磁矩，由于電子的軌道半徑不同，故一個(gè)原子的抗磁矩為,任何材料在磁場作用下都要產(chǎn)生抗磁性，與溫度、外磁場無關(guān)。從廣義上來說，超導(dǎo)也是一種抗磁性。,102

57、,外加磁場所感生的軌道矩改變,,抗磁性,抗磁性是普遍存在的，它是所有物質(zhì)在外磁場作用下毫不例外地具有的一種屬性，大多數(shù)物質(zhì)的抗磁性因?yàn)楸惠^強(qiáng)的順磁性所掩蓋而不能表現(xiàn)出來。,103,物質(zhì)的抗磁性不是由于電子的軌道磁矩和自旋磁矩產(chǎn)生的，而是由外磁場作用下電子循軌運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的附加磁矩造成的，此磁矩與外磁場成正比，也是可逆的。任何物質(zhì)的電子都有循軌運(yùn)動(dòng)，因此任何物質(zhì)都有抗磁性抗磁性和抗磁體是有區(qū)別的。有抗磁性但不一定是抗磁體,,抗磁性物質(zhì)

58、,104,104,7. 3. 2 順磁性(Paramagnetism),105,順磁質(zhì)在外磁場中的磁化，主要是由分子磁矩的取向作用所產(chǎn)生的，而抗磁效應(yīng)是無足輕重的。無外磁場時(shí)，分子中各個(gè)電子的軌道磁矩與自旋磁矩未能相互抵消，每個(gè)分子有固有磁矩Pm且不等于0。即順磁質(zhì)中，每個(gè)分子均顯示出磁性。但整個(gè)物質(zhì)由于熱運(yùn)動(dòng)的影響，對外并不表現(xiàn)為磁性。組成材料的原子中具有未成對電子或內(nèi)殼層未被填滿、或具有奇數(shù)個(gè)核外電子的原子或離子產(chǎn)生的磁矩不

59、為0。,106,106,郎之萬順磁性理論,理論的基本概念：順磁性物質(zhì)的原子間無相互作用（類似于稀薄氣體狀態(tài)），在無外場時(shí)各原子磁矩在平衡狀態(tài)下呈現(xiàn)出混亂分布，總磁矩為零，當(dāng)施加外磁場時(shí)，各原子磁矩趨向于H方向。,107,當(dāng)外加磁場時(shí)，由于磁場與分子電流磁矩的相互作用除克服磁矩間相互作用引起的無序，還需克服溫度使原子磁矩趨于的混亂分布，最后外加磁場使原子磁矩趨于規(guī)則取向。一旦外加磁場增加到能補(bǔ)償熱運(yùn)動(dòng)能量時(shí)，原子磁矩就一致排列，顯示為順磁

60、性。,108,順磁性主要來源于外磁場對原子或離子固有磁矩的取向作用。,108,1895年居里(P. Curie) 順磁磁化率與溫度的關(guān)系(居里定律),其中T為絕對溫度；C為常數(shù)，稱為居里常數(shù)。,朗之萬(P. Langevin)等的解釋：根據(jù)經(jīng)典統(tǒng)計(jì)理論，原子熱振動(dòng)的動(dòng)能Ek與溫度成正比，即 Ek?kT其中k為玻爾茲曼常數(shù)，T為絕對溫度。,熱振動(dòng)使原子磁矩傾向于混亂分布，在任何方向上的原子磁矩之和為零，對外不表現(xiàn)磁性。,

61、109,,當(dāng)外磁場增加到使勢能U的減少能夠補(bǔ)償熱運(yùn)動(dòng)的能量時(shí)，原子磁矩即一致排列，此時(shí)：,當(dāng)有磁感應(yīng)強(qiáng)度為B0的外磁場時(shí)，原子磁矩m與B0的夾角?要盡量小，以降低勢能： U=-mB0cos? ——外磁場使原子磁矩m趨于一致排列。,kT ?mB0,110,不考慮材料中磁性離子的相互作用，在高溫低磁場的情形下，可推導(dǎo)出磁化率,其中n為單位體積內(nèi)的原子數(shù),稱為居里常數(shù),通過測量?和T的關(guān)系，可求出斜率C，進(jìn)而求出原子磁矩m。,

62、111,計(jì)算表明：當(dāng)T=1000K，磁場為1T，順磁物質(zhì)的磁化強(qiáng)度M≈102A/m——順磁物質(zhì)很難磁化。,當(dāng)材料中磁性離子較多，相互作用較強(qiáng)而不可忽略時(shí)，其順磁磁化率常服從居里－外斯定律,其中Tc是居里溫度，可能來源于交換作用、偶極子相互作用或晶體電場的作用。,112,順磁體/順磁性物質(zhì),,1.正常順磁體,O2，NO，Pt；Pd稀土金屬；Fe, Co, Ni的鹽類；Fe, Co, Ni,2.磁化率與溫度無關(guān),3.

63、存在反鐵磁體轉(zhuǎn)變,堿金屬,過渡族金屬及其合金或它們的化合物,113,113,1、正常順磁體,居里定律,居里-外斯定律,磁化率與溫度成反比。,114,114,2、磁化率與溫度無關(guān)的順磁體 堿金屬3、存在反鐵磁體轉(zhuǎn)變的順磁體,115,反鐵磁體當(dāng)溫度高于尼爾點(diǎn)（TN）時(shí)，表現(xiàn)為順磁體。,過渡族金屬及其合金或它們的化合物。,115,練習(xí)：鐵磁性物質(zhì)磁化率與溫度的關(guān)系示意圖,,116,T,TC,116,7. 4 鐵磁性(Fe

64、rromagnetism),117,鐵磁體？,如果物質(zhì)的χ大于0，且數(shù)值很大，這類物質(zhì)為鐵磁性物質(zhì)，如Fe、Co、Ni等。鐵磁性材料具有很強(qiáng)的磁性，在技術(shù)具有廣泛的應(yīng)用，通常所指的磁性材料就是這類材料。,電工純鐵,金屬鈷,金屬鎳,118,研究表明，鐵磁性和順磁性具有相同的來源。對順磁體來說，要使順磁體中由于熱擾動(dòng)而排列混亂的磁矩在室溫下達(dá)到接近于整齊排列的狀態(tài)，需要8×108A/m的強(qiáng)磁場，目前的極限磁場很難達(dá)到如此高的強(qiáng)

65、度。對鐵磁體來說，它的磁化強(qiáng)度容易改變，只需在很小的磁場下（1×103A/m）就可以達(dá)到技術(shù)飽和；磁場去除后，這種排列仍然可以保持下去。,119,順磁性的來源？,鐵磁性研究的核心問題就是為什么鐵磁體的原子磁矩比順磁體容易整列得多？,物質(zhì)內(nèi)部原子磁矩的排列a:順磁性 b:鐵磁性 c:反鐵磁性 d:亞鐵磁性,120,7. 4. 1 鐵磁體磁化的現(xiàn)象(Phenomena of the magnetization of fer

66、romagnetic materials),,121,它表示磁場強(qiáng)度H與所感生的B或M之間的關(guān)系（非線性）O點(diǎn)：H＝0、B＝0、M＝0，磁中性或原始退磁狀態(tài)OA段：近似線性，起始磁化階段AB段：較陡峭，表明急劇磁化HHm后，M逐漸趨于一定值MS（飽和磁化強(qiáng)度），而B則仍不斷增大(原因?)由B－H（M－H）曲線可求出?或?,一、磁化曲線 (magnetization curve),122,施加外部磁場H：,M和B 都沿OB

67、線增加,至B點(diǎn)達(dá)到飽和,Ms和Bs分別稱為飽和磁化強(qiáng)度和飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度。,以后磁場強(qiáng)度增加， M不升高。,達(dá)到飽和后，逐漸減弱外磁場H， M和B也減小，此過程稱為退磁。,磁滯回線,123,退磁并不沿OB逆向進(jìn)行，而是沿BC段進(jìn)行。,,繼續(xù)增大反向磁場，至E點(diǎn)M和B達(dá)到反向飽和。,124,當(dāng)H =0時(shí)，M和B 處于Mr和Br處(C點(diǎn))，不為零，稱為剩余磁化強(qiáng)度和剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度（剩磁）,加反向磁場至D，則M =0，B =0，即完全消除剩磁，

68、此處的磁場強(qiáng)度H c稱為矯頑力。,磁滯現(xiàn)象：退磁過程中M和B的變化落后于H的變化的現(xiàn)象。,再沿正方向增大磁場，可得另一半磁化曲線EFGB,,D,E,C,Mr(Br),Hc,,磁滯回線：外磁場強(qiáng)度H從Hm變到-Hm再到Hm，磁化曲線形成封閉環(huán)。,磁滯回線所包圍的面積表征磁化和退磁一周所消耗的功，稱為磁滯損耗,125,125,磁滯回線是磁材的重要特性之一 磁滯回線的第二象限為退磁曲線（依據(jù)此考察永磁材料性能），退磁曲線上每一點(diǎn)所對應(yīng)的B和